基于改进型Smith预估器的火电厂再热器温度控制系统设计

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：基于改进型Smith预估器的火电厂再热器温度控制系统设计学习中心： 内蒙古学习中心 学 号： 090F31133017 姓 名： 林佳骏 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 张伟 2015 年 8 月 1 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名： 林佳骏 学号： 090F31133017 专业： 电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目： 基于改进型Smith预估器的火电厂再热器温度控制系统设计指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）填写要求：1.请指导教师按以上要求填写意见，2.学生在上传论文时不得将以上括号内的内容删除。3.当学生论文评阅成绩不及格重写时，指导教师要重新填写意见及新的指导日期。（指导教师填写指导意见时请将填写要求删除）指导教师结论： （合格、不合格）指导教师姓名所在单位指导时间中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 林佳骏 学号： 090F31133017 专业： 电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目： 基于改进型Smith预估器的火电厂再热器温度控制系统设计评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）填写要求：1.请评阅教师按以上要求填写意见，2.上传论文时不得将以上括号内的内容删除。3.当学生论文评阅成绩不及格重写时，评阅教师要重新填写意见及新的评阅日期。 （评阅教师填写指导意见时请将填写要求删除）修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。）毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名所在单位评阅时间论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文基于改进型Smith预估器的火电厂再热器温度控制系统设计，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）：林佳骏 日期：2015年8月1日摘 要由于现代大型锅炉的再热器管路很长，喷水管道容易受热结垢等，使得迟延时间比较长，而迟延在不断变化的。针对这些特点，我们采用Smith预估补偿控制解决再热器温度控制大迟延的一系列问题，但是因为Smith预估器对控制对象比较敏感，而控制对象又是再热器的温度，所以我们使用改进型Smith预估器。因为改进型Smith预估器可以有效地解决再热器的干扰等一系列问题，能够及时关注系统的变化，能保持系统的稳定性和系统的控制品质。然后对系统进行SIMULINK仿真研究，通过仿真结果得出使用改进型Smith预估补偿控制的优缺点，对仿真结果进行分析，看系统的稳定性和调节效果。 关键词： 1、迟延 2、再热器 3、Smith 4、扰动 目 录一、绪论1（一）研究背景及意义1（二）课题研究现状1二、再热器概述2（一）再热器的简介2（二）再热器的温度控制系统任务2（三）汽温特性及汽温调节31、再热器的汽温影响因素32、再热器的汽温调节3（四）再热器的保护3三、改进型Smith预估补偿控制器设计5（一）Smith预估补偿控制原理5（二）Smith预估补偿控制的改进型方案71、改进型Smith预估器72、增益自适应补偿方案8（三）PID控制器91、PID的控制参数整定92、控制参数整定方法的选择9四、再热器温度控制系统仿真11（一）再热器温度动态数学模型11（二）Smith预估补偿仿真研究11（二）引入干扰后Smith仿真研究12（三）引入干扰后增益自适应Smith仿真研究13（四）引入干扰后改进型Smith仿真研究14五、结论16致谢17参考文献18 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）一、绪论（一）研究背景及意义锅炉再热汽温对工厂效率和对管道安全，涡轮机运行和其他设备有直接的影响。