賀勇 劉備 崔承剛 郭為民 王亞東

摘 要：針對大容量火電機組的直流鍋爐主蒸汽溫度控制難度較大問題，研究了線性自抗擾控制技術(shù)（LADRC）對經(jīng)典串級PID技術(shù)在溫度控制特性上的提高。首先介紹了大容量火電機組的直流鍋爐溫度控制特性及其機理模型，然后介紹了線性自抗擾控制技術(shù)的控制思想與原理，最后利用simulink工具進行模型搭建，對主蒸汽溫度控制進行仿真實驗。仿真結(jié)果表明，相對經(jīng)典串級PID技術(shù)而言，線性自抗擾控制技術(shù)具有更強的魯棒性和抗干擾性能。

關(guān)鍵詞：自抗擾技術(shù)；PID；主蒸汽溫度控制；擴張狀態(tài)觀測器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.163

0 引言

大型火電機組均采用直流鍋爐，鍋爐提供的過熱蒸汽進入汽輪機，并推動發(fā)電機進行發(fā)電。鍋爐出口處的蒸汽溫度、壓力、流量等特性決定了機組的安全性、發(fā)電量以及經(jīng)濟效益等特性。其中600MW超臨界機組的主蒸汽溫度設(shè)定值一般為560°C，主溫度過低會使得機組的熱效率降低，由于主蒸汽設(shè)定溫度接近過熱器管道的鋼結(jié)構(gòu)的耐受溫度，主蒸汽溫度過高則會造成過熱器管道爆管，對整個機組的安全運行構(gòu)成威脅，因而控制鍋爐出口處的過熱蒸汽溫度保持穩(wěn)定具有極其重要的作用。

超（超）臨界機組的鍋爐為直流鍋爐。要保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定，其汽溫控制的基本措施是保持煤水比進行粗調(diào)，利用減溫噴水進行細(xì)調(diào)[1]。目前大部分電廠采用串級PID對主蒸汽溫度進行控制，選取噴水口的蒸汽溫度為導(dǎo)前量進行控制。在內(nèi)環(huán)中對噴水口處的蒸汽溫度進行控制，在外環(huán)中對過熱器出口處的蒸汽溫度進行控制。使用經(jīng)典串級PID進行主蒸汽溫度控制往往難以取得比較理想的控制效果，甚至影響機組自動發(fā)電控制（AGC）和鍋爐運行的安全和穩(wěn)定。

自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control）是韓京清研究員于上個世紀(jì)八十年代末提出的一種新型控制技術(shù)，它是一種估計補償不確定因素的控制技術(shù)[2]。自抗擾控制技術(shù)在對控制對象進行控制時，不需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對非線性、大慣性、不確定時滯等復(fù)雜系統(tǒng)具有很好的控制效果[3]。但自抗擾控制器中需要整定的參數(shù)很多[4]，限制了它在實際工程中的應(yīng)用。近年來，中外學(xué)者對自抗擾控制技術(shù)進行了研究和發(fā)展，高志強等學(xué)者[5]提出了線性自抗擾技術(shù)（linear ADRC），線性自抗擾控制技術(shù)使得參數(shù)整定工作大大簡化[6]，便于在實際工程中進行應(yīng)用，近年來LADRC在化工、航天、電廠、軍工等行業(yè)內(nèi)均有大量應(yīng)用[7]。

本文以某電廠600MW超臨界燃煤發(fā)電機組為控制對象，將線性自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于鍋爐主溫度控制，以此來滿足火電機組對主蒸汽溫度控制的要求，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

1 直流鍋爐主蒸汽溫度控制特性

過熱器在高溫、高壓的環(huán)境下工作，且過熱器出口的蒸汽溫度是整個汽水流程中的最高點，也是金屬壁溫的最高點。因而現(xiàn)代火電廠要求主蒸汽溫度的偏差范圍很小。蒸汽溫度會受到很多因素的影響，包括鍋爐負(fù)載、給水溫度、爐膛過量空氣參數(shù)、受熱面污染情況、燃料性質(zhì)和燃燒器的運行方式等。由于蒸汽流量大、蒸汽管道長等因素存在，鍋爐蒸汽這個物理對象本身就存在著大慣性、大延遲和時變特征。

實際工程應(yīng)用中，火電機組的主蒸汽溫度控制一般采用串級PID控制策略。采用這種策略主要是因為PID控制具有很強的魯棒性，能夠增加整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性、快速性則相應(yīng)惡化。

主蒸汽溫度系統(tǒng)工藝流程簡化圖1所示。

以末級減溫器為例，得到主蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)原理方框圖如圖2所示。

在溫度控制系統(tǒng)中，整個被控對象化為兩個控制區(qū)域，即“惰性區(qū)”和“導(dǎo)前區(qū)”，分別為圖2中的W2（s）和W1（s）。一般取噴水減溫器后的溫度（圖中θ1）作為內(nèi)回路的反饋信號，末級過熱器后的溫度（圖中θ2）為被調(diào)對象[7]。一般情況下，導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性比惰性區(qū)要小得多。當(dāng)內(nèi)回路發(fā)生擾動時，需要調(diào)動內(nèi)環(huán)路的副調(diào)節(jié)器及時控制，此時被控對象θ2還未來得及變化，能夠減少控制對象的波動，比較兩個回路的控制速度可知，內(nèi)環(huán)是高速回路，外環(huán)是低速回路。

2 線性自抗擾技術(shù)

2.1 LADRC對主蒸汽溫度控制對象的適應(yīng)性

現(xiàn)代火電廠要求主蒸汽溫度的偏差范圍很小，然而蒸汽溫度會受到很多因素的影響。鍋爐蒸汽這個物理對象本身就存在著大慣性、大延遲和時變特征。過熱蒸汽的過程參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)會受到噪聲和負(fù)載擾動的影響發(fā)生改變，被控對象的模型往往是不確定的、時變的。因此，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)需求。而LADRC控制策略對擾動的消除效果特別優(yōu)異，因而適用于主蒸汽溫度的控制。

