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

（沈陽工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 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)，能夠很好的解決對象模型的不確定性、時(shí)變性和非線性問題，但對于汽溫對象的大遲延特性無法有效解決。Smith預(yù)估控制是克服對象大遲延的常用方法，但Smith預(yù)估器對模型的誤差十分敏感，魯棒性差，必須建立對象精確的數(shù)學(xué)模型才能有效解決時(shí)滯問題。

基于以上分析，本文提出了一種改進(jìn)型Smith預(yù)估器對超臨界機(jī)組主汽溫對象惰性區(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象非線性和滯后性問題，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)。一是通過調(diào)節(jié)燃水比來維持汽水流程中某點(diǎn)的工質(zhì)溫度，對主汽溫的進(jìn)行粗調(diào)；二是通過設(shè)置二級(jí)過熱器噴水減溫裝置，對主汽溫的進(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)過了水冷壁，一級(jí)過熱器、屏式過熱器和末級(jí)過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)估器對主汽溫對象惰性區(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，通過預(yù)估補(bǔ)償使主汽溫惰性區(qū)對象等效成一個(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為過熱器出口蒸汽溫度；θ2為過熱器入口蒸汽溫度；GO1（S）為主汽溫惰性區(qū)對象特性；GO2（S）為主汽溫導(dǎo)前區(qū)對象特性；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）。

其等效簡化框圖如圖3所示。

圖3 等效簡化原理圖Fig.3 Equivalent simplistic schematic diagram

由圖4可知經(jīng)過預(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)償必須建立對象精確的數(shù)學(xué)模型，其補(bǔ)償效果對模型的誤差十分敏感，魯棒性差。而汽溫對象的導(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)，能夠很好的解決對象模型的不確定性、時(shí)變性和非線性問題，本文將模糊控制與PID控制相結(jié)合，通過自適應(yīng)環(huán)節(jié)對PID控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，實(shí)踐證明這種調(diào)整方法簡單易行，提高了控制器的自適應(yīng)能力。基于改進(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，語言變量論域與語言值集合設(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，語言變量論域與語言值集合設(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)過熱汽溫對象的特性，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)的語言賦值，3個(gè)修正參數(shù)Δkp、Δki、Δkd通過表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 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)行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的處理、查表和運(yùn)算，完成對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 汽溫對象特性

通過減溫水階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，測得超臨界機(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。對比3條仿真曲線，常規(guī)PID系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，過渡時(shí)間較長并有一定震蕩狀態(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象非線性和滯后性問題，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

超臨界機(jī)組主汽溫對象較為復(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)估器對主汽溫對象惰性區(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。通過現(xiàn)場實(shí)際采集的歷史數(shù)據(jù)，對系統(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題。

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