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（天津陈塘热电有限公司，天津 300223）  邢  军 

邢军（1961－）
男，高级工程师，工学硕士学位，专业为自动化控制。

1  引言

    电站锅炉是一个典型的复杂热工系统，从自控角度看锅炉是一个多输入、多输出、非线性、相互关联的较复杂的调节对象，其生产过程的自动控制应该是多回路控制系统。在这些控制系统中，问题最大、应用较困难的是燃烧控制系统，而保证锅炉安全、经济运行的关键正在于燃烧控制系统的完善。

    陈塘热电有限公司共有四炉三机，采用母管式运行方式，锅炉为自然循环、高压双筒立式旋风炉，液态排渣，锅炉蒸发量220t/h。锅炉燃烧系统中主汽压力系统和送风系统存在较大的滞后和非线性。在控制系统中由于时滞所造成的困难人们早已认识到了，通常的解决办法是加Smith预估器，但是在电力生产中由于运行条件和环境的原因，被控对象的特性会有一些不确定和不可预测的变化。而Smith预估器对模型又过于敏感，为了克服这些问题，笔者在陈热三号炉燃烧自控系统中采用了模型参考自适应预估控制算法(MRAPC)[2]，克服了过程参数变化和干扰引起的不稳定，取得了较好的效果。

2  控制系统

    燃烧控制系统由引风、送风和主压力三个子系统构成，采用分布式控制方式，由一个上位机和三个现场控制站组成，三个子系统分别由三个现场控制站进行控制，在控制站的上一级设有工程师站，工程师站可监视系统的运行情况同时可进行参数修改，工程师站和现场控制站之间用电缆以总线的方式连接组成网络。现场控制站采用工业控制机，完成控制和与上位机通信的功能。I/O接口部分采用智能远程I/O模块，对现场信号进行采集处理后以数字通信的方式传送给工控机，同时将工控机输出信号转换成模拟量后送给现场仪表。为提高系统的抗干扰能力在现场信号和工控机之间加装了WS系列隔离端子，用于信号隔离。

    2.1  三个子系统总体控制方案

    如图1所示，考虑到四台锅炉并列运行和单独运行两种情况。母管压力调节器根据母管蒸汽压力的变化对四台锅炉按规定的比例发出负荷增减信号NO1、NO2、NO3、NO4。如果要某台锅炉带固定负荷或单台炉运行，将母管压力校正调节器送来的信号切除，而代之以运行人员确定的固定主汽压力信号。锅炉运行时，主汽压力调节器输入负荷要求的信号(SP或NO1)和主汽压力信号Pz，其输出作为燃料调节器的给定信号，燃料调节器接受燃料量信号，调节的目的使燃料量与负荷要求信号相适应，同时用烟气中的氧量信号作为送风量的校正信号解决燃料量与送风量准确配比问题。燃料量信号同时引进送风调节器使送风量与燃料量相适应。

图1  燃烧控制系统总体控制方案

    引风调节器主要接受炉膛负压信号与给定值进行比较，去控制引风量，同时将送风信号引入作为引风调节器的前馈信号，来校正引风量落后于送风量的偏差，使引风随着送风协调动作。

    当负荷发生变化时母管蒸汽压力Pm暂时偏离给定值，使主调节器发出的负荷要求信号发生变化，通过主压力调节器及燃料调节器改变四台炉的燃料量，同时通过送风调节器改变送风量，并通过氧量调节器进行校正。送风量的变化引起炉膛负压偏离给定值，再由引风调节器去改变引风量。调节结束时母管压力恢复到给定值，主调节器输出的负荷要求信号稳定在一个新的数值上，炉膛负压恢复到给定值，而燃料量和送风量都与新的负荷要求信号成比例。

    主汽压力系统和送风系统均采用串级调节，主调节器采用自适应控制，副调节器采用PID控制。

    2.2  自适应Smith预估器的原理

    在本控制系统中，被控对象存在时滞，而且它的特性在负荷变化以及受到干扰时会发生变化，使用固定Smith预估器会因模型误差造成控制系统稳定性变差。要想实时补偿纯滞后，Smith预估器的参数即参考模型的参数也要随之不断变化。根据参考模型参数预先设定的控制器的参数也要不断的随着变化。因此在本控制系统中采用自适应预估控制方法解决这个问题，其原理如图2所示。

