史密斯预估补偿器仿真

1、摘要 过热蒸汽的温度是电站锅炉安全运行的重要指标之一。本文针对过热气温大迟延、大惯性的特点，设计了史密斯预估补偿的控制方案。并通过仿真结果证明，史密斯预估补偿优于常规PID控制。关键字 过热蒸汽 温度 史密斯预估补偿 PID 仿真 1 过热蒸汽温度控制必要性及对象特性分析机组过热蒸汽的温度是锅炉运行质量的重要指标之一，汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿命。汽温降低，将会使机组循环热效率降低，使煤耗增大。过热汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。所以，锅炉在运行中必须保证过热汽温稳定在规

2、定值附近。汽温控制的质量直接关系到机组的安全经济运行，又是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。这主要是由于：（1）造成过热汽温变化的原因很多，例如：机组负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数及火焰中心位置、燃料成分等都会影响汽温的变化。（2）在各种扰动作用下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制的难度加大。（3）汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的提高，蒸汽过热受热面比例加大，使其迟延和惯性更大，从而进一步加大了控制的难度。总之，过热汽温控制系统是一个多输入单输出的系统。影响过热汽温主要扰动有三种：蒸汽流量（负荷）扰动；烟气热量扰动：燃烧器运行方式变化、燃料量变化、燃料种类或

3、成分变化、风量变化等等这些变化最终均反映在烟气热量的变化；减温水流量扰动。蒸汽流量（负荷）扰动和烟气热量扰动的迟延和惯性比减温水流量扰动小，但是蒸汽流量（负荷）信号由用户决定，不能作为调节手段；烟气热量控制（改变烟气热量和流量）比较困难；而减温水流量的控制对过热器的安全运行比较有利。所以对于一般电厂，尽管对象特性不是太理想，但是目前还是广泛采用改变减温水流量来控制过热蒸汽的温度，即喷水减温。因为电站锅炉的过热器管路比较长，因此它是一个大惯性加纯滞后的对象。2 史密斯（Smith）预估补偿控制原理介绍史密斯（Smith）预估补偿方法的设计思想及特点是：预先估计出过程在基本扰动下的动态响应，然后由

4、预估器进行补偿，力图使被延迟了的被控量超前反馈到控制器，使控制器提前动作，从而明显地加速控制工程并减小超调量。其控制系统原理图如图1所示。图1 史密斯预估补偿控制原理图在上图中，是对象除去纯迟延环节以后的传递函数，是史密斯预估补偿器的传递函数。假若系统中没有此补偿器，则由控制器输出到被调量之间的传递函数为上式表明，受到控制作用之后的被控量要经过纯迟延之后才能返回到控制器。若采用预估补偿器，则控制量与反馈到控制器的信号之间的传递函数是两个并联通道之和，即为使控制器采集的信号不被迟延，则要求上式为从上式便可得到预估补偿器的传递函数为称上式表示的预估器为史密斯预估器，它将消除大迟延对系统过渡过程的影

5、响，使控制过程的品质与过程无纯迟延环节的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间。整个系统的闭环传递函数为很显然，此时在系统的特征方程中，已经不包含项。也就是说，这个系统已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响。当然闭环传递函数分子上的说明被调量的响应还比设定值滞后时间。最后在介绍一种改进型的史密斯预估器，它是由Hang等人提出的。它只比原来的方案多了一个控制器，其控制原理框图如下图2所示：图2 改进型史密斯预估补偿控制原理图它与史密斯预估补偿器方案的主要区别在于主反馈回路，其反馈通道传递函数不是1而是。通过理论分析可以证明改进型方案的稳定性优于原来的方案，并且对模型的精度要求不高，有利于改善

6、系统的控制性能。如果假设是一阶环节，并且控制器的积分时间等于模型的时间常数，那么可以简化为它是一个一阶滤波器，只有一个整定参数。3 仿真练习针对机组过热汽温是一个大惯性加纯滞后的对象，采用史密斯预估补偿的方法去控制喷水量，从而控制温度在稳定值附近，保证机组安全运行。3.1 系统在设定值阶跃扰动下响应仿真通过一阶传递函数模型的辨识方法得到某1000MW超超临界机组在满工况运行下，末级过热器出口汽温温度的模型为，在Matlab仿真平台搭建如下的仿真系统：假设在理想的条件下，辨识的模型是精确的，通过对史密斯预估补偿控制和常规单回路PID控制、常规单回路PID控制（被控对象无延迟）的对比研究，得出如下

7、图3：图3 系统在设定值阶跃变化下的过渡过程整定的控制器参数为, ，。通过以上的仿真可以看出，经过史密斯预估补偿器后的响应曲线明显优于常规单回路PID控制的响应曲线。而与被控对象无延迟的常规单回路PID控制响应曲线相比，史密斯预估补偿器并没有体现较大的优势，只是响应曲线在时间坐标轴上向后推迟了一个延迟时间。也就是说消除了史密斯预估补偿器消除了大迟延对系统的影响。3.2 系统在负荷干扰下响应仿真同样在Matlab仿真平台搭建如下的仿真系统：对上述整定的控制器参数不作改变，即, ，。并在时间为800s时加入负荷扰动，得出的响应曲线对比如下图4：图4 系统在负荷扰动下的过渡过程上述仿真结果表明，史密斯预估补偿器对机组过热汽温受到负荷干扰时，控制效果没有设定值阶跃扰动的控制效果好。只是比常规单回路PID控制效果略好。4 总结通过对提出的控制方案进行仿真实验，可以看出，在加入史密斯预估补偿器后，可以对大迟延、大惯性的过热汽温进行有效的控制，且没有超调量，达到满意的控制效果。当发生负荷扰动时，虽然史密斯预估补偿器可以实现对对象的平稳控制，但效果没有设定值扰动下好。综上所述，对于大惯性、大滞后的情况下的控制，加入史密斯预估补偿器可以收到较好的控制效果，但对于抗干扰能力还有待于加强，所以可以考虑与其它控制方案相