摘要：為解決過熱汽溫定值擾動問題，針對外高橋第三發電廠1000MW超超臨界機組過熱汽溫被控對象的大慣性、大延遲等特性，基于Smith預估器原理，設計了一種改進型Smith預估器控制方法。Mailab仿真結果表明，所設計的控制系統在穩定性、快速性等方面優于常規串級PID控制系統，同時對同
　　
　　引言
　　
　　遲延是許多工業過程的普通特征，對于一般的純延遲過程，可以通過常規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量造成很壞的影響，常規控制難以取得較為滿意的結果。1000MW超超臨界機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。目前在電廠實際運行中，過熱蒸汽溫度噴水減溫控制基本上采用常規串級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特性的基礎上，設計了改進型Smith預估器控制方法，解決了大慣性、大延遲問題，并通過仿真分析和實際應用驗證了該方法的可行性和實用性。
　　
　　1、Smith預估器原理
　　
　　理論與實踐已證明Smith預估器是克服對象延遲影響的一種有效方法[2-5]。smith預估器原理如圖1所示。　　
　　圖1中：在實際控制對象G（S）上并聯一個預估補償器p（S）。對調節器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，所以調節器控制等效對象比控制原對象容易得多。
　　
　　①給定值r擾動下的補償特性
　　
　　由圖1推導出在給定值r擾動下的傳遞函數為：　　
　　純延遲的控制系統閉環傳遞函數。
　　
　　式（2）中的e-τs在閉環控制回路之外，不影響系統的穩定性，等效被控變量Y（t）與實際被控變量X1（t）的階躍響應是相同的，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。所以預補償*補償了純延遲對過程的不利影響。
　　
　　②外部擾動f作用下的補償特性
　　
　　在f擾動下系統的閉環傳遞函數為：　　
　　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償作用沒有在給定值擾動下那樣明顯。
　　
　　2、改進型Smith預估器設計
　　
　　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節手段，能起到汽溫控制的粗調作用；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調整手段。因此，過熱汽溫控制可以認為是兩段調節，即燃水比控制的粗調和噴水減溫控制的細調[6-8]。
　　
　　2.1工藝流程
　　
　　外高橋第三發電廠1000MW超超臨界機組的過熱汽系統分為1、2、3、4共四路，它們具有*相同的控制系統。過熱汽溫的控制是通過控制兩個相串聯的過熱器減溫噴水而實現的，這就是一級減溫控制和二級減溫控制。外高橋第三發電廠1000MW超超臨界機組的某路過熱器分段結構如圖2所示。　　
　　過熱汽溫一級減溫控制的任務是克服進入一級過熱器與二級過熱器的擾動，維持進入二級減溫器的蒸汽溫度的穩定，保證二級減溫調節在有效的調節范圍內；二級減溫控制的任務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中zui主要的回路。本文僅對三級過熱器噴水減溫控制系統舉例說明其控制原理。
　　
　　2.2動態特性
　　
　　在外高橋第三發電廠1000MW超超臨界機組工程中進行減溫水階躍擾動動態試驗，得到三級過熱器出口溫度和入口溫度的階躍響應曲線。
　　
　　由三級過熱器入口溫度的階躍響應曲線，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為：　　
　　由三級過熱器出口溫度和入口溫度的階躍響應曲線，估算出三級過熱器出、入口溫度T2（s）與T1（s）之間的傳遞函數為：　　
　　式中：K為0.8,T為主蒸汽流量的函數。
　　
　　K和T具有如下關系：主汽流量＜l000t/h時，T=70;l000t/h≤主汽流量＜l000h時，T=45；當1500t/h≤主汽流量＜2600t/h時，T=35；當主汽流量≥2600t/h時，T=24。
　　
　　在減溫水階躍擾動動態試驗中發現，當減溫噴水調節閥動作時，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，在本工程中設計了改善型smith預估器控制的三級過熱器減溫控制系統。
　　
　　2.3改進型Smith預估器設計
　　
　　鑒于1000MW超超臨界機組過熱汽溫控制偏差必須在±5℃之內，任何過大的過熱汽溫正偏差都將嚴重危及主蒸汽管的安全，因此，外高橋第三發電廠1000MW超超臨界機組過熱汽溫控制設計了改進型Simth預估器。其構建思路是通過預估補償器的補償，使等效被控對象變成一個比例環節，從而使控制作用盡可能提前動作，汽溫超調量盡可能小。為此使改進型Smith預估器P（s）=K-G02（S）。改進型Smith預估器控制的三級過熱器減溫控制系統簡化原理框圖如圖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，G02（s）為三級過熱器出、入口溫度T2（s）與T1（s）的傳遞函數，P（S）為改進型Smith預估器。
　　
　　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，此時的系統為C01（s）構成的單回路控制系統，這樣等效反饋回路的響應速度加快，有利于系統調節品質的改善。
　　
　　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示意圖。　　
　　動態時，的輸出近似與過熱汽溫相等，從而改善了過熱汽溫調節對象的動態特性；穩態時，輸出為零，使過熱汽溫等于給定值。
　　
　　3、仿真研究和應用
　　
　　3.1Matiab仿真
　　
　　為了檢驗設計系統的預期控制品質，運用Matlab軟件對本系統在某一工況下（主汽流量2800t/h）進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量小、調節時間短，說明改進型Smith預估控制能很好地解決大慣性、純延遲的問題。
　　
　　3.2實際投運曲線
　　
　　在過熱汽溫溫度穩定在570℃時，另設定值為580℃，即對過熱汽溫控制系統加入10℃以得到如圖7所示的動態響應曲線。
　　
　　由圖7可知，系統動態響應特性好，靜態偏差小，達到了滿意的控制效果。　　
　　4、結束語
　　
　　通過對外高橋第三發電廠1000MW超超臨界機組過熱汽溫控制系統的仿真分析和應用可以看出，改進型Smith預估器控制對1000MW超超臨界機組過熱汽溫大慣性、純延遲系統給定值變化具有較高的控制質量。這種控制方法對目前國內在建的1000MW超超臨界機組過熱汽溫控制系統設計具有很好的借鑒作用。
　　
　　但是對于過程控制來說，系統主要的變化源還包括系統的外部干擾，補償效果大大降低，因而難以在火電廠過程控制中廣泛應用，如何克服Smith預估器的不足仍是將來需要研究的課題之一。
　　
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