图2  自适应Smith预估器原理图

    在被控对象的某一稳定状态，根据实验初步确定被控对象的基本特性即放大系数K、时间常数T和滞后时间τ，然后可以得到一个参考模型使之与控制器并联。图2中为叙述自适应律方便将参考模型与对象相连。根据这些表征被控对象特性的参数合理确定调节器的比例增益等参数。但由于被控对象特性是随着负荷变化而变化或受其它干扰因素的影响，并不能保持一个稳定值，这时确定的参考模型与被控对象不再匹配。根据被控对象与参考模型输出之间的偏差e、以及被控对象的输出Y，自适应律在线修改参考模犁的参数Km、Tm、τm使参考模型与实际被控对象重新匹配，并根据重新获得的对象特征参数修改控制器的参数。因此采用这一方法能够有效的实现受控对象的Smith预估控制，在克服被控对象时滞影响的同时使系统在不同的负荷下均得到良好的控制质量。在主压力系统和送风系统中假定被控对象为一个三阶惯性加上一个滞后环节。

    2.3  系统构成

    在本控制系统中，现场控制站采用研华工控机完成控制和与上位机的通信功能。I/O接口部分采用研华4000系列智能远程I/O模块，对现场信号进行采集处理后以数字通信的方式传送给主机，采用隔离“浮空”方式通信增强了系统的抗干扰能力。I/O模块与工控机之间采用RS-232标准进行通信。现场信号隔离全部采用WS系列隔离端子，它采用调制式变压器隔离技术，能实现对输入、输出和电源二端的相互电隔离。

    本控制系统软件使用C++编程语言，选用Borland C++32编译器。

3  现场动态特性试验

    从系统的控制原理可知，要想实现Smith预估补偿需要知道被控对象的模型，对于自适应预估控制也需要预先确定一组基本的对象特征参数，即系统的放大系数K、过渡时间T和滞后时间τ。

    对象特性参数由现场试验获得，在被控参数基本稳定的情况下，人为给控制参数加一阶跃扰动，阶跃值的大小依控制系统而定，在保证安全的基础上尽量使响应曲线明显，一般在5%～10%之间。将被控参数和控制参数变化前后一段时间内的数据采集、显示可得到对象的响应曲线，然后设一组对象的基本特性参数通过离线自动寻优得到一条与对象响应曲线相吻合的理想曲线，从而得到被控对象的特性参数。这一过程可由现成的工具软件完成。

    以主压力系统为例，由图3、图4可得主汽压力系统的特性参数为：Kp=0.15，Tp=41.5S，Гp=60s。

    在被控对象基本模型确定以后，将特性参数送入工具软件，通过多变量寻优的方法得到一组优化的调节器参数值，图5为主汽压力系统参数优化结果的图形，此时对象模型的放大系数Kp=0.15，时间常数Tp=41.5s，通过优化得到的调节器的参数为Kc=8.379，Ti=109.997，Td=45。图5中曲线2为对象模型在阶跃扰动下的开环响应曲线，曲线1为通过寻优得到的对象模别的闭环响应曲线。

图3主压力系统对阶跃响应的反应曲线  

图4主压力系统的动态寻优曲线

图5主汽压力系统参数优化结果的图形

图6主压力系统投入自动后在两次定值扰动下的响应曲线

    图6为主压力系统投入自动后在两次定值扰动下的响应曲线，图中上部为定值变化和主汽压力变化曲线，下部为定值变化后控制器输出变化的曲线，由此可以看出，自动系统投入后取得了较好的效果。

    电力生产是一个相对复杂的过程，其生产中有许多控制问题，用常规的控制方法不能很好的解决。应用包括自适应控制、模糊控制在内的智能控制技术去处理这些问题将会有广泛的市场前景。自适应预估控制算法在燃烧控制系统中的应用成功后不仅对于电力锅炉，对其它行业也可提供参考和借鉴。

参考文献
[1]  邢军. 陈热三号锅炉燃烧自适应控制系统[D]. 天津大学, 1999.
[2]  Yang zhi-Yuan and Shen Zi-Jun. An Adaptive Predictive Control for Reheating Temperature Process of 200MW Peak-regulating Once-through Boiler.
[3]  Yang zhi-Yuan and Shen Zi-Jun. Model Reference Adaptive Preditive Control of Steam Temperature Process  in Power Plant. Proc.of 11th IFAC World Congress 1990, 6:45-49.
[4]  杨志远, 陆会明, 等. 具有全局收敛的自适应预估控制算法及应用[R]. IFAC 1997.