再热器的温度控制系统是火电厂锅炉中的温度控制系统。再热汽温控制是一项相对比较困难的任务, 再热器工作工程中，因为很多问题都会影响再热器的汽温，如管道过长、受热面结垢和各种各样的干扰。锅炉的再热器温度控制系统的控制效果比较差, 而且它的控制品质也比较差。前面讲述过再热汽温动态特性,针对这个特点，在国内外很多关于再热汽温调节性能的方法被提出与实施。在现实中有各种各样的干扰，理想情况是不存在的；所以我们可以使用Smith预估补偿控制方案。因为Smith预估补偿控制对对象参数变化敏感，而我们又是对再热器的温度控制系统进行研究，所以Smith预估补偿方案不太适用。所以本次设计使用基于Smith预估补偿方案改进的方案。（二）课题研究现状 在锅炉控制中再热器的温度控制比较难的，因为再热器温度的扰动因素多，扰动次数比较多而且扰动大。因为系统有各种各样的干扰再加上关于再热汽温动态特性的原因，保持汽温在额定值是比较难的。火电厂的温度控制系统通常使用PID控制，这个系统是过程系统中用的比较广泛的。但是即使使用PID控制完美的对再热器温度进行控制，但是控制系统而发生变化时，质量很难得到保证。通过对再热汽温的动态特性的特点，并提出了一些改进方案的再热汽温控制，但实际执行会有很多问题，所以当前工程项目常用的：锅炉的分段汽温控制系统，数字或者模拟PID控制系统，Smith的一系列方案。二、再热器概述（一）再热器的简介再热器的的进汽是汽轮机高压缸的排汽，压力约为主蒸汽压力的20%左右，再热器汽温比饱和温度高。然后送往汽轮机低压缸继续工作。再热器可以提高电厂热循环，一般提升5%左右；也可以减少汽轮机最末蒸汽的湿度，这样汽轮机可以安全运行。再热器可以分为单级、双级甚至多级，可以布置在高温对流过热器后的烟道内，可以做成墙式再热器布置在炉膛水冷壁的上部，也可以做成末级再热器布置在屏式过热器之后，但墙式再热器和屏式再热器中的蒸汽必须是低温段再热蒸汽。再热器结构图如图2-1：图2-1 再热器结构图（二）再热器的温度控制系统任务再热器的温度控制系统的任务就是把再热器出口温度控制在温度的额定值。再热汽温可以用改变烟气流量来控制；改变燃烧器的倾斜角度；采用再热器的多层圆型燃烧器等方法。改变烟气流量经济性价比高，喷水减温控制方式的经济性比较差，喷水减温会降低高压缸效率和降低电厂热效率。所以很少采用喷水调温方式。但是喷水减温方式比较简单，虽然经济性比较低，但是可以作为再热器的保护方式。 （三）汽温特性及汽温调节在火电厂运行中，锅炉的再热器温度需要稳定在额定值之内，温度过高或者过低都会出现状况。但是当锅炉负荷或发生干扰时，都会引起再热器温度发生变化。再热器温度太高，会超过汽轮机汽缸的喷嘴，叶片，叶轮的受热强度；再热器温度太低会降低汽轮机功率，增加能耗，影响电厂的经济，严重的还会危及汽轮机的安全。1、再热器的汽温影响因素在锅炉的受热面被设计时，已经告诉我们关于锅炉的燃料特性、给水温度、过剩空气系数等一系列参数，但是现实中，总会出一些情况，导致不能得到理想的数据，会使锅炉的参数发生变化。内扰：由锅炉设备本身设计不太合理，会使烟道漏风，管道结垢等等。外扰：由锅炉外面的问题引起，如锅炉负荷或者锅炉燃烧的燃料等一些问题。许多因素会影响蒸汽温度的变化，例如，锅炉负荷、给水温度、过量空气和烟气侧的火焰中心位置，受热面污染也可能会导致温度的变化。再热器的汽温在各种干扰下呈现出为线性化的特点，在加上各种情况的出现导致汽温总是在变化，使再热器温度难以控制。2、再热器的汽温调节在电厂运行中影响汽温波动的因素非常多。我们为了保证锅炉安全、经济运行，必须用正确的调温方式，来改正各种干扰对系统的影响。再热汽温调节也要在一段时间内保持额定的汽温，而且调节比较灵活。惯性也比较小。对电厂热效率影响小。为了保持汽温在稳定，一般采用调节装置调节汽温。再热器汽温调节装置一般用蒸汽侧调温或烟气侧调温。