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（天津陳塘熱電有限公司，天津 300223）  邢  軍 

邢軍（1961－）
男，高級工程師，工學碩士學位，專業為自動化控制。

1  引言

    電站鍋爐是一個典型的復雜熱工系統，從自控角度看鍋爐是一個多輸入、多輸出、非線性、相互關聯的較復雜的調節對象，其生產過程的自動控制應該是多回路控制系統。在這些控制系統中，問題最大、應用較困難的是燃燒控制系統，而保證鍋爐安全、經濟運行的關鍵正在于燃燒控制系統的完善。

    陳塘熱電有限公司共有四爐三機，采用母管式運行方式，鍋爐為自然循環、高壓雙筒立式旋風爐，液態排渣，鍋爐蒸發量220t/h。鍋爐燃燒系統中主汽壓力系統和送風系統存在較大的滯后和非線性。在控制系統中由于時滯所造成的困難人們早已認識到了，通常的解決辦法是加Smith預估器，但是在電力生產中由于運行條件和環境的原因，被控對象的特性會有一些不確定和不可預測的變化。而Smith預估器對模型又過于敏感，為了克服這些問題，筆者在陳熱三號爐燃燒自控系統中采用了模型參考自適應預估控制算法(MRAPC)[2]，克服了過程參數變化和干擾引起的不穩定，取得了較好的效果。

2  控制系統

    燃燒控制系統由引風、送風和主壓力三個子系統構成，采用分布式控制方式，由一個上位機和三個現場控制站組成，三個子系統分別由三個現場控制站進行控制，在控制站的上一級設有工程師站，工程師站可監視系統的運行情況同時可進行參數修改，工程師站和現場控制站之間用電纜以總線的方式連接組成網絡。現場控制站采用工業控制機，完成控制和與上位機通信的功能。I/O接口部分采用智能遠程I/O模塊，對現場信號進行采集處理后以數字通信的方式傳送給工控機，同時將工控機輸出信號轉換成模擬量后送給現場儀表。為提高系統的抗干擾能力在現場信號和工控機之間加裝了WS系列隔離端子，用于信號隔離。

    2.1  三個子系統總體控制方案

    如圖1所示，考慮到四臺鍋爐并列運行和單獨運行兩種情況。母管壓力調節器根據母管蒸汽壓力的變化對四臺鍋爐按規定的比例發出負荷增減信號NO1、NO2、NO3、NO4。如果要某臺鍋爐帶固定負荷或單臺爐運行，將母管壓力校正調節器送來的信號切除，而代之以運行人員確定的固定主汽壓力信號。鍋爐運行時，主汽壓力調節器輸入負荷要求的信號(SP或NO1)和主汽壓力信號Pz，其輸出作為燃料調節器的給定信號，燃料調節器接受燃料量信號，調節的目的使燃料量與負荷要求信號相適應，同時用煙氣中的氧量信號作為送風量的校正信號解決燃料量與送風量準確配比問題。燃料量信號同時引進送風調節器使送風量與燃料量相適應。

圖1  燃燒控制系統總體控制方案

    引風調節器主要接受爐膛負壓信號與給定值進行比較，去控制引風量，同時將送風信號引入作為引風調節器的前饋信號，來校正引風量落后于送風量的偏差，使引風隨著送風協調動作。

    當負荷發生變化時母管蒸汽壓力Pm暫時偏離給定值，使主調節器發出的負荷要求信號發生變化，通過主壓力調節器及燃料調節器改變四臺爐的燃料量，同時通過送風調節器改變送風量，并通過氧量調節器進行校正。送風量的變化引起爐膛負壓偏離給定值，再由引風調節器去改變引風量。調節結束時母管壓力恢復到給定值，主調節器輸出的負荷要求信號穩定在一個新的數值上，爐膛負壓恢復到給定值，而燃料量和送風量都與新的負荷要求信號成比例。

    主汽壓力系統和送風系統均采用串級調節，主調節器采用自適應控制，副調節器采用PID控制。

    2.2  自適應Smith預估器的原理

    在本控制系統中，被控對象存在時滯，而且它的特性在負荷變化以及受到干擾時會發生變化，使用固定Smith預估器會因模型誤差造成控制系統穩定性變差。要想實時補償純滯后，Smith預估器的參數即參考模型的參數也要隨之不斷變化。根據參考模型參數預先設定的控制器的參數也要不斷的隨著變化。因此在本控制系統中采用自適應預估控制方法解決這個問題，其原理如圖2所示。

