西门子PROFI温度控制器的鲁棒性稳定条件分析

刘 瑞,刘 潇

（1.沧东发电有限责任公司 ,河北 沧州 061113；2.西门子电站自动化公司，南京 210003）

0 引言

反馈控制之所以优秀，就是因为它注重考察系统运行结果的差别，采集系统输入输出的偏差，利用偏差来影响系统，使系统向偏差减小的方向运行，相同的道理，能够在实际系统中应用的状态观测器也都是闭环观测器。实际应用的系统有大到一定的扰动时，状态观测器系统状态的渐进估计输出不再给出原来的输出值，让系统重新建构，于是，对于扰动的鲁棒性，在实际系统中应用的状态观测器起到非常重要的作用。

在西门子PROFI的控制系统中，充分利用了系统模块化思想的优势，将整个过热器简化为3个串联的模块，根据超临界直流锅炉数学模型及动态特性，视每一模块为一阶惯性环节。因此，可以把整个过热器视为三阶惯性环节[1,2]。

系统鲁棒性稳定的充分条件是系统的极点处在极坐标的负半平面，并且受到扰动时渐近稳定。作为被控对象的主汽温度，实际上也是三阶惯性环节的一个量值，在西门子PROFI温度控制模块的作用下，控制时间常数由于锅炉运行工况等外部的扰动引起的变 化，使整个过热汽温变化较小，最终趋于稳定。

1 西门子PROFI温度控制模块的状态观测器的数学描述

1.1 原理性数学描述

由于建模方法的局限性和实际过程中模型自身参数摄动现象的存在，对象的数学模型肯定存在各种不确定性。这样一来，获得被控对象的数学模型精确性有很大的难度,而西门子PROFI系统是把状态观测器与自适应算法结合到一起，在各种扰动发生时，保证控制系统具有更强的鲁棒性。

PROFI调试工作重要内容就是辨识机组特性，温度特性模型其中涵盖过热器出入口温度之间的以传递函数为表现形式的特性模型：

一般，过热器分为两个区域，导前汽温测点前至减温器称为导前区，过热器出口汽温测点到减温器后称为惰性区，把两个区域串联在一起，可得到整个系统的数学模型[1]：，其中, T 为负荷的函数

沧东电厂实际运行的西门子PROFI系统中的汽温控制模块的基本原理就是利用状态观测器解决过热汽温这种大滞后对象的迟延造成的控制滞后，而这种状态观测器是基于状态空间算法的动态系统。

在西门子PROFI系统温度控制模块对实际运行逻辑块给出了一个状态完全可观测的线性定常系统可表示为[3]：

1.2 状态观测器的实际方案

以导前区为一阶惯性环节，惰性区为三阶惯性环节的系统为例来进行讨论，可以把上式的数学模型转换为状态空间表达式：

则其状态空间表达式：

通常实际工程中，yf即喷水减温器出口的汽温，使它作为导前信号并且这个信号是可以准确测量出来的，同时为状态观测器带来益处。并设状态观测器的输入信号yf和y，状态观测器的传递函数为三阶大惯性环节：

则其惰性区状态观测器的系数矩阵为：

1.3 推论

根据基于状态空间算法的状态观测器的稳定条件（由于篇幅所限，具体就不推导了），由K，和决定。若观测器确定， T1不再变化，相应的和不变，也就是说这是T的范围就是由K[3]来决定。

2 实际运行效果

2.1 试验数据整理结果

根据西门子PROFI温度特性模型，包括过热器/再热器之间的特性模型：经过试验可以得出以下数据：

一级过热器：K=1.0 — 1.5 , n=3，T与负荷的关系为：

300MW 360MW 500MW 600MW 112s 110s 60s 35s

二级过热器：K=0.8 — 0.9，n=3，T与负荷的关系为：

360MW 500MW 600MW 91s 50s 38s

再热器：K=0.6 — 0.9，n=3，T与负荷的关系为：

500MW 600MW 90s 63s

2.2 其他的调节汽温方法简介

西门子PROFI系统中其他的调温手段如下，但不作为本文重点阐述对象。

1）通过融入蒸汽焓值的变增益控制器，解决蒸汽压力的高低对汽温控制的影响。

2）基于模型的Smith预估器在profi中针对导前温度的控制中也有应用，主要是进行提前控制，其传递函数为：

式中，Kpgp(s )e-τs：纯迟延环节τ的控制对象传递函数 Ksgs(s)：Smith预估器的传递函数。

3）通过profi的自学习功能块，达到实时补偿系数的改变对应减温水阀门特性的变化。

4）对再热汽温控制，改变调节手段，通过增加调节烟道挡板次数，减少减温水调节次数，以提高机组效率。

2.3 整体调温方案

实际运行的机组是把西门子PROFI系统中所有的调温手段全部集合在一起进行温度智能控制，由于其他智能控制算法不作为本文重点阐述对象，因此只给出具体控制方案的示意图。

整个西门子PROFI温度控制器调温原理[4]如图1所示：

图1 PROFI温度控制原理示意图Fig.1 PROFI Temperature control principle diagram

2.4 实际调节曲线

将西门子PROFI温度控制器实际组态到DCS系统中，在沧东电厂2号机组正常运行的过程中，通过PROFI系统记录、收集和显示该模型的实时趋势和历史趋势可以看出经过PROFI温度控制器优化后的过热汽温调节品质非常理想。具体如图2所示。

3 结束语

常规的串级控制在针对过热汽温大惯性、大延迟的特性上往往控制效果不够理想。机组采用西门子PROFI系统的控制策略，对系统的控制精度有了明显的提高，同时克服了对大惯性、大延迟控制对象的缺点，如调节品质差、抗干扰性弱等。解决此难题是利用基于状态空间算法的状态观测器，并对其鲁棒性的分析，进而得出有扰动时若要保持系统稳定，则被控对象惰性区与观测器其时间常数变化的关系。在实际调节汽温回路时，时间常数T和状态观测器系数K需要配合着微调，在不同工况下，也可以单独调节其中一个参数，也可适当调节系数。总之，各种手段配合使用更能提高系统鲁棒性。

图2 沧东电厂2号机组PROFI一过汽温优化后趋势图Fig.2 Jc east power plant unit 2 PROFI a trend chart after steam temperature optimization

[1]张玉铎,王满稼.热工自动控制系统[M].北京:水利电力出版社,1990:21-23.

[2]德国西门子公司.PROFI技术手册[Z].2005.

[3]德国西门子公司.PROFI功能块说明[Z].2005.

[4]德国西门子公司.PROFI设计说明[Z].2005.