蒸汽侧调节是指通过改变蒸汽的焓值来调节汽温。烟气侧调节汽温的原理是使蒸汽的传热量发生改变从而使使蒸汽的湿度发生改变或通过改变流经受热面的烟气量来调节汽温。（四）再热器的保护电厂的锅炉在运行，必须对再热器进行监视和提供再热器的保护手段，特别是在锅炉启动、关闭时，因为在这两个工作阶段系统的工作条件比较差，所以需要对再热器进行保护。 保护再热器主要是保持再热器温度稳定，怕再热器高温或低温造成汽轮机水冲击，注意点是合理送风、炉膛燃烧时注意检查，炉膛烟温差偏差在规定范围内，控制制粉系统启动，使制粉系统和机组负荷匹配；发电机并网前监视炉膛出口温度合格，及时监视和调整住在热汽温及管壁温度，可以通过烟气挡板、旁路系统和减温水调整实现；其次是对汽包水位计加强监视，防止其不正常波动，并保持蒸汽过热度在规定范围内。另外也可以从以下方面进行全方位保护：1、保持再热器内的蒸汽流量不要太低，在锅炉启动后开启旁路可以达到这一目的；2、控制炉内火焰中心温度尽量降低使其温度不要太高；主要手段是控制锅炉的燃烧率、在机组并网前控制炉膛出口烟温小于540、带烟气旁路的锅炉可用旁路的开度来控制再热器的加热强度。三、改进型Smith预估补偿控制器设计（一）Smith预估补偿控制原理对于存在延迟环节的控制系统，调节器通常采用PID控制，系统的静态和控制效果均下降，延迟越大，其性能指标下降越大。Smith预估器在具有纯延迟的过程上提出在PID控制的基础上引入一个补偿环节，使控制效果提高。下面对Smith预估补偿进行介绍。系统采用简单回路控制时，如图3-1所示，控制器的传递函数为图3-1简单回路控制系统被控变量的闭环传递函数： （3-1）扰动传递函数： （3-2）如果上面两个公式中的项可以消除，那么迟延对闭环的影响将会消失。系统中由于迟延的存在，对闭环极点的不利。而Smith预估方案主体思想就是消去分母中的迟延项，实现方法就是把迟延引入到控制回路内，如下图3-2。 图3-2 Smith预估补偿控制系统图3-2中是已经消除迟延环节后的传递函数,是Smith预估补偿器的传递函数。无补偿，有迟延: （3-3）加补偿器后传递函数： （3-4）为消除迟延环节，则使： （3-5）则预估补偿器的传递函数为 （3-6）（3-6）式称为Smith预估器,其实施框图如图3-3所示。 图3-3 Smith预估器框图从图3-3推导出的扰动传动函数为 （3-7）其中， （3-8） 经过分析可以知道，对于定值控制，闭环传函由两项组成：第一项为扰动对被控质量的影响；第二项为用来补偿扰动对被控对象的控制作用。由于第二项有迟延，只有时产生控制作用，当时无控制作用。所以Smith预估补偿控制应用于定值控制其效果不如随动控制。从图3-8中可以推导出Smith预估控制方案的传递函数为 （3-9）由（3-9）式可知，由系统传函知，分母中没有迟延环节，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。但分子中多了迟延，使系统响应推迟了一个迟延时间。当然，Smith预估补偿控制也有其缺点，即对系统模型比较敏感，对于一直在变的被控对象时，当模型变化较大时，Smith预估补偿控制品质会降低，最坏的甚至失去稳定性。为了改善这种情况，由Hang等提出了改进型Smith 预估补偿对系统进行控制。（二）Smith预估补偿控制的改进型方案改进型的Smith方案都是在Smith方案的提出并且改进的。1、改进型Smith预估器改进型Smith预估器比Smith预估器多了一个调节器，其方框图如图3-5所示。图中设过程特性的比例增益K=1，从图3-5中可以看到，它与Smith补偿器方案的区别在于主反馈回路，其反馈通道传递函数不是1而是即 (3-10)改进型Smith预估器方案比原Smith补偿方案多了一个调节器，但是需要用到PID参数整定，为了保证系统稳定输出，控制效果优良，我们采用的两个调节器均为PI调节器。其中，主调节器要按照模型完全精确的情况下进行参数整定。但是辅助调节器的整定比较复杂，观察方框图可以得知，辅助调节器存在反馈通道上，而且跟数学模型的传递函数一起组成。如果假设是一阶环节。且设，即使调节器的积分时间等于模型的时间常数，则可简化为: （3-11）图3-5 改进型Smith预估器方框图只需整定参数，实质上只有中的比例增益需要参数整定。