蒸汽流量系統(tǒng)協(xié)同測(cè)控策略的分析研究

鄭軍林，吳廉巍，李頂根（.海軍駐武漢70所軍事代表室，武漢 430064；.華中科技大學(xué)，武漢 430064）

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蒸汽流量系統(tǒng)協(xié)同測(cè)控策略的分析研究

鄭軍林1，吳廉巍1，李頂根2
（1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064；2.華中科技大學(xué)，武漢 430064）

摘要：針對(duì)蒸汽利用裝置的蒸汽總管壓力穩(wěn)定問題，提出有效的控制方法使得當(dāng)充汽閥按給定曲線動(dòng)作時(shí)，減壓閥能夠有效跟隨響應(yīng)蒸汽流量變化，并維持蒸汽總管壓力的穩(wěn)定。為探究蒸汽通過閥門后的溫度、壓力等動(dòng)態(tài)變化過程，耦合Matlab/Simulink與AMESim軟件平臺(tái)建立控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行控制過程仿真與分析。分別提出前饋PI控制和預(yù)測(cè)PI控制兩種控制方法并進(jìn)行測(cè)試、分析和比較，從而確定較優(yōu)的控制方案及其適用工況。

關(guān)鍵詞：蒸汽系統(tǒng)減溫減壓PI控制耦合仿真

0　引言

在蒸汽利用裝置中，一般要將總管蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近，一方面，穩(wěn)定的蒸汽壓力將有益于提高母管蒸汽流量的測(cè)量精度，減少閥門協(xié)同控制的干擾因素，提高控制品質(zhì)；另一方面，蒸汽的降溫與冷凝過程均與蒸汽入口壓力有關(guān)，因此蒸汽壓力的穩(wěn)定有利于后續(xù)噴霧減溫以及蒸汽冷凝回收系統(tǒng)的良好工作。

為此對(duì)比分析減壓閥及充汽閥之間的若干種協(xié)同控制方法，進(jìn)行控制過程仿真與分析顯得很重要。研究中將探究蒸汽通過閥門后的蒸汽溫度、壓力等動(dòng)態(tài)變化過程，為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)控制提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)的控制過程仿真及檢測(cè)。

1　仿真系統(tǒng)

利用AMESim作為一個(gè)完整的系統(tǒng)工程仿真平臺(tái)，Simulink作為事實(shí)上的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的AMESim-Simulink接口用于AMESim的被控對(duì)象模型和控制系統(tǒng)模型之間的耦合分析。借助Matlab的計(jì)算功能，有效地解決仿真技術(shù)中的問題［1］。

1.1對(duì)象描述

總管蒸汽壓力需穩(wěn)定在6.0 MPa附近，過熱蒸汽由總管進(jìn)入，然后通過三條支路，分別為兩條蒸汽充汽系統(tǒng)管道和一條蒸汽旁通系統(tǒng)管道。對(duì)于充汽系統(tǒng)來說，一次蒸汽通過充汽調(diào)節(jié)閥，先后進(jìn)入充汽閥支路，儲(chǔ)汽筒，蓄氣充能。同時(shí)根據(jù)蒸汽系統(tǒng)的要求，將多余的高溫過熱蒸汽及時(shí)減溫減壓至設(shè)計(jì)指標(biāo)附近，然后經(jīng)冷凝器冷凝成液態(tài)水并回收利用。

裝置中的減壓系統(tǒng)采用節(jié)流孔板與減壓閥來共同降壓，雙級(jí)減壓閥［2-3］流量特性定為等百分比特性。充入儲(chǔ)氣筒的蒸汽將流經(jīng)充氣調(diào)節(jié)閥，充汽調(diào)節(jié)閥為單級(jí)閥，流量特性暫定為線性特性。

1.2仿真模型

裝置中的流通工質(zhì)為過熱蒸汽，選擇氣動(dòng)設(shè)計(jì)庫設(shè)計(jì)減壓閥和調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)設(shè)計(jì)庫中的平底閥座提升閥元件可實(shí)現(xiàn)對(duì)減壓閥和調(diào)節(jié)閥的功能部分的模擬［4］。

