西門子PROFI溫度控制器的魯棒性穩(wěn)定條件分析

劉 瑞,劉 瀟

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

0 引言

反饋控制之所以優(yōu)秀，就是因?yàn)樗⒅乜疾煜到y(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的差別，采集系統(tǒng)輸入輸出的偏差，利用偏差來影響系統(tǒng)，使系統(tǒng)向偏差減小的方向運(yùn)行，相同的道理，能夠在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的狀態(tài)觀測(cè)器也都是閉環(huán)觀測(cè)器。實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)有大到一定的擾動(dòng)時(shí)，狀態(tài)觀測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)的漸進(jìn)估計(jì)輸出不再給出原來的輸出值，讓系統(tǒng)重新建構(gòu)，于是，對(duì)于擾動(dòng)的魯棒性，在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的狀態(tài)觀測(cè)器起到非常重要的作用。

在西門子PROFI的控制系統(tǒng)中，充分利用了系統(tǒng)模塊化思想的優(yōu)勢(shì)，將整個(gè)過熱器簡(jiǎn)化為3個(gè)串聯(lián)的模塊，根據(jù)超臨界直流鍋爐數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)特性，視每一模塊為一階慣性環(huán)節(jié)。因此，可以把整個(gè)過熱器視為三階慣性環(huán)節(jié)[1,2]。

系統(tǒng)魯棒性穩(wěn)定的充分條件是系統(tǒng)的極點(diǎn)處在極坐標(biāo)的負(fù)半平面，并且受到擾動(dòng)時(shí)漸近穩(wěn)定。作為被控對(duì)象的主汽溫度，實(shí)際上也是三階慣性環(huán)節(jié)的一個(gè)量值，在西門子PROFI溫度控制模塊的作用下，控制時(shí)間常數(shù)由于鍋爐運(yùn)行工況等外部的擾動(dòng)引起的變 化，使整個(gè)過熱汽溫變化較小，最終趨于穩(wěn)定。

1 西門子PROFI溫度控制模塊的狀態(tài)觀測(cè)器的數(shù)學(xué)描述

1.1 原理性數(shù)學(xué)描述

由于建模方法的局限性和實(shí)際過程中模型自身參數(shù)攝動(dòng)現(xiàn)象的存在，對(duì)象的數(shù)學(xué)模型肯定存在各種不確定性。這樣一來，獲得被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型精確性有很大的難度,而西門子PROFI系統(tǒng)是把狀態(tài)觀測(cè)器與自適應(yīng)算法結(jié)合到一起，在各種擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，保證控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性。

PROFI調(diào)試工作重要內(nèi)容就是辨識(shí)機(jī)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(shù)為表現(xiàn)形式的特性模型：

一般，過熱器分為兩個(gè)區(qū)域，導(dǎo)前汽溫測(cè)點(diǎn)前至減溫器稱為導(dǎo)前區(qū)，過熱器出口汽溫測(cè)點(diǎn)到減溫器后稱為惰性區(qū)，把兩個(gè)區(qū)域串聯(lián)在一起，可得到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[1]：，其中, T 為負(fù)荷的函數(shù)

滄東電廠實(shí)際運(yùn)行的西門子PROFI系統(tǒng)中的汽溫控制模塊的基本原理就是利用狀態(tài)觀測(cè)器解決過熱汽溫這種大滯后對(duì)象的遲延造成的控制滯后，而這種狀態(tài)觀測(cè)器是基于狀態(tài)空間算法的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

在西門子PROFI系統(tǒng)溫度控制模塊對(duì)實(shí)際運(yùn)行邏輯塊給出了一個(gè)狀態(tài)完全可觀測(cè)的線性定常系統(tǒng)可表示為[3]：

1.2 狀態(tài)觀測(cè)器的實(shí)際方案

以導(dǎo)前區(qū)為一階慣性環(huán)節(jié)，惰性區(qū)為三階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)為例來進(jìn)行討論，可以把上式的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間表達(dá)式：

則其狀態(tài)空間表達(dá)式：

通常實(shí)際工程中，yf即噴水減溫器出口的汽溫，使它作為導(dǎo)前信號(hào)并且這個(gè)信號(hào)是可以準(zhǔn)確測(cè)量出來的，同時(shí)為狀態(tài)觀測(cè)器帶來益處。并設(shè)狀態(tài)觀測(cè)器的輸入信號(hào)yf和y，狀態(tài)觀測(cè)器的傳遞函數(shù)為三階大慣性環(huán)節(jié)：