经过分析得知，改进型Smith预估补偿方案的稳定性比Smith预估补偿方案好，对模型精度的要求降低，对改善控制效果有着明显提升。2、增益自适应补偿方案增益自适应Smith预估补偿控制方案是通过改变模型增益来消除对象参数变化，特变是对象增益参数变化或缓慢飘逸对系统的不利影响。用这种方法对被控对象的增益参数变化有着良好的适应能力，能够完全消除对象增益参数变化对控制系统的一些干扰。非常适合类似于像锅炉、加热炉这一类有着时变增益的工业过程。增益自适应Smith方案如下图。图3-6 增益自适应补偿方案与Smith补偿模型相比：加一个除法器、一个导前微分环节、一个乘法器。A/B除法器：过程的输出值除以模型的输出值。导前微分环节：，将过程与模型输出之比提前进入乘法器。AB乘法器：将预估器的输出乘以导前微分环节的输出，然后送到调节器。三环节作用是根据模型和过程输出信号之间的比值来提供一个自动校正预估器增益的信号。 （3-12）从传递函数可以看出，增益自适应方案也能有效的改善控制性能。（三）PID控制器在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器是根据PID控制原理对控制系统进行调节，在调整时向着理想的情况调整。PID控制规律有很多，对于不同的控制系统，用的方法也不同。必须选择一个最合适的控制方案来控制系统。1、PID的控制参数整定当我们整定PID控制器参数时，可以根据控制器的具体情况，用实验的方法来调节控制器的参数。我们在调节过程中应该注意，要达到系统的最佳性能，哪些参数应该调大，哪些参数应该调小。通常使用PI控制器，为了减少不必要的参数。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃信号，根据系统的输出波形来观察，看超调量和静差，如果存在，继续调节参数。如果阶跃响应曲线超调比较大，经过多次振荡才能稳定，或者经过很长时间都达不到稳定状态，应该减小比例系数，增大积分时间。但是如果阶跃响应存在静差，需要增大比例系数，减少积分时间。PID控制参数是一个综合性比较好的方案，各个环节的过程是相互影响的，在实验中需要测试很多参数。2、控制参数整定方法的选择试凑法也是PID控制的一种整定方法，一边观察系统的输出曲线，一边进行参数的整定，直到得到一个比较好的阶跃曲线。比例参数整定时，首先只采用纯比例控制，不使用积分作用。先调整比例作用，将比例参数从小到大调整，观察系统超调，直到得到一个超调比较小，反应比较快的曲线。积分参数调节：在比例参数调节时，如果系统存在静差，那么就需要加入积分环节，保持比例不变，将积分环节调小积分作用就会增强，系统的静差就会慢慢降低，反复测试直到静差消失，但是这样超调会增加，应该适当调整下比例环节。PID参数整定的基本关系如表3-1所示。表3-1 PID参数基本关系参数变化响应速度系统稳定性增大加快降低 增大加快降低增大加快增大四、再热器温度控制系统仿真本章主要论述了在MATLAB下进行仿真和以及对仿真结果的分析。首先建立了Smith控制系统仿真框图并进行了仿真分析，并对系统添加扰动以验证Smith控制的稳定性；最后对改进型Smith预估补偿控制进行了仿真，并对结果进行了详细的分析与研究。（一）再热器温度动态数学模型以600MW机组某电厂为对象，对锅炉的再热器温度控制系统进行了研究。锅炉主控和汽轮机主控处于基础控制方式，则机组负荷和主蒸汽压力降低，汽轮机高压缸排气流量减少，从而使再热蒸汽温度上升。因此，通过再热烟气调节挡板扰动所得到的再热蒸汽温度被控对象的动态特性，是锅炉燃烧率耦合作用下的再热烟气传热过程反应，呈波浪状上升曲线，不具有光滑特征，其动态数学模型需要进行高阶拟合校正。通过高阶拟合校正的再热蒸汽温度动态数学模型为：（二）Smith预估补偿仿真研究Smith预估器的SIMULINK结构图如图4-1。本设计因为采用的是试凑法，所以经过试凑法得出，当，时，所得的阶跃响应曲线如图4-2所示。图4-1 Smith预估器的SIMULINK结构图图4-2 Smith预估器的阶跃响应曲线图由曲线可知，Smith控制上升速度快、超调量少且稳态精度高，对大时滞系统有良好的控制品质。