線性自抗擾控制在火電機組主蒸汽溫度控制中的應用仿真

賀勇 劉備 崔承剛 郭為民 王亞東

摘 要：針對大容量火電機組的直流鍋爐主蒸汽溫度控制難度較大問題，研究了線性自抗擾控制技術（LADRC）對經典串級PID技術在溫度控制特性上的提高。首先介紹了大容量火電機組的直流鍋爐溫度控制特性及其機理模型，然后介紹了線性自抗擾控制技術的控制思想與原理，最后利用simulink工具進行模型搭建，對主蒸汽溫度控制進行仿真實驗。仿真結果表明，相對經典串級PID技術而言，線性自抗擾控制技術具有更強的魯棒性和抗干擾性能。

關鍵詞：自抗擾技術；PID；主蒸汽溫度控制；擴張狀態觀測器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.163

0 引言

大型火電機組均采用直流鍋爐，鍋爐提供的過熱蒸汽進入汽輪機，并推動發電機進行發電。鍋爐出口處的蒸汽溫度、壓力、流量等特性決定了機組的安全性、發電量以及經濟效益等特性。其中600MW超臨界機組的主蒸汽溫度設定值一般為560°C，主溫度過低會使得機組的熱效率降低，由于主蒸汽設定溫度接近過熱器管道的鋼結構的耐受溫度，主蒸汽溫度過高則會造成過熱器管道爆管，對整個機組的安全運行構成威脅，因而控制鍋爐出口處的過熱蒸汽溫度保持穩定具有極其重要的作用。

超（超）臨界機組的鍋爐為直流鍋爐。要保證主蒸汽溫度的穩定，其汽溫控制的基本措施是保持煤水比進行粗調，利用減溫噴水進行細調[1]。目前大部分電廠采用串級PID對主蒸汽溫度進行控制，選取噴水口的蒸汽溫度為導前量進行控制。在內環中對噴水口處的蒸汽溫度進行控制，在外環中對過熱器出口處的蒸汽溫度進行控制。使用經典串級PID進行主蒸汽溫度控制往往難以取得比較理想的控制效果，甚至影響機組自動發電控制（AGC）和鍋爐運行的安全和穩定。

自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control）是韓京清研究員于上個世紀八十年代末提出的一種新型控制技術，它是一種估計補償不確定因素的控制技術[2]。自抗擾控制技術在對控制對象進行控制時，不需要知道系統的數學模型，對非線性、大慣性、不確定時滯等復雜系統具有很好的控制效果[3]。但自抗擾控制器中需要整定的參數很多[4]，限制了它在實際工程中的應用。近年來，中外學者對自抗擾控制技術進行了研究和發展，高志強等學者[5]提出了線性自抗擾技術（linear ADRC），線性自抗擾控制技術使得參數整定工作大大簡化[6]，便于在實際工程中進行應用，近年來LADRC在化工、航天、電廠、軍工等行業內均有大量應用[7]。

本文以某電廠600MW超臨界燃煤發電機組為控制對象，將線性自抗擾控制技術應用于鍋爐主溫度控制，以此來滿足火電機組對主蒸汽溫度控制的要求，改善系統的控制品質。

1 直流鍋爐主蒸汽溫度控制特性

過熱器在高溫、高壓的環境下工作，且過熱器出口的蒸汽溫度是整個汽水流程中的最高點，也是金屬壁溫的最高點。因而現代火電廠要求主蒸汽溫度的偏差范圍很小。蒸汽溫度會受到很多因素的影響，包括鍋爐負載、給水溫度、爐膛過量空氣參數、受熱面污染情況、燃料性質和燃燒器的運行方式等。由于蒸汽流量大、蒸汽管道長等因素存在，鍋爐蒸汽這個物理對象本身就存在著大慣性、大延遲和時變特征。

實際工程應用中，火電機組的主蒸汽溫度控制一般采用串級PID控制策略。采用這種策略主要是因為PID控制具有很強的魯棒性，能夠增加整個系統的穩定性。但系統的控制準確性、快速性則相應惡化。

主蒸汽溫度系統工藝流程簡化圖1所示。

以末級減溫器為例，得到主蒸汽溫度串級控制系統原理方框圖如圖2所示。

在溫度控制系統中，整個被控對象化為兩個控制區域，即“惰性區”和“導前區”，分別為圖2中的W2（s）和W1（s）。一般取噴水減溫器后的溫度（圖中θ1）作為內回路的反饋信號，末級過熱器后的溫度（圖中θ2）為被調對象[7]。一般情況下，導前區的遲延和慣性比惰性區要小得多。當內回路發生擾動時，需要調動內環路的副調節器及時控制，此時被控對象θ2還未來得及變化，能夠減少控制對象的波動，比較兩個回路的控制速度可知，內環是高速回路，外環是低速回路。

2 線性自抗擾技術

2.1 LADRC對主蒸汽溫度控制對象的適應性

現代火電廠要求主蒸汽溫度的偏差范圍很小，然而蒸汽溫度會受到很多因素的影響。鍋爐蒸汽這個物理對象本身就存在著大慣性、大延遲和時變特征。過熱蒸汽的過程參數和模型結構會受到噪聲和負載擾動的影響發生改變，被控對象的模型往往是不確定的、時變的。因此，傳統的PID控制已經難以滿足現代工業的生產需求。而LADRC控制策略對擾動的消除效果特別優異，因而適用于主蒸汽溫度的控制。

