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劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其他民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术先进与否和企业现代化的重要标志[2]。
锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数[3，4]。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5～10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热汽温度的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。因此，对过热蒸汽温度进行控制具有重要的意义[5]。
2 过热蒸汽温控基本原理
本文的过热蒸汽温度控制是采用的二级喷水减温控制，该控制方式是在机组不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器的出口蒸汽温度，该蒸汽温度与主回路的给定值进行比较，形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号，主回路的给定值由运行人员手动设定，对于300MW机组在正常负荷时，给定值一般为540℃。
副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度，其温度的测量值送入副回路与其给定值比较，形成二级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路给定值是上主回路控制器的输出与前馈信号叠加而形成的。
3 Smith预估补偿器
针对有纯迟延过程的控制系统中，在PID反馈控制的基础上加入预补偿环节，可以提高控制品质[6]。采用简单回路控制时，闭环传递函数为式（1）：
欲消除迟延对闭环极点的不利影响，应考虑去除分母中的项。本文Smith预估补偿方案就是消去分母中的项，把对象的数字模型引入到控制回路内。若系统采用预估补偿器，调节器与反馈到调节器的之间传递函数是两个并联通道之和。
为使调节器采集的信号不至迟延t，预估补偿器的传递函数需为式（2）：
Smith预估模型消除了大迟延对系统过度过程的影响，调节过程的品质与过程无迟延环节时相同，只是在时间坐标上向后推迟了时间。系统的闭环传递函数为式（3）：
由式（3）可知，对于随动控制通过预估补偿器，其特征方程中消去了项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。至于分子中的仅仅将系统控制
过程曲线在时间轴上推迟了一个，所以预补偿完全补偿了纯迟延对过程的不利影响。
本文以传递函数为例对Smith预估补偿器进行仿真：
其调节器为PI调节器，即。用衰减曲线法整定参数得，，用MATLAB进行仿真，其仿真曲线如图1所示，其中（a）为延迟时间为50s，（b）为把对象传递函数中的迟延时间改为40s得到的仿真得到的仿真曲线。
由仿真图1（a）与图1（b）相比较得到，由图1（a）可以看出Smith预估器使控制品质大大提高，系统的特性非常好。但是它对模型的误差十分敏感，当系统参数变化时，由于控制参数不能随之而变化，不能对受控过程参数做出适时调整，从而过程的品质指标恶化，适应性不强，即鲁棒性较差。
4 Smith预估补偿器的改进
电厂锅炉主蒸汽温度被控对象的参数会随着时间的变化而变化，因此，我们需要提高控制系统的鲁棒性，本文对预估器进行了改进，在原方案的基础上增加一个调节器。
在改进方案中，过程特性的比例增益，主反馈回路不同，但其它的反馈通道传递函数不是1而是，即 。改进型Smith预估器方案比原方案增加了一个调节器。为了保证系统输出相应无余差，要求两个调节器PI均为动作调节器。主调节器只需按模型完全准确的情况下进行整定，辅助调节器的整定较为复杂，其在反馈通道上，并与模型传递函数一起构成。假设是一阶环节，并设，即使调节器的积分时间与模型时间常数相等，可简化为：。
这样，反馈回路上出现了一个一阶滤波器，其中只有一个整定参数，实质上只有中的比例增益需要整定。我们仍以上述W01传递函数为对象对改进型Smith预估器进行仿真，仿真图如图2所示，其中2（a）迟延时间为50s的仿真曲线，图2（b）为延迟时间40s的仿真曲线。
从图2的仿真曲线可以看出，改进型的Smith预估器稳定性较好，各方面性能比较理想，当我们改变对象的参数时，系统性能没有发生大的变化，稳定性仍然较好，因此改进型的Smith预估器有较好的适应性，鲁棒性较好。
5 结语
纯延迟过程系统的控制较为复杂，单纯的串级控制不能满足其需求。针对这一问题，本文进行了以下两方面的工作：
（1）由于Smith对纯延迟控制有较好的改善作用，本文选择利用Smith预估补偿器，并将其代入传递函数进行仿真，结果显示当时间常数合适时控制品质较好，控制品质得到提高。但当时间常数有所变动时，系统出现了明显的不适应，即它的鲁棒性不是很好。
（2）为了提高控制系统的鲁棒性，本文在原方案的基础上对Smith预估器进行了改进，并再次进行仿真，结果显示，改变系统的时间常数，系统具有较好的鲁棒性。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2001：40～80.
[2]李遵基.热工自动控制系统.北京：中国电力出版社，1992：66～106.
[3]李学明，刘吉臻，李志军，等.过热蒸汽温度控制系统优化[J].热力发电，2004，05：42～44.
[4]钱敏.汽包锅炉过热蒸汽温度自动控制系统[J].设备管理，2014，2：145.
[5]张宝芬，等.自动检测技术及仪表控制系统.北京：化学工业出版社，1999：10～15.
[6]张彦军，于飞，崔平远.一种简单而有效的SMITH预估补偿控制新方法[J].自动化与仪器仪表，2003，3：4～6. |
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发表于 2022-2-27 18:44:23