鍋爐主汽壓Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)

王春雨

（黑龍江省輕工建設(shè)總公司，哈爾濱 150086）

鍋爐主汽壓Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)

王春雨

（黑龍江省輕工建設(shè)總公司，哈爾濱 150086）

針對(duì)燃煤鍋爐蒸汽壓力的滯后、耦合及高度非線性等特性，將Smith預(yù)估控制器理論應(yīng)用到該系統(tǒng)，建立了控制環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab軟件做了仿真研究。仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)跟蹤速度快、超調(diào)量小，同時(shí)驗(yàn)證了控制算法的有效性。

燃煤鍋爐；主汽壓；Smith預(yù)估器

鍋爐燃燒的物理過程極其復(fù)雜，各物理量存在著復(fù)雜的耦合現(xiàn)象，所以，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制研究比較廣泛。輸入量可分為給煤量、鼓風(fēng)量等物理量，輸出量可分為蒸汽壓力等物理量。使用煤作為鍋爐系統(tǒng)的燃料，給煤量決定鍋爐所能提供的蒸汽量，從而影響蒸汽壓力。鑒于蒸汽壓力又是衡量鍋爐系統(tǒng)熱量的重要標(biāo)志，所以，本文重點(diǎn)以蒸汽壓力作為鍋爐系統(tǒng)的被控量。

理論與實(shí)踐研究表明，鍋爐燃燒系統(tǒng)存在較大的延時(shí)，參變量是隨時(shí)間變化的，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，另外，鍋爐的負(fù)載不僅變化范圍大，而且是時(shí)變的。引起蒸汽壓力變化的因素很多，擾動(dòng)主要分為內(nèi)擾（燃料的變化）和外擾（蒸汽流量的改變）。解決這些問題，采用傳統(tǒng)的PID控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)一定的控制要求，但是當(dāng)系統(tǒng)的被控對(duì)象參數(shù)變化范圍較大或非線性效應(yīng)顯著時(shí)，控制效果不顯著［1-2］。因此，對(duì)燃料量維持蒸汽壓力恒定的主汽壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將Smith預(yù)估引入控制器，更有效地克服被控量的時(shí)變、大延時(shí)的特性［3-4］。仿真實(shí)驗(yàn)表明，模糊Smith控制的主汽壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、最大超調(diào)量和快速性等控制性能指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)。

1　鍋爐主汽壓控制模型分析

鍋爐系統(tǒng)主蒸汽汽壓生產(chǎn)過程大致由燃料在爐膛的燃燒過程、蒸發(fā)過程、過熱器通流過程、蒸汽母管通留過程、汽機(jī)耗汽過程等部分組成，如圖1所示。影響鍋爐蒸汽壓力的因素諸多，若以給煤量M為輸入，主蒸汽壓力PM作為輸出，系統(tǒng)分析得到鍋爐主蒸汽壓力控制系統(tǒng)方框圖，如圖2所示。

圖1　主蒸汽壓力過程控制Fig.1 The main steam pressure process control

圖2　鍋爐主蒸汽壓力控制系統(tǒng)方框圖Fig.2 The main steam pressure control system for boiler

當(dāng)鍋爐燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，主蒸汽壓力產(chǎn)生偏差，給煤機(jī)調(diào)節(jié)輸出電流，進(jìn)而控制給煤量M，磨煤機(jī)的煤粉量隨之改變，煤粉被送入爐膛，主蒸汽壓力被控制，直至偏差為零。

對(duì)圖2進(jìn)行方框圖化簡(jiǎn)，可得到蒸汽壓對(duì)于燃料的傳遞函數(shù)。

2　控制器設(shè)計(jì)

純滯后負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3　帶滯后環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)Fig.3 Feedback control system with lagging link

圖4　Smith純滯后補(bǔ)償系統(tǒng)框圖Fig.4 Smith pure delay compensation system

因此：

則控制器傳遞函數(shù)：

得到的模擬控制器用一階后向差分法離散化得到：

3　Smith補(bǔ)償器的確定

4　仿真實(shí)驗(yàn)

Tb=100，T=8，建立控制系統(tǒng)的simulink模型如圖5所示，控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和方波響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5　simulink仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Simulation structure of simulink

圖6　Simth預(yù)估器下的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線Fig.6 The step response curve of the system under the Simth predictor

圖7　Simth預(yù)估器下的系統(tǒng)方波響應(yīng)曲線Fig.7 Square wave response curve of the system under the Simth predictor

仿真結(jié)果表明Smith預(yù)估控制器使系統(tǒng)輸出上升時(shí)間快、超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)性能好。

5　結(jié)論

針對(duì)燃料量維持蒸汽壓力恒定的主汽壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本文使用基于Smith預(yù)估控制器的汽包主壓控制方法，仿真表明該方法使鍋爐控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

［1]陳珊珊.模糊PID控制在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37（3）:119-121.

［2]王紅梅.基于改進(jìn)PID算法的電壓調(diào)節(jié)器智能控制［J］.電氣應(yīng)用，2015，34 （7）:88-91.

［3]胡明慧.受擾時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究及應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［4]陳菊，劉桂香，朱學(xué)峰.改進(jìn)的自適應(yīng)修正算法在大時(shí)滯過程控制中的仿真研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（2）：263-267.

Design of the Smith Predictor Controller in Main Steampressure System of Boiler

WANGChun-Yu
（Light Industry Construction Corporation of Heilongjiang Province，Harbin 150086，China）

For coal-fired boiler steam pressure system with hysteretic nature and coupled and highly nonlinear characteristics，Smith predictor controller theory is applied to the system.The mathematic model of the control link is set up and simulation applying Matlab software is discussed.The simulation result showed the high trackingspeed and small overshoot and the effectiveness ofthe proposed algorithm.

Coal-fired boiler；Main steampressure；Smith predictor controller

TK32

A

1674-8646（2015）07-0038-03