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过热器温度控制论文
过热汽温控制系统设计
题目：
基于串级PID的过热汽温多模型切换控制设计
学生姓名：
张超
学号：
0867112337
专业：
测控技术与仪器
班级：
2008-1
指导教师：
左鸿飞
2011年9月2日
目录
摘要：
1
1过热汽温控制的任务3
2过热器温控制对象特性及其调节参数选择4
2.1蒸汽负荷4
2.2烟气扰动4
2.3减温水4
3设计内容5
3.1单一的串级控制5
3.2多模型串级PID控制系统6
3.3硬件分析：
8
3.4仪表选型11
4．结束语11
参考文献12
基于串级PID的过热汽温多模型切换控制设计
摘要：
火电厂锅炉出口过热蒸汽温度（主汽温）是锅炉主要运行参数之一,主蒸汽温偏高,会使得过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏,威胁机组的运行安全;主汽温偏低又会使蒸汽含水量增加,从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。
因此,必须将主汽温严格控制在设定值附近。
提出了一种易于工程实现的过热汽温先进控制策略。
在常规串级PID控制的基础上，设计了多模型切换控制方案，有效避免了单一控制模式不能适应系统工况变化的问题，另外，主调PID控制器的参数通过内模原理整定，较好地保留了内模控制器的特点，能够有效克服过热汽温对象的大迟延特性
关键词：
过热汽温；多模型；内模控制；串级控制
BasedonthecascadePIDsuperheatedsteamtemperaturemultiplemodelswitchingcontroldesign
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Thermalpowerplantboilersuperheatedsteamtemperature（outletofmainsteamtemperatureofboiler）isoneofthekeyparameters,mainsteamtemperatureishigh,thesuperheaterandsteamturbinehighpressurecylindersubjectedtohighthermalstressanddamaged,threatenunitssafeoperation;mainsteamtemperatureislowandmakethesteammoisturecontentincreased,therebyreducingtheuseofsteamturbinebladelifeexpectancy.Therefore,wemustbestrictcontrolinmainsteamtemperaturenearapredeterminedvalue.PutforwardakindofeasyforengineeringrealizationofcontrolstrategyofsuperheatedsteamWenXianjin.IntheconventionalcascadePIDcontrolbasedonmultiplemodelswitchingcontrol,designscheme,effectivelyavoidsthesinglecontrolmodecannotadapttothesystemoperatingmodevariationproblem,inaddition,mainparametersofthePIDcontrollerwithinternalmodelprinciplesetting,tobetterretaintheinternalmodelcontrollerfeatures,caneffectivelyovercomethesuperheatedsteamtemperatureobjectlargedelaycharacteristics
Keywords:
Superheatedsteamtemperature;multiplemodel;internalmodelcontrol;cascadecontrol
1过热汽温控制的任务
过热汽温控制对于机组的安全经济的运行有着非常重要的意义，但同时也是最难控制的的系统之一，其控制难点主要体现在一下几个方面：
1）过热汽温的干扰因素很多，例如负荷，减温水量等。
2）在各种扰动量的干扰下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制难度加大。
3）汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其是随着机组容量和参数的提高，蒸汽过热受热面的比例加大，使其迟延和惯性进一步加大，增大了控制难度。
但同时过热汽温控制对于机组安全经济的运行有着相当重要的作用，主要有以下几个方面：
1）过热汽温过高会使蒸汽管道金属和锅炉受热面的蠕变加快，影响使用寿命。
当超温严重的时候，将会使材料强度急剧下降从而导致管道破裂。
过热汽温过高还会导致汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片的机械强度下降，导致使用寿命降低和设备损坏。
2）汽温过低，将会影响机组的经济性。
当汽温低的时候机组热效率降低，煤耗增大。
另外，汽温降低会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，影响汽轮机内部的热效率，使汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。
