摘要：为解决过热汽温定值扰动问题，针对外高桥第三发电厂1000MW超超临界机组过热汽温被控对象的大惯性、大延迟等特性，基于Smith预估器原理，设计了一种改进型Smith预估器控制方法。Mailab仿真结果表明，所设计的控制系统在稳定性、快速性等方面优于常规串级PID控制系统，同时对同
引言
迟延是许多工业过程的普通特征，对于一般的纯延迟过程，可以通过常规控制获得较好的控制效果；但对纯延迟较大的过程，这种纯延迟将会对控制质量造成很坏的影响，常规控制难以取得较为满意的结果。1000MW超超临界机组过热蒸汽温度喷水减温控制对象恰哈具有大惯性、大延迟等特性。因此，如何克服此影响成了过热蒸汽温度喷水减温控制需要考虑的问题。目前在电厂实际运行中，过热蒸汽温度喷水减温控制基本上采用常规串级PID控制，但是难以取得较好的控制效果。
本文在研究了过热汽温工艺流程和动态特性的基础上，设计了改进型Smith预估器控制方法，解决了大惯性、大延迟问题，并通过仿真分析和实际应用验证了该方法的可行性和实用性。
1、Smith预估器原理
理论与实践已证明Smith预估器是克服对象延迟影响的一种有效方法[2-5]。smith预估器原理如图1所示。
图1中：在实际控制对象G（S）上并联一个预估补偿器p（S）。对调节器D（S）来说，其等效控制对象可以表示为：
G′（s）=G（s）+P（s）=G0（s）e-τs+G0（s）-G0（s）e-τs=G0（s）（l）
由式（l）可以看出，等效对象G'（S）不包括纯滞后因子e-τs，所以调节器控制等效对象比控制原对象容易得多。
①给定值r扰动下的补偿特性
由图1推导出在给定值r扰动下的传递函数为：
纯延迟的控制系统闭环传递函数。
式（2）中的e-τs在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性，等效被控变量Y（t）与实际被控变量X1（t）的阶跃响应是相同的，只是在时间轴上相差一定的时间，即X1（t）落后于Y（t）一个大小等于二的时间间隔。所以预补偿*补偿了纯延迟对过程的不利影响。
②外部扰动f作用下的补偿特性
在f扰动下系统的闭环传递函数为：
由式（3）可知，在外部扰动下，控制作用滞后于扰动，故其对对象的滞后补偿作用没有在给定值扰动下那样明显。
2、改进型Smith预估器设计
实践证明，对超超临界直流锅炉维持特定的燃水比是一个切实有效的过热汽温度调节手段，能起到汽温控制的粗调作用；在维持锅炉燃水比不变的情况下，喷水减温是对过热汽温度的一种细调整手段。因此，过热汽温控制可以认为是两段调节，即燃水比控制的粗调和喷水减温控制的细调[6-8]。
2.1工艺流程
外高桥第三发电厂1000MW超超临界机组的过热汽系统分为1、2、3、4共四路，它们具有*相同的控制系统。过热汽温的控制是通过控制两个相串联的过热器减温喷水而实现的，这就是一级减温控制和二级减温控制。外高桥第三发电厂1000MW超超临界机组的某路过热器分段结构如图2所示。
过热汽温一级减温控制的任务是克服进入一级过热器与二级过热器的扰动，维持进入二级减温器的蒸汽温度的稳定，保证二级减温调节在有效的调节范围内；二级减温控制的任务是直接保证过热汽温度等于给定值，是过热汽温度控制系统中zui主要的回路。本文仅对三级过热器喷水减温控制系统举例说明其控制原理。
2.2动态特性
在外高桥第三发电厂1000MW超超临界机组工程中进行减温水阶跃扰动动态试验，得到三级过热器出口温度和入口温度的阶跃响应曲线。
由三级过热器入口温度的阶跃响应曲线，估算出喷水减温流量与三级过热器入口温度之间的传递函数为：
由三级过热器出口温度和入口温度的阶跃响应曲线，估算出三级过热器出、入口温度T2（s）与T1（s）之间的传递函数为：
式中：K为0.8,T为主蒸汽流量的函数。
K和T具有如下关系：主汽流量＜l000t/h时，T=70;l000t/h≤主汽流量＜l000h时，T=45；当1500t/h≤主汽流量＜2600t/h时，T=35；当主汽流量≥2600t/h时，T=24。
在减温水阶跃扰动动态试验中发现，当减温喷水调节阀动作时，三级过热器入口的蒸汽温度T1变化很快，而出口温度T2变化很慢（存在纯延迟）。因此，为了改善控制品质，在本工程中设计了改善型smith预估器控制的三级过热器减温控制系统。
2.3改进型Smith预估器设计
鉴于1000MW超超临界机组过热汽温控制偏差必须在±5℃之内，任何过大的过热汽温正偏差都将严重危及主蒸汽管的安全，因此，外高桥第三发电厂1000MW超超临界机组过热汽温控制设计了改进型Simth预估器。其构建思路是通过预估补偿器的补偿，使等效被控对象变成一个比例环节，从而使控制作用尽可能提前动作，汽温超调量尽可能小。为此使改进型Smith预估器P（s）=K-G02（S）。改进型Smith预估器控制的三级过热器减温控制系统简化原理框图如图3所示。
图3中：G01（S）为喷水减温流量与三级过热器入口温度之间的传递函数，G02（s）为三级过热器出、入口温度T2（s）与T1（s）的传递函数，P（S）为改进型Smith预估器。
由于P（s）=K-G02（s），因此，图3可等效简化为图4所示的框图。
由图4可知，此时的系统为C01（s）构成的单回路控制系统，这样等效反馈回路的响应速度加快，有利于系统调节品质的改善。
从上文分析可以得到如图5所示的三级过热器减温控制系统示意图。
动态时，的输出近似与过热汽温相等，从而改善了过热汽温调节对象的动态特性；稳态时，输出为零，使过热汽温等于给定值。
3、仿真研究和应用
3.1Matiab仿真
为了检验设计系统的预期控制品质，运用Matlab软件对本系统在某一工况下（主汽流量2800t/h）进行单位阶跃定值扰动仿真，仿真曲线如图6所示。
图6中：实线明显比虚线的超调量小、调节时间短，说明改进型Smith预估控制能很好地解决大惯性、纯延迟的问题。
3.2实际投运曲线
在过热汽温温度稳定在570℃时，另设定值为580℃，即对过热汽温控制系统加入10℃以得到如图7所示的动态响应曲线。
由图7可知，系统动态响应特性好，静态偏差小，达到了满意的控制效果。
4、结束语
通过对外高桥第三发电厂1000MW超超临界机组过热汽温控制系统的仿真分析和应用可以看出，改进型Smith预估器控制对1000MW超超临界机组过热汽温大惯性、纯延迟系统给定值变化具有较高的控制质量。这种控制方法对目前国内在建的1000MW超超临界机组过热汽温控制系统设计具有很好的借鉴作用。
但是对于过程控制来说，系统主要的变化源还包括系统的外部干扰，补偿效果大大降低，因而难以在火电厂过程控制中广泛应用，如何克服Smith预估器的不足仍是将来需要研究的课题之一。
参考文献
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