電站鍋爐的過熱汽溫是機組安全、經濟運行的重要參數之一，但由于汽溫被控對象的滯后很大，常規的串級控制系統，或采用導前微分補償信號的雙回路控制系統，對滯后較大的汽溫控制往往不能獲得理想的控制品質。不少電廠當機組負荷僅以2%MCR/min的速率變化時，汽溫就偏離設定值l0℃以上，嚴重影響了鍋爐的安全、經濟運行。
　　
　　巴陵石化公司熱電事業部5臺鍋爐的容量分別是130t/h和220t/h，其主汽溫和一級汽溫均通過噴水來調節，由于存在如下原因使常規的控制系統難于投入:①被控對象的慣性和滯后很大，使整個汽溫控制系統的可控性變差;②在正常情況下，一、二級噴水的需要量較小，噴水閥閥位一般在較小的位置，造成執行器存在較大的死區和噴水閥閥位與流量之間存在強的非線性，而且由于閥位小造成了閥門兩側的壓差較大，閥門的磨損也較嚴重;③由于鍋爐的容量小，當啟停制粉系統時，三次風對汽溫的影響很大，若不加控制，汽溫會變化20～30℃;④由于鍋爐為母管制方式運行，而母管蒸汽壓力由于種種原因變化頻繁且變化幅度大，導致汽溫的變化快且幅度大。所有的這些問題均導致了常規的PID串級控制方案不能正常投入運行。為此，巴陵石油化工公司熱電事業部與東南大學一起進行新型汽溫優化控制系統的研究及實施。2003年11月，新的基于狀態變量控制器的過熱汽溫控制系統在5號爐上通過了調試，并投入了運行。之后，相繼推廣到其它鍋爐的汽溫控制中。經過10多次升、降負荷和啟、停制粉系統的試驗，一、二級汽溫控制在允許的范圍內，確保了一、二級汽溫控制系統的長期、穩定投入。
　　
　　一、一、二級汽溫被控對象的動態特性
　　
　　巴陵石化公司熱電事業部5臺鍋爐均通過調整甲、乙兩側的一級噴水量來調節進入二級噴水減溫器的蒸汽溫度;同樣，通過調節甲、乙兩側的二級噴水流量來控制主蒸汽溫度。對于一級汽溫控制，甲、乙兩側相互獨立，可設計成兩套獨立的控制系統。而對二級汽溫控制系統，由于甲、乙兩側的汽溫被調量是同一測點的溫度，因此，甲、乙兩側只能設計成一套控制系統。
　　
　　通過在7號爐上（蒸汽量為130t/h）的一、二級噴水閥門的階躍擾動試驗（在鍋爐蒸發量為110t/h工況點上），可方便地求出主汽溫和一級汽溫被控對象的動態數學模型分別為:
　　
　　主汽溫導前區的數學模型為:　　
　　主汽溫慣性區的數學模型（輸出測點為Tl01-1）為:　　
　　一級汽溫導前區的數學模型為:　　
　　一級汽溫慣性區的數學模型為:　　
　　從公式（2）、（4）可知，主汽溫和一級汽溫均具有很大的慣性時間，特別是一級汽溫，其慣性和滯后相對更大。
　　
　　二、基于狀態變量控制器的一、二級汽溫控制系統
　　
　　2.1原控制方案分析及改進設想
　　
　　巴陵石化公司熱電事業部5臺爐原一、二級汽溫控制系統是常規的串級控制方案，由于噴水被控對象的慣性很大，對串級系統而言只有當調節器整定得很慢（即比例帶和積分時間均很大）時，閉環控制系統才可能是穩定的。而另一方面，汽溫的擾動較多且擾動對汽溫的影響快，因此，只有調節器快速、及時動作（是在被調量變化之前就動作），才有可能使被調量具有好的控制品質。顯然，對于滯后很大的被控過程，若采用串級控制方案，被調量的控制品質和閉環系統的穩定性是一對無法調和的矛盾，這就導致了常規的串級控制系統的投入效果不理想。合理的想法是先通過*的大滯后補償技術對汽溫被控對象進行動態補償，使補償后的等效汽溫對象具有較好的動態特性（較小的慣性和滯后），只有這樣，才能在不失控制系統穩定性的前提條件下，加快噴水門的動作速度，有效減少汽溫的zui大動態偏差。而基于狀態變量的控制技術就是一種有效的動態特性補償技術。