在平底閥座提升閥元件的基礎(chǔ)上加入平衡彈簧和位移輸入裝置，便組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的單級(jí)調(diào)節(jié)閥模塊，由于其采用了位移輸入方式，故在AMESim仿真模塊中不考慮執(zhí)行器部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性將在Simulink模塊中實(shí)現(xiàn)。雙級(jí)套筒可由兩組單級(jí)調(diào)節(jié)閥串聯(lián)得到，其中第一級(jí)調(diào)節(jié)閥的位移為外部輸出，第二級(jí)調(diào)節(jié)閥的位移信號(hào)為常數(shù)。

由于雙級(jí)減壓閥為等百分比特性，將實(shí)際過程中的閥流通面積A 和AMESim仿真系統(tǒng)中pn_bao4元件位移輸入X關(guān)聯(lián)起來，即有便可滿足減壓閥等百分比流量特性。多孔節(jié)流孔板可以用大孔徑單孔節(jié)流孔板替代模擬。"Cp "元件為有兩個(gè)端口的壓力容器，可用來模擬儲(chǔ)氣筒以及管道與閥門連接處的不規(guī)則容積。

添加管道、汽缸、傳感器以及外部Simulink數(shù)據(jù)交換接口等其他元件，得到包含充汽系統(tǒng)和減壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型（如圖1所示）。

1.3聯(lián)合仿真設(shè)置

在AMESim中經(jīng)過系統(tǒng)編譯、參數(shù)設(shè)置等生成供Simulink使用的S函數(shù)，在Simulink環(huán)境中，將建好的包含其他Simulink模塊的AMESim模型當(dāng)作一個(gè)普通的S函數(shù)對(duì)待，添加入系統(tǒng)的Simulink模型中。從而實(shí)現(xiàn)AMESim與Simulink的聯(lián)合建模與仿真［5］。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1問題描述

圖1　AMESim仿真模型

裝置中主蒸汽管道一次蒸汽額定入口流量為145 t/h，不充汽時(shí)一次蒸汽經(jīng)旁通支路流出。根據(jù)船上使用工況，在充汽閥組工作狀態(tài)下，減溫減壓裝置在充汽閥組用汽階段的使用周期為35s，有單次充汽和7min連續(xù)充汽兩種工況。

假設(shè)總管蒸汽壓力、溫度為P0、T0，汽缸壓力為1P，充汽閥升程為H1。減壓閥后壓力為2P，閥升程為H2。忽略溫度的動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)理想氣體方程和質(zhì)量守恒可得蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)方程為：

式中，W0為總管蒸汽入口流量，W1、W2分別充汽閥和減壓閥的流量，且有

另P0為系統(tǒng)輸出變量，H1、H2為系統(tǒng)輸入變量，W0為系統(tǒng)外部輸入變量，則這是一個(gè)雙輸入單輸出的系統(tǒng)。由于充氣工況時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)輸入同時(shí)變化，要實(shí)現(xiàn)總管蒸汽壓力P0的穩(wěn)定，需要充氣系統(tǒng)的減壓系統(tǒng)的協(xié)同配合控制。下面分別利用前饋PI控制和預(yù)測(cè)PI控制［6］兩種控制方法進(jìn)行仿真。

2.2前饋PI控制

令式（1）中微分項(xiàng)0P為零，即

其中W2=W0- W1。假設(shè)W0m為總管蒸汽流量的測(cè)量值或估算值，W1，ref為充汽流量的目標(biāo)值，那么減壓閥流量的目標(biāo)值應(yīng)為W2，ref=W0m-W1，ref。根據(jù)減壓閥的流量特性或流量系數(shù)可以計(jì)算得到參考升程H2，ref，同時(shí)引入PI反饋消除穩(wěn)態(tài)誤差，得H2的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為

其l為擬合的減壓閥等百分比特性參數(shù)。

利用前饋PI控制策略對(duì)單次充汽工況進(jìn)行控制仿真。假設(shè)入口流量恒為145 t/h，則仿真過程中外部輸入為145 t/h，仿真時(shí)間間隔設(shè)為0.05s，仿真持續(xù)時(shí)間為50s，其總管蒸汽壓力響應(yīng)（如圖2所示）?？梢钥闯觯趩未纬淦r下總管蒸汽壓力波動(dòng)較小，且一直處于合理范圍內(nèi)，控制策略起到了很好的穩(wěn)壓作用。