此外，汽温降低会使汽轮机所受的轴向推力增大，对汽轮机的安全运行很不利。
3）主汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的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。
总之，过热汽温是火电机组的主要参数。
由于过热器是在高温、高压环境下工作，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化又很小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多等，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择控制汽温的手段及控制策略是非常重要的。
当前，大多数电站锅炉的过热蒸汽温度在540¬—550℃之间。
正常运行时，一般过热蒸汽温度额定值偏差不超过5℃。
2过热器温控制对象特性及其调节参数选择
影响过热器出口温度的原因很多，如蒸汽流量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热器的温度、流经过热器的烟气温度和流速、锅炉受热面结垢等。
但归纳起来主要有以下三个方面：
蒸汽负荷、烟气热量及减温水。
2.1蒸汽负荷
大型火电厂都采用复合式过热器。
蒸汽流量扰动时（以增加为例），蒸汽流量的变化是过热器管路上各点的蒸汽流速和温度几乎同时变化，从而改变了过热器的对流放热系数，是过热器各点的蒸汽温度同时变化因而汽温反应较快。
蒸汽负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口气温变化是相反的。
这是因为，负荷增加时，对流式过热器烟气温度和流速都增加，从而使出口蒸汽温度升高。
此时，炉膛温度升高并不多，烟温升高所增加的热量小于负荷增加所需热量，所以辐射式过热器出口气温是降低的。
对于大型锅炉的过热器，对流式过热器面积大于辐射式的受热面积，因此总的气温随负荷增加。
虽然过热器出口温度随蒸汽负荷响应特性较好，但是蒸汽负荷决定于用户。
所以不能用蒸汽流量作为控制过热气温的参数。
2.2烟气扰动
由于烟气温度和流速也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度烟气传递热量也是同时变化的，气温反应较快。
因此，现场中可通过改变喷燃起摆角来控制。
但现实中受到锅炉设计及构造的限制，利用烟气测控过热蒸汽还有一定困难。
2.3减温水
减温水通过减温器被直接喷入过热蒸汽中，吸收热量，从而使气温降低，已达到控制目的，其阶跃响应如图所示，呈现有迟滞、有惯性、有自平衡特性。
喷水减温通常是按在末节过热器高温段的前面，既保护过热器高温段，又减少了蒸汽带水的可能性。
喷水扰动响应曲线
3设计内容
3.1单一的串级控制
大型机组中，过热器一般采用串级控制。
如下图所示，该系统由主副调节器控制。
当导前区气温发生变化时，负调节就会
一般串级控制系统
从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副环或副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用，一个环在外面，成为主环或者主回路，用来完成“细调”的任务，最终能够保证被调量满足工艺要求。
串级控制系统具有良好的控制性能，主要原因有以下三个原因：
1）对二次干扰有很强的克服能力；
2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；
3）对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。
由于串级控制系统的良好控制性能，所以在过热汽温控制中得到了广泛的应用。
3.2多模型串级PID控制系统
过热汽温是火电机组热力系统中重要的参数，其控制品质的优劣直接影响到机组的安全性和经济性。
串级PID控制是目前电厂中广泛采用的过热汽温控制策略，这是因为副回路的存在可以改善对象的动态特性，显著减小导前区的迟延时间，同时副回路具有快速消除内扰的能力；其次，PID控制方式具有原理简单、使用方便等特点，已被工程技术人员广泛接受。
然而，串级PID控制系统在实际应用中控制效果并不理想，常常出现超温现象，使得控制系统不能长时间投入自动运行。
究其原因，从控制系统的角度来讲主要有两点：
①主调PID参数整定不当。
过热汽温是一个大迟延对象，其迟延特性主要体现在惰性区上，副回路虽然在一定程度上减小了迟延时间，但由副回路和惰性区构成的广义被控对象仍具有较大的迟延特性，基于PID参数工程整定方法得到的PID控制器，对大迟延对象很难进行有效控制，动态过程往往具有较大的超调量；②单一的控制模式不能满足负荷大范围变化的需要。
过热汽温对象一个显著的特点是对象参数随负荷变化而有较大的变化，当负荷变化时使当前工作点远离控制器的初始设计工作点，系统的控制品质会明显下降。
基于上述情况，许多研究人员进行了大量的研究工作，提出了多种控制策略，如鲁棒控制、基于对象特性辨识的自适应控制等。
鲁棒控制是根据已知的模型参数变化范围设计最“不保守”的控制器，用最小的性能代价换取鲁棒稳定，对于参数变化很大的过热汽温调节对象，用鲁棒控制提高性能的余地是很有限的。
基于对象辨识的自适应控制由于计算量大，控制规律复杂，很难满足实时性的要求。
近年来，各种先进智能的控制方法也得到了大量研究，如预测控制、模糊控制、神经网络等[3]，然而这些控制方法在工程应用中的实例却少见报道，原因在于这些控制策略很难由D（DistributedControlSystem）组态实现。
