鍋爐煙氣脫硝控制系統分析

梁孟強 丁婷 吳帥

摘 要 文章運用史密思估計補償控制的方法，研究了鍋爐煙氣脫硝控制過程中魯棒性較差的原因，并將其進行了優化。為了獲取更好的控制效應，對史密思預估補償控制中所采取的PID控制器進行了系數整定。最后通過Matlab仿真得出了速度相對較快，抗干擾較好的史密思預估補償控制的鍋爐煙氣脫硝控制系統設計。

關鍵詞 鍋爐煙氣脫硝控制;史密思估計補償控制;Matlab

1理論描述

現在的閉環自動控制方法為了減少可變性，大多是基于反饋的原理[1]。反饋理論的要素包括測量，比較和實現三個部分，關鍵是測量受控變量的實際值。將其與控制變量進行比較，并使用此偏差來校正，運行調節。工程實踐中，經常使用的調節器控制法則是比例-積分-微分控制，稱為PID調節。

作為工業控制運用中較多出現的信息反饋零部件，PID調節器已有近百年的歷史，其主要由比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative）組成。PID控制的基礎是比例控制;積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調[2]。其輸入e（t）與輸出u（t）的關系為：

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式1-1

其中積分的上下限分別是0和t，因此它的表達函數為：

G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式1-2

其中kp為比例系數;TI為積分時間常數;TD為微分時間常數。

2脫硝模型描述

不同負載下，鍋爐煙氣脫硝中的數學模型是存在差異的。我們以單位負載為650 MW，氨注入量和輸出NOx含量的躍階響應模型[3]為例。其表達函數為：

式1-3

3史密思預估補償模型

史密思預測補償的主要方法是提前建立控制過程的動態關系模型，然后并行連接估計量，使其彌補滯后過程的特性，試圖控制延遲時間控制，將該量提前發送給調節器，使其預先做出反應，從而消除了閉環中滯后因素的作用[4]。因此，可以顯著降低過程中的超調因素，減小過渡時間值，有效提高控制質量[5]。因此，它是大滯后系統較為合適的控制方法[6]。其原理如下圖1所示：

圖2中Wc（s）為PID調節器;為控制過程的動態關系模型;Wo（s）為不含滯后時間的模型;Ws（s）—史密思預估補償器。于是，史密思補償系統框圖可表示為：

4仿真與結果分析

PID、PI、PD響應曲線對比

從圖1和圖2看出，當PID控制器為PID控制時

（1）PID的最大超調量相比于PI、PID較小，系統過渡相對于平穩，系統的輸出量第一次到達輸出穩定值的時刻為610s，即上升時間tr=610s。系統的輸出量進入并一直保持在穩態輸出值附近的允許誤差帶內所需的時間為800s秒，即調節時間ts=800s、振蕩次數也較少。

（2）PI的最大超調量偏大，上升時間tr約為750s，調節時間ts約為2250s，振蕩次數多。PD的最大超調量偏小，上升時間tr約為625s，調節時間ts約為1875s，振蕩次數多。

（3）當最大超調量越小，說明系統過渡過程越平穩。調節時間ts越小，系統的快速性越好，振蕩次數ts越小，說明系統的平穩性越好，綜上所述，此次選擇的PID控制器為PID控制。

在仿真時，控制器的傳遞函數選擇PID控制，參數設置為Kp=-1.595，Ki=-0.00401，Kd= -158.6.被控對象的模型則根據脫硝模型設定為

式1-4

即W0（s）= 式1-5

脫硝標準要求在70～80 mg/m3，為了簡化仿真過程，選擇70作為輸入設定值，根據被控對象的傳遞函數，設定時間滯后τ值為166，完成系統的Simulink模型的搭建。

從圖5和圖6的對比可以看出，僅使用PID控制對系統進行調節的情況下，系統出現了10%的超調，且調節時間相對于史密思預估補償控制而言較慢，但上升時間較快，史密思預估補償相對平緩。

為進一步對兩者進行對比，在系統中添加一個隨機的[-5，+5]范圍，干擾頻率在500s的干擾量來觀察兩者在對干擾的處理性能上的差異，通過對比可以得知：當面對相同的干擾下，史密思預估補償控制抗干擾能力更強。

5結束語

經過仿真測試發現史密思預估補償控制相對于傳統的PID控制在面對具有時滯環節的脫硝控制過程中具有更快的調節速度與穩定性，同時也具有更強的抗干擾能力。采用史密思預估補償控制的煙氣脫硝系統具有更好的控制效果。

參考文獻

[1] 孫云，王長安，劉京燕，等.混煤燃燒技術研究進展[J].電站系統工程，2011，27（2）：1-3，7.

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[3] 牛培晦，肖興軍，李國強，等.基于萬有引力搜索算法的電廠鍋爐NOX排放模型的參數優化[J].動力工程學報，2013，33（2）：100-106.

[4] 陳慧，陳德珍，王娜，等.中溫條件下煙氣De-NOX技術的研究現狀與發展[J].中國電機工程學報，2013，（20）：17-27.

[5] 禾志強，祁利明.SCR煙氣脫硝系統的運行方式及控制[J].熱力發電，2009，38（11）：93-96.

[6] 馬平，李奕杰.一種大遲延系統的控制方法[J].蘭州理工大學學報，

2012，38（6）：66-69.