（二）引入干扰后Smith仿真研究实际的过程系统控制中，不可能如理想情况没有任何扰动，在实际中，会出现各种各样的因素干扰系统，这些扰动会降低系统的稳定性。把系统的超调量增加，系统的调节时间会变长，最后导致控制系统不稳定，控制效果比较差，所以我们要进行引入干扰后的控制系统仿真研究。图4-3为引入干扰情况下，采用Smith预估器进行的SIMULINK仿真：引入的是幅度为0.5 的平均分布的随机信号图4-3 引入干扰时Smith控制器SIMULINK结构图图4-4 引入干扰时Smith控制器阶跃响应曲线图当Smith控制系统加入扰动时，从仿真图可以看出控制效果很不理想，具有一定的振荡和超调，而且要经过相当长的时间也未能够达到稳定状态。针对再热汽温这类纯滞后对象，采用Smith控制方案，取得了性能优良的仿真结果。然而，Smith预估补偿控制也有其缺点，即对模型误差较为敏感，当模型误差较大时，Smith预估补偿控制的品质会变坏，甚至失去稳定性。（三）引入干扰后增益自适应Smith仿真研究Smith预估补偿控制存在着要求被控对象模型精确的内在要求，当被控对象模型参数不准确或参数易变时其控制效果将会变差。因此，引入增益自适应Smith预估补偿控制。图4-5 引入干扰后增益自适应Smith预估器SIMULINK结构图图4-6 引入干扰后增益自适应Smith预估器的阶跃响应曲线图与图4-4的仿真曲线比较可知: 振荡明显下降, 稳定性也大大提高, 说明增益自适应Smith预估补偿控制具有良好的抗干扰能力，可以克服Smith补偿控制对参数敏感这一缺点。（四）引入干扰后改进型Smith仿真研究图4-7为引入干扰后，使用改进型Smith预估器经过SIMULINK仿真：引入同样幅度为0.5 的平均分布的随机信号图4-7 引入干扰时改进型Smith预估器SIMULINK结构图图4-8 引入干扰时改进型Smith预估器阶跃响应曲线图观察Smith预估补偿仿真图和改进型Smith预估补偿仿真图可以得知，在引入幅度为0.5的平均分布的随机信号后，Smith预估器的阶跃响应曲线图超调量高，振荡次数多，经过很长时间后都不能达到稳定状态。而改进型Smith预估器引入同样幅度为0.5的随机干扰信号后，超调量低，振荡次数少，对干扰有很好的控制作用。通过观察两种Smith预估器的仿真结果，可以明确清楚改进型Smith预估器的抗干扰能力强。18五、结论随着电厂的科技发展不断加快，对再热器的汽温控制提出了更高的要求。在拥有同等样控制系统能力的情况下，需要使用比较经济性的方案来控制再热器的汽温。本设计主要讲述了火电厂再热器温度控制系统的设计, 在控制方案的选择上使用了改进型Smith预估补偿控制。在MATLAB仿真软件中SIMULINK仿真环境下，按照设计改进型Smith方框图将模块连接起来，并设置好模块参数以及仿真时间。通过仿真后得出的阶跃响应曲线图得知，系统会出现超调和振荡，这是应该的，因为在实际情况下再热器会出现各种问题来干扰汽温控制，所以接下来就进行了引入干扰后的Smith仿真实验以及改进型Smith仿真实验。最终，经过测试后，发现引入干扰后的改进型Smith预估器有很好的抗干扰性，因此基于改进型Smith预估器的再热器温度控制系统满足了要求。因为改进型Smith预估器对系统的抗干扰能力强，能满足再热器温度控制系统的要求。设计中对Smith补偿控制方案和改进型Smith补偿控制方案进行仿真，改进型Smith预估器克服了模型误差敏感的问题，控制作用明显，具有很好的应用价值。致谢首先，我真诚地感谢学习中心能为我提供一个良好的学习环境，使我的综合素质有了很大提升，更让我明白了许许多多为人处事的道理，其次，在本次毕业设计过程中，张伟老师对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我得以最终完成毕业设计，在此表示衷心感谢。特劳师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议的各位师长表示感谢！ 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