圖2  自適應Smith預估器原理圖

    在被控對象的某一穩定狀態，根據實驗初步確定被控對象的基本特性即放大系數K、時間常數T和滯后時間τ，然后可以得到一個參考模型使之與控制器并聯。圖2中為敘述自適應律方便將參考模型與對象相連。根據這些表征被控對象特性的參數合理確定調節器的比例增益等參數。但由于被控對象特性是隨著負荷變化而變化或受其它干擾因素的影響，并不能保持一個穩定值，這時確定的參考模型與被控對象不再匹配。根據被控對象與參考模型輸出之間的偏差e、以及被控對象的輸出Y，自適應律在線修改參考模犁的參數Km、Tm、τm使參考模型與實際被控對象重新匹配，并根據重新獲得的對象特征參數修改控制器的參數。因此采用這一方法能夠有效的實現受控對象的Smith預估控制，在克服被控對象時滯影響的同時使系統在不同的負荷下均得到良好的控制質量。在主壓力系統和送風系統中假定被控對象為一個三階慣性加上一個滯后環節。

    2.3  系統構成

    在本控制系統中，現場控制站采用研華工控機完成控制和與上位機的通信功能。I/O接口部分采用研華4000系列智能遠程I/O模塊，對現場信號進行采集處理后以數字通信的方式傳送給主機，采用隔離“浮空”方式通信增強了系統的抗干擾能力。I/O模塊與工控機之間采用RS-232標準進行通信。現場信號隔離全部采用WS系列隔離端子，它采用調制式變壓器隔離技術，能實現對輸入、輸出和電源二端的相互電隔離。

    本控制系統軟件使用C++編程語言，選用Borland C++32編譯器。

3  現場動態特性試驗

    從系統的控制原理可知，要想實現Smith預估補償需要知道被控對象的模型，對于自適應預估控制也需要預先確定一組基本的對象特征參數，即系統的放大系數K、過渡時間T和滯后時間τ。

    對象特性參數由現場試驗獲得，在被控參數基本穩定的情況下，人為給控制參數加一階躍擾動，階躍值的大小依控制系統而定，在保證安全的基礎上盡量使響應曲線明顯，一般在5%～10%之間。將被控參數和控制參數變化前后一段時間內的數據采集、顯示可得到對象的響應曲線，然后設一組對象的基本特性參數通過離線自動尋優得到一條與對象響應曲線相吻合的理想曲線，從而得到被控對象的特性參數。這一過程可由現成的工具軟件完成。

    以主壓力系統為例，由圖3、圖4可得主汽壓力系統的特性參數為：Kp=0.15，Tp=41.5S，Гp=60s。

    在被控對象基本模型確定以后，將特性參數送入工具軟件，通過多變量尋優的方法得到一組優化的調節器參數值，圖5為主汽壓力系統參數優化結果的圖形，此時對象模型的放大系數Kp=0.15，時間常數Tp=41.5s，通過優化得到的調節器的參數為Kc=8.379，Ti=109.997，Td=45。圖5中曲線2為對象模型在階躍擾動下的開環響應曲線，曲線1為通過尋優得到的對象模別的閉環響應曲線。

圖3主壓力系統對階躍響應的反應曲線  

圖4主壓力系統的動態尋優曲線

圖5主汽壓力系統參數優化結果的圖形

圖6主壓力系統投入自動后在兩次定值擾動下的響應曲線

    圖6為主壓力系統投入自動后在兩次定值擾動下的響應曲線，圖中上部為定值變化和主汽壓力變化曲線，下部為定值變化后控制器輸出變化的曲線，由此可以看出，自動系統投入后取得了較好的效果。

    電力生產是一個相對復雜的過程，其生產中有許多控制問題，用常規的控制方法不能很好的解決。應用包括自適應控制、模糊控制在內的智能控制技術去處理這些問題將會有廣泛的市場前景。自適應預估控制算法在燃燒控制系統中的應用成功后不僅對于電力鍋爐，對其它行業也可提供參考和借鑒。

參考文獻
[1]  邢軍. 陳熱三號鍋爐燃燒自適應控制系統[D]. 天津大學, 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]  楊志遠, 陸會明, 等. 具有全局收斂的自適應預估控制算法及應用[R]. IFAC 1997.