火电厂过热蒸汽温度是热工过程控制的主要参数之一。各种扰动作用下过热蒸汽温度具有大迟延、大惯性、时变性和非线性的动态特性，这一特性在超临界机组中尤为突出。采用常规PID控制过热蒸汽温度，难以在被控对象特性变化时保证控制品质[1]。因此，许多研究将模糊控制、神经网络、预测控制等先进控制策略应用于过热蒸汽温度控制，但是先进的控制策略往往结构复杂，计算时间长，且大部分仍处于试验室仿真阶段[2]。对此，本文提出了一种利用DCS资源且简单实用的二模态串级过热蒸汽温度控制方案，并在上海新华控制技术有限公司生产的XDPS-400 DCS 平台上进行了控制系统组态。基于VDPU的负荷扰动试验表明，该控制策略具有较强的自适应能力和鲁棒性，其控制品质优于常规PID控制。
一、二模态串级过热蒸汽温度控制系统
多数锅炉过热蒸汽温度控制系统均采用串级控制系统(图1)。
图1中，θ1，θ2分别为导前蒸汽温度和过热蒸汽温度;WT1(S), WT2(S)分别为主、副控制器;W01(S), W02(s)分别为对象模型导前区和惰性区的传递函数;WH1(s)，WH2(S)分别为导前蒸汽温度和过热蒸汽温度的测量单元。WT2(S), W01(S)和WH1(S)组成内回路，以消除来自减温水的扰动;WT1,(s)、内回路、w02(s)以及WH2 (S)组成外回路，对过热蒸汽温度进行校正，使过热蒸汽温度等于其设定值。
二模态是指控制器在不同偏差情况下分别采用模糊控制和PI控制。模糊控制具有人工智能化、不需要精确数学模型、对过程参数变化适应性较高等特点，非常适合于对大惯性、大滞后的非线性被控对象的控制。但是，由于模糊控制将偏差和偏差变化率作为二维输入，并根据偏差和偏差变化率的趋势决定控制输出，反应了非线性比例加微分的控制规律，因此其动态性能好而静态性能不理想。PI控制器是一种非常简单有效且在过程控制中应用最广泛的基本控制方法。二模态控制策略综合了模糊和PI控制的优点，将整个动态过程分段进行控制，每段根据被控对象的实际特点引入不同的控制策略，以保证系统的快速响应能力，降低超调和保持良好的稳态性能。当扰动发生时，采用模糊控制，可提高系统的阻尼性能，最大程度地抑制动态偏差，使系统过渡过程缩短;当系统接近稳态时，偏差及其变化率在模糊集合上的投影为零，模糊控制器停止调节。由于模糊控制中语言变量的语言值为零(ZE)时，其绝对偏差实际上并不一定为零，此时采用PI控制，根据绝对偏差及其变化趋势改变积分器的控制作用，可改善稳态性能。根据预先确定的偏差阀值，可对2种控制方式进行切换。为了保持过热蒸汽温度串级控制系统的优点，维持副回路的P调节器不变，而主回路的控制器则采用FUZZY-PI的二模态分段控制策略。采用二模态串级过热蒸汽温度控制系统的结构如图2所示。
模糊和PI控制在系统中分段切换使用，不会同时出现因而不会相互影响，所以二者可以分别设计和调试。2种控制算法的切换依靠模态选择实现：当偏差|e|>e0时，采用模糊控制;当偏差|e|
2 模糊控制器的设计
模糊控制器将过热蒸汽温度的偏差e和偏差变化率ec作为输出变量，喷水减温调节阀开度的增量信号△u作为输出变量。取误差e的基本论域为[-10,+10]，其语言变量E的论域为{-6，-5，-4，-3，-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，则偏差的量化因子k1=0.6。偏差变化率ec的基本论域为[-2, +2]，其语言变量E的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-l,0,1,2,3,4,5,6}，则偏差变化率的量化因子k2=3。△u的基本论域为[-24,24 ]，其语言变量的论域为{-6，-5，-4, -3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}，则输出调节阀开度的比例因子k3=4。
将输入变量和输出变量的模糊状态论域均分为7个模糊子集：负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB。根据模糊控制规则的基本思想，结合实际应用，建立了表1所示的模糊控制查询表。
3 二模态串级控制系统在过热蒸汽温度控制中的应用
3.1 超临界机组过热蒸汽温度的动态特性
为了验证二模态串级控制系统的控制效果，将其应用于某电厂超临界600MW机组锅炉过热蒸汽温度丝控制。100%和75%典型负荷下的汽温对象模型[4]见表2。
从表2可以看出，超临界机组过热蒸汽温度被控对象动态特性表现为大迟延、大惯性，而且在不同的负荷工况下，动态特性和模型参数变化很大。
3.2 二模态串级控制系统组态
在DCS平台上开发的控制策略具有安全系数高、调试方便，一旦取得成功便于推广[5]。本文在XDPS-400 DCS平台上进行了二模态控制策略的组态(图3)。
4 仿真研究
4.1 100%负荷
二模态和常规PID 2个控制副回路的P控制器均采用文献[4]中的整定参数，Kp=25;常规PID控制器的整定参数为：Kp=1.2, T1=94.8s, TD=23.7s。
对汽温对象模型施加10℃的阶跃变化时，系统输出和控制器输出的趋势曲线如图4所示。从图4可以看出，二模态控制系统较常规PID控制系统过渡过程平稳，过渡时间较短。
4.2 75%负荷
在75%负荷时，保持各控制器仍为100%负荷时的参数值。同样，对汽温对象模型施加10℃ 的阶跃变化，系统输出和控制器输出的趋势曲线如图5所示。从图5可见，二模态控制系统的控制品质明显优于常规PID控制系统。对比图4和图5可见，当负荷发生变化，被控对象动态特性发生大幅度变化时，在控制器参数不变的情况下，常规PID控制系统的调节效果变差波动较大，过渡时间明显延长;二模态控制系统的控制性能变化很小。表明二模态控制较常规PID控制表现出较强的自适应能力和鲁棒性。
5 结论
本文在XDPS-400 DCS平台上实现二模态串级控制，并将其用于某超临界600MW机组过热蒸汽温度的控制。基于虚拟DPU的仿真表明，二模态串级控制策略显著地提高了适应内部参数变化的鲁棒性，减少了超调，改善了动态特性。
