典型主汽温度控制系统仿真研究及特性分析

马腾，盛锴，江效龙

(1.深圳市妈湾电力有限公司，广东深圳518054；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3.华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定071003)

典型主汽温度控制系统仿真研究及特性分析

马腾1，盛锴2，江效龙3

(1.深圳市妈湾电力有限公司，广东深圳518054；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3.华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定071003)

本文通过对主汽温调节对象特性分析，利用Simulink建立变参数动态模型，并考虑了执行机构 (汽温调节挡板)的开度与减温水流量非线性关系。对于串级控制、Smith预估控制和预测控制3种控制策略，分别进行仿真研究。最后总结分析各种控制策略的控制效果及建议。

主汽温；动态特性建模；串级控制；Smith预估控制；预测控制；Matlab/Simulink

热工控制品质直接关系到大容量、高参数火电机组的安全、高效、经济运行。锅炉过热汽温是影响火电厂安全经济运行的重要参数，一般要求过热汽温在给定值±5℃范围内〔1－2〕，温度过高，容易使设备损坏；温度过低，则降低热效率。随着机组容量的增大，过热器管道也随之加长，使主汽温对象惯性时间和纯迟延时间增大；此外，其动态特性随工况变化或干扰等因素而发生变化〔3〕，这些都对过热汽温控制系统提出了更高的要求。目前，较为主流的过热汽温控制策略有串级控制和Smith预估控制，均已实现工程应用。然而实际应用中，以上控制方案仍有其缺点:当参数和控制结构设置不合理时，仍无法取得理想的控制效果。为了能够实现控制效果的优化，需要深入研究过热汽温控制系统的特性，以指导控制策略中参数的设置和结构的调整。

文中将对主流过热汽温控制系统进行动态特性建模，特别考虑了执行机构 (汽温调节挡板)的开度与减温水流量之间为非线性对应关系，并建立对应的模型，分别研究分析了串级控制、Smith预估控制和多模型预测控制3种控制策略的控制效果，为以后主汽温控制策略及算法的调整优化提供思路。

1 主汽温度调节对象特性及建模分析

1.1 主汽温度调节对象模型结构

主汽温度调节对象的动态特性是指引起主汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起主蒸汽温度变化的因素很多，归纳起来主要来自3个方面:蒸汽流量变化 (负荷变化)、加热烟气的热量变化和减温水流量变化 (过热器入口汽温变化)。

目前广泛选用减温水流量作为操纵变量，过热器出口温度作为被控变量。由于此时控制通道的时滞和时间常数都较大，单回路控制系统往往不能满足要求。因此工程应用中，在其控制通道上引入减温器出口温度为副被控变量〔4-6〕。此时对象调节通道的动态特性G(s)可以看成由2部分组成:导前区G1(s)、惰性区G2(s)。

式中 KDq，KDx分别是导前区和惰性区放大系数；TDq，TDx分别是导前区和惰性区时间常数；N1和N2分别是导前区和惰性区传递函数的阶次。

1.2 主汽温度调节对象动态特性建模

相关文献及研究表明，式 (1)， (2)中各模型参数并非定值，可看作是主蒸汽流量D、主蒸汽压力P和温度T的函数。而文献 〔7〕通过定量分析，得出温度T和压力P对模型参数影响很小，而主蒸汽流量D的影响最大。蒸汽流量D又与机组的负荷L呈正比关系，因此可以近似认为模型参数仅为机组负荷L的函数。表1是某机组不同负荷下过热汽温调节对象的模型〔2〕。

总结表1中各参数变化趋势数据，对过热汽温模型参数－负荷的对应关系进行多项式拟合，即w＝f(x)，式中x为机组负荷，w为过热汽温模型参数。表2为负荷－模型参数拟合结果:

由于用于定义导前区、惰性区传递函数的Simulink内置模块在仿真过程中系数不能改变，这会使得模型不能真实反映实际变负荷过程中的过热汽温调节对象的动态特性。为了能够实现变负荷过程和导前区、惰性区模型参数的相应变化，利用Simulink系统函数建立变参数的导前区、惰性区汽温模型。

首先建立导前区、惰性区的状态空间方程，再根据已获得状态空间方程用M文件或C语言等编制建立导前区和惰性区的系统函数模块，如图1所示。这样通过改变引脚K和T的数值，即可实现仿真过程中模型变参数的需求。

此外，想要真实反映控制系统的工作特性，除了对主汽温度被控对象进行建模外，还需对执行机构进行建模。与主汽温度被控对象相比，执行机构动作的惯性很小，可忽略其惯性对控制系统的影响，而执行机构 (汽温调节挡板)的开度与减温水流量之间为非线性对应关系，为此用分段线性函数表示。将执行机构和主汽温度被控对象作为一个整体考虑，此时广义的主汽温度被控对象G′(s)可由式 (4)表示:

