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    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10℃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。

1  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：
                  (1)
主汽溫慣性區的數學模型（輸出測點為T101-1）為：
            (2)
一級汽溫導前區的數學模型為：
            (3)
一級汽溫慣性區的數學模型為：
            (4)

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。

2  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（最好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先進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，有效減少汽溫的最大動態偏差。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。