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    电站锅炉的过热汽温是机组安全、经济运行的重要参数之一，但由于汽温被控对象的滞后很大，常规的串级控制系统，或采用导前微分补偿信号的双回路控制系统，对滞后较大的汽温控制往往不能获得理想的控制品质。不少电厂当机组负荷仅以2% MCR/min的速率变化时，汽温就偏离设定值10℃以上，严重影响了锅炉的安全、经济运行。
    巴陵石化公司热电事业部5台锅炉的容量分别是130t/h和220t/h，其主汽温和一级汽温均通过喷水来调节，由于存在如下原因使常规的控制系统难于投入：

    ① 被控对象的惯性和滞后很大，使整个汽温控制系统的可控性变差；
    ② 在正常情况下，一、二级喷水的需要量较小，喷水阀阀位一般在较小的位置，造成执行器存在较大的死区和喷水阀阀位与流量之间存在强的非线性，而且由于阀位小造成了阀门两侧的压差较大，阀门的磨损也较严重；
    ③ 由于锅炉的容量小，当启停制粉系统时，三次风对汽温的影响很大，若不加控制，汽温会变化20～30℃；
    ④由于锅炉为母管制方式运行，而母管蒸汽压力由于种种原因变化频繁且变化幅度大，导致汽温的变化快且幅度大。所有的这些问题均导致了常规的PID串级控制方案不能正常投入运行。
    为此，巴陵石油化工公司热电事业部与东南大学一起进行新型汽温优化控制系统的研究及实施。2003年11月，新的基于状态变量控制器的过热汽温控制系统在5号炉上通过了调试，并投入了运行。之后，相继推广到其它锅炉的汽温控制中。经过10多次升、降负荷和启、停制粉系统的试验，一、二级汽温控制在允许的范围内，确保了一、二级汽温控制系统的长期、稳定投入。

1  一、二级汽温被控对象的动态特性

    巴陵石化公司热电事业部5台锅炉均通过调整甲、乙两侧的一级喷水量来调节进入二级喷水减温器的蒸汽温度；同样，通过调节甲、乙两侧的二级喷水流量来控制主蒸汽温度。对于一级汽温控制，甲、乙两侧相互独立，可设计成两套独立的控制系统。而对二级汽温控制系统，由于甲、乙两侧的汽温被调量是同一测点的温度，因此，甲、乙两侧只能设计成一套控制系统。
    通过在7号炉上（蒸汽量为130t/h）的一、二级喷水阀门的阶跃扰动试验（在锅炉蒸发量为110t/h工况点上），可方便地求出主汽温和一级汽温被控对象的动态数学模型分别为：

主汽温导前区的数学模型为：
                  (1)
主汽温惯性区的数学模型（输出测点为T101-1）为：
            (2)
一级汽温导前区的数学模型为：
            (3)
一级汽温惯性区的数学模型为：
            (4)

从公式(2)、(4)可知，主汽温和一级汽温均具有很大的惯性时间，特别是一级汽温，其惯性和滞后相对更大。

2  基于状态变量控制器的一、二级汽温控制系统

2.1  原控制方案分析及改进设想
    巴陵石化公司热电事业部5台炉原一、二级汽温控制系统是常规的串级控制方案，由于喷水被控对象的惯性很大，对串级系统而言只有当调节器整定得很慢（即比例带和积分时间均很大）时，闭环控制系统才可能是稳定的。而另一方面，汽温的扰动较多且扰动对汽温的影响快，因此，只有调节器快速、及时动作（最好是在被调量变化之前就动作），才有可能使被调量具有好的控制品质。显然，对于滞后很大的被控过程，若采用串级控制方案，被调量的控制品质和闭环系统的稳定性是一对无法调和的矛盾，这就导致了常规的串级控制系统的投入效果不理想。合理的想法是先通过先进的大滞后补偿技术对汽温被控对象进行动态补偿，使补偿后的等效汽温对象具有较好的动态特性（较小的惯性和滞后），只有这样，才能在不失控制系统稳定性的前提条件下，加快喷水门的动作速度，有效减少汽温的最大动态偏差。而基于状态变量的控制技术就是一种有效的动态特性补偿技术。

2.2  基于状态变量控制技术的汽温控制系统
    当锅炉负荷发生变化时，在过热器中蒸汽流程上的各点温度总是先于主汽温的变化，如果控制系统根据这些流程上的各点温度进行调节，一旦这些温度发生变化，控制系统马上动作、及时调节，就能取得好的控制效果。在常规的串级汽温控制方案的基础上，考虑增加过热器流程上各点温度后所组成的状态变量控制系统如图1所示。