基于改進(jìn)型Smith預(yù)估器的超臨界機(jī)組主汽溫模糊控制系統(tǒng)

馬陽(yáng)

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

目前，600 MW超臨界機(jī)組由于其主汽壓力和主汽溫度較高，提高了機(jī)組的熱效率和經(jīng)濟(jì)性，已逐步成為我國(guó)電力行業(yè)的主力機(jī)組[1]。但主蒸汽溫度在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常遇到頻繁、擾動(dòng)量大的干擾，且汽溫控制對(duì)象具有時(shí)變性、非線性和大遲延等特點(diǎn)，因此應(yīng)設(shè)計(jì)合理的主汽溫控制策略，以維持主汽溫的穩(wěn)定，保證機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。

大型火電機(jī)組控制過(guò)熱汽溫應(yīng)用較為廣泛的是串級(jí)控制系統(tǒng)，其內(nèi)回路為快速隨動(dòng)系統(tǒng)，克服內(nèi)擾的能力較強(qiáng)，但要求主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)必須配合好，才能得到理想的控制效果。由于汽溫對(duì)象的非線性和時(shí)變性，決定了控制器的最佳參數(shù)只適合于某一運(yùn)行工況。當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)控制器參數(shù)的匹配關(guān)系會(huì)變得不協(xié)調(diào)，進(jìn)而影響控制效果。目前，模糊控制在工業(yè)控制中逐步得到應(yīng)用，模糊控制的魯棒性和自適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠很好的解決對(duì)象模型的不確定性、時(shí)變性和非線性問(wèn)題，但對(duì)于汽溫對(duì)象的大遲延特性無(wú)法有效解決。Smith預(yù)估控制是克服對(duì)象大遲延的常用方法，但Smith預(yù)估器對(duì)模型的誤差十分敏感，魯棒性差，必須建立對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型才能有效解決時(shí)滯問(wèn)題。

基于以上分析，本文提出了一種改進(jìn)型Smith預(yù)估器對(duì)超臨界機(jī)組主汽溫對(duì)象惰性區(qū)特性進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償，并將模糊控制理論與經(jīng)典控制理論結(jié)合形成了主汽溫綜合控制方案。通過(guò)仿真研究證明這種汽溫綜合控制新方案能夠很好的克服主汽溫對(duì)象非線性和滯后性問(wèn)題，使主汽溫控制系統(tǒng)性能有了較大的提高。

1 主汽溫綜合控制

1.1 超臨界機(jī)組主汽溫基本控制策略及工藝流程

超臨界直流鍋爐主汽溫的控制由兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。一是通過(guò)調(diào)節(jié)燃水比來(lái)維持汽水流程中某點(diǎn)的工質(zhì)溫度，對(duì)主汽溫的進(jìn)行粗調(diào)；二是通過(guò)設(shè)置二級(jí)過(guò)熱器噴水減溫裝置，對(duì)主汽溫的進(jìn)行細(xì)調(diào)[2]。

超臨界機(jī)組主汽溫工藝流程圖如圖1所示。蒸汽經(jīng)過(guò)了水冷壁，一級(jí)過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器和末級(jí)過(guò)熱器等受熱面后形成主蒸汽。由于噴水減溫調(diào)節(jié)慣性小、響應(yīng)快，A、B兩側(cè)同時(shí)設(shè)置兩級(jí)噴水減溫裝置，作為細(xì)調(diào)手段。

圖1 主汽溫工藝流程圖Fig.1 Main steam temperature process flow diagram

該超臨界機(jī)組噴水減溫原控制方案中一、二級(jí)減溫均采用了串級(jí)控制。但串級(jí)控制在調(diào)試整定過(guò)程中存在較大難度，且易造成較大偏差及積分飽和。因此本方案只采用了一個(gè)PID調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型Smith預(yù)估器對(duì)主汽溫對(duì)象惰性區(qū)特性進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償，并結(jié)合模糊控制理論對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整的主汽溫綜合控制方案。

1.2 主汽溫綜合控制

1.2.1 改進(jìn)型Smith預(yù)估器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型Smith預(yù)估控制器，通過(guò)預(yù)估補(bǔ)償使主汽溫惰性區(qū)對(duì)象等效成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，進(jìn)而減小控制通道的遲延，改善控制品質(zhì)[3]。

主汽溫惰性區(qū)特性預(yù)估補(bǔ)償原理如圖2所示。

圖2 汽溫惰性區(qū)特性預(yù)估補(bǔ)償原理圖Fig.2 Schematic diagram of compensating the inert region character for the steam temperature

補(bǔ)償后的等效汽溫對(duì)象傳函為：

若要實(shí)現(xiàn)汽溫動(dòng)態(tài)特性的近似完全補(bǔ)償，即KG*（S）≈GO1（S）時(shí)，則有：

其中θ1為過(guò)熱器出口蒸汽溫度；θ2為過(guò)熱器入口蒸汽溫度；GO1（S）為主汽溫惰性區(qū)對(duì)象特性；GO2（S）為主汽溫導(dǎo)前區(qū)對(duì)象特性；K為惰性區(qū)傳遞函數(shù)GO1（S）的放大系數(shù)；預(yù)估器模型 P（S）=K-GO1（S）。

其等效簡(jiǎn)化框圖如圖3所示。

圖3 等效簡(jiǎn)化原理圖Fig.3 Equivalent simplistic schematic diagram

由圖4可知經(jīng)過(guò)預(yù)估補(bǔ)償后系統(tǒng)等效為一個(gè)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中導(dǎo)前區(qū)特性GO2（S）為一階慣性環(huán)節(jié)，等效汽溫對(duì)象為KGO2（S），控制通道遲延較小，這種調(diào)節(jié)方式將大大改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1.2.2 PID參數(shù)模糊調(diào)整

