湿法脱硫自适应Smith实时跟踪控制系统设计

梁克顺 马立新

摘 要：Smith预估控制系统能解决工业湿法脱硫控制系统参数复杂多变、滞后严重、无法实时跟踪控制等问题，但对数学精度要求高，且实时负荷波动频率较高时，对系统控制性能会产生很大影响。针对该问题，设计自适应Smith实时跟踪控制系统，不仅能解决滞后问题，还能实现系统实时跟踪、误差快速稳定。对自适应Smith实时跟踪控制系统进行仿真实验，并与Smith预估控制系统进行对比，结果表明，自适应Smith实时跟踪控制系统能实时跟踪负荷变化，及时调节系统误差，抗干扰性和鲁棒性更优，具有较强应用价值。

关键词：湿法脱硫；自适应Smith实时跟踪负荷控制；Smith预估控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.181458

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）010-0106-04

英文摘要Abstract：Smith predictive control system is helpful in solving problems of the industrial wet desulfurization control system including complex and varied parameters，serious hysteresis and failuire of reaql-time tracking control，etc.However it has high demand of mathematical accuracy，which has a great impact on the control performance when the load fluctuation frequency is high.Aiming at this problem，an adaptive Smith real-time tracking control system is proposed.The system can solve the problem of hysteresis while realizes the system′s real-time tracking，so that the error can quickly become stable.The adaptive Smith real-time tracking control system is simulated and compared with the Smith predictive control system.The results show that the adaptive Smith real-time tracking control system can track the load changes in real time and adjust the system error in time compared with the Smith predictive control system.It is of better noise immunity and robustness and has strong application value.

英文关键词Key Words：wet desulfurization； adaptive Smith real-time tracking load control； Smith predictive control

0 引言

近年来我国雾霾、酸雨等现象出现得越来越频繁[1]，不仅破坏自然环境，还引发各种疾病。有关资料显示，酸雨的形成主要源于SO2排放，而SO2大部分来自燃煤火电厂烟气排放。为改善生态环境，我国环境部门出台了大量法律法规，控制SO2排放势在必行。

目前，国内外普遍采用石灰石—石膏脱硫技术降低SO2排放，该技术成熟、稳定可靠、脱硫原料来源广、产物可以二次利用，目前工艺占比已超过90%。随着SO2排放标准的不断提高，需要火电厂进一步提高脱硫效率。然而，目前脱硫设备体积很大，脱硫反应复杂多变，脱硫效率受众多因素影响，因此整个烟气脱硫很难得到精准控制。

随着现代控制理论及技术的发展，众多先进控制算法被应用于工业脱硫控制系统，文献[2]提出一种基于经典PID的模糊控制方法。该方法运用模糊理论设计系统主要参数，使系统具有一定自适应性，但控制过程简单，鲁棒性差。文献[3]提出一种基于特征线法的烟气脱硫控制系统，通过线性变换处理模型多变问题，能得到稳定的系统状态解析式，系统适用范围广，但控制响应差。文献[4]提出了预估模型的脱硫控制系统，可弥补脱硫过程中因滞后产生的缺陷，但Smith预估系统需有高精度模型[5]，当外部环境改变、出现扰动或发生时变时，系统会出现模型失配现象[6]，降低脱硫效率。

本文将自适应思想与Smith预估系统相结合，设计一种新型自适应Smith控制器，可以对负荷进行实时跟踪[7]，克服Smith预估器对精确模型的依赖[8]，提高系统稳定性。

1 湿法脱硫控制系統

1.1 Smith预估器控制系统

Smith预估补偿核心是消除特征方程的纯滞后环节[9]，基本过程是在控制系统某处增加控制支路，进而把被控对象的数学模型转移到控制回路中，使转变后的新系统控制通道和传递函数的分母均不会出现纯滞后项，以便取得更及时的反馈信息，借此提高控制系统稳定性。

