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企業動態

Smith預測器在熱工自動控制系統中應用

2020-02-11

0 引 言

  在電廠所采用的給水、溫度等熱工自動控制系統中的控制對象普遍存在純滯后。大的純滯后使控制對象響應遲緩,采用常規調節器(如PI、PID)難以取得良好的控制性能。在常用的純遲延補償方法中,Smith預測器是最負盛名的、以模型為基礎的方法,應用于自動控制系統中,可改善遲延系統的控制品質。本文從熱工調節對象的動態特性分析出發,對Smith控制策略以及在給水、溫度等熱工自動調節系統中的設計應用等方面進行探討。

1 Smith預測器控制策略

  由電廠熱工過程自動調節系統的閉環傳遞函數可寫成:

  (1)

  其系統閉環特征方程式為:

1 Wc(S)Wp(S)e-τs  (2)

  由于特征方程中包含了e-τs,隨著頻率ω的增加,e-τs的相角無限減小,使系統的穩定范圍大大縮小,為了保證系統穩定性,只能減小增益,使調節控制作用減弱,這樣使系統響應速度慢,系統適應性較差。Smith預測器的基本控制策略是:構造一個過程參考模型,將遲延環節e-τs移出系統閉環,使系統反饋信號不受e-τs的影響,使系統調節品質、穩定性等得到相應改善。系統響應速度提高,適應性強。原理如圖1所示。

(a)

(b)

圖1 具有Smith預測器的純遲延補償系統方框圖

  由圖1(a)可推導出閉環系統傳遞函數為:

  (3)

  其特征方程式為:

1 Wc(S)Wp(S)=0  (4)

  特征方程式中不包含純遲延環節e-τs,即回路中消去了純遲延環節,所以調節器能夠更加及時地進行調節。系統的穩定范圍大大增加,允許采用比較強的控制、較大調節增益,從而改善調節品質。所以Smith預測器的基本控制策略就是把難于控制的環節如純遲延e-τs移到閉環之外,使其對系統穩定性沒有影響。如圖1(b)所示。

2 應 用

2.1 蒸汽溫度自動控制
  蒸汽溫度自動控制系統如圖2所示。

圖2 蒸汽溫度自動控制系統原理圖

  其系統方框圖如圖3所示。

圖3 蒸汽溫度調節系統方框圖

圖中θ(S)——主蒸汽溫度;
  m(S)——噴水量;
  ——調節對象即過熱器傳遞函數;
  τ——遲延時間;
  Tc——時間常數與減溫器型式和布置位置有關,對于中壓汽包鍋爐τ=170~200s,Tc=210~280s
  ——PID調節器傳遞函數
  δ——比例帶;Ti——積分時間;Td——微分時間;γθ——溫度變送器傳遞系數。
  該系統在運行中,由于在減溫水擾動下,汽溫變化的慣性,遲延較大,使系統在動態過程中,汽溫的變化幅度很大,過渡過程時間很長,不易穩定,不能滿足過熱蒸汽溫度調節的需要。對于中壓鍋爐過熱蒸汽溫度允許變化范圍在±5℃,所以要求系統在穩定同時,響應速度要快。為了克服純遲延慣性,在原系統設計基礎上,引入Smith預測器,構成具有Smith預測器溫度控制系統。如圖4所示。

圖4 具有Smith預測器蒸汽溫度調節系統

  使用Smith預測器將遲延環節e-τs移出閉環,使系統振蕩幅度明顯減小,調節性能大大改善。蒸汽溫度調節系統響應曲線如圖5所示。無Smith預測器汽溫調節系統響應是不穩定的振幅振蕩。加入Smith預測器汽溫調節系統響應是穩定衰減振蕩,系統穩定性得到增強。
  分別取δ=0.9,Ti=38,Tc=200,Td=13,τ=100,n=1
2.2 鍋爐給水自動控制
  鍋爐給水自動控制系統如圖6所示。
  對于電廠中應用的中高壓汽包鍋爐,因相對水容很小,虛假水位現象比較嚴重,且遲延較大,使自動系統穩定性、克服擾動的能力都較差,圖中蒸汽流量信號D是前饋信號,主要作用是克服虛假水位。為了提高系統穩定性,可加入預測器。具有預測器給水自動調節系統方框圖如圖7所示。


圖5 噴水擾動下的汽溫響應

圖6 鍋爐給水調節系統圖

圖7 有Smith預測器給水系統方框圖

  取調節器參數δ=0.9,Ti=50,調節對象參數τ=60,n=1,ε=0.04,鍋爐給水自動調節系統響應曲線如圖8所示。
  圖8(a),(b)可清楚表明,Smith預測器能有效地實現對純遲延環節補償,使系統克服擾動能力增強,穩定性增加,波動幅度明顯減小,系統快速性比較好,從而改善了系統調節品質。

圖8 應用PI和PI Smith控制系統對給
   水量增加30時的響應曲線

 

參 考 文 獻

1 徐書菘,何適生等譯.計算機過程控制原理及應用.北京:水利電力出版社,1986
2 于達仁,閆麗華,王計臣.Smith預測方法的拓展.哈爾濱:黑龍江電力技術,1997.3
3 張玉鐸,王滿稼.熱工自動控制系統.北京:水利電力出版社,1984
4 丁萃菁.換熱設備動態特性計算.北京:水利電力出版社,1993

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