Smith預(yù)估控制能夠克服對(duì)象大遲延，但基于Smith預(yù)估器模型 P（S）=K-GO1（S），要想實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償必須建立對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，其補(bǔ)償效果對(duì)模型的誤差十分敏感，魯棒性差。而汽溫對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)特性也隨運(yùn)行工況而變化，因此其被控對(duì)象仍具有非線性和時(shí)變性。目前，模糊控制在工業(yè)控制中逐步得到應(yīng)用，模糊控制的魯棒性和自適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠很好的解決對(duì)象模型的不確定性、時(shí)變性和非線性問(wèn)題，本文將模糊控制與PID控制相結(jié)合，通過(guò)自適應(yīng)環(huán)節(jié)對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，實(shí)踐證明這種調(diào)整方法簡(jiǎn)單易行，提高了控制器的自適應(yīng)能力?；诟倪M(jìn)型Smith預(yù)估器的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理示意圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型Smith預(yù)估器的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of improved smith predictor fuzzy self-adaptive PID control system

2 汽溫控制方案仿真研究

2.1 模糊策略

2.1.1 模糊化

將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域。根據(jù)實(shí)際情況，語(yǔ)言變量論域與語(yǔ)言值集合設(shè)為：

e=[-3，3]；{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

ec=[-3，3]；{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

輸出分別是：kp，ki，kd，語(yǔ)言變量論域與語(yǔ)言值集合設(shè)為：

kp=[-0.2，0.2]；{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

ki=[-0.05，0.05]；{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

kd=[-2， 2]；{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

kp，ki，kd的初始值為：0.3，0，1.0。

根據(jù)過(guò)熱汽溫對(duì)象的特性，一般可以應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)歸納法建立 kp，ki，kd的模糊控制規(guī)則表[4]如表 1 所示。

2.1.2 模糊推理與反模糊化

根據(jù)系統(tǒng)的誤差及誤差變化率得到相應(yīng)的語(yǔ)言賦值，3個(gè)修正參數(shù)Δkp、Δki、Δkd通過(guò)表1所示的模糊控制規(guī)則可以得到其模糊量，可以采用重心整定法[5]對(duì) Δkp、Δki、Δkd反模糊化處理，得到其精確量。

表 1 k p，k i，k d 的模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rule table of k p，k i，k d

其中 kp、ki、kd為精確輸出量；kpi、kii、kdi為輸出變量；μ 為模糊集隸屬度函數(shù)；N為單點(diǎn)集數(shù)。應(yīng)用模糊合成推理，根據(jù)各參數(shù)模糊控制模型及各模糊子集的隸屬度賦值表，得到控制器參數(shù)的模糊矩陣表，將求得的修正參數(shù)帶入下列公式計(jì)算，分別得到模糊自適應(yīng)PID控制器的3個(gè)參數(shù)為：

在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的在線校正[6]。

2.2 仿真研究及結(jié)果分析

2.2.1 汽溫對(duì)象特性

通過(guò)減溫水階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)得超臨界機(jī)組主汽溫二級(jí)減溫器的進(jìn)、出口溫度階躍響應(yīng)曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線估算二級(jí)噴水減溫系統(tǒng)的惰性區(qū)及導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為：

Smith預(yù)估器模型：

2.2.2 仿真研究及結(jié)果分析

根據(jù)汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，按圖2搭建系統(tǒng)仿真模型。為了觀察改進(jìn)型Smith預(yù)估器模糊控制效果，同時(shí)還進(jìn)行了常規(guī)PID和Smith預(yù)估器控制的仿真實(shí)驗(yàn)，PID控制器參數(shù)kp=1.1、ki=0.017、kd=19.8，其仿真結(jié)果如圖5所示。對(duì)比3條仿真曲線，常規(guī)PID系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)并有一定震蕩狀態(tài)出現(xiàn)；Smith預(yù)估控制的響應(yīng)曲線在抑制超調(diào)，加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度方面有較好的控制效果；模糊Smith控制效果最好，調(diào)節(jié)時(shí)間短且無(wú)超調(diào)及震蕩。

為觀察模糊Smith的抗干擾效果，系統(tǒng)在200s的時(shí)刻控制作用加入階躍擾動(dòng)，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真曲線表明，模糊Smith的抗干擾方面能力是最強(qiáng)的。擾動(dòng)發(fā)生后，控制器參數(shù)在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行線調(diào)整，系統(tǒng)輸出平穩(wěn)快速的恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

圖5 系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線Fig.5 System output response curve

圖6 受到干擾后系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線Fig.6 System output response curve after a disturbance

總之，通過(guò)系統(tǒng)仿真曲線分析，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型Smith預(yù)估器模糊控制器抗干擾能力強(qiáng)，有一定的容錯(cuò)能力，這種汽溫綜合控制新方案能夠很好的克服主汽溫對(duì)象非線性和滯后性問(wèn)題，具有良好的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性，使主汽溫控制系統(tǒng)性能有了較大的提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

超臨界機(jī)組主汽溫對(duì)象較為復(fù)雜，存在較大遲延、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)，常規(guī)控制策略很難取得滿意的控制效果。本文提出了一種改進(jìn)型Smith預(yù)估器對(duì)主汽溫對(duì)象惰性區(qū)特性進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償，并將模糊控制理論與經(jīng)典控制理論結(jié)合形成了主汽溫綜合控制方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方案可以很好地解決主汽溫系統(tǒng)的非線性和滯后性問(wèn)題。

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