摘要：本论文以火电厂过热汽温系统为研究对象，对火电厂过热汽温系统的预测控制进行了研究和分析。首先介绍了论文的背景和意义，然后详细探讨了预测控制的基本原理，并结合PID控制和MPC控制方法，设计了过热汽温控制系统。后再通过仿真研究，分别对基于PID控制、基于模型预测MPC控制、以及基于MPC-PID控制的过热汽温系统进行了设计和仿真。通过对三种控制器的性能比较，得出了相应结论。最后，在结论部分对整个论文进行总结。通过本论文的研究，可为火电厂过热汽温系统的优化设计提供一定的参考和指导。

关键词：火电厂；过热汽温；预测控制；PID控制；MPC控制

1 引言

随着国家综合实力增强和轻重工业快速发展，污染物和二氧化碳排放量明显上升。为减少排放，国家采取了一系列措施，如《国家二氧化碳排放配额交易管理控制办法（试行）》。火力发电是重点控制二氧化碳排放的领域，2019年新建燃煤电厂完成率仅为11%。然而，火力发电仍占中国发电总量的68%。超临界煤炭技术具有更低的排放、更有效利用煤炭资源和更安全的优势，因此逐渐成为主导[1]。然而，超临界工厂对过热蒸汽温度的控制质量要求很高，传统的PID控制系统可能无法实现控制目标[2]。因此，基于模型的预测控制等新的智能控制方法引起了研究者的关注。本文通过结合模型预测控制和过热蒸汽温度系统，开发了不同的控制方案，并在大型火力发电厂模拟器上进行了仿真研究，为该方法在实际发电厂中提高过热蒸汽温度控制性能奠定了基础。

2 火电厂过热汽温系统预测控制研究

2.1 基于PID控制的过热汽温控制系统设计

在大多数过热蒸汽温度控制系统中，人们使用最多的是PID控制器，它非常成熟，应用范围很广[3]。主要是因为它的设计方法，人们不需要学习和了解简单的控制原理、复杂的数学模型，也不需要创造良好性能特性的控制方案[4]。

2.2 基于MPC控制的过热汽温控制系统设计

预测控制的重点是解决多维受限的最优控制问题，这些问题很难用传统的控制方法解决。原则上，模型预测控制可以处理具有时变和非时变、线性和非线性、时移和非时移约束的最优控制问题的系统[6]。近年来，模型预测控制算法得到了越来越多的应用，并在过热蒸汽的控制系统中发挥了重要作用。

由于其算法原理，MPC算法适用于具有较大惯性和延迟的系统；MPC算法结合了级联系统的结构优势和MPC的算法优势，在复杂的控制系统中获得良好的控制效果[7]。

标量MPC控制系统的基本，它是以过热蒸汽温度的标量PID控制系统为基础，采用MPC作为回路控制。

过热蒸汽温度系统的控制是通过用MPC控制器代替PID控制器来实现的，MPC控制器有确定的输入和连接到MPC控制器输入的反馈部分。控制结果主要取决于MPC控制器的设置，特别是采样时间和各种参数的优化指数。

R（s）是过热蒸汽温度控制，系统的头部区域的二阶对象模型和系统的惰性区域的一阶对象模型串联起来。惰性系统区域的一级对象模型的输出是过热蒸汽的实际出口温度，而系统头部区域的二级对象模型的输出是软化水处理后的蒸汽温度。也可以用蒸汽温度的主要对象模型来确定二级回路，作为一个通用的可控对象，并开发一个MPC控制器来控制它。

2.3 基于MPC-PID控制的过热汽温控制系统设计

MPC算法的可预测性和可靠性以及PID控制的扰动处理能力可以得到最大程度的利用。

在整个控制系统中，可以分为内部控制回路和外部控制回路，它们都有不同的结构特点[8]：内部控制回路作为二级控制回路，控制对象包含主系统的干扰和一些相对较小的净时间常数或滞后，以及一个高频率数字PID控制可用于及时克服次级物体的干扰，具有良好的抗干扰能力，而外围控制环路与主环路一样，通常包含大的时间常数和大的净延迟，并由MPC算法控制，使其对模型的不完善性更加稳健，提供更好的跟踪性能。