則其惰性區(qū)狀態(tài)觀測(cè)器的系數(shù)矩陣為：

1.3 推論

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

2 實(shí)際運(yùn)行效果

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果

根據(jù)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(jīng)過試驗(yàn)可以得出以下數(shù)據(jù)：

一級(jí)過熱器：K=1.0 — 1.5 , n=3，T與負(fù)荷的關(guān)系為：

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

二級(jí)過熱器：K=0.8 — 0.9，n=3，T與負(fù)荷的關(guān)系為：

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

再熱器：K=0.6 — 0.9，n=3，T與負(fù)荷的關(guān)系為：

500MW 600MW 90s 63s

2.2 其他的調(diào)節(jié)汽溫方法簡(jiǎn)介

西門子PROFI系統(tǒng)中其他的調(diào)溫手段如下，但不作為本文重點(diǎn)闡述對(duì)象。

1）通過融入蒸汽焓值的變?cè)鲆婵刂破?，解決蒸汽壓力的高低對(duì)汽溫控制的影響。

2）基于模型的Smith預(yù)估器在profi中針對(duì)導(dǎo)前溫度的控制中也有應(yīng)用，主要是進(jìn)行提前控制，其傳遞函數(shù)為：

式中，Kpgp(s )e-τs：純遲延環(huán)節(jié)τ的控制對(duì)象傳遞函數(shù) Ksgs(s)：Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)。

3）通過profi的自學(xué)習(xí)功能塊，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償系數(shù)的改變對(duì)應(yīng)減溫水閥門特性的變化。

4）對(duì)再熱汽溫控制，改變調(diào)節(jié)手段，通過增加調(diào)節(jié)煙道擋板次數(shù)，減少減溫水調(diào)節(jié)次數(shù)，以提高機(jī)組效率。

2.3 整體調(diào)溫方案

實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組是把西門子PROFI系統(tǒng)中所有的調(diào)溫手段全部集合在一起進(jìn)行溫度智能控制，由于其他智能控制算法不作為本文重點(diǎn)闡述對(duì)象，因此只給出具體控制方案的示意圖。

整個(gè)西門子PROFI溫度控制器調(diào)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(shí)際調(diào)節(jié)曲線

將西門子PROFI溫度控制器實(shí)際組態(tài)到DCS系統(tǒng)中，在滄東電廠2號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行的過程中，通過PROFI系統(tǒng)記錄、收集和顯示該模型的實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)可以看出經(jīng)過PROFI溫度控制器優(yōu)化后的過熱汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì)非常理想。具體如圖2所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)的串級(jí)控制在針對(duì)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(jī)組采用西門子PROFI系統(tǒng)的控制策略，對(duì)系統(tǒng)的控制精度有了明顯的提高，同時(shí)克服了對(duì)大慣性、大延遲控制對(duì)象的缺點(diǎn)，如調(diào)節(jié)品質(zhì)差、抗干擾性弱等。解決此難題是利用基于狀態(tài)空間算法的狀態(tài)觀測(cè)器，并對(duì)其魯棒性的分析，進(jìn)而得出有擾動(dòng)時(shí)若要保持系統(tǒng)穩(wěn)定，則被控對(duì)象惰性區(qū)與觀測(cè)器其時(shí)間常數(shù)變化的關(guān)系。在實(shí)際調(diào)節(jié)汽溫回路時(shí)，時(shí)間常數(shù)T和狀態(tài)觀測(cè)器系數(shù)K需要配合著微調(diào)，在不同工況下，也可以單獨(dú)調(diào)節(jié)其中一個(gè)參數(shù)，也可適當(dāng)調(diào)節(jié)系數(shù)?？傊?，各種手段配合使用更能提高系統(tǒng)魯棒性。

圖2 滄東電廠2號(hào)機(jī)組PROFI一過汽溫優(yōu)化后趨勢(shì)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(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:水利電力出版社,1990:21-23.

[2]德國(guó)西門子公司.PROFI技術(shù)手冊(cè)[Z].2005.

[3]德國(guó)西門子公司.PROFI功能塊說明[Z].2005.

[4]德國(guó)西門子公司.PROFI設(shè)計(jì)說明[Z].2005.