史密斯預(yù)估補(bǔ)償器仿真

1、摘要過(guò)熱蒸汽的溫度是電站鍋爐安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。本文針對(duì)過(guò)熱氣溫大遲延、大慣性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了史密斯預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂品桨?。并通過(guò)仿真結(jié)果證明，史密斯預(yù)估補(bǔ)償優(yōu)于常規(guī)PID控制。關(guān)鍵字過(guò)熱蒸汽溫度史密斯預(yù)估補(bǔ)償PID仿真1過(guò)熱蒸汽溫度控制必要性及對(duì)象特性分析機(jī)組過(guò)熱蒸汽的溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，汽溫過(guò)高會(huì)使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，影響使用壽命。汽溫降低，將會(huì)使機(jī)組循環(huán)熱效率降低，使煤耗增大。過(guò)熱汽溫變化過(guò)大，除使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行。所以，鍋爐在運(yùn)行中必須保證過(guò)熱汽溫穩(wěn)定在規(guī)定值附近。汽溫控

2、制的質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又是鍋爐各項(xiàng)控制中較為困難的任務(wù)之一。這主要是由于：（1）造成過(guò)熱汽溫變化的原因很多，例如：機(jī)組負(fù)荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過(guò)?？諝庀禂?shù)及火焰中心位置、燃料成分等都會(huì)影響汽溫的變化。（2）在各種擾動(dòng)作用下汽溫對(duì)象具有非線性、時(shí)變等特性，使控制的難度加大。（3）汽溫對(duì)象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過(guò)熱受熱面比例加大，使其遲延和慣性更大，從而進(jìn)一步加大了控制的難度。總之，過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入單輸出的系統(tǒng)。影響過(guò)熱汽溫主要擾動(dòng)有三種：蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)；煙氣熱量擾動(dòng)：燃燒器運(yùn)行方式變化、燃料量變化、燃料種類或成分變化、風(fēng)量變

3、化等等這些變化最終均反映在煙氣熱量的變化；減溫水流量擾動(dòng)。蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)和煙氣熱量擾動(dòng)的遲延和慣性比減溫水流量擾動(dòng)小，但是蒸汽流量（負(fù)荷）信號(hào)由用戶決定，不能作為調(diào)節(jié)手段；煙氣熱量控制（改變煙氣熱量和流量）比較困難；而減溫水流量的控制對(duì)過(guò)熱器的安全運(yùn)行比較有利。所以對(duì)于一般電廠，盡管對(duì)象特性不是太理想，但是目前還是廣泛采用改變減溫水流量來(lái)控制過(guò)熱蒸汽的溫度，即噴水減溫。因?yàn)殡娬惧仩t的過(guò)熱器管路比較長(zhǎng)，因此它是一個(gè)大慣性加純滯后的對(duì)象。2史密斯（Smh）預(yù)估補(bǔ)償控制原理介紹史密斯（Sm讓h）預(yù)估補(bǔ)償方法的設(shè)計(jì)思想及特點(diǎn)是：預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被

4、延遲了的被控量超前反饋到控制器，使控制器提前動(dòng)作，從而明顯地加速控制工程并減小超調(diào)量。其控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。在上圖中，Kpgp(s)是對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié)e-ds以后的傳遞函數(shù)，Ksgs)是史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。假若系統(tǒng)中沒(méi)有此補(bǔ)償器，則由控制器輸出U(s)到被調(diào)量Y(s)之間的傳遞函數(shù)為Y(s-dsUlKpgpe上式表明，受到控制作用之后的被控量要經(jīng)過(guò)純遲延d之后才能返回到控制器。若采用預(yù)估補(bǔ)償器，則控制量U(s)與反饋到控制器的信號(hào)Y(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即Y(s)U為使控制器采集的信號(hào)(s)Kpgp(s)e-1sKsgs(s)Y(s)不被遲延d,則要求上式為Y

5、(s)U(s)Y(s)KpGc(s)gp(s)edsR(s)1KpGc(s)g/s)Kpgp(s)e-dsKsgs(s)Kpgp(s)從上式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為Ksgs(s)Kpgp(s)(1-e-ds)稱上式表示的預(yù)估器為史密斯預(yù)估器，它將消除大遲延對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響，使控制過(guò)程的品質(zhì)與過(guò)程無(wú)純遲延環(huán)節(jié)的情況一樣，只是在時(shí)間坐標(biāo)上向后推遲了一個(gè)時(shí)間d。整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為很顯然，此時(shí)在系統(tǒng)的特征方程中，已經(jīng)不包含e-ds項(xiàng)。也就是說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。當(dāng)然閉環(huán)傳遞函數(shù)分子上的e心說(shuō)明被調(diào)量y(t)的響應(yīng)還比設(shè)定值滯后#寸問(wèn)。最后在介紹一種改進(jìn)型的史