本文结合过热汽温控制的现状，提出了一种基于串PID的多模型切换方法，充分保留了串级控制系统和PID控制器的优点，主调PID通过内模控制器转化得到，从而能够有效克服对象的大迟延特性；多模型切换的控制方案，能够有效避免单一控制模式不能适应系统工况变化的问题。
所提出的控制方案中控制器全部为PID形式，采用DCS功能块实现起来便、容易。
多模型控制的设计思想是：
许多实际工业过程存在较大的非线性，而任何线性模型都只能在某一平衡点附近的一个有限区域内有效，由此把非线性空间划分为一些子空间，对每个子空间都有一个失配较小的数学模型，而每个控制器（局部控制器）是针对不同子空间的数学模型进行单独设计的。
然后选择一种局部控制器输出切换方法将所有局部控制器组合成全局控制器。
图1给出了本文提出的基于串级PID的多模型控制系统结构图。
从图中可以看出，主调由多个局部PID控制器构成，副调由多个局部PI控制器够成，根据被控对象当前运行的工作点，通过模态调度机制进行控制器之间的切换，从而实现全局控制。
基于串级PID的多模型切换系统
3.3硬件分析：
（1）阀门选择
根据系统的安全性考虑主蒸汽温度不能过高，所以阀门应选择气闭形式。
蒸汽并非是易燃易爆产品，故应该选择电动执行机构，其相应的动态性能好，控制迅速。
对于温度大滞后有很好的效果。
（2）热电阻（Pt300400℃-1800℃）
热电阻采用三线制接法。
采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。
这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。
热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。
采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
（3）控制器选择
a．副调局部PI控制器
过热汽温控制系统中导前区动态特性的惯性和迟延比整个对象的惯性和迟延要小得多。
当副回路动作时，主回路可以看作是开路系统，而当主回路动作时，副回路可以看作是快速随动系统。
因此，副回路控制参数的整定可按单回路系统整定，整定方法可采用传统的衰减曲线法。
b主调局部PID控制器
由副回路和惰性区构成的广义被控对象可采用一阶惯性加纯迟延传递函数近似描述，即针对式
（1）描述的对象，可采用两步设计方法得到相应的内模控制器。
内模控制器的结构如图2所示：
图2内模控制器的结构
其中
为一低通滤波器，λ为滤波器的时间常数，同时也是内模控制器中唯一的可调参数，λ增大，系统的鲁棒性越强；λ减小，响应加快，鲁棒性减弱。
参数整定简单。
同时，内模控制器中包含了对象的模型，能够实现预估控制，因此，对大迟延对象能够进行有效控制。
然而，目前火电机组的控制普遍采用DCS系统，控制策略通过DCS提供的功能块实现，而内模控制器在大多数DCS系统中未以控制器功能块的形式出现，应用起来远不如PID方便。
为此，很有必要将内模控制器近似转化为PID形根据图2
，可以得到内模控制器的传递函数为
（2）式
（2）可以改写为
，
其中对式（3）中z（s）展开成s的麦克劳林（Maclaurin）级数
，有经计算得
从而得到了主调局部PID控制器的参数。
基于这种降阶方法得到的PID控制器在低频段能够很好地近似内模控制器。
C．全局控制器的集成
完成局部控制器的设计后，需要选择一种调度机制进行控制器的切换，从而实现全局控制。
因此，需要解决的问题有两个：
一个是选择什么样的调度机制；另一个是如何实现控制器之间的无扰切换。
由热工动态学知，过热汽温对象的参数主要与机组负荷有关，当机组负荷上升时，由于过热蒸汽流速和流量增大，模型态增益和时间常数将随之单调变化，反之亦然。
因此，可选择机组负荷作为过热蒸汽温度控制系统的调度变量，相应调度机制是：
根据机组负荷的当前值，将对应该值的典型工况控制器切换为在线控制器。
这里需要说明的是，一个典型工况指的是一个负荷区间，所有典型工况的并集构成机组运行的全局工况，相邻两个典型工况的交集为零。
典型工况个数及范围的确定，目前一般根据经验进行选取，然后再通过仿真来验证合理性。
在控制系统工作点转换时，需要从一系列备选的平行的控制器输出中选择一个作为被控对象的输入，由于平行控制器的参数各不相同，故在相同的输入下，它们的输出也各不相同，在不做任何处理的情况下，直接进行控制器输出之间的切换则会产生控制器回绕现象[6]，使得系统性能恶化，甚至会导致不稳定，很多学者对这一问题进行了研究，并提出了可行的解决措施，如积分器重置抗回绕，Hanus控制器切换方法[7]等。
DCS系统已将这些措施有效嵌入到了PID控制器功能模块，使用时只需给出跟踪条件，满足该条件则PID控制器处于跟踪状态，否则进行PID运算，保证了PID控制器之间的无扰动切换。
3.4仪表选型
型号WZP分度号Pt100测量范围-200——800精度等级A级厂家西安创伟测控数量1台
产品名称电动V型调节球阀公称直径DN25-300mm压力范围1.6、25、40、64Mpa功能选项开关、调节厂家西安创伟测控数量1台
产品型号SR23规格SR23-SS-I-N-06-40-00为自由输入，单路4-20mA调节输出，非隔离0-10V模拟遥控输入，三组事件输出，4个开关量信号输入、5个开关量信号输出，非隔离4-20mA模拟变送输出精度0.1级厂家日本岛电公司数量1台
4．结束语
设计了基于串级PID的多模型切换控制方案，有效避免了采用单一固定参数模型不能适应系统工况变化的问题，另外，主调PID控制器通过内模控制器降阶得到，较好地保持了内模控制器的性能，有效地克服了对象的大迟延特性。
同时，所提出的控制方案，由于采用了PID形式，使其在工程实现中简单易行，为过热汽温先进控制的工程实现提供了一条便捷的途径。
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