火电厂再热汽温的SMITH预估控制算法应用研究.pdf

7 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第4期 火 电厂 再 热 汽 温 的 S MI T H预估控制算法应 用研 究 张晓东 ， 王文兰， 丁美 内蒙古工业大学 电力学院， 呼和浩特 0 1 0 0 8 0 摘要 针对火电厂再热汽温控制系统的大惯性、 大迟延和时变性 ， 采用传统的 P I D调节规律难 以取得较满意的调节效果。A B B B a i l e y公 司的 S M I T H预估控制算法不仅具有传统 S MI T H预估控 制器克服大滞后 、 大惯性的特性 ， 把此算法运用到再热汽温控制 系统 中， 还具有较强的抗 内外干扰 和对象变化适应的能力。仿真结果验证 了其有效性。 关键词 S MI T H预估 器 ； B a i l e y自校 正 ； 再热 汽温 ； 仿 真 结果 中图分类号 0 2 3 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 4 0 0 7 4 0 3 App l i c a t i o n a nd r e s e a r c h o f a ne w s t y l e i n f e r e nt i a l SM I TH c o nt r o l s t r a t e g y i n r e he a t s t e a m t e m p e r a t ur e i n po we r pl a n t ZHANG Xi a o d o n g，WANG We n l a n，DI NG Me i E l e c t r i c P o w e r C o l l e g e ， I n n e r Mo n g o l i a P o ly t e c h n i c U n i v e r s i t y ， H o h h o t 0 1 0 0 8 0， C h i n a Ab s t r a c t C o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r s s u c h a s i n e r t i a ， l o n g d e l a y a n d t i mev a r y i n g o f s u p e r h e a t e d s t e a m t e m p e r a t u r e i n t h e t h e r ma l p o w e r p l a n t ， i t i s d i ffic u l t f o r t h e s t e a m t e m p e r a t u r e c o n t r o l o b j e c t i n t h e l a r g e u n i t o f p o we r pl a n t s t o r e a c h a s a t i s f y i n g c o n t r o l e f f e c t wi t h t r a di t i o n a l PI D c o n t r o l s t r a t e g i e s ． Be i n g a p p l i e d t o r e h e a t s t e a m t e mp e r a t u r e c o n t r o l ， t h e i n f e r e n t i a l S MI TH c o nt r o l s t r a t e g y o f ABB Ba i l e y h a s n o t o n l y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n q u e r i n g t h e l a r g e i n e r t i a a n d l a g，t h e s a me a s t h e t r a di t i o n a l i n f e r e n t i a l S M I T H c o n t r o l l e r ， b u t a l s o t h e s t r o n g a n t i j a m m i n g a b i l i t y a n d t h e s t r o n g a d a p t i v e c a p a b i l i t y t o w a r d t h e o b j e c t t r a n s f o r m a t i o n ．I t s v a l i d i t y i s v a l i d a t e d b y t h e e mu l a t e r e s u l t s ． Ke y wor ds i n f e r e n t i a l S MI TH c o n t r o l l e r ；s e l ft un i n g o f b a i l e y；r e h e a t s t e a m t e mp e r a t u r e；s i mu l a t i n n r e s u l t 0 引言 在火电厂过程控制系统 中， 为 了提高发 电机组 的热效率 ， 高参数大容量机组广泛采用 中间再热器 ， 以提高进入中压缸的蒸汽温度。 S M I T H预估控制方法基于古典控制理论 ， 其基 本设计思想是将被控对象的动态特性分解为一个纯 延迟环节和一个惯性环节， 将 2个环节串联而构成 一 个 S MI T H预估器， 由于所构成的数学模型能够预 估控制器的输 出将会对被控对象的控制变量产生的 可能影响， 从 而使控制作用提前而改善调节效果 。 但在实际应用 中， S MI T H预估控制 的缺点是 它必 收稿 13期 2 0 0 91 2 2 2 作者简介 张晓 东 1 9 7 2 ， 男 ， 内蒙 古 呼和浩 特人 ， 本 科 ， 实验 师 ， 从事 电厂热工控制系统 的研究 。 须依赖于精确的对象数学模型 ， 在对象模型失配时， 会造成控制品质恶化， 当控制系统中含有零极点时 ， 易产生稳态偏差。 