三自智能调节器在干法脱硫中的应用

杨军统

(国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

0 引言

自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，并被广泛应用于各个领域。目前，国内外的调节器种类不下几十种。但在实际应用中，许多被控对象具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，DESBOROUGH和Mn.T.RR在2002年的一次统计报告中指出，只有近1/3的比例积分微分(proportion integral differential,PID)[1-4]控制器在实际应用中取得了令人满意的控制效果，有2/3的PID控制性能达不到用户的要求，这给控制理论研究和应用带来了前所未有的机遇和挑战。

三自智能调节器全称是自纠缠自平衡自动寻优智能调节器(简称三自智能调节器)。所谓自纠缠是采用被控量的三阶惯性环节作为积分的设定值，自平衡则是辅助调节器与主调节器相互配合，自动达到一个最优的控制效果和自动寻找最佳的平衡点。

三自智能调节器成功应用于循环流化床机组协调控制、干法脱硫的自动控制，控制精确，起到了常规调节器所不能达到的效果。

1 三自智能调节器的设计

三自智能调节器由主调节器与辅助调节器构成。主调节器是常用调节器。辅助调节器是用功能块搭建而成。比例、积分、微分彼此相互独立计算的调节器。辅助调节器以主调节器的前馈形式叠加到主调节器，与主调节器相辅相成。这样既保留了主调节器的原有功能，又完善了主调节器的不足，增强了主调节器的功能，使其功能更加智能化。三自智能调节器构成如图1所示。

图1 三自智能调节器构成图

辅助调节器不同于主调节器，其偏差实现自动建立与消除，积分的输出呈现非线性，能够快速、有效地消除偏差，维持被控参数的稳定。

辅助调节器通过搭建三阶次微分环节，提供可限幅、高预测性的微分作用，应对各种不确定的扰动。非线性的微分环节与非线性的积分环节与比例环节共同完成了辅助调节器的非线性自动控制，强化了三自智能调节器修正的实时性。

主调节器与辅助调节器的相互配合使控制对象达到精细控制的要求，同时输出的指令在一定的位置达到平衡，使被控量和指令达到最优控制，从而不会大幅度的动作，克服了积分饱和现象以及过调的危害。

1.1 主调节器自适应变参数原理

在实际的控制应用中，对于具有高度非线性、时变、不确定性和纯滞后等特点的主汽压力控制，比如火力发电厂的超临界直流锅炉控制、循环流化床锅炉控制，由于存在诸多不可预测因素，其调节器远远不能满足生产工艺的要求。因此，控制方案有待完善，特别是调节器的功能有待改进和提高。

火力发电厂的主汽压力控制，外界负荷指令的不确定变化以及煤质变化带来的风、水、煤配比的变化都对调节器提出了更高、更精确的要求。大惯性、大迟延带来了积分的过调、微分的起调点问题，都要求调节器适应不同的控制对象、不同的控制特性。因此，就要提高调节器的自适应性变参数，以及调节器的基本性能。

1.2 主调节器自适应变参数的方法

主调节器有关联调节器和非关联调节器两种形式。以比例带形式与比例、积分、微分相关联的称为关联调节器，比例、积分、微分相互独立，互不干扰的称为非关联调节器。以关联调节器为例，其表达式为：

(1)

设定:

(2)

则：

(3)

最终:

(4)

从上面的公式不难看出，调节器的输出与控制的偏差有关，那么调节器的比例、积分、微分系数也应与此有关，同时调节器的比例系数与积分系数、微分系数相关联。

首先，通过对调节器的比例、积分、微分进行变参数，提高调节器的自适应性[5-9]。

根据调节器的测量值与设定值，计算出二者的偏差，用二者的偏差通过折线函数，对应不同的比例系数、积分时间、微分系数。比如，对于惯性大、迟延大的控制对象可以实现，偏差越大比例作用越大、积分作用越弱、微分越强，从而实现控制的自适应性。

其次，借助调节器的变参数肢解关联调节器的关联性，变关联为非关联。

1.3 辅助调节器的设计

辅助调节器与主调节器有本质上的区别。

首先，认知不同阶次的多阶惯性环节具有的不同特性。

n阶惯性环节的数学表达式为：

(5)

