锅炉主汽压Smith预估控制器的设计

王春雨

（黑龙江省轻工建设总公司，哈尔滨 150086）

锅炉主汽压Smith预估控制器的设计

王春雨

（黑龙江省轻工建设总公司，哈尔滨 150086）

针对燃煤锅炉蒸汽压力的滞后、耦合及高度非线性等特性，将Smith预估控制器理论应用到该系统，建立了控制环节的数学模型，利用Matlab软件做了仿真研究。仿真结果显示，系统跟踪速度快、超调量小，同时验证了控制算法的有效性。

燃煤锅炉；主汽压；Smith预估器

锅炉燃烧的物理过程极其复杂，各物理量存在着复杂的耦合现象，所以，对锅炉燃烧系统的控制研究比较广泛。输入量可分为给煤量、鼓风量等物理量，输出量可分为蒸汽压力等物理量。使用煤作为锅炉系统的燃料，给煤量决定锅炉所能提供的蒸汽量，从而影响蒸汽压力。鉴于蒸汽压力又是衡量锅炉系统热量的重要标志，所以，本文重点以蒸汽压力作为锅炉系统的被控量。

理论与实践研究表明，锅炉燃烧系统存在较大的延时，参变量是随时间变化的，很难建立准确的数学模型，另外，锅炉的负载不仅变化范围大，而且是时变的。引起蒸汽压力变化的因素很多，扰动主要分为内扰（燃料的变化）和外扰（蒸汽流量的改变）。解决这些问题，采用传统的PID控制方法能够实现一定的控制要求，但是当系统的被控对象参数变化范围较大或非线性效应显著时，控制效果不显著［1-2］。因此，对燃料量维持蒸汽压力恒定的主汽压调节系统，将Smith预估引入控制器，更有效地克服被控量的时变、大延时的特性［3-4］。仿真实验表明，模糊Smith控制的主汽压调节系统的稳定性、最大超调量和快速性等控制性能指标均优于常规PID控制系统。

1　锅炉主汽压控制模型分析

锅炉系统主蒸汽汽压生产过程大致由燃料在炉膛的燃烧过程、蒸发过程、过热器通流过程、蒸汽母管通留过程、汽机耗汽过程等部分组成，如图1所示。影响锅炉蒸汽压力的因素诸多，若以给煤量M为输入，主蒸汽压力PM作为输出，系统分析得到锅炉主蒸汽压力控制系统方框图，如图2所示。

图1　主蒸汽压力过程控制Fig.1 The main steam pressure process control

图2　锅炉主蒸汽压力控制系统方框图Fig.2 The main steam pressure control system for boiler

当锅炉燃烧系统出现干扰，主蒸汽压力产生偏差，给煤机调节输出电流，进而控制给煤量M，磨煤机的煤粉量随之改变，煤粉被送入炉膛，主蒸汽压力被控制，直至偏差为零。

对图2进行方框图化简，可得到蒸汽压对于燃料的传递函数。

2　控制器设计

纯滞后负反馈控制系统，如图3所示。

图3　带滞后环节的反馈控制系统Fig.3 Feedback control system with lagging link

图4　Smith纯滞后补偿系统框图Fig.4 Smith pure delay compensation system

因此：

则控制器传递函数：

得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：

3　Smith补偿器的确定

4　仿真实验

Tb=100，T=8，建立控制系统的simulink模型如图5所示，控制系统的单位阶跃响应和方波响应的仿真结果如图6和图7所示。

图5　simulink仿真结构图Fig.5 Simulation structure of simulink

图6　Simth预估器下的系统单位阶跃响应曲线Fig.6 The step response curve of the system under the Simth predictor

图7　Simth预估器下的系统方波响应曲线Fig.7 Square wave response curve of the system under the Simth predictor

仿真结果表明Smith预估控制器使系统输出上升时间快、超调小，稳态性能好。

5　结论

针对燃料量维持蒸汽压力恒定的主汽压调节系统，本文使用基于Smith预估控制器的汽包主压控制方法，仿真表明该方法使锅炉控制系统具有良好的动、静态性能。

［1]陈珊珊.模糊PID控制在船舶动力定位系统中的应用［J］.舰船科学技术，2015，37（3）:119-121.

［2]王红梅.基于改进PID算法的电压调节器智能控制［J］.电气应用，2015，34 （7）:88-91.

［3]胡明慧.受扰时滞系统的控制方法研究及应用［D］.上海：上海交通大学，2008.

［4]陈菊，刘桂香，朱学峰.改进的自适应修正算法在大时滞过程控制中的仿真研究［J］.仪器仪表学报，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