摘要：為解決過熱汽溫定值擾動問題，針對外高橋第三發(fā)電廠1000MW超超臨界機(jī)組過熱汽溫被控對象的大慣性、大延遲等特性，基于Smith預(yù)估器原理，設(shè)計了一種改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制方法。Mailab仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、快速性等方面優(yōu)于常規(guī)串級PID控制系統(tǒng)，同時對同
　　
　　引言
　　
　　遲延是許多工業(yè)過程的普通特征，對于一般的純延遲過程，可以通過常規(guī)控制獲得較好的控制效果；但對純延遲較大的過程，這種純延遲將會對控制質(zhì)量造成很壞的影響，常規(guī)控制難以取得較為滿意的結(jié)果。1000MW超超臨界機(jī)組過熱蒸汽溫度噴水減溫控制對象恰哈具有大慣性、大延遲等特性。因此，如何克服此影響成了過熱蒸汽溫度噴水減溫控制需要考慮的問題。目前在電廠實際運(yùn)行中，過熱蒸汽溫度噴水減溫控制基本上采用常規(guī)串級PID控制，但是難以取得較好的控制效果。
　　
　　本文在研究了過熱汽溫工藝流程和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制方法，解決了大慣性、大延遲問題，并通過仿真分析和實際應(yīng)用驗證了該方法的可行性和實用性。
　　
　　1、Smith預(yù)估器原理
　　
　　理論與實踐已證明Smith預(yù)估器是克服對象延遲影響的一種有效方法[2-5]。smith預(yù)估器原理如圖1所示。　　
　　圖1中：在實際控制對象G（S）上并聯(lián)一個預(yù)估補(bǔ)償器p（S）。對調(diào)節(jié)器D（S）來說，其等效控制對象可以表示為：
　　
　　G′（s）=G（s）+P（s）=G0（s）e-τs+G0（s）-G0（s）e-τs=G0（s）（l）
　　
　　由式（l）可以看出，等效對象G'（S）不包括純滯后因子e-τs，所以調(diào)節(jié)器控制等效對象比控制原對象容易得多。
　　
　?、俳o定值r擾動下的補(bǔ)償特性
　　
　　由圖1推導(dǎo)出在給定值r擾動下的傳遞函數(shù)為：　　
　　純延遲的控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。
　　
　　式（2）中的e-τs在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，等效被控變量Y（t）與實際被控變量X1（t）的階躍響應(yīng)是相同的，只是在時間軸上相差一定的時間，即X1（t）落后于Y（t）一個大小等于二的時間間隔。所以預(yù)補(bǔ)償*補(bǔ)償了純延遲對過程的不利影響。
　　
　?、谕獠繑_動f作用下的補(bǔ)償特性
　　
　　在f擾動下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：　　
　　由式（3）可知，在外部擾動下，控制作用滯后于擾動，故其對對象的滯后補(bǔ)償作用沒有在給定值擾動下那樣明顯。
　　
　　2、改進(jìn)型Smith預(yù)估器設(shè)計
　　
　　實踐證明，對超超臨界直流鍋爐維持特定的燃水比是一個切實有效的過熱汽溫度調(diào)節(jié)手段，能起到汽溫控制的粗調(diào)作用；在維持鍋爐燃水比不變的情況下，噴水減溫是對過熱汽溫度的一種細(xì)調(diào)整手段。因此，過熱汽溫控制可以認(rèn)為是兩段調(diào)節(jié)，即燃水比控制的粗調(diào)和噴水減溫控制的細(xì)調(diào)[6-8]。
　　
　　2.1工藝流程
　　
　　外高橋第三發(fā)電廠1000MW超超臨界機(jī)組的過熱汽系統(tǒng)分為1、2、3、4共四路，它們具有*相同的控制系統(tǒng)。過熱汽溫的控制是通過控制兩個相串聯(lián)的過熱器減溫噴水而實現(xiàn)的，這就是一級減溫控制和二級減溫控制。外高橋第三發(fā)電廠1000MW超超臨界機(jī)組的某路過熱器分段結(jié)構(gòu)如圖2所示。　　
　　過熱汽溫一級減溫控制的任務(wù)是克服進(jìn)入一級過熱器與二級過熱器的擾動，維持進(jìn)入二級減溫器的蒸汽溫度的穩(wěn)定，保證二級減溫調(diào)節(jié)在有效的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)；二級減溫控制的任務(wù)是直接保證過熱汽溫度等于給定值，是過熱汽溫度控制系統(tǒng)中zui主要的回路。本文僅對三級過熱器噴水減溫控制系統(tǒng)舉例說明其控制原理。
　　
　　2.2動態(tài)特性
　　
　　在外高橋第三發(fā)電廠1000MW超超臨界機(jī)組工程中進(jìn)行減溫水階躍擾動動態(tài)試驗，得到三級過熱器出口溫度和入口溫度的階躍響應(yīng)曲線。
　　
　　由三級過熱器入口溫度的階躍響應(yīng)曲線，估算出噴水減溫流量與三級過熱器入口溫度之間的傳遞函數(shù)為：　　
　　由三級過熱器出口溫度和入口溫度的階躍響應(yīng)曲線，估算出三級過熱器出、入口溫度T2（s）與T1（s）之間的傳遞函數(shù)為：　　
　　式中：K為0.8,T為主蒸汽流量的函數(shù)。
　　
　　K和T具有如下關(guān)系：主汽流量＜l000t/h時，T=70;l000t/h≤主汽流量＜l000h時，T=45；當(dāng)1500t/h≤主汽流量＜2600t/h時，T=35；當(dāng)主汽流量≥2600t/h時，T=24。
　　
　　在減溫水階躍擾動動態(tài)試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減溫噴水調(diào)節(jié)閥動作時，三級過熱器入口的蒸汽溫度T1變化很快，而出口溫度T2變化很慢（存在純延遲）。因此，為了改善控制品質(zhì)，在本工程中設(shè)計了改善型smith預(yù)估器控制的三級過熱器減溫控制系統(tǒng)。
