西門子PROFI溫度控制器的魯棒性穩定條件分析

劉 瑞,劉 瀟

（1.滄東發電有限責任公司 ,河北 滄州 061113；2.西門子電站自動化公司，南京 210003）

0 引言

反饋控制之所以優秀，就是因為它注重考察系統運行結果的差別，采集系統輸入輸出的偏差，利用偏差來影響系統，使系統向偏差減小的方向運行，相同的道理，能夠在實際系統中應用的狀態觀測器也都是閉環觀測器。實際應用的系統有大到一定的擾動時，狀態觀測器系統狀態的漸進估計輸出不再給出原來的輸出值，讓系統重新建構，于是，對于擾動的魯棒性，在實際系統中應用的狀態觀測器起到非常重要的作用。

在西門子PROFI的控制系統中，充分利用了系統模塊化思想的優勢，將整個過熱器簡化為3個串聯的模塊，根據超臨界直流鍋爐數學模型及動態特性，視每一模塊為一階慣性環節。因此，可以把整個過熱器視為三階慣性環節[1,2]。

系統魯棒性穩定的充分條件是系統的極點處在極坐標的負半平面，并且受到擾動時漸近穩定。作為被控對象的主汽溫度，實際上也是三階慣性環節的一個量值，在西門子PROFI溫度控制模塊的作用下，控制時間常數由于鍋爐運行工況等外部的擾動引起的變 化，使整個過熱汽溫變化較小，最終趨于穩定。

1 西門子PROFI溫度控制模塊的狀態觀測器的數學描述

1.1 原理性數學描述

由于建模方法的局限性和實際過程中模型自身參數攝動現象的存在，對象的數學模型肯定存在各種不確定性。這樣一來，獲得被控對象的數學模型精確性有很大的難度,而西門子PROFI系統是把狀態觀測器與自適應算法結合到一起，在各種擾動發生時，保證控制系統具有更強的魯棒性。

PROFI調試工作重要內容就是辨識機組特性，溫度特性模型其中涵蓋過熱器出入口溫度之間的以傳遞函數為表現形式的特性模型：

一般，過熱器分為兩個區域，導前汽溫測點前至減溫器稱為導前區，過熱器出口汽溫測點到減溫器后稱為惰性區，把兩個區域串聯在一起，可得到整個系統的數學模型[1]：，其中, T 為負荷的函數

滄東電廠實際運行的西門子PROFI系統中的汽溫控制模塊的基本原理就是利用狀態觀測器解決過熱汽溫這種大滯后對象的遲延造成的控制滯后，而這種狀態觀測器是基于狀態空間算法的動態系統。

在西門子PROFI系統溫度控制模塊對實際運行邏輯塊給出了一個狀態完全可觀測的線性定常系統可表示為[3]：

1.2 狀態觀測器的實際方案

以導前區為一階慣性環節，惰性區為三階慣性環節的系統為例來進行討論，可以把上式的數學模型轉換為狀態空間表達式：

則其狀態空間表達式：

通常實際工程中，yf即噴水減溫器出口的汽溫，使它作為導前信號并且這個信號是可以準確測量出來的，同時為狀態觀測器帶來益處。并設狀態觀測器的輸入信號yf和y，狀態觀測器的傳遞函數為三階大慣性環節：

則其惰性區狀態觀測器的系數矩陣為：

1.3 推論

根據基于狀態空間算法的狀態觀測器的穩定條件（由于篇幅所限，具體就不推導了），由K，和決定。若觀測器確定， T1不再變化，相應的和不變，也就是說這是T的范圍就是由K[3]來決定。

2 實際運行效果

2.1 試驗數據整理結果

根據西門子PROFI溫度特性模型，包括過熱器/再熱器之間的特性模型：經過試驗可以得出以下數據：

一級過熱器：K=1.0 — 1.5 , n=3，T與負荷的關系為：

300MW 360MW 500MW 600MW 112s 110s 60s 35s

二級過熱器：K=0.8 — 0.9，n=3，T與負荷的關系為：

360MW 500MW 600MW 91s 50s 38s

再熱器：K=0.6 — 0.9，n=3，T與負荷的關系為：

500MW 600MW 90s 63s

2.2 其他的調節汽溫方法簡介

西門子PROFI系統中其他的調溫手段如下，但不作為本文重點闡述對象。

1）通過融入蒸汽焓值的變增益控制器，解決蒸汽壓力的高低對汽溫控制的影響。

2）基于模型的Smith預估器在profi中針對導前溫度的控制中也有應用，主要是進行提前控制，其傳遞函數為：

式中，Kpgp(s )e-τs：純遲延環節τ的控制對象傳遞函數 Ksgs(s)：Smith預估器的傳遞函數。

3）通過profi的自學習功能塊，達到實時補償系數的改變對應減溫水閥門特性的變化。

4）對再熱汽溫控制，改變調節手段，通過增加調節煙道擋板次數，減少減溫水調節次數，以提高機組效率。

2.3 整體調溫方案

實際運行的機組是把西門子PROFI系統中所有的調溫手段全部集合在一起進行溫度智能控制，由于其他智能控制算法不作為本文重點闡述對象，因此只給出具體控制方案的示意圖。

整個西門子PROFI溫度控制器調溫原理[4]如圖1所示：

圖1 PROFI溫度控制原理示意圖Fig.1 PROFI Temperature control principle diagram

2.4 實際調節曲線

將西門子PROFI溫度控制器實際組態到DCS系統中，在滄東電廠2號機組正常運行的過程中，通過PROFI系統記錄、收集和顯示該模型的實時趨勢和歷史趨勢可以看出經過PROFI溫度控制器優化后的過熱汽溫調節品質非常理想。具體如圖2所示。

3 結束語

常規的串級控制在針對過熱汽溫大慣性、大延遲的特性上往往控制效果不夠理想。機組采用西門子PROFI系統的控制策略，對系統的控制精度有了明顯的提高，同時克服了對大慣性、大延遲控制對象的缺點，如調節品質差、抗干擾性弱等。解決此難題是利用基于狀態空間算法的狀態觀測器，并對其魯棒性的分析，進而得出有擾動時若要保持系統穩定，則被控對象惰性區與觀測器其時間常數變化的關系。在實際調節汽溫回路時，時間常數T和狀態觀測器系數K需要配合著微調，在不同工況下，也可以單獨調節其中一個參數，也可適當調節系數。總之，各種手段配合使用更能提高系統魯棒性。

圖2 滄東電廠2號機組PROFI一過汽溫優化后趨勢圖Fig.2 Jc east power plant unit 2 PROFI a trend chart after steam temperature optimization

[1]張玉鐸,王滿稼.熱工自動控制系統[M].北京:水利電力出版社,1990:21-23.

[2]德國西門子公司.PROFI技術手冊[Z].2005.

[3]德國西門子公司.PROFI功能塊說明[Z].2005.

[4]德國西門子公司.PROFI設計說明[Z].2005.