2.2 LADRC控制器原理

經典自抗擾控制由跟蹤微分器（TD）、非線性反饋（NLSEF）和擴張狀態觀測器（ESO）三部分組成，且三部分中均采用了非線性的函數[8]。非線性環節會在一定程度上使控制效果更加優化，但參與控制的參數多，且無固定的參數整定原則，只能使用試湊法進行參數整定。高志強等學者提出了線性自抗擾控制的概念，將反饋控制結構采用線性形式，使得其參數整定工作大大簡化，也使自抗擾控制技術的理論分析得到了進一步的發展。

LADRC控制器的結構圖如圖3所示。

線性自抗擾技術（LADRC）取消了TD，而線性擴張狀態觀測器（LESO）是核心環節，可以用來實時估計和補償被控系統的總擾動。以二階系統為例，其被控系統可以描述為：

線性擴張狀態觀測器LESO和線性控制組合LSEF的表達式如式（2）與式（3）。

式中e為狀態觀測器輸出值與實際值的偏差，β1，β2和β3為擴張狀態觀測器的固定參數[9]。Z1為系統輸出y的估計值，Z2為系統輸出y的微分估計值，Z3為系統總擾動f的估計值。

取該系統的阻尼比為1，則可以得到該控制系統的無阻尼自然頻率ωc，則kp=ωc2，kd=2ωc。為保證線性狀態觀測器的各階觀測誤差趨向于0，LESO的特征方程應具有負實部的根[10]。

2.3 線性自抗擾控制器參數整定

一般取ts=10/ωc，ts為系統的響應調節時間（由初始到穩定的時間），由此可以正確整定ωc參數。

觀測器的帶寬ωo與控制器帶寬ωc存在一定的倍數關系，即ωo/ωc= b0。

b0參數在未知的情況下，通過試湊法，可以由大到小逐步測試出來[11]。

由以上可知線性自抗擾控制器僅有三個參數進行整定，分別為ωc、ωo和b0，最后使用ITAE原則進行尋優可以得到合理的控制參數。

3 控制模型仿真

本文采用的控制對象為600MW超臨界機組的過熱器模型，不同發電負荷率情況下，控制對象的導前區函數、惰性區函數均不同。過熱器數學模型如表1所示。

在以上模型中，選取75%工況點的相關函數為控制對象。

LADRC控制溫度模型結構如下：

為了體現LADRC的優越性，在實驗安排上選擇使用LADRC-PID與PID-PID做對比。

根據整定原則，分別對b0、ωc和ωo進行整定，得到其參數LADRC

控制器的參數為b0=0.00125，ωc=0.03，ωo=0.14。

串級PID的主控制器參數為kp=1，ki=0.013，ki=0.01。

兩種控制器的內環PID參數均為kp=1。

在初始時刻加入幅值為1的階躍響應，并在1000s時在內環PID出口后之后，噴水閥入口之前加入0.2的內擾，觀察兩種控制器的控制效果。

相關的實驗數據對比如表2所示。

0-1000s，可以看出LADRC與PID在上升時間上相差無幾，但采用LADRC會明顯減小系統的超調量，會明顯縮短穩定時間（本文選取的最大允許誤差為2%）。

1000s加入內擾，可以看出LADRC的響應速度比PID略快，反調量相近，但穩定時間更短。

總體上，LADRC的控制性能要優于經典PID控制策略。

保持兩種控制器的參數不變，改變機組的運行工況點模型，分別由75%調至100%和50%，做模型失配實驗。

由對比圖6、7可知，在系統的對象模型發生變化時，兩種控制器的控制效果均有下降，均需要對參數進行調整，但LADRC的魯棒性比PID略強。

綜合以上可以得出結論，在超臨界機組的主蒸汽溫度控制系統中采用線性自抗擾（LADRC）技術能夠優化工程控制效果，LADRC的抗干擾性能要明顯優于傳統PID，LADRC的魯棒性略優于經典PID。

4 結語

分析了LADRC控制策略的基本原理，分析超臨界機組主蒸汽溫度控制的動態特性，將LADRC技術應用于主蒸汽溫度控制策略中。通過與經典串級PID控制策略做仿真實驗對比可知，LADRC具有很強的魯棒性和抗干擾性能，能夠實現過熱器主蒸汽溫度控制。LADRC的調節參數也較少，方便進行調試，因而可以作為新的解決方案在實際工程中進行推廣應用。

參考文獻：

[1]崔青汝，牛海明.1000MW二次再熱火電機組主蒸汽溫度控制策略及工程應用[J].中國電力，2017（06）：27-31.

[2]韓京清.自抗擾控制技術--估計補償不確定因素的控制技術[M].北京：國防工業出版社，2016：207-211.

[3]韓京清.從PID技術到"自抗擾控制"技術[J].控制工程，2002（03）：13-18.

[4]韓京清.自抗擾控制技術[J].前沿科學，2007（01）：24-31.

[5]高志強.自抗擾控制思想探究[J].控制理論與應用，2013（12）：1498-1510.

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[7]陳增強，程赟，孫明瑋等.線性自抗擾控制理論及工程應用的若干進展[J].信息與控制，2017（03）：257-266.

[8]竹瑞博，董澤，冉寧.自抗擾控制在火電廠主蒸汽溫度控制中的應用[J].電力科學與工程，2012（05）：46-49.

[9]陳宇，張銳鋒，徐貴光等.大型火電機組協調系統的線性自抗擾控制[J].計算機仿真，2016（02）：180-184.

[10]Qinling Zheng，Zhiqiang Gao.Predictive active disturbance rejection control for processes with time delay[J].ISA Transactions，2014，53（04）.

[11]胡昌鎂，任軍.線性ADRC在汽包水位串級三沖量控制上的研究與應用[J].中國電力，2014（12）：28-31.

作者簡介：賀勇（1989-），男，河南開封人，碩士研究生，主要從事電力系統穩定與控制、熱力發電建模分析研究。