3 火电厂过热汽温系统模型预测控制策略及其仿真研究

3.1 基于PID控制的过热汽温系统设计及仿真

一般而言，利用PID控制规律的控制器，常有PI、PD、PID三种控制方法；而对于过热汽温系统这种大惯性、非线性的被控对象，人们通过大量实践可以发现其微分系数而言相当之小，故在设计船舶的PID控制器时可以去掉积分作用，只设计PI控制器即可[9]。

被控对象是230MW工况下过热汽温控制系统，其系统惰性区主对象模型和系统导前区副对象模型的数学模型公式如下：

PID控制器直接选取MATLAB软件Simulink库里的单输入单输出的PID控制器模型，该模型是软件代码系统集成，只需要给定单输入信号，并且调节PID控制器的比例、积分、微分参数，即可对过热汽温控制系统进行仿真控制

3.2 基于模型预测MPC控制的过热汽温系统的设计与仿真

基于模型预测MPC控制的过热汽温系统的设计与基于PID控制的过热汽温系统的设计二者的主要区别在于用MPC控制器替代了PID控制器，同时维持其他被控对象以及给定输入、外部干扰量不变，这也是出于对两种控制器控制性能的比较的考虑[10]。

MPC控制器直接选取MATLAB软件Simulink库里的MPC控制器模型，该模型是软件代码系统集成，只需要给定输入信号，并且调节MPC控制器的采样时间等参数，即可对过热汽温控制系统进行仿真控制。

3.3 基于MPC-PID的过热汽温系统的设计与仿真

基于模型预测MPC-PID控制的过热汽温系统的设计与PID控制器、MPC控制器的主要区别在于使用了MPC-PID控制器，即将两种控制方式结合起来，同时维持其他被控对象以及给定输入、外部干扰量不变，这也是出于对三种控制器控制性能的比较的考虑[11]。把MPC和PID控制通过串级控制的方法结合起来，充分发挥MPC算法的超前预测性和强鲁棒性以及PID控制的抗干扰能力，在保持PID算法优良性能的同时，把串级控制结构引入MPC。在内环采用常规PID控制，及时跟踪系统变化，抑制主要干扰；而外环采用MPC，实现良好的跟踪性能并在模型失配时具有较好鲁棒性[12]。

3.4 三种控制器的仿真性能比较

3.4.1 常规工况下过热汽温系统的MPC-PID控制器仿真

设定过热汽温系统的温度为20℃并作为给定参考值输入，经过多次实验调节，在常规工况下，MPC-PID控制器的变化速率是明显优于MPC、PID控制器的，并且也没有超调量，率先稳定在20℃，并且控制稳定程度也是明显好于MPC、PID控制器。而MPC控制器则较之PID控制器控制效果更好一些，PID控制器控制速率慢，且存在超调，控制性能的平稳性也在三者里属于最差的一个。

3.4.2 模型失配下过热汽温系统的MPC-PID控制器仿真

同样设定系统导前区副对象模型变为，其中，这种工况下由于过热汽温系统的被控对象发生参数变化，即发生模型失配。

模型失配时三种控制器下过热汽温系统输出波形几乎与常规工况下的输出波形一模一样，这说明基于三种控制器下的过热汽温系统的抗模型失配的性能都比较优越。

3.4.3 外部干扰下过热汽温系统的MPC-PID控制器仿真

此处设置的外部干扰模块同上所述，过热汽温系统在遭受外部突发因素干扰时，

在外部干扰工况下，MPC-PID控制器的鲁棒性是明显优于MPC、PID控制器的，变化速率最快且没有超调量，率先稳定在20℃，并且控制稳定程度也是明显好于MPC、PID控制器，后期虽然由于外部干扰信号的存在使得仍存在波动，但基本还是维持在20℃左右，且变化幅度很小。相比之下，PID控制器大致能维持在20℃，但波动幅度明显大于MPC-PID控制。而MPC控制器的鲁棒性最差，出现了系统控制崩溃的情况。

4 结论

过热汽温是发电过程中最重要的控制参数之一，对过热汽温的控制效果直接影响发电过程的安全性和经济性，因此过热汽温控制系统在发电过程中占有重要地位。