采用Matable软件仿真1～4惯性环节的特性，惯性时间取20 s，阶跃量取±100。

搭建1～4惯性环节，分别作阶跃升降变化，1～4阶次仿真曲线如图2所示。

表1 1～4阶惯性试验设定数据

图2 1～4阶次仿真曲线

由图2可以得出以下结论。

①在同样的惯性时间，不同的惯性阶数表现出不同的变化趋势，阶数越多，变化越缓慢。

②同样的初始阶跃量，在不同的阶数惯性环节所形成的面积亦不同，且阶数越多，面积越大。

通过选择惯性的阶数拟合控制参数的变化特性，也可以拟合合适的指令，并可据此构建出符合控制对象特性的微分环节、积分环节。

辅助调节器特性如图3所示。

图3 辅助调节器特性图

辅助调节器功能设定如下。

①辅助调节器的设定值。主调节器设定值通过乘法系数(SPG)修正，形成辅助调节器的设定值。

②辅助调节器的测量值。主调节器测量值通过乘法系数(PVG)修正，形成辅助调节器的测量值。

③作用设定。当SPG为负、PVG为正，则辅助调节器为正作用；SPG为正、PVG为负，则辅助调节器为反作用。

同时，通过调整SPG和PVG，设定辅助调节器比例、微分对偏差的启调点，再通过乘法系数Kf调整辅助调节器的总输出，控制其幅度。

辅助调节器的比例环节P：辅助调节器的输入偏差经过，辅助调节器的比例系数Kp,形成辅助调节器的比例环节输出。该环节的默认输出幅度在-100%～+100%。

辅助调节器的微分环节D：辅助调节器的输入偏差，经过三阶次的微分运算输出，形成初始微分输出。初始微分输出经过乘法修正系数Kd，最终形成微分输出值。

辅助调节器的积分环节I：主调节器的测量值经过三阶惯性后形成辅助调节器积分环节的设定值，主调节器的测量值作为辅助调节器积分环节的测量值。辅助调节器积分环节的设定值与测量值形成动态、实时、间断、可变的偏差，从而实现调节器积分环节的非线性、抗积分饱和的功能。

将辅助调节器的比例、积分、微分三个环节相加经过乘法器Kf修正构成了一个完整的辅助调节器。当智能调节器在手动条件下，主调节器的测量值与设定值相等，辅助调节器的积分环节和微分环节的三阶惯性环节的时间为0，则辅助调节器的比例、积分、微分环节的输出为0；当智能调节器在自动，测量值与设定值偏差建立，辅助调节器的积分环节和微分环节的三阶惯性环节的时间不为0。

默认辅助调节器的比例、积分、微分的输出限制幅度为-100%～+100%，则三者的最大限幅度为-300%～+300%。当三者和的乘法输出为0.1，则辅助调节器的总输出的幅度只能是-30%～+30%。

辅助调节器构成如图4所示。

图4 辅助调节器构成图

2 实际验证

某大型循环流化床机组采用自动发电控制、石灰石颗粒管道输送(炉内脱硫)的方式运行，手动控制石灰石的入炉和原煤中石灰石子的掺加。当SO2变化呈现脉动突变时，把石灰石入炉变频器开到最大。此时，SO2依然超标，且带来NOX的超标。为此，运用了三自智能调节器的技术，在分布式控制系统(distributed control system,DCS)中，采用自带的功能块，依据图4辅助调节器构成图搭建辅助调节器，与原来的调节器构成了脱硫控制三自智能调节器。SO2实际排放量在33～85.15 mg/m3之间，SO2小时平均值为46 mg/m3。

主调节器整定参数、辅助调节器整定参数如表2、表3所示。

表2 主调节器整定参数

表3 辅助调节器整定参数

3 结束语

本文从理论论证试验仿真和实际运用，证明了三自智能调节器的先进性[8-9]。辅助调节器有效完善了以往调节器的控制功能。值得一提的是，辅助调节器以三阶次微分解决了偏差启调点和动作幅度的问题，三阶惯性的非线性积分则解决了积分的非线性和积分饱和问题。辅助调节器重在稳态稳定控制，主调节器重在无差调节。主、辅调节器构成的三自智能调节器，有效地解决了大迟延、大惯性的控制对象的控制难题。同时，该调节器在超临界机组的煤质变化、水煤解耦的运用上也达到了理想的控制效果，具有普遍的适应性和推广价值。