大时滞对象新控制策略实用化研究

徐誉玮，彭佩，李军

(1． 广州中电荔新电力实业有限公司，广东 广州511340;2． 广东电网公司电力科学研究院，广东 广州510060)

锅炉设备的主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量;主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。鉴于锅炉本身的复杂性，对锅炉实施控制时存在以下几个难点:1)系统存在严重耦合，例如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位，还会影响过热蒸汽温度和烟气氧量等;2)存在不确定时滞，如燃料量的变化对蒸汽温度、压力、汽包水位等的影响有不同的滞后，并且这些时滞的大小还随着机组负荷的改变而改变〔1〕。因此，锅炉是一个多输入、多输出、强耦合、不确定时滞的复杂控制对象。

对于大时滞被控对象而言，通常认为较难控制。随着控制理论的发展和研究的深入，产生了许多解决大时滞问题的策略和方法，如史密斯预估器、神经网络控制、神经网络控制加史密斯预估器，相位校正法、双微分拐点控制等〔2〕。但是从实际应用效果来看，这些策略和方法的实用性不是很理想。

1 关于新控制策略

1.1 研究现状

机组大多控制过程的扰动多呈现出较强的周期性，尤其是主汽温度控制系统，扰动的周期多在数百秒到一千多秒之间。当控制系统固有频率与扰动频率相同或接近时发生共振，使系统调节性能显著恶化〔3－4〕。与手动控制相比较，在投入自动后，扰动范围可扩大2～3 倍甚至更多。

就目前对于大时滞控制系统的研究看来，研究方向有待商榷，一定程度上与实际情况相背离，且在实际工作中也可能存在以下一些问题:

1)将阶跃扰动看成是基本扰动至少是不全面的，因为对于大多数的系统来说，阶跃扰动只是一个短时过程，周期性扰动才是基本的过程扰动。

2)长期以来，仅局限于围绕阶跃扰动研究问题。

3)调节器参数的整定过程中，不清楚参数对周期性扰动抑制作用的大小问题，例如当微分常数大于临界值后，会出现更大的共振峰值。

4)现场真正的一些突出问题始终不能够得到较好的解决。

1.2 新控制策略研究方向

确定周期性扰动是基本的过程扰动，共振问题是造成系统过程调节性能显著恶化的主要原因。因此新控制策略的重点是削减过程共振峰值，其实质是改变过程频率特性。

主要思路是:通过研究系统过程频率特性，找到对改善频率特性有显著作用的、实用的方法。实用性定义如下:

1)在现有DCS 组态中容易实现。

2)信号范围能够接受，调节阀信号范围0～100%，大于100%或小于0 是没有意义的。相位校正法理论上很好，但是处理后的信号变化范围很大(如10 000%或－10 000%)，没有意义。

3)信号模/数转换器有8 位/12 位/16 位之分，8 位转换器的量化干扰要远高于12 位和16 位转换器。信号模/数转换位数的高低也是影响实用性的重要原因之一。

4)即便在调节阀信号范围0～100%内，处理后的信号变化范围也应尽量小。

1.3 新控制策略进展情况

2006年，出现了带阻滤波法和高端带通滤波法这2 种改善过程频率特性的方法，文中选择高端带通滤波法为实用研究基础。此方法为“小”微分法，即微分常数远小于临界值，两者在性能上接近，更主要的是容易实现，存在问题是调节器输出“高频毛刺”较大。

在“小”微分法已取得的经验基础上，目前新控制策略研究上有了较大进展，将(类似于)音响领域在磁带机时代产生的杜比动态降噪技术应用于新控制策略，在仿真研究上有了一些突破。2012年在广州中电荔新电厂1 号机组168 h 试运行期间，对新控制策略控制方法的实际应用效果进行了试验研究，结果表明共振峰值降低了54%左右，并且“高频毛刺”现象亦有所缓解。

2 控制效果仿真比较

以广州中电荔新电厂锅炉一级汽温控制系统参数为模型，进行仿真比较。仿真中，干扰信号0～100%被编成8 位二进制码，模拟8 位模/数转换器，以研究新策略的适应性。

2.1 串级长时滞对象“标准”模型

根据锅炉过热器一级汽温控制系统(在330 MW 时)参数，建立“标准”模型〔5〕，如图1所示:

图1 “标准”串级大时滞对象模型

2.2 仿真过程调节器参数

在衰减率约为0.75 时的参数如下:

主调:P1=0.85，Ti1=260 s，Td1=0

副调:P2=1.00，Ti2=45 s，Td2=0

以上述参数下的过程特性曲线为基准进行比较。

2.3 基准仿真过程曲线

所加正弦波信号峰值为100%，过程曲线如图2 所示:

