Smith预测器在热工自动控制系统中应用

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Smith预测器在热工自动控制系统中应用

2020-03-22

0　引　言

　　在电厂所采用的给水、温度等热工自动控制系统中的控制对象普遍存在纯滞后。大的纯滞后使控制对象响应迟缓，采用常规调节器(如PI、PID)难以取得良好的控制性能。在常用的纯迟延补偿方法中，Smith预测器是最负盛名的、以模型为基础的方法，应用于自动控制系统中，可改善迟延系统的控制品质。本文从热工调节对象的动态特性分析出发，对Smith控制策略以及在给水、温度等热工自动调节系统中的设计应用等方面进行探讨。

1　Smith预测器控制策略

　　由电厂热工过程自动调节系统的闭环传递函数可写成：

　　(1)

　　其系统闭环特征方程式为：

1 W_c(S)W_p(S)e^-τs(2)

　　由于特征方程中包含了e^-τs，随着频率ω的增加，e^-τs的相角无限减小，使系统的稳定范围大大缩小，为了保证系统稳定性，只能减小增益，使调节控制作用减弱，这样使系统响应速度慢，系统适应性较差。Smith预测器的基本控制策略是：构造一个过程参考模型，将迟延环节e^-τs移出系统闭环，使系统反馈信号不受e^-τs的影响，使系统调节品质、稳定性等得到相应改善。系统响应速度提高，适应性强。原理如图1所示。

(a)

(b)

图1　具有Smith预测器的纯迟延补偿系统方框图

　　由图1(a)可推导出闭环系统传递函数为：

　　(3)

　　其特征方程式为：

1 W_c(S)W_p(S)=0　　(4)

　　特征方程式中不包含纯迟延环节e^-τs，即回路中消去了纯迟延环节，所以调节器能够更加及时地进行调节。系统的稳定范围大大增加，允许采用比较强的控制、较大调节增益，从而改善调节品质。所以Smith预测器的基本控制策略就是把难于控制的环节如纯迟延e^-τs移到闭环之外，使其对系统稳定性没有影响。如图1(b)所示。

2　应　用

2.1　蒸汽温度自动控制
　　蒸汽温度自动控制系统如图2所示。

图2　蒸汽温度自动控制系统原理图

　　其系统方框图如图3所示。

图3　蒸汽温度调节系统方框图

图中θ(S)——主蒸汽温度；
　　m(S)——喷水量；
　　——调节对象即过热器传递函数；
　　τ——迟延时间；
　　T_c——时间常数与减温器型式和布置位置有关，对于中压汽包锅炉τ=170～200s，T_c=210～280s
　　——PID调节器传递函数
　　δ——比例带；T_i——积分时间；T_d——微分时间；γ_θ——温度变送器传递系数。
　　该系统在运行中，由于在减温水扰动下，汽温变化的惯性，迟延较大，使系统在动态过程中，汽温的变化幅度很大，过渡过程时间很长，不易稳定，不能满足过热蒸汽温度调节的需要。对于中压锅炉过热蒸汽温度允许变化范围在±5℃，所以要求系统在稳定同时，响应速度要快。为了克服纯迟延惯性，在原系统设计基础上，引入Smith预测器，构成具有Smith预测器温度控制系统。如图4所示。

图4　具有Smith预测器蒸汽温度调节系统

　　使用Smith预测器将迟延环节e^-τs移出闭环，使系统振荡幅度明显减小，调节性能大大改善。蒸汽温度调节系统响应曲线如图5所示。无Smith预测器汽温调节系统响应是不稳定的振幅振荡。加入Smith预测器汽温调节系统响应是稳定衰减振荡，系统稳定性得到增强。
　　分别取δ=0.9,T_i=38,T_c=200,T_d=13,τ=100,n=1
2.2　锅炉给水自动控制
　　锅炉给水自动控制系统如图6所示。
　　对于电厂中应用的中高压汽包锅炉，因相对水容很小，虚假水位现象比较严重，且迟延较大，使自动系统稳定性、克服扰动的能力都较差，图中蒸汽流量信号D是前馈信号，主要作用是克服虚假水位。为了提高系统稳定性，可加入预测器。具有预测器给水自动调节系统方框图如图7所示。

图5　喷水扰动下的汽温响应

图6　锅炉给水调节系统图

图7　有Smith预测器给水系统方框图

　　取调节器参数δ=0.9,T_i=50,调节对象参数τ=60,n=1,ε=0.04，锅炉给水自动调节系统响应曲线如图8所示。
　　图8(a),(b)可清楚表明，Smith预测器能有效地实现对纯迟延环节补偿，使系统克服扰动能力增强，稳定性增加，波动幅度明显减小，系统快速性比较好，从而改善了系统调节品质。

图8　应用PI和PI Smith控制系统对给
　　　水量增加30时的响应曲线

参　考　文　献

1　徐书菘，何适生等译.计算机过程控制原理及应用.北京：水利电力出版社，1986
2　于达仁，闫丽华，王计臣.Smith预测方法的拓展.哈尔滨：黑龙江电力技术，1997.3
3　张玉铎，王满稼.热工自动控制系统.北京：水利电力出版社，1984
4　丁萃菁.换热设备动态特性计算.北京：水利电力出版社，1993

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