该文采用 A B B B a i l e y公司的 S M I T H预估控制 新型算法 ， 实践证明可以有效克服上述缺点 ， 具有较 好 的鲁棒性和负荷跟踪性能。 1 A B B B a i l e y公司的 S MI T H 预估控制算 法 A B B B a i l e y公司的 I N F I 一 9 0 D C S系统提供了4 个与 S MI T H 预 估控 制 相 关 的功 能 模块 F C 1 6 0、 F C 1 5 2、 F C1 5 3和 F C1 5 4 。 功能模块 F C 1 6 0为 S MI T H预估 控制器 I n f e r e n t i a l S MI T H C o n t r o l l e r ， I S C ， 它可以根据预先 给定 或在线辨识 的对象模型实现 S MI T H预估控制。功 2 0 1 0年第 4期 工业仪表与 自动化装置 7 5 能模块 F C 1 5 2为对象模型参数估计器 ， 它采用最小 二乘线性回归算法辨识带有纯滞后时间的一阶差分 模型。功能模块 F C 1 5 3为对象模 型参数转 换器 ， 它 将 F C 1 5 2辨识的差分模 型参数转换为对象增益 、 滞 后时间和惯性 时间常数 。功能模块 F C 1 5 4为 自适 应参数修正器 ， 它主要是根据第 3变量 如 负荷 、 主 气流量等自动修 正 F C 1 6 0中指定 的对象 模型参 数 。 图 1为 F C 1 6 0功能模块 I S C控 制器 的结构框 图， 被控对象的动态模型采用了带死 区的一阶惯性 环节 图 1 A B B B a i l e y 公司 [ S C控制器 的结构框 图 图2 a为图 1的简化原理图。将 图 2 a 作等效变 换 ， 设等效调节器为 尺 s ， 如图2 b所示 。 a I S C控制器的简化原理框图 图2 I S C控制器的原理分析 等效调节器 R S 可按下式求出 醐 R S K T S1 L S1 尺 S K 所以 R s 1 1 可见 ， F C 1 6 0与传统 S MI T H预估器在结构原理 上是相同的， 控制规律为 P I ， 比例系数为 1 ／ K T ， 积分 时间常数为 。当 F C 1 6 0单独使用时， 它仅相当于 传统 S MI T H预估控制器 。 F C 1 6 0有多种使用方法 当 F C 1 6 0单独使用时 ， 对象模型参数 由其 规格参数确定； 当 F C 1 6 0与 F C 1 5 2 、 F C 1 5 3 配合使用时， 对象模型参数由 F C 1 5 2 在线辨识 ， 并经过 F C 1 5 3转换 ； 当 F C 1 6 0与 F C 1 5 2 、 F C 1 5 3 、 F C 1 5 4配合使用时 ， F C 1 5 4根据第 3变量 自 动修正指定 的对象模型参数。 2 AB B B a i l e y自校正主汽温控 制策略 系统按二级喷水进行控制 ， 一级喷水调节 阀控 制再热器出口温度 ， 二级喷水阀控制末级再热器 出 口温度 。一级 、 二级调节系统均为串级调节系统 ， 副 调以减温器下游温度为被调量。考虑到汽温控制对 象惯性大的特点 ， 主控制 回路采用了 A B B B a i l e y公 司的 S MI T H预估控制器。实践证明， S MI T H预估控 制对于抑制超调是非常有效 的。由于 S MI T H预估 器可以根据搭设的数学模型来预先估计 出所采用的 控制动作对过程变量的可能影响 ， 而不 必等到过程 变量有所反应后再去校正所采取的控制动作 ， 从而 达到了提高调节效果的目的。副调节器采用 P I D运 算规律。当机组在低负荷工作或机组跳闸时， 再热 器喷水阀联锁关闭， 再热汽温达设定值前不提前进 行喷水。 3 B a i l e y自校正主汽 温控 制系统 结构 图 3为 A B B B a i l e y自校正再热汽温控制系统 结构图。当 F C 1 6 0与 F C 1 5 2 、 F C 1 5 3 、F C 1 5 4配合使 用时 ， 由于其对 象模型参数是在线辨识 的， 等效 P I 调节器的比例系数 、 积分时间是在线调整的， 所以它 具有 自校正特性 。当工况变化时 ， 自动进行对象模 型的辨识、 转换和修正 ； 当工况稳定 时， 保持模型参 数 。因此 ， 由 F C 1 6 0与 F C 1 5 2 、 F C 1 5 3 、F C 1 5 4配 合 组成 的控制系统 ， 除具有传统 S MI T H预估控制器克 服大惯性 、 大滞后的特性外 ， 还具有较强的抗 内外干 扰能力和对象变化的适应能力 。 图 3 B a i l e y自校正再 热汽温控制系统结 构图 4 仿真研究 以下对某电厂 6 0 0 MW 超临界机组中 B a i l e y自 7 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 0年第 4 期 校正再热 汽温控制 系统进行 仿真研究 ， 并 与传统 S M I T H预估控制进行 比较。仿 真结 果如图 4 、 图 5 所示 。 由图4可知 ， 系统在 t 1 5 0 s和 t 3 0 0 s 分别 加入了内、 外扰动， B a i l e y自校正主汽温控制系统 比 传统 S MI T H预估控制具有恢复时间快 、 振动幅度小 的特点 ， 表明 B a i l e y自校正主汽温控制系统具有很 强的抗干扰能力。 1 4 1 ． 2 1 O p O 8 0 ．6 O4 0．2 O ⋯ 毒 r毒 一 ⋯ ⋯ 。 ⋯ ⋯ ⋯ - 、．．- 一 l 一 _f l_ 0 l _ ⋯ 传 统 S M IT H 预 估 控 制 I B a i l e y自校正控制 O l O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 1 4 1 ． 2 1 O 0 ．8 0 6 04 0 ． 2 O t f s 图4 在内外扰动下的仿真曲线 ⋯ 一 暑 毋 ⋯ 一 ，一⋯ 一⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 7 ， - - _ 0 ■ ‘ 0 f ■ 0 ， 传统 S MI T H预估控制 。