图2 基准仿真过程曲线

由图2 可见，锅炉过热器一级汽温控制系统在周期670 s 处出现共振峰，过程共振峰值幅度为240%，副调输出峰值幅度为145%。

2.4 大微分常数对频率特性影响比较

按照温度控制PID 参数整定工程经验，一般微分常数Td为3～180 s，使用大微分法进行仿真，将主调微分常数设置较大，Td取107 s。Kd分别取为0.2 和0.4，仿真后的频率特性如图3 所示:

图3 大常数微分频率特性

由图3 可见，过程频率特性在周期630 s 以上有所改善，但共振峰值没有降低，随着微分幅度的增加，过程共振峰值也同步增加。

2.5 “小”微分法对频率特性改善比较

“小”微分，即微分常数远小于临界值。主调微分常数取5.35 s，Kd取12.5，其频率特性如图4所示:

图4 “小”微分频率特性曲线

由图4 可见，过程频率特性在周期530 s 以上时有较大改善，过程共振峰值为172%，有较大幅度降低。副调输出在周期90 s 和460 s 处出现2 个峰值，峰值幅度分别为120%和105%，但调节器输出“高频毛刺”较大。

2.6 最新控制策略频率特性比较

结合“小”微分和杜比动态降噪技术特点，最新控制策略频率仿真试验特性，如图5 所示:

图5 最新控制策略频率特性曲线

由图5 可见，(红线)过程频率特性几乎为一直线，没有明显的共振峰，最大峰值为102%，共振问题得到根本性抑制。副调输出在周期90 s 时出现峰值，幅度为78%，较“小”微分法有较大降低，副调输出在周期350 s 以上时有很大幅度的降低(特别有利于降低金属温度冲击)，并且大大降低了调节器输出“高频毛刺”大的问题。

3 实用效果验证

从上面的仿真结果看出，最新控制策略控制方法有效地解决了大时滞系统的共振问题，并且有效降低了“高频毛刺”现象。在广州中电荔新电厂1号锅炉一级减温水系统中使用了最新控制策略控制方法，A 侧为常规设置，B 侧应用了最新控制策略控制方法。

其中，A 侧一级减温水控制中，各主要调节参数设置如下:

主调:P1=17，Ti1=16 s，Td1=40，Kd=2

副调:P2=2.5，Ti2=90 s，Td2=0

其中B 侧一级减温水控制中，各主要调节参数设置如下:

主调:P1= 17，Ti1= 16 s，Td1= 4.82，Kd=13.85

副调:P2=2.5，Ti2=90 s，Td2=0

在机组168 h 试运行期间变负荷时的锅炉A，B 侧一级减温水趋势如图6 所示。

由图6 可见，最新控制策略应用在B 侧(最大波动+9/ －5)，控制效果明显优于A 侧(最大波动+16/ －15)，降低波动幅度为54%。系统在250 MW 负荷时临界周期值为1 360 s，图中扰动周期平均值为600 s。B 侧一级减温水系统的共振问题以及“高频毛刺”现象都得到了有效改善。

图6 1 号机组锅炉A，B 侧一级减温水控制频率特性曲线

4 结论

对于大时滞控制系统，大微分常数法和“小”微分法均无法独立有效地解决控制过程共振以及“高频毛刺”等问题。对此，文中提出了最新控制策略方法且进行了仿真研究，将最新控制策略方法运用在广州中电荔新电厂1 号机组B 侧一级减温水控制系统中，有效地解决了大时滞系统的共振问题，有效降低了“高频毛刺”现象，获得了良好的控制效果。

〔1〕张玉铎，王满家． 热工自动控制系统〔M〕． 北京:水利电力出版社，1985．

〔2〕王庆东，冯增健，等． 锅炉热工过程先进控制策略研究综述〔J〕． 电力系统及其自动化学报，2004(5):75-80．

〔3〕姚立坤． 300 MW 火电机组过热汽温控制系统优化研究〔D〕．北京:华北电力大学，2012．

〔4〕刘金冰． 1 025 t/h 锅炉主汽、再热汽温度控制系统〔R〕． 胜利发电厂，2011．

〔5〕张红涛，雷增强． 广州新塘漂染工业环境保护综合治理项目热电联产工程2 × 330 MW 级机组1 号热工调试报告总汇〔R〕． 广州粤能电力科技开发有限公司，2012．

〔6〕聂慧明，陈又申等． 宝钢电厂350 MW 机组过热汽温先进控制策略的研究〔J〕． 浙江电力，2012(5):33-37．

〔7〕朱延海，王铁林，郑志刚． 超超临界机组主蒸汽温度协调控制〔J〕． 电站辅机，2012，33(01):33-35．

〔8〕钟萍． 基于改进的随机数直接搜索法在过热汽温控制上的研究〔D〕． 江西理工大学，2011．