Smith预估控制原理如图1所示，图中G（s）不包含滞后项，Gp（s）是新增补偿环节[10]。

由于烟道震动剧烈，烟道内无法安装硫化物监测仪器[11]，因此要在烟道入口处安装硫化物监测仪用以监测排放气体中SO2含量，必须使用一条长约数十米的配管连接设置在地面上的检测仪。由于检测设备至气体排放入口处有一定距离，所以被控对象会表现出一定滞后性，严重时还会出现振荡现象。系统通过添加碳酸钙估算机构模拟设备，补偿滞后时间[5]。但是常规Smith方法需要精确的参数模型，参数若存在误差则对系统控制性能产生很大影响[12]。尤其是当输入实时负荷且负荷波动频率较高时，系统无法实现负荷实时跟踪、不能快速响应负荷变化，从而无法保证自身安全、稳定、经济地运行。

1.2 自适应Smith湿法脱硫控制系统

石灰石湿法脱硫技术的实质是CaCO3浆液与SO2进行酸碱中和反应[13]，在石灰石—石膏湿法烟气脱硫过程中，随着中和反应的进行，参数不断变化，导致被控对象特性不断变化，由此产生模型失配，Smith控制模型无法得到理想控制效果。所以，在实际工业控制中，Smith控制器无法得到具体应用，若根据环境变化不断调整预估模型，使其尽可能匹配实际对象，则能克服模型失配的影响，提高系统性能。因此利用自适应思想改进Smith预估器，即把被控过程看作参考模型，通过自适应辨识机构不断调整Smith预估器控制参数[14]，使其尽可能与实际过程保持一致，结构如图3所示。系统基本工作原理为：在控制系统的运行进程中，被控对象的动态紧跟参考模型的动态，使二者特性尽可能保持无差值状态[15]。一旦二者输出状态存在差值，控制系统自适应辨识机构就被激活，相应地调整机构自身的某些参量，使被控对象的对应参量产生变化，从而使被控对象最终输出状态与参考模型最终运行状态的差值尽量缩小[16]。因此，问题核心是确定自适应辨识机构，以便获得使误差趋于零的系统。

3 仿真研究

为验证设计的可行性，在Matlab中建立模型，并輸入实时仿真数据进行实验。本文选取500 MW CFB机组炉内脱硫系统在72%负荷下的近似数学模型64.2e-85s135s+1作为被控对象，输入对象采用3600s的实时负荷数据[20]。

3.1 Smith预估模型的脱硫控制系统仿真

图5为采用Smith预估模型的脱硫控制系统仿真结果。由图可以看出，在前250s内系统波动幅度较大，在某些时间段内甚至超过预警值，接近350s以后才逐渐趋于稳定，直到近1 000s时系统波动范围才保持在1以内。当负荷急剧变化时，系统响应时间较长，实时跟踪控制效果不佳。

3.2 自适应Smith脱硫控制系统仿真

自适应Smith脱硫控制系统的仿真如图6所示，由图可得，控制系统在不到1s内便趋于稳定，系统波动幅度最大也只有0.1，而且大部分时间内波动幅度都被控制在0.01以内。负荷波动较大时，出现了不同幅度的短时尖峰，说明系统响应时间短，反应迅速，实时跟踪控制效果好。

3.3 控制效果比较

控制系统性能参数[21]对比如表1所示。

由图6及表1可以看出：①自适应Smith控制系统误差远远小于Smith系统误差，前者误差范围基本可以控制在0.1以内，而后者误差最高时达到30；②自适应Smith控制系统峰值时间很短，说明其响应速度远优于前者。其超调量也明显小于Smith控制系统，显示了该系统可靠的稳定性。同时，自适应Smith控制系统调节时间也远远小于Smith控制系统，反映了其过渡过程进行得更快更好；③Smith预估模型的系统不能很好地实现实时负荷跟踪，而自适应Smith控制系统的实时跟踪反应平均时间仅为2.45s，说明系统鲁棒性很好。

4 结语

湿法脱硫控制系统具有时滞性、大惯性和时变性等特点，采用Smith控制能有效补偿时间延迟，但需要参数十分精确的数学模型，当负荷波动频率较高时，系统很难实现负荷实时跟踪，必然会影响控制性能，浪费碳酸钙资源。

本文针对系统存在的多干扰及时变现象，将自适应原理与Smith预估控制相结合，不仅补偿了滞后时间，还摆脱了系统对精确模型的依赖，而且能提高响应速度，增强稳定性和抗干扰性，提高系统鲁棒性，实现了负荷实时跟踪控制。因此自适应Smith控制系统是一种行之有效的控制方法，具有较高应用价值和推广性。

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（责任编辑：江 艳）