基于改進串級策略的脫硝優(yōu)化控制方法研究

摘要：火電機組脫硝系統(tǒng)被控對象具有大慣性、大滯后、多源擾動等特性問題，導致常規(guī)串級控制方法無法有效投入自動。為了提升脫硝控制系統(tǒng)的控制性能，結(jié)合改進Smith預估補償控制策略與自抗擾控制策略，提出了一種改進的串級脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)，算法簡單，易于DCS組態(tài)搭建。通過仿真驗證可知，所提改進串級控制無論在設(shè)定值跟蹤還是抗擾動能力方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)串級PID控制，具有較好的實際工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：脫硝系統(tǒng);串級控制;Smith預估補償;自抗擾控制;PID控制器

中圖分類號：TK321" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0014-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.004

0" " 引言

燃煤火電機組脫硝系統(tǒng)大多采用選擇性催化還原脫硝方式（Selective Catalytic Reduction，SCR），該方法脫硝效率高，技術(shù)成熟，因而應(yīng)用廣泛[1-2]?？紤]到安全性問題，當前大多電廠完成了尿素替代傳統(tǒng)液氨方式的改造，但脫硝反應(yīng)本質(zhì)機理未改變[3]。然而脫硝系統(tǒng)實際運行過程中，由于自身大慣性、大滯后及非線性問題，控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)精準控制，甚至自動都無法有效投入[4]。

傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)大多采用經(jīng)典的串級控制策略，以PID調(diào)節(jié)器作為控制器，無法對存在大慣性、大滯后及非線性特性的對象實現(xiàn)有效控制。

為解決脫硝控制系統(tǒng)存在的問題，許多學者開展了相關(guān)研究。

文獻[5]針對脫硝系統(tǒng)自身特性，提出了一種基于多維狀態(tài)信息和分段獎勵函數(shù)優(yōu)化的深度確定性策略梯度協(xié)同PID控制器，將其用于脫硝系統(tǒng)控制設(shè)計，仿真表明，可提升PID控制效果與魯棒性。

文獻[6]為提升脫硝控制系統(tǒng)的設(shè)定值跟蹤與擾動抑制能力，結(jié)合改進自抗擾與前饋控制，設(shè)計了脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)，取得了較好的控制效果。

文獻[7]提出了一種串級自耦PID控制器，仿真測試表明該方法具有更佳的響應(yīng)速度，同時無超調(diào)，抗干擾能力與魯棒性優(yōu)。

文獻[8]提出一種模型輔助遲延線性自抗擾控制器，參數(shù)整定簡單，通過與其他控制器比較，進一步提升了設(shè)定值跟蹤與抗干擾能力。

文獻[9]基于預測控制，提出了一種偽前饋動態(tài)矩陣控制算法，通過算法改進，簡化了優(yōu)化計算，通過仿真驗證了算法的有效性與優(yōu)勢。

基于模糊控制[10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]等的人工智能算法也在脫硝控制中得到了應(yīng)用，并通過仿真驗證了算法的有效性。

然而，由于當前火電機組DCS控制平臺的限制，大量的先進控制算法在實際應(yīng)用過程中存在較多問題，另外，眾多的先進控制算法存在整定參數(shù)多、參數(shù)整定困難等問題。因此，如何有效提升脫硝控制系統(tǒng)的控制性能，且使所采用的控制算法易于工程實施成為本文研究的出發(fā)點。

本文針對脫硝系統(tǒng)被控對象的動態(tài)特性特點，結(jié)合改進Smith預估補償控制策略與自抗擾控制策略，提出了一種串級脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)，提升了脫硝控制系統(tǒng)的設(shè)定值跟蹤與抗擾動能力，同時算法簡單，易于DCS組態(tài)搭建。首先，本文對傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)與控制模型進行了介紹;然后，分析了改進Smith預估補償控制與自抗擾控制策略兩種控制算法的串級融合結(jié)構(gòu)與算法;最后，通過仿真對比驗證了所提算法的有效性。

1" " 脫硝控制結(jié)構(gòu)和控制模型

火電機組SCR脫硝系統(tǒng)工藝示意圖如圖1所示，鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣進入SCR反應(yīng)器，氮氧化物與氨氣、空氣的混合氣體在催化劑的作用下發(fā)生化學反應(yīng)，將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣與水[12]。

傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)采用串級控制結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖中，SCR出口NOx濃度設(shè)定值r與測量值y2比較送入外回路PID控制器計算得到噴氨量需求設(shè)定值u2，與噴氨流量反饋值y1比較送入內(nèi)回路P控制器計算得出噴氨閥門開度指令。

