鍋爐主汽壓Smith預估控制器的設計

王春雨

（黑龍江省輕工建設總公司，哈爾濱 150086）

鍋爐主汽壓Smith預估控制器的設計

王春雨

（黑龍江省輕工建設總公司，哈爾濱 150086）

針對燃煤鍋爐蒸汽壓力的滯后、耦合及高度非線性等特性，將Smith預估控制器理論應用到該系統，建立了控制環節的數學模型，利用Matlab軟件做了仿真研究。仿真結果顯示，系統跟蹤速度快、超調量小，同時驗證了控制算法的有效性。

燃煤鍋爐；主汽壓；Smith預估器

鍋爐燃燒的物理過程極其復雜，各物理量存在著復雜的耦合現象，所以，對鍋爐燃燒系統的控制研究比較廣泛。輸入量可分為給煤量、鼓風量等物理量，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熱量的重要標志，所以，本文重點以蒸汽壓力作為鍋爐系統的被控量。

理論與實踐研究表明，鍋爐燃燒系統存在較大的延時，參變量是隨時間變化的，很難建立準確的數學模型，另外，鍋爐的負載不僅變化范圍大，而且是時變的。引起蒸汽壓力變化的因素很多，擾動主要分為內擾（燃料的變化）和外擾（蒸汽流量的改變）。解決這些問題，采用傳統的PID控制方法能夠實現一定的控制要求，但是當系統的被控對象參數變化范圍較大或非線性效應顯著時，控制效果不顯著［1-2］。因此，對燃料量維持蒸汽壓力恒定的主汽壓調節系統，將Smith預估引入控制器，更有效地克服被控量的時變、大延時的特性［3-4］。仿真實驗表明，模糊Smith控制的主汽壓調節系統的穩定性、最大超調量和快速性等控制性能指標均優于常規PID控制系統。

1　鍋爐主汽壓控制模型分析

鍋爐系統主蒸汽汽壓生產過程大致由燃料在爐膛的燃燒過程、蒸發過程、過熱器通流過程、蒸汽母管通留過程、汽機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，系統分析得到鍋爐主蒸汽壓力控制系統方框圖，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方框圖Fig.2 The main steam pressure control system for boiler

當鍋爐燃燒系統出現干擾，主蒸汽壓力產生偏差，給煤機調節輸出電流，進而控制給煤量M，磨煤機的煤粉量隨之改變，煤粉被送入爐膛，主蒸汽壓力被控制，直至偏差為零。

對圖2進行方框圖化簡，可得到蒸汽壓對于燃料的傳遞函數。

2　控制器設計

純滯后負反饋控制系統，如圖3所示。

圖3　帶滯后環節的反饋控制系統Fig.3 Feedback control system with lagging link

圖4　Smith純滯后補償系統框圖Fig.4 Smith pure delay compensation system

因此：

則控制器傳遞函數：

得到的模擬控制器用一階后向差分法離散化得到：

3　Smith補償器的確定

4　仿真實驗

Tb=100，T=8，建立控制系統的simulink模型如圖5所示，控制系統的單位階躍響應和方波響應的仿真結果如圖6和圖7所示。

圖5　simulink仿真結構圖Fig.5 Simulation structure of simulink

圖6　Simth預估器下的系統單位階躍響應曲線Fig.6 The step response curve of the system under the Simth predictor

圖7　Simth預估器下的系統方波響應曲線Fig.7 Square wave response curve of the system under the Simth predictor

仿真結果表明Smith預估控制器使系統輸出上升時間快、超調小，穩態性能好。

5　結論

針對燃料量維持蒸汽壓力恒定的主汽壓調節系統，本文使用基于Smith預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具有良好的動、靜態性能。

［1]陳珊珊.模糊PID控制在船舶動力定位系統中的應用［J］.艦船科學技術，2015，37（3）:119-121.

［2]王紅梅.基于改進PID算法的電壓調節器智能控制［J］.電氣應用，2015，34 （7）:88-91.

［3]胡明慧.受擾時滯系統的控制方法研究及應用［D］.上海：上海交通大學，2008.

［4]陳菊，劉桂香，朱學峰.改進的自適應修正算法在大時滯過程控制中的仿真研究［J］.儀器儀表學報，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