刘永红（1980－）
男，河北定州人，助理工程师，主要从事热控技术研究工作。

摘要：针对锅炉再热汽温对象的滞后特征，深入分析了Smith预估原理，提出了一种改进的SMITH预估控制器。并基于ITAE优化准则给出了改进 Smith预估控制器的参数整定方法.在实际应用中证实了这种改进后的预估控制器具有较快的响应速度，展示了其良好的抗干扰能力和鲁棒性。

关键词：ITAE准则；SMITH预估器；再热汽温控制

Abstract: According to the reheat-stream temperature process, in this paper by introducing and analyzing the principle of Smith predictor, we give a new structure of the modified Simith predictor. Based on the ITAE criteria, we introduce the tuning method of the modified Smith controller’s parameters. The real application shows that the improved Smith controller has the features of the quick response, high robustness and disturbance rejection.

Key words: ITAE criteria；Smith controller；Reheat-Temperature Control

1  引言    
   

    电厂锅炉的再热汽温是机组安全、经济运行的重要参数之一，必须控制在一定范围内。而电厂再热汽温被控对象是具有大惯性、大滞后，单纯的PID控制器往往不能取得好的效果。这主要是由于纯滞后L的存在，使得被控量不能及时反映控制信号的动作，控制信号只有在延迟L之后才能反映到被控量；另外，当对象受到干扰而引起被控量变化时，只有在延迟L之后才能被控制器感知，不能及时对干扰进行抑制。

    本文在深入分析Smith预估器原理的基础上，提出了一种改进的Smith预估器并且给出了通过ITAE标准函数对SMITH预估器进行参数优化方法。

2  再热汽温模型确定

    被控对象用二阶惯性加纯滞后环节表示：

  
     （1）
               

    式中，G(s)exp(一Ls)为被控对象的传递函数；G(s)为被控对象中不含纯滞后部分的传递函数；exp(一Ls)为被控对象中纯滞后部分的传递函数；L为滞后时间。

    为了工程简便计算可以通过两点法进行拟合：

    设阶跃输人幅值为Δu输出的初值为y(0)，稳态值为Y(∞)，则增益K，和可按照式(2)进行整定：

    
                    （2）

    式中，t0.4为对象飞升曲线为0.4Δy时的时间；t0.8为对象飞升曲线为0.8Δy时的时间。L为过程曲线开始飞升的时间即纯滞后时间。

3 改进的Smith参数预估补偿器

         

                                 图1   典型的SMITH预估器原理图

由文献[1]在全补偿情况下，即G(p)(S)=Gm(S)，时系统的闭环传递函数为C(S)/R(S)=Gp(s)Gc(S)e-s/[1+Gp(s)Gc(S)]由上式可见，经典型Smith预估补偿后，其控制品质与没有纯滞后时完全一样，仅仅将控制过程延迟了一个纯滞后时间。Smith预估补偿方法，从理论上讲是一个很好的方法，但该方法所采用的补偿模型与被控过程的数学模型是完全一致的，再热汽对象温数学模型受负荷、吹灰、制粉系统等多方面影响模型也是多变的，补偿后的等效对象中无法完全消除纯滞后，难以在实际应用中达到理想效果所以提出了改进型的smith预估控制方案，提出如下改进型方案。[3]

图2   改进的SMITH预估控制器

    图2中，Gc1(S)为PI控制器，为主控制器；Gc2(S)为PD控制器，为辅助控制器，Gc2(S)=0时，为标准的Smith预估器；G(s)exp(一Ls)和Gm(s)exp(一Lms)分别为被控对象的传递函数和预估模型。当模型完全匹配时，即G(s)=Gm(s)，L=Lm，

    可得等效框图，如图3所示。

                          图 3   等效SMITH控制

    图3中的虚线部分可视为模型匹配时图2的等效框图，虚线部分可以定义为原控制对象的非迟延部分经过PD环节反馈修正而得，从而增加了一个系统的开环零点，使得系统的截止频率增大，从而可在由PI控制器进行控制时，得到较快的响应；同时，PD控制器可使广义对象的闭环极点分布在合理位置，从而得到更好的控制特性。

    由图2可知，当模型完全匹配时，系统输出为

               （3）

                   （4）

   （5）               

    由上式可以看出系统的特征方程为1+Gm(s)[Gc1(s)+Gc2(s)=0与系统的纯迟延无关，同样也能消除热力系统的纯滞后对再热汽温调节的影响。

    再热汽温的传递函数可以由（1）式近似得到。

    取控制器模型

                   （6）

                   （7）

    再热汽温的模型可以通过辨识得到，只需要配置好Gc1(S)和Gc2(S)的4个参数，就可以使系统具有良好的稳定的抗干扰性，令Ti=Td=T1将（1）、（6）、（7）带入（4）得。

     （8）

    由文献[2] ITAE方法的标准函数见表1。

    暂不考虑系统的纯滞后，可将（8）式的纯滞后部分忽略，此时系统为一个二阶的传递函数，由（8）式可以看出取ITAE标准型中n=2公式可得：

 （9）

此时可根据Ts =4/0.707（Ts为系统的稳定时间）确定。若已知可根据（9）式得下列方程:

                          (10)

               (11)

    此时在控制中所需要的参数已经全部确定，可以根据式（2）确定某电厂的过热汽温模型为

               (12)

取Ti=Td=150s, Ts=360s，经（10）（11）计算得Ki=4.4064  Kd=1.6649首先次策略在MATLAB工具上仿真，收到良好效果［5］，由于以上策略方便DCS控制系统组态,本控制策略通过新华XDPS-400控制系统在河北某300MW发电机组上应用,变负荷过程如图4所示。

                                     图4   变负荷曲线

    由于SMITH控制器的应用，控制系统在消除纯滞后方面的效果良好，调节品质远好于技术规范要求。

    本文针对电厂再热汽温控制对象特点，提出一种基于ITAE标准函数方法整定Smith预估器参数的控制系统。该系统的主控制器采用了改进型的SMITH控制器，加入了对象模型的微分反馈环节，以提高系统适应工况变化能力。从现场使用结果表明，该新系统的控制品质远优于常规PID控制，可应用于热工过程控制中。