基于干擾觀測器PID在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用

沈繼忱，程玉偉

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

0 引言

火電廠主蒸汽汽溫的控制水平的高低直接影響到鍋爐的熱效率和過熱器管道、汽輪機(jī)等設(shè)備的可靠運(yùn)行［1］。主蒸汽溫度的自動(dòng)控制回路是火電廠鍋爐重要的控制回路之一，同時(shí)也是廠方最關(guān)注和最難控制的1個(gè)回路。傳統(tǒng)的火電廠主汽溫控制方法一般采用常規(guī)的PID串級控制策略［2］。然而，采用傳統(tǒng)常規(guī)的PID控制策略很難取得滿意的控制效果［3］。對此，提出一種基于干擾觀測器的PID控制算法，即在1個(gè)常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)之上增加1個(gè)干擾觀測器，在主汽溫控制中引入等效的補(bǔ)償，通過Matlab仿真，以達(dá)到良好的控制品質(zhì)。

1 主汽溫控制特性

主蒸汽溫度自動(dòng)控制是通過噴水減溫改變過熱器內(nèi)蒸汽溫度及其出口溫度，維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，過熱器調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。主蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，主蒸汽溫度過高或者過低都會(huì)明顯影響到電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。主蒸汽溫度過高可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分受到損壞，主蒸汽溫度過低則會(huì)降低全廠的熱效率［4］。

圖1 過熱蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

影響過熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，例如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐水溫變化、進(jìn)入過熱器蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器煙氣溫度變化和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等，其中起主導(dǎo)作用的是蒸汽流量和減溫水量［5］。過熱汽溫對象動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為大慣性、大遲延，并且具備自平衡能力。此外，主蒸汽溫度對象動(dòng)態(tài)特性隨著運(yùn)行工況的變化而變化，具有不確定因素。目前，廣泛應(yīng)用的PID調(diào)節(jié)的噴水減溫的方法，這種方法的缺點(diǎn)是使主蒸汽溫度對象特性具有很大的遲延和慣性［6］。

2 干擾觀測器設(shè)計(jì)

2.1 干擾觀測器原理

干擾觀測器的基本思路是將外部力矩干擾和模型參數(shù)變化造成的實(shí)際對象與名義模型輸出的差異等效到控制輸入端，即觀測出等效干擾。在控制中引入等效的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對干擾的完全抑制。

干擾觀測器框圖如圖2所示。

圖2 干擾觀測器原理圖

在圖2中，Gp(s)為被控對象的傳遞函數(shù)，Gn(s)為名義模型傳遞函數(shù)，d為等效干擾，u為控制輸入，c為PID的輸出，df為干擾的估計(jì)值，Q(s)為低通濾波器。控制器的輸出為

式中c為PID控制器的輸出;df為干擾的估計(jì)值。

由圖2可得到如下表達(dá)式為

2.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)

Q(s)的設(shè)計(jì)是干擾觀測器設(shè)計(jì)過程中的1個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。第一，為使Q(s)G-1n(s)正則，Q(s)相對階應(yīng)不小于1/Gn(s)的相對階;第二，Q(s)帶寬的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在干擾觀測器的魯棒穩(wěn)定性和干擾抑制能力之間的折中［7］。

設(shè)Gp(s)的名義模型為Gn(s)，則不確定對象的集合可以用乘積攝動(dòng)來描述，即

式中Δ(s)是可變的傳遞函數(shù)。根據(jù)魯棒穩(wěn)定性原理，干擾觀測器Q(s)穩(wěn)定的充分條件為

通過Q(s)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)魯棒性的要求。

忽略非建模和不確定性等因素的影響，Gn(s)可描述為

式中Jn為等效慣性力矩;bn為等效阻尼系數(shù)。

Q(s)的選擇應(yīng)折中考慮系統(tǒng)的抗干擾性能、魯棒性和抑制噪聲的因素。

設(shè)計(jì)Q(s)時(shí)需要根據(jù)具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的選擇。常用的一種設(shè)計(jì)Q(s)方法就是令Q(jw)的右邊的斜率和1-Q(jw)在高頻區(qū)域內(nèi)的斜率相等。在頻域內(nèi)在低頻區(qū)域的斜率

最優(yōu)的Q(s)是通過斜率相等得到的，可得

3 仿真結(jié)果分析

以某電廠300 MW機(jī)組的主汽溫度為控制對象，其模型為

采用如下式的低通濾波器，則

式中τ=0.001。

根據(jù)提出的方法，設(shè)計(jì)的Matlab的仿真模型如圖3所示。

為了說明干擾觀測器PID控制策略相對常規(guī)控制方法的優(yōu)越性，同時(shí)做了常規(guī)PID控制的仿真研究。其階躍響應(yīng)結(jié)果如圖4、圖5所示。

通過上面仿真曲線比較可知，在正常工況下，干擾觀測器PID在控制精度、穩(wěn)定時(shí)間、超調(diào)量、自適應(yīng)等動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)都優(yōu)于常規(guī)PID控制。

圖3 Matlab仿真模型

圖4 常規(guī)PID階躍響應(yīng)

4 結(jié)論

仿真研究表明，基于干擾觀測器的PID控制算法應(yīng)用于具有遲延、時(shí)變和不確定等特性的火電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，其控制效果優(yōu)于常規(guī)的PID控制，能適應(yīng)對象參數(shù)的變化并表現(xiàn)出良好的控制品質(zhì)，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。

圖5 帶干擾觀測器PID階躍響應(yīng)

［1］ 邊力秀.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2001.

［2］ 劉吉臻，李建強(qiáng)，張栗英，等.用RBF網(wǎng)絡(luò)整定的電廠主汽溫PID串級控制系統(tǒng)［J］.動(dòng)力工程2006，26(1):89-92.

［3］ 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［4］ 王沛然.主汽溫新型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2005.

［5］ 劉志遠(yuǎn)，呂劍虹，陳來九.智能PID控制器在電廠熱工過程控制中的應(yīng)用前景［J］.中國機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(8): 128-134.

［6］ V I Utkin.Sliding mode control design principles and applications to edleetric drives［J］.IEEE.Trans，Ind.Eleetron，1993，40(1): 23-36.

［7］ 丁新平，楊俊友，孫榮斌.基于干擾觀測器PID控制的磁懸浮系統(tǒng)［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)報(bào)，2005，27(3):288-290.