外回路主調(diào)節(jié)PID控制器表達式為：

式中：kp、Ti和Td為PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間。

文獻[8]建立了多負荷段的脫硝系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，本文選取80%負荷點的模型作為被控模型。其中噴氨閥門開度到實際噴氨流量的傳遞函數(shù)模型如下：

噴氨流量對SCR出口NOx濃度的傳遞函數(shù)關(guān)系表達式為：

從式（3）可以看出，脫硝系統(tǒng)存在大慣性與大時滯特征，并且時滯特征占主導地位。

2" " 改進串級控制算法

由于脫硝控制系統(tǒng)存在較大的純時延環(huán)節(jié)，且常規(guī)PID控制為事后調(diào)節(jié)控制器，無法保障脫硝系統(tǒng)的快速精準控制，為此將外回路PID控制器更改為Smith預估補償控制器?？紤]到常規(guī)Smith預估補償控制器魯棒性差，本文采用了一種改進的Smith預估補償控制器[13]，該算法較好地解決了Smith預估補償控制器魯棒性差的問題。另一方面，由于脫硝系統(tǒng)擾動包括負荷、閥門非線性、閥前壓力波動、入口NOx濃度波動等多擾動問題，將快速消除內(nèi)擾的內(nèi)回路控制器P更改為自抗擾控制器（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）[14]，ADRC相對于PID控制器具有更優(yōu)的擾動抑制能力。改進的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖中的虛線框內(nèi)為內(nèi)回路自抗擾控制器。ESO為擴張狀態(tài)觀測器，其計算表達式為：

式中：β1、β2為擴張狀態(tài)觀測器的可調(diào)參數(shù)。

以上改進的線性ADRC算法控制器參數(shù)整定過程如下：

3）b0=k0，k=2.5，β1=20，β2=100。

外回路為改進的Smith預估補償控制器，改進點為增加了反饋偏差的反饋環(huán)節(jié)H（s）到控制器R（s）的輸出，其他部分與傳統(tǒng)Smith預估補償控制完全相同。需要說明的是關(guān)于H（s）的選擇問題，其計算表達式如下：

3" " 仿真研究

基于圖3的控制結(jié)構(gòu)圖以及上述參數(shù)的確定方法，針對脫硝系統(tǒng)計算所有控制器參數(shù)：

自抗擾控制器參數(shù)設(shè)置為：b0=1，k=2.5，β1=20，β2=100。

改進的Smith預估補償控制器參數(shù)設(shè)置為：

為了驗證所提控制算法的有效性，將所提算法與傳統(tǒng)串級PID控制策略進行比較，參數(shù)整定策略采用文獻[15]所用的整定方法，串級控制策略設(shè)定參數(shù)如下：kp=0.381，Ti=80。

控制效果對比曲線與控制指令對比曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可知，脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度設(shè)定值在100 s由0階躍到1，可以看出所提出的改進算法在調(diào)節(jié)速度與調(diào)節(jié)時間上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)串級控制，同時調(diào)節(jié)過程超調(diào)量也小于傳統(tǒng)串級控制策略，證明了所提改進串級控制算法在設(shè)定值跟蹤方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)串級方案，超調(diào)量約為傳統(tǒng)串級控制的一半，調(diào)節(jié)時間縮短了200 s左右。在擾動抑制方面，從圖4可以看出，在1 000 s時刻在控制輸入端加入了幅度為1且經(jīng)過了30 s的慣性的擾動量，從仿真曲線中可以看出，改進的串級控制策略無論在擾動抑制幅度還是調(diào)整時間上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)串級控制方法，在改進算法中，擾動對出口NOx濃度的影響非常小，而在傳統(tǒng)串級控制策略中，擾動幅度大，擾動抑制恢復慢。從圖5中控制指令的動作情況看，由于改進串級控制在控制指令動作幅度及快速性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的串級控制策略，所以本文提出的改進串級控制策略在設(shè)定值跟蹤性能及擾動抑制能力方面均優(yōu)于傳統(tǒng)串級控制方法。

4" " 結(jié)論

本文針對脫硝系統(tǒng)自身所具有的大滯后、大慣性以及多擾動等控制難點問題提出了一種改進的串級策略，該算法融合了改進的Smith預估補償控制與自抗擾ADRC控制策略，改進的Smith預估補償作為主調(diào)節(jié)器解決了被控對象大慣性與大滯后問題，自抗擾ADRC控制器作為副調(diào)節(jié)器解決了被控對象多擾動問題。仿真測試表明，所提出的改進串級控制算法在設(shè)定值跟蹤、擾動抑制方面與傳統(tǒng)串級控制方法對比具有明顯的優(yōu)勢，算法簡單，可實施性較好，具有較高的實際工程應(yīng)用價值。

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