利用前饋PI控制策略對(duì)連續(xù)充汽工況進(jìn)行控制仿真，仿真持續(xù)時(shí)間為120s。連續(xù)充汽工況下的總管蒸汽壓力響應(yīng)（如圖3所示），控制策略穩(wěn)壓效果明顯。對(duì)于溫度和其他非總管部分壓力參數(shù)的變化過程來說，連續(xù)充汽工況大致上是單次充汽工況的重復(fù)。

圖2　前饋PI控制下單次充汽總管蒸汽壓力響應(yīng)

圖3　連續(xù)充汽工況下總管蒸汽壓力響應(yīng)

由于實(shí)際過程中入口蒸汽流量會(huì)存在一定的擾動(dòng)，會(huì)影響到控制器的穩(wěn)壓效果。為了研究PI前饋控制器的抗干擾性能，在仿真過程22s和27s處對(duì)入口蒸汽流量施加即時(shí)擾動(dòng)。在單次充汽工況下分別對(duì)擾動(dòng)已知和擾動(dòng)未知兩種情況進(jìn)行控制仿真（如圖4所示）。在擾動(dòng)已知的情況下，前饋PI控制策略可以較好地抑制擾動(dòng)，起到穩(wěn)壓作用。然而在擾動(dòng)未知的情況下，控制策略無法有效克服干擾，無法保證總管蒸汽壓力一直處于合理范圍內(nèi)。

圖4　擾動(dòng)已知和擾動(dòng)未知情況下前饋PI控制效果

另外，對(duì)減壓閥、充氣閥的流量變化和閥門升程變化進(jìn)行控制仿真，結(jié)果是閥的流量與參考值吻合較好，且閥門升程變化曲線非常光順，控制平滑。

2.3預(yù)測(cè)PI控制

2.3.1預(yù)測(cè)PI控制原理［7］

預(yù)測(cè)PI控制作為一種基于模型的控制算法，無需知道過程的精確模型，只要知道過程大致的模型。實(shí)際工業(yè)上大多數(shù)過程都可以近似為一階純滯后的模型。假設(shè)控制系統(tǒng)所期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

假設(shè)控制器的傳遞函數(shù)為Gc，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

經(jīng)過數(shù)學(xué)推算，可以得到控制器的傳遞函數(shù)為：

因此可得控制器的輸入輸出關(guān)系為：

2.3.2被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)辨識(shí)

對(duì)于某些復(fù)雜的生產(chǎn)過程，采用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)的方法建立系統(tǒng)模型。利用階躍響應(yīng)法求取對(duì)象輸出與輸入的關(guān)系。

系統(tǒng)是一個(gè)兩輸入一輸出的系統(tǒng)，當(dāng)入口蒸汽流量不變時(shí)，有

式中，p0為主管道蒸汽壓力，兩個(gè)輸入H1、H2分別為充汽閥和減壓閥升程。根據(jù)H1的采集信號(hào)及公式（10）

可計(jì)算得到減壓閥的參考升程H2，ref，且有

式中，η（p0，H1）為模型失配誤差與系統(tǒng)在H2，ref處線性化所引起的誤差之和。如式（12）所示，當(dāng)入口流量不變時(shí)，以H2-H2，ref為輸入，p0為輸出，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的新系統(tǒng)為一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)。當(dāng)入口流量發(fā)生變化時(shí)，將入口流量的變化量視為系統(tǒng)外部擾動(dòng)，則該系統(tǒng)仍然是一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)。

利用兩點(diǎn)法來計(jì)算出對(duì)象模型。對(duì)于一階純滯后系統(tǒng)的一般傳遞函數(shù)的形式為：

圖5　系統(tǒng)階躍響應(yīng)

根據(jù)兩點(diǎn)求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的參數(shù)為

表1　兩點(diǎn)法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可得t0.39=0.53s，t0.63=0.67s，

