基于干扰观测器PID在主蒸汽温度控制系统的应用

沈继忱，程玉伟

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

0 引言

火电厂主蒸汽汽温的控制水平的高低直接影响到锅炉的热效率和过热器管道、汽轮机等设备的可靠运行［1］。主蒸汽温度的自动控制回路是火电厂锅炉重要的控制回路之一，同时也是厂方最关注和最难控制的1个回路。传统的火电厂主汽温控制方法一般采用常规的PID串级控制策略［2］。然而，采用传统常规的PID控制策略很难取得满意的控制效果［3］。对此，提出一种基于干扰观测器的PID控制算法，即在1个常规PID控制器的基础之上增加1个干扰观测器，在主汽温控制中引入等效的补偿，通过Matlab仿真，以达到良好的控制品质。

1 主汽温控制特性

主蒸汽温度自动控制是通过喷水减温改变过热器内蒸汽温度及其出口温度，维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，过热器调节系统如图1所示。主蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，主蒸汽温度过高或者过低都会明显影响到电厂的安全性和经济性。主蒸汽温度过高可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分受到损坏，主蒸汽温度过低则会降低全厂的热效率［4］。

图1 过热蒸汽调节系统原理图

影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，例如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉水温变化、进入过热器蒸汽温度变化、流经过热器烟气温度变化和流速变化、锅炉受热面结垢等，其中起主导作用的是蒸汽流量和减温水量［5］。过热汽温对象动态特性表现为大惯性、大迟延，并且具备自平衡能力。此外，主蒸汽温度对象动态特性随着运行工况的变化而变化，具有不确定因素。目前，广泛应用的PID调节的喷水减温的方法，这种方法的缺点是使主蒸汽温度对象特性具有很大的迟延和惯性［6］。

2 干扰观测器设计

2.1 干扰观测器原理

干扰观测器的基本思路是将外部力矩干扰和模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端，即观测出等效干扰。在控制中引入等效的补偿，从而实现对干扰的完全抑制。

干扰观测器框图如图2所示。

图2 干扰观测器原理图

在图2中，Gp(s)为被控对象的传递函数，Gn(s)为名义模型传递函数，d为等效干扰，u为控制输入，c为PID的输出，df为干扰的估计值，Q(s)为低通滤波器。控制器的输出为

式中c为PID控制器的输出;df为干扰的估计值。

由图2可得到如下表达式为

2.2 低通滤波器的设计

Q(s)的设计是干扰观测器设计过程中的1个非常重要的环节。第一，为使Q(s)G-1n(s)正则，Q(s)相对阶应不小于1/Gn(s)的相对阶;第二，Q(s)带宽的设计应该是在干扰观测器的鲁棒稳定性和干扰抑制能力之间的折中［7］。

设Gp(s)的名义模型为Gn(s)，则不确定对象的集合可以用乘积摄动来描述，即

式中Δ(s)是可变的传递函数。根据鲁棒稳定性原理，干扰观测器Q(s)稳定的充分条件为

通过Q(s)的设计，可以实现鲁棒性的要求。

忽略非建模和不确定性等因素的影响，Gn(s)可描述为

式中Jn为等效惯性力矩;bn为等效阻尼系数。

Q(s)的选择应折中考虑系统的抗干扰性能、鲁棒性和抑制噪声的因素。

设计Q(s)时需要根据具体的控制系统进行合理的选择。常用的一种设计Q(s)方法就是令Q(jw)的右边的斜率和1-Q(jw)在高频区域内的斜率相等。在频域内在低频区域的斜率

最优的Q(s)是通过斜率相等得到的，可得

3 仿真结果分析

以某电厂300 MW机组的主汽温度为控制对象，其模型为

采用如下式的低通滤波器，则

式中τ=0.001。

根据提出的方法，设计的Matlab的仿真模型如图3所示。

为了说明干扰观测器PID控制策略相对常规控制方法的优越性，同时做了常规PID控制的仿真研究。其阶跃响应结果如图4、图5所示。

通过上面仿真曲线比较可知，在正常工况下，干扰观测器PID在控制精度、稳定时间、超调量、自适应等动静态指标都优于常规PID控制。

图3 Matlab仿真模型

图4 常规PID阶跃响应

4 结论

仿真研究表明，基于干扰观测器的PID控制算法应用于具有迟延、时变和不确定等特性的火电厂主蒸汽温度控制系统中，其控制效果优于常规的PID控制，能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质，具有较强的鲁棒性和自适应能力。

图5 带干扰观测器PID阶跃响应

［1］ 边力秀.热工控制系统［M］.北京:中国电力出版社，2001.

［2］ 刘吉臻，李建强，张栗英，等.用RBF网络整定的电厂主汽温PID串级控制系统［J］.动力工程2006，26(1):89-92.

［3］ 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［4］ 王沛然.主汽温新型控制系统设计与研究［D］.北京:华北电力大学，2005.

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［7］ 丁新平，杨俊友，孙荣斌.基于干扰观测器PID控制的磁悬浮系统［J］.沈阳工业大学报，2005，27(3):288-290.