2.2 LADRC控制器原理

經(jīng)典自抗擾控制由跟蹤微分器（TD）、非線性反饋（NLSEF）和擴張狀態(tài)觀測器（ESO）三部分組成，且三部分中均采用了非線性的函數(shù)[8]。非線性環(huán)節(jié)會在一定程度上使控制效果更加優(yōu)化，但參與控制的參數(shù)多，且無固定的參數(shù)整定原則，只能使用試湊法進行參數(shù)整定。高志強等學(xué)者提出了線性自抗擾控制的概念，將反饋控制結(jié)構(gòu)采用線性形式，使得其參數(shù)整定工作大大簡化，也使自抗擾控制技術(shù)的理論分析得到了進一步的發(fā)展。

LADRC控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

線性自抗擾技術(shù)（LADRC）取消了TD，而線性擴張狀態(tài)觀測器（LESO）是核心環(huán)節(jié)，可以用來實時估計和補償被控系統(tǒng)的總擾動。以二階系統(tǒng)為例，其被控系統(tǒng)可以描述為：

線性擴張狀態(tài)觀測器LESO和線性控制組合LSEF的表達式如式（2）與式（3）。

式中e為狀態(tài)觀測器輸出值與實際值的偏差，β1，β2和β3為擴張狀態(tài)觀測器的固定參數(shù)[9]。Z1為系統(tǒng)輸出y的估計值，Z2為系統(tǒng)輸出y的微分估計值，Z3為系統(tǒng)總擾動f的估計值。

取該系統(tǒng)的阻尼比為1，則可以得到該控制系統(tǒng)的無阻尼自然頻率ωc，則kp=ωc2，kd=2ωc。為保證線性狀態(tài)觀測器的各階觀測誤差趨向于0，LESO的特征方程應(yīng)具有負(fù)實部的根[10]。

2.3 線性自抗擾控制器參數(shù)整定

一般取ts=10/ωc，ts為系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時間（由初始到穩(wěn)定的時間），由此可以正確整定ωc參數(shù)。

觀測器的帶寬ωo與控制器帶寬ωc存在一定的倍數(shù)關(guān)系，即ωo/ωc= b0。

b0參數(shù)在未知的情況下，通過試湊法，可以由大到小逐步測試出來[11]。

由以上可知線性自抗擾控制器僅有三個參數(shù)進行整定，分別為ωc、ωo和b0，最后使用ITAE原則進行尋優(yōu)可以得到合理的控制參數(shù)。

3 控制模型仿真

本文采用的控制對象為600MW超臨界機組的過熱器模型，不同發(fā)電負(fù)荷率情況下，控制對象的導(dǎo)前區(qū)函數(shù)、惰性區(qū)函數(shù)均不同。過熱器數(shù)學(xué)模型如表1所示。

在以上模型中，選取75%工況點的相關(guān)函數(shù)為控制對象。

LADRC控制溫度模型結(jié)構(gòu)如下：

為了體現(xiàn)LADRC的優(yōu)越性，在實驗安排上選擇使用LADRC-PID與PID-PID做對比。

根據(jù)整定原則，分別對b0、ωc和ωo進行整定，得到其參數(shù)LADRC

控制器的參數(shù)為b0=0.00125，ωc=0.03，ωo=0.14。

串級PID的主控制器參數(shù)為kp=1，ki=0.013，ki=0.01。

兩種控制器的內(nèi)環(huán)PID參數(shù)均為kp=1。

在初始時刻加入幅值為1的階躍響應(yīng)，并在1000s時在內(nèi)環(huán)PID出口后之后，噴水閥入口之前加入0.2的內(nèi)擾，觀察兩種控制器的控制效果。

相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)對比如表2所示。

0-1000s，可以看出LADRC與PID在上升時間上相差無幾，但采用LADRC會明顯減小系統(tǒng)的超調(diào)量，會明顯縮短穩(wěn)定時間（本文選取的最大允許誤差為2%）。

1000s加入內(nèi)擾，可以看出LADRC的響應(yīng)速度比PID略快，反調(diào)量相近，但穩(wěn)定時間更短。

總體上，LADRC的控制性能要優(yōu)于經(jīng)典PID控制策略。

保持兩種控制器的參數(shù)不變，改變機組的運行工況點模型，分別由75%調(diào)至100%和50%，做模型失配實驗。

由對比圖6、7可知，在系統(tǒng)的對象模型發(fā)生變化時，兩種控制器的控制效果均有下降，均需要對參數(shù)進行調(diào)整，但LADRC的魯棒性比PID略強。

綜合以上可以得出結(jié)論，在超臨界機組的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中采用線性自抗擾（LADRC）技術(shù)能夠優(yōu)化工程控制效果，LADRC的抗干擾性能要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID，LADRC的魯棒性略優(yōu)于經(jīng)典PID。

4 結(jié)語

分析了LADRC控制策略的基本原理，分析超臨界機組主蒸汽溫度控制的動態(tài)特性，將LADRC技術(shù)應(yīng)用于主蒸汽溫度控制策略中。通過與經(jīng)典串級PID控制策略做仿真實驗對比可知，LADRC具有很強的魯棒性和抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)過熱器主蒸汽溫度控制。LADRC的調(diào)節(jié)參數(shù)也較少，方便進行調(diào)試，因而可以作為新的解決方案在實際工程中進行推廣應(yīng)用。

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作者簡介：賀勇（1989-），男，河南開封人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、熱力發(fā)電建模分析研究。