　　
　　2.2基于狀態變量控制技術的汽溫控制系統
　　
　　當鍋爐負荷發生變化時，在過熱器中蒸汽流程上的各點溫度總是先于主汽溫的變化，如果控制系統根據這些流程上的各點溫度進行調節，一旦這些溫度發生變化，控制系統馬上動作、及時調節，就能取得好的控制效果。在常規的串級汽溫控制方案的基礎上，考慮增加過熱器流程上各點溫度后所組成的狀態變量控制系統如圖1所示。　　
　　在上面的方案中，假設了在過熱器的流程上增加了5個溫度測點，各測點之間的過熱器相對較短，因此，假定為一階慣性環節，即為:，而整個汽溫被控對象為5階多容慣性環節。一般而言，噴水對導前溫度的影響是很快的，因此，上面控制系統的內回路可以看成是一個快速隨動系統，即有：θindp=θin，因此，圖1的狀態變量控制系統可以進一步表示為圖2所示。　　
　　從圖2中可以看出，若不引入狀態變量反饋（即:fi=0（i=1,2,…5），則汽溫控制系統的被控對象為，而引入狀態變量反饋后，補償了汽溫被控對象的動態特性，補償后的汽溫被控對象如式（5）所示。　　
　　由式（5）可知，補償后的對象牲與狀態反饋系數有關，顯然，通過選擇一組狀態反饋系數fi=0（i=1,2,…5），使補償的對象具有較理想的動態特性。那么，什么樣的特性較理想呢？顯然，一方面對象要具有較小的慣性和滯后，另一方面要使對象的靜態放大系數相對小一些。據此，可以選擇所希望的等效對象如式（6）所示。　　
　　式中，γ稱為壓縮因子。從改善對象動態特性的角度來看，壓縮因子γ越小越好，并總能找到一組對應的狀態反饋系數fi。但γ越小則反饋系數fi越大，而大的反饋系數fi會使控制系統過份靈敏，特別是當溫度測量信號存在小的噪聲干擾時，則會導致噴水調門的抖動。因此，壓縮因子γ的選取應視實際情況適可而止。一般整定時，γ取為0.5-0.7，可以取得較好的補償特性。
　　
　　要實現圖1所示的狀態變量控制系統，則必須要測量過熱器流程中的備點蒸汽溫度（即狀態），但這顯然是難于實現的。一種可替代的方法是利用被控過程動態數學模型來估計這些中間溫度（這當然會損失一些控制品質），在控制理論上就是采用狀態觀測器來估計這些狀態θi，本文所采用狀態觀測器如圖3所示。　　
　　綜合圖1和圖3，zui終所設計的狀態變量汽溫控制系統如圖4所示。　　
　　三、新型一、二級汽溫控制系統的投運效果
　　
　　一、二級汽溫的狀態變量控制系統投入后，就對其進行了詳細的測試，經測試，在鍋爐升、降負荷及制粉系統的啟、停過程中，主汽溫度的zui大動態偏差為6℃;一級汽溫的zui大動態偏差為8℃，優良的控制品質，確保了該控制系統的長期穩定投入。如圖5為在鍋爐升、降負荷過程中一、二級汽溫控制系統的響應曲線。　　
　　四、結束語
　　
　　盡管國內許多電廠一、二級汽溫控制系統的投運情況不是太理想，在變負荷時，汽溫的變化往往超出允許范圍。這主要是對于大滯后汽溫被控對象，常規的汽溫串級控制系統無法協調好系統穩定性和系統控制品質之間的矛盾。
　　
　　對大滯后過程的控制，狀態變量控制系統是一種較好的方法，它可以有效補償被控對象的滯后和慣性，從而有效協調好控制系統穩定性和調節閥動作快速性之間的矛盾，它在電廠大滯后過程控制中一定會有廣闊的應用前景。