式中 k是用以表示执行机构开度与减温水流量之间非线性关系的分段线性函数的局部斜率。

2 基于仿真的典型主汽温度控制系统的特性分析

2.1 主汽温度串级控制系统的特性分析

串级控制系统通过将2个控制器串接，主控制器的输出作为副控制器的给定值，由副控制器去控制执行机构，从而达到调节被控对象的目的。为了更好地说明主汽温度串级控制系统的特性，将引入单回路闭环主汽温度控制系统与串级系统进行比较。图2是串级主汽温度控制系统的结构图。

图2中，广义导前区是将导前区和执行机构一体考虑，主、副控制器均采用PI调节，按稳定裕度φ＝0.9的原则对控制器闭环回路进行参数整定，得到对象传递函数:

单回路控制器:

由于执行机构挡板与减温水流量的非线性对应关系，使k不可能恒等于1，当k发生变化时，控制系统的特性会发生变化。分析不同k值条件下，控制系统的控制特性如图3所示。

比较图3中各曲线发现:正常情况k＝1时，单回路与串级主汽温度控制系统的调节效果并没有明显区别。当k增大时，单回路调节过程的振荡次数增多而振荡幅度加剧；k减小又使得调节作用减弱而调节时间变长。因此，执行机构的非线性特性使得单回路闭环主汽温度控制系统的参数整定存在困难，当工况变化时，控制效果会变差。对于串级汽温控制系统而言，尽管k值发生变化，但其调节效果并未发生明显变化，因此在实际应用中串级控制系统的控制效果优于单回路主汽温度控制系统。

将以上主、副控制器参数应用于负荷为290MW时的主汽温度被控对象，再在负荷等于290MW条件下整定控制器参数，得到主控制器参数。

仿真结果表明，将低负荷整定得到的控制器参数应用于高负荷下的主汽温度被控对象是可以的；然而在高负荷下整定的控制器参数应用于低负荷条件下的主汽温度被控对象时，控制系统的控制效果变差，其振荡幅度加剧，振荡次数增多，稳定时间延长。这是由于高负荷下的主汽温度被控对象的控制特性较好，由此整定得到的控制参数值较大，而对于低负荷下的被控对象来说，控制参数值偏大会导致调节作用较强，从而加剧调节过程中的振荡。

2.2 主汽温度Smith预估控制系统的特性分析

与串级控制系统一样，Smith预估控制是在主汽温度控制系统中普遍应用的一种控制策略。由于主汽温度被控对象是一个大惯性的被控对象，而Smith预估器能够将主汽温度的变化超前反映到控制器，以便于控制器提前动作从而减少调节过程中的超调。图5是主汽温度Smith预估控制系统的结构图。

当负荷为180MW时，主汽温度被控对象传递函数为:

根据式 (5)确定Smith预估器的参数，此时Smith预估器模型如式 (6)所示:

假设Smith预估器能够完全抵消被控对象所包含的延时作用，则广义被控对象的传递函数为:

控制器参数采用2.1中负荷为290MW时得到的控制参数，并调整控制器的调节作用，令KT分别为0.5，2，4，此时控制器传递函数为:

控制效果如图6所示:

图6表明:尽管控制器参数有较大变化，但控制系统的控制效果并未发生明显变化，这表明控制器参数并不是影响控制效果的决定性因素。而改变减温水调节挡板与减温水流量的非线性特性k，令k为 0.3，2，此时控制系统的调节效果如图 7所示:

图7表明:k值偏小，控制系统调节过程较慢；而k值较大时，控制系统在调节过程中振荡幅度加剧而振荡次数增多。因此减温水挡板的非线性特性k是影响主汽温度Smith预估控制系统调节效果的重要因素，当其偏离理想值时，都将对调节产生不利影响。

整定负荷为290MW的被控对象的Smith预估器，得到此时Smith预估器的控制参数:

比较式 (6)和 (9)发现:两者之间的各参数均存在明显区别，如果将两者交换应用于对方的工况条件下，则控制效果均会变差。而由于主汽温度被控对象在不同负荷段的特性会发生变化，因此如果要较好地应用Smith预估控制，就应根据不同负荷调整Smith预估控制器的参数从而保证控制效果。

针对典型Smith预估控制的优缺点，国内外的技术人员开展了大量的研究工作，并提出各种新型Smith预估控制策略，其中应用得较好的就包括西门子公司提出的一种改进型Smith预估控制策略。在该策略中，Smith预估器的输入是导前区的温度，而不是减温水挡板的开度，这意味着在该控制策略中，减温水挡板的非线性特性将不会对其控制效果产生影响。此时控制系统结构如图8所示。

此时Smith预估器可由式 (10)表示:

此时Smith预估器作用是根据导前区温度的变化将惰性区温度的变化趋势超前反映到控制器，以促使控制器提前动作，从而保证控制效果。图9是负荷为180 MW，减温水挡板的非线性特性k为0.3，1，2时的改进型Smith预估控制系统的控制效果。

