鍋爐煙氣脫硝控制系統(tǒng)分析

梁孟強(qiáng) 丁婷 吳帥

摘 要 文章運(yùn)用史密思估計(jì)補(bǔ)償控制的方法，研究了鍋爐煙氣脫硝控制過(guò)程中魯棒性較差的原因，并將其進(jìn)行了優(yōu)化。為了獲取更好的控制效應(yīng)，對(duì)史密思預(yù)估補(bǔ)償控制中所采取的PID控制器進(jìn)行了系數(shù)整定。最后通過(guò)Matlab仿真得出了速度相對(duì)較快，抗干擾較好的史密思預(yù)估補(bǔ)償控制的鍋爐煙氣脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 鍋爐煙氣脫硝控制;史密思估計(jì)補(bǔ)償控制;Matlab

1理論描述

現(xiàn)在的閉環(huán)自動(dòng)控制方法為了減少可變性，大多是基于反饋的原理[1]。反饋理論的要素包括測(cè)量，比較和實(shí)現(xiàn)三個(gè)部分，關(guān)鍵是測(cè)量受控變量的實(shí)際值。將其與控制變量進(jìn)行比較，并使用此偏差來(lái)校正，運(yùn)行調(diào)節(jié)。工程實(shí)踐中，經(jīng)常使用的調(diào)節(jié)器控制法則是比例-積分-微分控制，稱為PID調(diào)節(jié)。

作為工業(yè)控制運(yùn)用中較多出現(xiàn)的信息反饋零部件，PID調(diào)節(jié)器已有近百年的歷史，其主要由比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative）組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制;積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)[2]。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式1-1

其中積分的上下限分別是0和t，因此它的表達(dá)函數(shù)為：

G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式1-2

其中kp為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。

2脫硝模型描述

不同負(fù)載下，鍋爐煙氣脫硝中的數(shù)學(xué)模型是存在差異的。我們以單位負(fù)載為650 MW，氨注入量和輸出NOx含量的躍階響應(yīng)模型[3]為例。其表達(dá)函數(shù)為：

式1-3

3史密思預(yù)估補(bǔ)償模型

史密思預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)闹饕椒ㄊ翘崆敖⒖刂七^(guò)程的動(dòng)態(tài)關(guān)系模型，然后并行連接估計(jì)量，使其彌補(bǔ)滯后過(guò)程的特性，試圖控制延遲時(shí)間控制，將該量提前發(fā)送給調(diào)節(jié)器，使其預(yù)先做出反應(yīng)，從而消除了閉環(huán)中滯后因素的作用[4]。因此，可以顯著降低過(guò)程中的超調(diào)因素，減小過(guò)渡時(shí)間值，有效提高控制質(zhì)量[5]。因此，它是大滯后系統(tǒng)較為合適的控制方法[6]。其原理如下圖1所示：

圖2中Wc（s）為PID調(diào)節(jié)器;為控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)關(guān)系模型;Wo（s）為不含滯后時(shí)間的模型;Ws（s）—史密思預(yù)估補(bǔ)償器。于是，史密思補(bǔ)償系統(tǒng)框圖可表示為：

4仿真與結(jié)果分析

PID、PI、PD響應(yīng)曲線對(duì)比

從圖1和圖2看出，當(dāng)PID控制器為PID控制時(shí)

（1）PID的最大超調(diào)量相比于PI、PID較小，系統(tǒng)過(guò)渡相對(duì)于平穩(wěn)，系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)定值的時(shí)刻為610s，即上升時(shí)間tr=610s。系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間為800s秒，即調(diào)節(jié)時(shí)間ts=800s、振蕩次數(shù)也較少。

（2）PI的最大超調(diào)量偏大，上升時(shí)間tr約為750s，調(diào)節(jié)時(shí)間ts約為2250s，振蕩次數(shù)多。PD的最大超調(diào)量偏小，上升時(shí)間tr約為625s，調(diào)節(jié)時(shí)間ts約為1875s，振蕩次數(shù)多。

（3）當(dāng)最大超調(diào)量越小，說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)。調(diào)節(jié)時(shí)間ts越小，系統(tǒng)的快速性越好，振蕩次數(shù)ts越小，說(shuō)明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好，綜上所述，此次選擇的PID控制器為PID控制。

在仿真時(shí)，控制器的傳遞函數(shù)選擇PID控制，參數(shù)設(shè)置為Kp=-1.595，Ki=-0.00401，Kd= -158.6.被控對(duì)象的模型則根據(jù)脫硝模型設(shè)定為

式1-4

即W0（s）= 式1-5

脫硝標(biāo)準(zhǔn)要求在70～80 mg/m3，為了簡(jiǎn)化仿真過(guò)程，選擇70作為輸入設(shè)定值，根據(jù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，設(shè)定時(shí)間滯后τ值為166，完成系統(tǒng)的Simulink模型的搭建。

從圖5和圖6的對(duì)比可以看出，僅使用PID控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)了10%的超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)于史密思預(yù)估補(bǔ)償控制而言較慢，但上升時(shí)間較快，史密思預(yù)估補(bǔ)償相對(duì)平緩。

為進(jìn)一步對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，在系統(tǒng)中添加一個(gè)隨機(jī)的[-5，+5]范圍，干擾頻率在500s的干擾量來(lái)觀察兩者在對(duì)干擾的處理性能上的差異，通過(guò)對(duì)比可以得知：當(dāng)面對(duì)相同的干擾下，史密思預(yù)估補(bǔ)償控制抗干擾能力更強(qiáng)。

5結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)史密思預(yù)估補(bǔ)償控制相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制在面對(duì)具有時(shí)滯環(huán)節(jié)的脫硝控制過(guò)程中具有更快的調(diào)節(jié)速度與穩(wěn)定性，同時(shí)也具有更強(qiáng)的抗干擾能力。采用史密思預(yù)估補(bǔ)償控制的煙氣脫硝系統(tǒng)具有更好的控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫云，王長(zhǎng)安，劉京燕，等.混煤燃燒技術(shù)研究進(jìn)展[J].電站系統(tǒng)工程，2011，27（2）：1-3，7.

[2] 梁川，沈越.1000MW機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行[J].中國(guó)電力，2012，45（1）：41-44.

[3] 牛培晦，肖興軍，李國(guó)強(qiáng)，等.基于萬(wàn)有引力搜索算法的電廠鍋爐NOX排放模型的參數(shù)優(yōu)化[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（2）：100-106.

[4] 陳慧，陳德珍，王娜，等.中溫條件下煙氣De-NOX技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，（20）：17-27.

[5] 禾志強(qiáng)，祁利明.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行方式及控制[J].熱力發(fā)電，2009，38（11）：93-96.

[6] 馬平，李奕杰.一種大遲延系統(tǒng)的控制方法[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，

2012，38（6）：66-69.