梁孟強(qiáng) 丁婷 吳帥

摘 要 文章運(yùn)用史密思估計補(bǔ)償控制的方法，研究了鍋爐煙氣脫硝控制過程中魯棒性較差的原因，并將其進(jìn)行了優(yōu)化。為了獲取更好的控制效應(yīng)，對史密思預(yù)估補(bǔ)償控制中所采取的PID控制器進(jìn)行了系數(shù)整定。最后通過Matlab仿真得出了速度相對較快，抗干擾較好的史密思預(yù)估補(bǔ)償控制的鍋爐煙氣脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞 鍋爐煙氣脫硝控制;史密思估計補(bǔ)償控制;Matlab

1理論描述

現(xiàn)在的閉環(huán)自動控制方法為了減少可變性，大多是基于反饋的原理[1]。反饋理論的要素包括測量，比較和實(shí)現(xiàn)三個部分，關(guān)鍵是測量受控變量的實(shí)際值。將其與控制變量進(jìn)行比較，并使用此偏差來校正，運(yùn)行調(diào)節(jié)。工程實(shí)踐中，經(jīng)常使用的調(diào)節(jié)器控制法則是比例-積分-微分控制，稱為PID調(diào)節(jié)。

作為工業(yè)控制運(yùn)用中較多出現(xiàn)的信息反饋零部件，PID調(diào)節(jié)器已有近百年的歷史，其主要由比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative）組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制;積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)[2]。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式1-1

其中積分的上下限分別是0和t，因此它的表達(dá)函數(shù)為：

G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式1-2

其中kp為比例系數(shù);TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)。

2脫硝模型描述

不同負(fù)載下，鍋爐煙氣脫硝中的數(shù)學(xué)模型是存在差異的。我們以單位負(fù)載為650 MW，氨注入量和輸出NOx含量的躍階響應(yīng)模型[3]為例。其表達(dá)函數(shù)為：

式1-3

3史密思預(yù)估補(bǔ)償模型

史密思預(yù)測補(bǔ)償?shù)闹饕椒ㄊ翘崆敖⒖刂七^程的動態(tài)關(guān)系模型，然后并行連接估計量，使其彌補(bǔ)滯后過程的特性，試圖控制延遲時間控制，將該量提前發(fā)送給調(diào)節(jié)器，使其預(yù)先做出反應(yīng)，從而消除了閉環(huán)中滯后因素的作用[4]。因此，可以顯著降低過程中的超調(diào)因素，減小過渡時間值，有效提高控制質(zhì)量[5]。因此，它是大滯后系統(tǒng)較為合適的控制方法[6]。其原理如下圖1所示：

圖2中Wc（s）為PID調(diào)節(jié)器;為控制過程的動態(tài)關(guān)系模型;Wo（s）為不含滯后時間的模型;Ws（s）—史密思預(yù)估補(bǔ)償器。于是，史密思補(bǔ)償系統(tǒng)框圖可表示為：

4仿真與結(jié)果分析

PID、PI、PD響應(yīng)曲線對比

從圖1和圖2看出，當(dāng)PID控制器為PID控制時

（1）PID的最大超調(diào)量相比于PI、PID較小，系統(tǒng)過渡相對于平穩(wěn)，系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)定值的時刻為610s，即上升時間tr=610s。系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間為800s秒，即調(diào)節(jié)時間ts=800s、振蕩次數(shù)也較少。

（2）PI的最大超調(diào)量偏大，上升時間tr約為750s，調(diào)節(jié)時間ts約為2250s，振蕩次數(shù)多。PD的最大超調(diào)量偏小，上升時間tr約為625s，調(diào)節(jié)時間ts約為1875s，振蕩次數(shù)多。

（3）當(dāng)最大超調(diào)量越小，說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。調(diào)節(jié)時間ts越小，系統(tǒng)的快速性越好，振蕩次數(shù)ts越小，說明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好，綜上所述，此次選擇的PID控制器為PID控制。

在仿真時，控制器的傳遞函數(shù)選擇PID控制，參數(shù)設(shè)置為Kp=-1.595，Ki=-0.00401，Kd= -158.6.被控對象的模型則根據(jù)脫硝模型設(shè)定為

式1-4

即W0（s）= 式1-5

脫硝標(biāo)準(zhǔn)要求在70～80 mg/m3，為了簡化仿真過程，選擇70作為輸入設(shè)定值，根據(jù)被控對象的傳遞函數(shù)，設(shè)定時間滯后τ值為166，完成系統(tǒng)的Simulink模型的搭建。

從圖5和圖6的對比可以看出，僅使用PID控制對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)了10%的超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間相對于史密思預(yù)估補(bǔ)償控制而言較慢，但上升時間較快，史密思預(yù)估補(bǔ)償相對平緩。

為進(jìn)一步對兩者進(jìn)行對比，在系統(tǒng)中添加一個隨機(jī)的[-5，+5]范圍，干擾頻率在500s的干擾量來觀察兩者在對干擾的處理性能上的差異，通過對比可以得知：當(dāng)面對相同的干擾下，史密思預(yù)估補(bǔ)償控制抗干擾能力更強(qiáng)。

5結(jié)束語

經(jīng)過仿真測試發(fā)現(xiàn)史密思預(yù)估補(bǔ)償控制相對于傳統(tǒng)的PID控制在面對具有時滯環(huán)節(jié)的脫硝控制過程中具有更快的調(diào)節(jié)速度與穩(wěn)定性，同時也具有更強(qiáng)的抗干擾能力。采用史密思預(yù)估補(bǔ)償控制的煙氣脫硝系統(tǒng)具有更好的控制效果。

參考文獻(xiàn)

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