6、密斯預(yù)估器，它是由Hang等人提出的。它只比原來(lái)的方案多了一個(gè)控制器，其控制原理框圖如下圖2所示：圖2改進(jìn)型史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖它與史密斯預(yù)估補(bǔ)償器方案的主要區(qū)別在于主反饋回路，其反饋通道傳遞函數(shù)不是1而是Gf(S)。Gf(S)Gc2(s)gm(s)1Gc2(s)gm(s)通過(guò)理論分析可以證明改進(jìn)型方案的穩(wěn)定性優(yōu)于原來(lái)的方案，并且對(duì)模型的精度要求不高，有利于改善系統(tǒng)的控制性能。如果假設(shè)gm(s)是一階環(huán)節(jié)，并且控制器的積分時(shí)間等于模型的時(shí)間常數(shù)，那么Gf(S)可以簡(jiǎn)化為Gf(S)1Tfs1它是一個(gè)一階濾波器，只有一個(gè)整定參數(shù)丁3仿真練習(xí)針對(duì)機(jī)組過(guò)熱汽溫是一個(gè)大慣性加純滯后的對(duì)象，采用史密斯

7、預(yù)估補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈタ刂茋娝?，從而控制溫度在穩(wěn)定值附近，保證機(jī)組安全運(yùn)行。3.1系統(tǒng)在設(shè)定值階躍擾動(dòng)下響應(yīng)仿真通過(guò)一階傳遞函數(shù)模型的辨識(shí)方法得到某1000MW超超臨界機(jī)組在滿工況運(yùn)行下，末級(jí)過(guò)熱器出口汽溫溫度的模型為35-e49s,在Matlab仿真平臺(tái)搭9.6s1建如下的仿真系統(tǒng)：假設(shè)在理想的條件下，辨識(shí)的模型是精確的，通過(guò)對(duì)史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制和常規(guī)單回路PID控制、常規(guī)單回路PID控制（被控對(duì)象無(wú)延遲）的對(duì)比研究，得出如下圖3:圖3系統(tǒng)在設(shè)定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程整定的控制器參數(shù)為Kp0.448,Ti0.448,Td0.448。通過(guò)以上的仿真可以看出，經(jīng)過(guò)史密斯預(yù)估補(bǔ)償器后的響應(yīng)曲線明顯優(yōu)于

8、常規(guī)單回路PID控制的響應(yīng)曲線。而與被控對(duì)象無(wú)延遲的常規(guī)單回路PID控制響應(yīng)曲線相比，史密斯預(yù)估補(bǔ)償器并沒(méi)有體現(xiàn)較大的優(yōu)勢(shì)，只是響應(yīng)曲線在時(shí)間坐標(biāo)軸上向后推遲了一個(gè)延遲時(shí)間。也就是說(shuō)消除了史密斯預(yù)估補(bǔ)償器消除了大遲延對(duì)系統(tǒng)的影響3.2系統(tǒng)在負(fù)荷干擾下響應(yīng)仿真同樣在Matlab仿真平臺(tái)搭建如下的仿真系統(tǒng):踴V對(duì)上述整定的控制器參數(shù)不作改變，即KP0.448,TIEivsnii甲*0.448,Td0.448。并在時(shí)間為800s時(shí)加入負(fù)荷擾動(dòng)，得出的響應(yīng)曲線對(duì)比如下圖4:1.61.41.210.80.60.40.20f*PID11J1JItfX80后加干擾1rSmithPID被控又寸象無(wú)延遲）11.

9、8系統(tǒng)在負(fù)荷干擾下過(guò)渡過(guò)程對(duì)照y0200400600800100012001400160018002000t圖4系統(tǒng)在負(fù)荷擾動(dòng)下的過(guò)渡過(guò)程上述仿真結(jié)果表明，史密斯預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)機(jī)組過(guò)熱汽溫受到負(fù)荷干擾時(shí)，控制效果沒(méi)有設(shè)定值階躍擾動(dòng)的控制效果好。只是比常規(guī)單回路PID控制效果略好。4總結(jié)通過(guò)對(duì)提出的控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出，在加入史密斯預(yù)估補(bǔ)償器后，可以對(duì)大遲延、大慣性的過(guò)熱汽溫進(jìn)行有效的控制，且沒(méi)有超調(diào)量，達(dá)到滿意的控制效果。當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，雖然史密斯預(yù)估補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的平穩(wěn)控制，但效果沒(méi)有設(shè)定值擾動(dòng)下好。綜上所述，對(duì)于大慣性、大滯后的情況下的控制，加入史密斯預(yù)估補(bǔ)償器可以收到較好的控制效果，但對(duì)于抗干擾能力還有