則根據(jù)式（14）可以算出

從而得到系統(tǒng)過程對(duì)象的傳遞函數(shù)：

2.3.3控制仿真

用Simulink軟件搭建PPI控制器的仿真模塊（如圖6所示）。取標(biāo)稱值分別為：

執(zhí)行器時(shí)滯仍設(shè)為0.2s。

對(duì)單次充汽工況進(jìn)行控制仿真，PPI與前饋PI控制效果對(duì)比（如圖7所示）。可以看到當(dāng)系統(tǒng)具有明顯的遲滯時(shí)，前饋PI控制策略由于遲滯的影響會(huì)使得控制輸出出現(xiàn)震蕩，無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或者調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)。而PPI控制策略通過PI反饋來保證控制器的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)考慮了系統(tǒng)遲滯對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，因而可以在系統(tǒng)突變后慢慢趨于穩(wěn)定。為了研究PPI控制策略的魯棒性，將系統(tǒng)對(duì)象的參數(shù)修改為增益K=-1，時(shí)間常數(shù)T=0.4s，可得參數(shù)λ對(duì)模型失配的影響。為研究控制系統(tǒng)抗干擾性，在系統(tǒng)的入口蒸汽流量加入5個(gè)幅度的脈沖干擾，研究參數(shù)λ對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力的影響。分別取參數(shù)λ的值為0.05、0.2、0.5、2，通過仿真結(jié)果可得，隨著參數(shù)λ的增大，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間增加，降低響應(yīng)快速性；當(dāng)受到對(duì)象失配或外界干擾時(shí)，參數(shù)λ增大可以使系統(tǒng)的超調(diào)量減小、阻尼增大，提高魯棒性和抗干擾性。但參數(shù)λ過大會(huì)使得調(diào)節(jié)時(shí)間過大，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

圖6　PPI控制器模塊

圖7　PPI控制與前饋PI控制的仿真效果對(duì)比

3　結(jié)束語

控制系統(tǒng)仿真表明，這兩種控制策略均存在應(yīng)用潛力，且最佳控制策略視被控對(duì)象的特性而定。前饋PI控制策略要求被控對(duì)象未知擾動(dòng)較小，且不存在明顯系統(tǒng)遲滯；預(yù)測(cè)PI容許被控對(duì)象存在系統(tǒng)遲滯。

由于實(shí)際被控對(duì)象是蒸汽利用裝置，其大部分管道為大直徑大體積蒸汽管道，充排效應(yīng)比較強(qiáng)。再考慮到減壓閥執(zhí)行器存在死區(qū)、響應(yīng)時(shí)間等因素，故廣義被控對(duì)象可能會(huì)存在一定的系統(tǒng)時(shí)滯。在充汽閥按給定曲線快速動(dòng)作時(shí)，充汽閥和減壓閥流量均快速變化，即使較小的系統(tǒng)時(shí)滯也會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不小的影響。另一方面，原裝置在蒸汽總管和各支管均裝有流量傳感器，系統(tǒng)的擾動(dòng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量。故對(duì)于上述裝置的控制問題，預(yù)測(cè)PI控制是一種行之有效的控制方案。

由于研究條件的限制，控制策略均只進(jìn)行了軟件仿真，其控制效果需要測(cè)試來證明。

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Analysis of Cooperative Test and Control Strategy of Steam Flow System

Zheng Junlin1，Wu Lianwei1，Li Dinggen2
（1.Naval Representatives Office in 701 Research Institute，Wuhan 430064，China；2.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430064，China）

Abstract:Aimed at the issue of stabling the pressure of main steam pipes for the steam utilization system，an effective control method is put forward that makes depressurizing valve can effectively respond to the changes of steam flow when aerating valve works according to the given curve，and maintain stable pressure of main steam pipes.To explore the dynamic changes of temperature and pressure after steam through the valves，control system model is established to execute control process simulation and analysis by coupling Matlab/Simulink with AMESim software platform.PI feed forward control and predictive PI control is put forward.By testing，analyzing and comparing each control scheme，the optimal control scheme and working condition are determined.

Keywords:steam system； temperature and pressure reduction； PI control； coupled simulation

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0018-05

收稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：鄭軍林（1970-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：輪機(jī)工程。