仿真结果表明:尽管减温水调节挡板的非线性特性k在较大范围内变化，但控制系统的调节效果并未发生较大变化，因此改进型Smith预估控制系统能够克服减温水调节挡板非线性特性带来的对控制系统的不利影响。而由式 (10)可知，在这种改进型Smith预估控制系统中，Smith预估器的参数也应随负荷相应调整，才能保证较好的控制效果。

2.3 预测控制在主汽温度控制系统中的应用

预测控制是20世纪70年代后发展起来的。当时，现代控制理论已经成熟，并在航空航天领域获得了卓有成效的应用。但是，由于它要求较高精度的对象数学模型，因而在热工自动控制系统中的应用较少。为了摆脱这种对被控对象模型的严重依赖，人们设想从被控过程的特点出发，寻求对被控对象模型精度要求不高但同样能够实现高质量控制性能的方法。

然而在实际过程中，主汽温度的动态特性随负荷相应变化，这使得在一种工况下获得的预测模型并不能反映另一种工况下主汽温度的动态特性，模型失配将导致控制系统性能的显著下降。为了应对模型失配造成的控制系统性能不佳，需要重新对预测控制器进行设计，利用各工况下的主汽温模型作为预测控制器的预测模型，分别设计不同工况下的局部预测控制器，对局部预测控制器的输出进行加权处理，处理后的输出为多模型预测控制器的控制输出作用如下:

式中 f为局部预测控制器加权输出；L＋和L－分别指L相邻的建模工况点；f＋和f－分别是L＋和L－对应的预测控制器输出。多模型主汽温预测控制系统如图10所示，控制效果如图11所示。

由图11可以看出，多模型预测控制算法在不同工况下控制性能良好，较好地解决了主汽温度动态特性变化时，单模型预测控制性能变差的问题。

3 结束语

利用Matlab/Simulink仿真平台，对主汽温度控制系统进行了仿真研究并得到以下结论:

1)主汽温度被控对象具有大惯性和时变等特点，且其惯性随负荷降低而增大，因此对各控制策略 (如控制参数恒定的串级控制系统)而言，低负荷下控制系统的控制性能与高负荷下的控制性能相比更差。

2)对串级控制系统而言，如果其控制参数恒定，参数整定应在较低负荷段进行，这样能够保证系统在高负荷段仍有较好的控制性能；而对参数自适应的串级控制系统，参数整定应根据不同的典型工况进行分别整定。

3)与串级控制系统相比，Smith预估控制的效果较好，但其控制效果取决于所建立Smith预估器能否真实反映系统的特性。然而由于执行器(汽温调节挡板)的非线性特性，会导致实际过程中，Smith预估控制效果不佳。与之相比，西门子公司所采取的改进型Smith预估控制策略将导前区温度作为Smith预估器的输入，剔除了汽温调节挡板非线性对预估器输出的影响，从而保证在实际使用过程中Smith预估控制的效果。

4)与常规的主汽温度控制策略相比，预测控制的控制效果明显好于其他策略的控制效果，根据不同典型工况对预测控制内置模型进行建模，并采用多模型预测控制的手段从而保证预测控制的效果。

〔1〕杨锡运，候国莲，李农庄，等.过热汽温多模型预测函数控制策略的研究 〔J〕.动力工程，2005，25(4):537-540.

〔2〕袁立川，丁艳军，李东海.过热汽温多模型预测控制的现场应用 〔J〕.清华大学学报 (自然科学版)，2010，50(8): 1 258-1 262.

〔3〕张建华，徐大平，柳亦兵，等.多模型过热汽温控制系统〔J〕.华北电力大学学报，2000，27(3):38-41.

〔4〕刘期彬.大型火力发电厂过热汽温控制策略的改进 〔D〕.上海:上海交通大学.2009.

〔5〕 ChiLiMa Harnold，Lee Kwang Y.Free，Model based neural networks for boiler turbine plant〔R〕.IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，2000，1 140-1 144.

〔6〕李萌，沈炯.基于自适应遗传算法的过热汽温 PID参数优化控制仿真研究 〔J〕.中国电机工程学报，2002，22(8): 145-149.

〔7〕范永胜，徐志皋，陈来久.基于动态特性分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究 〔J〕.中国电机工程学报，1997，17(1):23-28.

Simulation research and characteristic analysis of typical control system for main steam tem perature

MA Teng1，SHENG Kai2，JIANG Xiao-long3
(1.Shenzhen Mawan Power Co.Ltd，Shenzhen 518054，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；3.School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In this paper，the characteristic ofmain steam temperature is analyzed，and dynamicmodelwith variable parameters is built by using Simulink.Besides，the nonlinear relationship between the actuator(steam temperature regulation baffle) opening and desuperheating water flow is taken into consideration.Simulation studies on three kinds of control strategy，including cascade control，Smith prediction control and predictive control，are carried out respectively.Finally，the effectiveness of these control strategies and suggestions are summarized.

main steam；dynamicmodeling；cascade control；Smith predicting control；predictive control；Matlab/Simulink

TK229.2

A

1008-0198(2014)06-0005-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.002

2014-06-18