作 者 ：武汉大学自动化系 常趁 罗嘉
1  引言


主蒸汽温度是电厂机组运行过程当中需要监视及控制的重要参数之一，它直接关系着机组能否安全稳定的运行。因此，及时、准确地反映主蒸汽温度的变化是热工过程控制领域一个长期研究的课题。
大型锅炉的过热器是在接近过热器金属管的极限高温条件下工作的，金属管道强度的安全系数很小，过热蒸汽温度过高会使金属管的强度大为降低，影响设备安全;温度过低则会使热效率显著下降。此外，汽温过高或过低都会影响汽轮机的安全运行。一般规定过热蒸汽温度下限不低于其额定值10℃，上限不能高于5℃。

2  串级、导前微分和Smith预估三种方案的仿真结果比较


2.1 被控对象模型获取
现以某电厂125MW机组过热器一段为例。对象由两段交叉组成，取充分利用热能之用。具体结构如图1所示。选取左一减后为导前汽温，右二减前为过热汽温，通过响应曲线法建模如下:




惰性区的传递函数通过公式:

     
影响过热器出口汽温的主要扰动有:蒸汽流量、烟气传热量和减温水。汽温对象在各种扰动下都有延迟，有惯性，有自平衡能力。就τ与T的比值而言，减温水量扰动时其值最大，烟气扰动下次之，蒸汽流量扰动时为最小。减温水量扰动强烈，对此段温度要求比对高温段出口要求低，往往将其作为串级控制的副参数，在导前微分系统中亦将它作为导前微分信号。
2.2 采用串级控制系统
针对被控对象的容积滞后和纯迟延，选用串级控制系统进行调节, 如图2所示。系统中有主、副两个调节器，过热器出口温度作为主信号。减温器出口温度是导前信号，主调节器的输出作为副调节器的定值。由于内回路的负反馈，能有效克服二次扰动的影响。



选择副参数时，原则为使副回路时间常数小，反应灵敏，干扰能在影响主参数之前得以克服。关于调节器选型，副调节器的重点是动作迅速以尽快抵消二次扰动，且副环主要调节任务为“粗调”，并不要求严格无差，因此采用P调节器即可以满足工艺要求。主调节器用于“细调”，以最终保重被调量满足设定要求，采用PI调节。整定时采用先整定副环，再整定主环，然后循环进行的逐步逼近法。最后各参数整定依次为P=0.05，PI中P=2，I=20。执行器为0.1。
2.3 采用导前微分控制系统
由于微分作用能反映输出量的变化趋势，若在控制系统中减温器出口处引出一个温度信号接入微分器，构成一个新系统，势必也能改善控制性能, 如图3所示。相对于串级控制系统，该系统只用了一个调节器，但调节器输入端为两个信号，为双冲量控制。两信号中，主信号主汽温经变送器直接进入调节器，而减温器后温度则经微分器后再进入调节器，在时间上和相位上超前于主信号。导前微分控制系统由于引入导前微分信号而缩短了迟延时间，减小过渡过程时间，控制品质得到改善。


2.4 采用Smith预估控制
在工业生产过程中，对象特性呈现大迟延、多干扰等难以控制的特性，利用单回路控制，不仅超调量大而且调节时间长，有时甚至会导致系统不稳定，这种情况下常规PID调节往往难以驾驭。但如果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，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。对于具有大迟延环节的对象来说，经过改造后的对象将会把被调量超前反映到调节器，从而克服了大迟延环节的影响，使控制系统的品质得到很大的改善，达到满意的效果。
Smith预估补偿方法的特点是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τ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。


(1) 拟合曲线的生成
在设计Smith预估补偿方案之前，我们首先要把惰性区的传函改写成为一个一阶对象加上纯迟延环节的形式。这个过程选用拟合的途径。拟合过程中，重点在于阶跃响应的最终值和上升部分;对于阶跃响应的起始部分，由于改写成带有纯迟延环节的形式，相对于原始的曲线必然有较大迟延。
图4中，曲线1表示原惰性区的阶跃响应，而曲线2表示拟合所得的一阶惯性环节加纯迟延的对象的阶跃响应。由图4可以清楚的看到，两条曲线的稳定值完全重合在一起，只是在起始阶段后者更突出的表现出迟延的特性。得到的对象传函为:


      
(2) 方案的提出
则根据Smith预估控制原理，很容易得到Smith预估方案结构图, 如图5所示。




将Smith预估方案与上述串级、导前微分方案放在一起进行比较。图6中，曲线1所示为串级方案对应的阶跃响应，曲线2所示为导前微分方案对应的阶跃响应，而曲线3所示为Smith方案对应的阶跃响应。通过比较可以清楚的看到各种改进方案的优点及缺点。串级能改善快速性，但调节时间仍较长，且超调量很大。导前微分在快速性上比串级要好一些，但二者调节效果相差不大，都不能令人满意。与这两种常规方案相比，Smith预估方案显得十分完美，它不仅调节时间非常短，超调量亦很小。

唯一的缺憾是由于Smith预估器对模型的误差十分敏感，因而难于在工业中广泛应用。如果在Smith补偿回路中增加一个反馈环节，则系统可以到达完全抗干扰的目的。这样系统既可克服干扰，又可以实现好的跟踪控制;对改善Smith补偿器的抗干扰能力有指导意义。
(3) 关于Smith预估方案控制思想
很明显，Smith预估方案在控制质量的改善上比常规控制手段相比，显得快速而有智能，控制的精度是反馈控制所不能企及的。从控制原理上讲，它是开环的，不通过反馈加以检验。而反馈控制意味着存在一个可以测量出来的误差，并以此产生控制作用，等言之，使用反馈控制，控制结果最终必然与设定值存在着偏差。而且，反馈控制在其控制过程中，对于引起误差的各种扰动，不能究其产生原因有区别的加以对待，而只是根据最终的输出值与设定值的偏差动作，显得被动而不具有智能性。与之对应的是，Smith预估方案采用的开环控制是针对工业模型的大迟延专门设计出的控制方案。方案的设计有着明确的目的性，即尽可能的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。
但Smith预估的缺点也因此而来。由于它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。而此时反馈的优点便凸现出来，即在负荷条件不明的情况下仍有控制能力，而且比较稳定。将二者结合起来，取长补短将会是理想的控制方案，只是传递函数的形式过于复杂，具体实现起来较困难。

3  结束语


汽温串级系统在控制效果上与导前微分控温系统没有什么区别，只是后者的仪表投资较少，但串级控温系统整定方便，已得到广泛应用。而Smith预估方案在控制思想上独辟蹊径，只是具体实现较为困难。