‘ 。 ⋯ ， i 一B a i l e y自 校正控制 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 f ／ s 图5 再热汽温数学模型变参数仿真曲线 为验证 B a i l e y自校正再热汽温控制系统的鲁棒 性 ， 将再 热汽温控 制系统 的负荷工况 点 由原来 的 3 7 ％负荷变为 5 0 ％负荷， 因此再热汽温导前区和惰 性区的数学模型参数也发生了变化 ， 仿真结果如图 5所示。可以看 出 对于变参数控制时， B a i l e y自校 正再热汽温控制系统 比传统 S M I T H预估控制具有 快速 、 平稳跟踪的特性 ， 具有更强的鲁棒性 。 5 结论 该文将 A B B B a i l e y S M I T H预估新型控制算法 应用于火 电厂再 热汽温控 制系统 中 ， 克服 了传统 S M I T H预估控制对大惯性大延迟对象调节品质差 、 鲁棒性弱的缺陷。仿真结果表 明， 采用 B a i l e y自校 正再热汽温控制系统具有较好的鲁棒性， 提高了系 统的控制 品质 ， 适用于存在大干扰 、 大延迟、 时变性、 不确定性和非线性的复杂热工对象 。 参考文献 [ 1 ] 边立秀． 热工控制系统[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 00 2． [ 2 ] 金以慧． 过程控制[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 朱北恒． 火电厂热工 自动化系统试验[ M] ． 北京 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 刘红波 ， 李少远 ， 贾磊 ． 基于 自整定和模糊 自校正技术 的改进 S mi t h预估控制系统[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 4 ， 1 6 9 2 0 8 6 2 0 9 0 ． [ 5 ] 刘红波． 先进控制技术在大型火力发电机组中的应用 研究 [ D] ． 沈阳 东北大学 ， 2 0 0 2 ． 上接第 9页 参考文献 [ 1 ] S u n L M， L i J Z ， C h e n Y．Wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k 『 M] ． B e i j i n g T s i n g h H a U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 5 8一l 4 ． [ 2 ] “ J z， J B ， S h i S F ．C o n c e p t s ， i s s u e s a n d a d v a n c e o f s e ns o r n e two r ks a n d da t a ma n a g e me n t o f s e ns o r ne t wo r k s [ J ] ． J o u r n a l o f S o ft w a r e ， 2 0 0 3 ， 1 4 1 0 1 7 1 71 7 2 7 ． [ 3 ] 任丽婕 ， 郭 忠文 ． 无线 传感 器 网络 中基 于能 量平衡 的 部署算法[ J ] ． 中国海洋大学学报， 2 0 0 8 ， 3 8 5 8 4 2 8 4 3 ． [ 4 ] 樊勇， 张晓彤． 实现能量均衡消耗的传感器网络节点 摆放策略[ J ] ． 计算机工程， 2 0 0 7 ， 3 3 1 6 1 21 3 ． [ 5 ] N i e R o n g ， L e i Z h e n m i n g ． Me a s u r e m e n t S t u d y o f t h e L o c a t i o n A w a r e n e s s i n P 2 P S y s t e m s[ C] ．B e i j i n g ，C h i n a P r o c e e d i n g s o f t h e I n t 1 C o n f e r e n c e o n C o mmu n i c a t i o n a n d I n f o r ma t i o n， 2 0 0 5 ． K r i s h n a mu r t h y B， W a n g J i a ． O n Ne t w o r ka w a r e C l u s t e r i n g o f We b C l i e n t s [ C] ．N e w Y o r k ， U S A P r o c ． o f t h e C o n f e r e n c e O i l Ap p l i c a t i o n s ， T e c h n o l o g i e s ，A r c h i t e c t u r e s ， a n d P r o t o c o l s f o r Co mp u t e r Co mmu ni c a t i o n， ACM P r e s s， 20 0 0 981 0 0． 窦金凤． 无线传感器网络生命周期延长算法研究[ D] ． 中国海洋大学 ， 2 0 0 8 5 4 5 7 ． 袁辉勇， 刘伟群． 传感器网络中一种非均匀的节点部 署算法[ J ] ． 传感技术学报， 2 0 0 8 ， 2 1 6 1 0 4 01 041 ． Zh a o y u L i u， Da o xi Xi u，W e i h u a Gu o ． An Ene r g yBa i a n c e d Mo d e l f o r Da t a T r a n s mi s s i o n i n S e n s o r Ne t w o r k s [ J ] ， I E E E V e h i c u l a r T e c h n o l o gy C o n f e r e n c e ， 2 0 0 5 ， 6 2 2 52 8 2 3 3 22 3 3 3 ． ] j] 6 7 8 9