主汽温串级控制系统仿真研究 - 图文

华北电力大学科技学院毕业设计（论文）

度，从而有效抑制汽温的变化，文献[14]相位补偿技术的控制思想如图2-12所示。

图2-12相位补偿控制回路框图

分段控制:目前大机组的过热汽温一般采用分段控制，I级喷水减温器通常布置在屏式过热器之前，Ⅱ级喷水减温器通常布置在末级过热器之前，主汽温的控制通过I级喷水和Ⅱ级喷水来实现，这样便可以提高汽温调节对象的动态特性。就原理上说，在定值分段汽温控制系统中，末级喷水维持锅炉出口汽温，末级前的每级喷水分别维持过热器段相应的中间点温度，各个减温喷水器的控制逻辑相互独立，定值系统的控制目标明确，系统结构分明，系统参数整定容易，投运相对简单，且各级调节系统手动、自动切换自由。但是，由于定值分段汽温调节系统各子系统分别维持各段汽温于相应的设定值，因此，当各段汽温的调节对象特性不同时，这种调节系统将不适应锅炉工艺过程的要求。

2.8.2基于现代控制理论的主汽温度控制方法

自动控制理论在计算机飞速发展的同时也得到了飞跃的进步，二十世纪五六十年代出现了本质为“时域法”的现代控制理论，它相对于经典控制理论是一大进步，很快就有学者将其运用到主汽温度的控制中来。现代控制理论从理论上解决了系统的可控性、可观测性、稳定性及许多复杂系统的控制问题，它们在控制品质上可以达到较为理想的效果，然而在工程实现方面却都而临这样或那样的问题，目前工程应用仍然不是很多。 1.状态变量控制

随着控制理论的更加成熟化，出现了状态变量控制在工程上的应用。状态变量控制采用的是状态空间法来分析系统，控制系统的动态特性是用状态变量构成的一阶(或二阶)微分方程组来描述。这是一种有效的动态特性补偿技术，在不失控制系统稳定性的前提条件下，可加快喷水调节阀的动作速度，有效减少汽温的最大动态偏差。

当锅炉负荷发生变化时，在过热器中蒸汽流程上的各点温度总是先于主汽温的变化，如果控制系统根据这些流程上的各点温度进行调节，一旦这些温度发生变化，控制系统马上动作、及时调节，就能取得好的控制效果。所以在常规的串级汽温控制方案的基础上，

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增加过热器流程上各点温度就组成状态变量控制系统。但是，在高温过热器上加装温度测点是不现实的，这就自然想到了用过热器的动态数学模型来估计这些温度值(即称状态变量)，然后根据这些估计出来的温度值来进行调节，这就构成了状态变量控制系统，其控制思想参见图2-13。

图2-13状态变量控制回路框图

可见，状态变量控制可以加快及提前喷水调节阀的动作，从而有效抑制汽温的最大动态偏差，对过热汽温这类有较大容积延迟的控制对象特别适用。因为沿过热器分布的状态变量有其特定的物理意义，它代表了过热器各中间点的温度，对这些温度加以控制，比单独的输出反馈控制大大提高了控制质量，并有可能实现最优控制。关键是状态观察器估计的称状态变量必须正确。过热汽温的时变特性限制其控制质量。 2．预测控制

二十世纪七十年代后期出现的一种新型计算机控制算法—— 动态矩阵控制(DMC)预测控制。该算法对模型没有先验知识的要求，具有预测模型、滚动优化以及反馈校正三大特性，能实现对系统的优化控制，它能直接处理带有纯滞后的对象，对大惯性有较强的适应能力，从而有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。所以近年来，在工业过程控制领域中得到了广泛重视和应用。但是，DMC预测控制也存在某些不足：其抗干扰性不如传统的PID控制。这主要是因为动态矩阵控制一般采用较大的采样周期，在线计算量大、耗时多，因而不能快速及时克服扰动的影响，无法对随机突发性的干扰实施即时控制。所以扬长避短，有学者将DMC控制和PID控制有机结合起来，构成DMC—PID串级控制，充分发挥DMC算法的超前预测性和强鲁棒性以及串级控制的抗干扰能力，力求在所有工况实现主汽温的良好控制。