　　
　　2.3改進(jìn)型Smith預(yù)估器設(shè)計
　　
　　鑒于1000MW超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制偏差必須在±5℃之內(nèi)，任何過大的過熱汽溫正偏差都將嚴(yán)重危及主蒸汽管的安全，因此，外高橋第三發(fā)電廠1000MW超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制設(shè)計了改進(jìn)型Simth預(yù)估器。其構(gòu)建思路是通過預(yù)估補(bǔ)償器的補(bǔ)償，使等效被控對象變成一個比例環(huán)節(jié)，從而使控制作用盡可能提前動作，汽溫超調(diào)量盡可能小。為此使改進(jìn)型Smith預(yù)估器P（s）=K-G02（S）。改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制的三級過熱器減溫控制系統(tǒng)簡化原理框圖如圖3所示。　　
　　圖3中：G01（S）為噴水減溫流量與三級過熱器入口溫度之間的傳遞函數(shù)，G02（s）為三級過熱器出、入口溫度T2（s）與T1（s）的傳遞函數(shù)，P（S）為改進(jìn)型Smith預(yù)估器。
　　
　　由于P（s）=K-G02（s），因此，圖3可等效簡化為圖4所示的框圖。　　
　　由圖4可知，此時的系統(tǒng)為C01（s）構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)，這樣等效反饋回路的響應(yīng)速度加快，有利于系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的改善。
　　
　　從上文分析可以得到如圖5所示的三級過熱器減溫控制系統(tǒng)示意圖。　　
　　動態(tài)時，的輸出近似與過熱汽溫相等，從而改善了過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性；穩(wěn)態(tài)時，輸出為零，使過熱汽溫等于給定值。
　　
　　3、仿真研究和應(yīng)用
　　
　　3.1Matiab仿真
　　
　　為了檢驗設(shè)計系統(tǒng)的預(yù)期控制品質(zhì)，運(yùn)用Matlab軟件對本系統(tǒng)在某一工況下（主汽流量2800t/h）進(jìn)行單位階躍定值擾動仿真，仿真曲線如圖6所示。　　
　　圖6中：實線明顯比虛線的超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短，說明改進(jìn)型Smith預(yù)估控制能很好地解決大慣性、純延遲的問題。
　　
　　3.2實際投運(yùn)曲線
　　
　　在過熱汽溫溫度穩(wěn)定在570℃時，另設(shè)定值為580℃，即對過熱汽溫控制系統(tǒng)加入10℃以得到如圖7所示的動態(tài)響應(yīng)曲線。
　　
　　由圖7可知，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性好，靜態(tài)偏差小，達(dá)到了滿意的控制效果。　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　通過對外高橋第三發(fā)電廠1000MW超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)的仿真分析和應(yīng)用可以看出，改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制對1000MW超超臨界機(jī)組過熱汽溫大慣性、純延遲系統(tǒng)給定值變化具有較高的控制質(zhì)量。這種控制方法對目前國內(nèi)在建的1000MW超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計具有很好的借鑒作用。
　　
　　但是對于過程控制來說，系統(tǒng)主要的變化源還包括系統(tǒng)的外部干擾，補(bǔ)償效果大大降低，因而難以在火電廠過程控制中廣泛應(yīng)用，如何克服Smith預(yù)估器的不足仍是將來需要研究的課題之一。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　[1]邊立秀，趙日暉．Fuzzy自整定PID參數(shù)的Smith預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)[J]．計算機(jī)仿真，2004,21（1）:102-104.
　　
　　[2]王永初．滯后過程的預(yù)估與控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.
　　
　　[3]邊立秀，周俊霞，趙勁松，等．熱工控制系統(tǒng)[M]．北京：中國電力出版社，2002.
　　
　　[4]李遵基．電力控制理論及其應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2003.
　　
　　[5]金以慧．過程控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1993.
　　
　　[6]劉瀟，曹冬林，丁勁松．外高橋1000Mw超超臨界機(jī)組閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．中國電力，2006,39（3）:70-73.
　　
　　[7]馬俊華，劉瀟．鍋爐再熱汽溫控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造[J]．江蘇電機(jī)工程，2004,23（4）:25-26.
　　
　　[8]朱北恒．火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M]．北京：中國電力出版社，2005.