如图2-14所示【15】，在DMC—PID过热汽温串级控制系统中，根据PID控制抗干扰能力强的特点，首先对导前汽温T。实行闭环PID 控制。PID控制中的参数可以根据常用的工程整定法，如：临界比例法，响应曲线法等结合经验公式来确定。考虑到PID控制主要是用于及时克服内部扰动，减少扰动对于主汽温T 的影响，一般采用纯比例调节器。将内环PID

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闭环控制系统以及惰性区作为广义被控对象实行DMC控制，用主蒸汽温度预测信号作为主反馈信号，预测主蒸汽温度的变化方向和大小，实现超前调节，有效地克服了减温水变化过程中的迟延和惯性，使系统在各种扰动作用下，能实现快速调节；并根据预测值和实际值的误差，在线不断反馈校正和滚动优化，保证系统有较好的动、静态品质和强鲁棒性。

图2-14DMC—PID串级控制回路框图

3．Smith预估控制

Smith预测控制是由O．J．M．Smith于1957年提出来的一种有效克服系统大滞后、大惯性的控制方法。优点：Smith预估控制在控制质量的改善上与常规控制手段相比，显得快速而有智能，控制的精度是反馈控制所不能企及的，它不通过反馈加以检验，这就意味着它不存在一个可以测量出来的误差。其采用的开环控制是针对工业模型的大迟延专门设计的控制方案。方案的设计有着明确的目的性，即尽可能地改善系统因大迟延而引起的控制质量问题，其效果是显著的。缺点：由于Smith是建立在精确的数学模型上的，当实际工况发生改变时，控制系统由于鲁棒性差而会引起振荡。这种对模型的误差敏感性，使得其难于在工业中广泛应用。

后来有人提出在Smith补偿回路中增加一个反馈环节，则系统可以到达抗干扰的目的。它的基本思想是：预先测出对象的动态特性，按照希望的对象特性设计出一个补偿器，这

??s个补偿环节称为预估器，其传递函数为GP?S?1?e，调节器将把难控对象和补偿器看

??作一个新的对象进行控制，D(S)表示调节器的传递函数，GP?S?e??s表示被控对象传递函数。预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，能提前r时间感知被控量的变化，并将其反馈到控制器的输入端，使调节器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程。补偿后的框图如下图2-15所示。经补偿后的闭环传递函数为：

D?S?GP?S???s??S??e。这说明补偿后消除了纯迟延部分对控制系统的影响，因为式中的

1?D?S?GP?S?e??s。在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。仅使控制作用在时间轴上推移了一个

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时间r，控制系统的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为GP?S?时完全相同，因此D(S)可以按对象为GP?S?进行设计。

图2-15 Smith预测控制回路框图

4.自适应控制

无模型自适应控制[16](MFAC)有良好的参数适应性，它对非线性、大迟滞对象有很好的控制，因此主回路采用MFAC控制器，以克服对象的大迟延、大惯性和模型的不确定性。如图6所示，副回路的主要任务是消除喷水扰动，可选用抗干扰能力强、调节快速的PID调节器。过热汽温MFAC—PID串级控制系统，就是把2种方法结合起来，使系统在各种扰动作用下，能实现快速调节，保证其有较好的动静态品质和强鲁棒性。图2-16中，MFAC、PID分别为主调节器和副调节器，T为过热器出口蒸汽温度的给定值，T 为过热器出口蒸汽温度的实际值，T。为导前区的温度，d为扰动。

图2-16 MFAC—PID串级控制回路框图

5.智能控制

智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题。对于主汽温度控制来说，有应用人工智能、开发专家控制系统、人工神经网络控制系统和模型控制系统等计算机科学的最新技术。

专家控制:专家系统是一个有大量专门知识与经验的计算机程序系统。它应用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家做决策来解决那些需要专家决定的复杂问题。目前，专家系统控制器通常由控制规则库、推理机、信息获取器和输出处理器等4部分组成。

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