（动力工程及工程热物理专业论文）无模型控制方法及其在过热汽温控制系统中的应用.pdf

摘要 摘要 随着电力系统的发展，超临界机组已经成为我国电力行业的主力机组，而超临界机组的直流运 行特性、变参数的运行方式，与亚临界汽包炉相比在动态特性及控制上都具有很大的特殊性。本文 以某6 0 0 m w 超临界直流炉为研究对象，建立兼顾仿真精度要求和控制系统设计要求的汽水系统模 型，并采用先进的无模型控制算法进行过热汽温控制系统的设计。本文具体研究内容如下： ( 1 ) 采用l a g r a n g e 流体质点追踪方法建立了受热面的分布参数模型；补充锅炉系统其它部分的 仿真模型，主要包括汽水分离器、喷水减温器等环节的仿真模块，构成锅炉本体仿真模型：对已建 立的仿真模型作7 5 - - b m c r 和1 0 0 - - b m c r 两种典型工况下的动态特性实验，并建立基于实验 结果的汽温对象传递函数模型，为进一步开展过热汽温控制系统的设计奠定基础。 ( 2 ) 详细介绍迭代反馈整定方法( i t e r a f i v ef e e d b a c kt u n i n g ) 的理论，结合已建立的过热汽温对 象的模型，设计基于口f 1 r 的二自由度p i d 过热汽温控制系统，并和常规整定方法作比较。 ( 3 ) 详细介绍虚拟参考反馈整定方法( v m u a lr e f e r e n c ef e e d b a c k t u n i n g ) 的理论，结合己建立 的过热汽温对象的模型，设计基于f r 的二自由度p i d 过热汽温控制系统，并和常规整定方法作 比较。 ( 4 ) 总结无模型控制算法的特点及优点，比较迭代反馈整定方法( i f t ) 和虚拟参考反馈整定方 法( 唧) 之间的区别与联系。探讨无模型控制方法在热工过程实际工程中应用的可行性。 关键词：超临界直流炉：数学模型；过热汽温控制系统；无模型控制；迭代反馈整定；虚拟参考反 馈整定 a b s t r a c t a b s t r a c t 谬缅t h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m , t h es u p e r e r i t i c a lu n i t sh a v eb e c o m et h em a i nu n i t so f c h i n a se l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y i nt 睨 l l l so ft h es u p e r c r i l i c a lu n i t sd i r e c tc t t r r c n te h a r a e t e r i s l i ea n dv a r i a b l e p a r a m e t e ro p e r a t i o nm o d e ，m a n yc o n t r o ls l r a t e g i cd i f f e r e n c e sa n dt h ed i f f e r e n c e so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c l i eb e t w e e nt h es u b e r i t i e a ld r u mf u r n a c e sa n dt h es u p c r - e r i t i c a lu a i t s i nt h i sd i s s e r t a l i o n , a6 0 0 m w s u p e r c r i l i e a lo n e e - t h r o u g l ab o i l e rw 嬲i n v e s t i g a t e d , a n d1 1m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi sp r o p e rf o rb o t h s i m u l a d o na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n i n gw a se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，t h es u p e r h e a ts t e a m t e m p e r a t u i c o n t r o ls y s t e m 嘣d e s i g n e du s i n gt h ea d v a n c e dm o d e l - f r e ec o n l l o lm e t h o d s m a i nc o n t e n t s i n c l u d e ： ( 1 ) a e c o r d i n gt ot h e 昀c i n gv i e wo fm t e r i a lp o i t ，ad i s 仃i b u l i n gp a r a m e t e rm o d e lo fh e a te x c h a n g e r i se s t a b l i s h e x lo nt h ec u n 蜀吐b a s i s a n do t h e r $ i m u l a t i o nm o d e l so f b o i l e rs y s t e m 锄f ea d d e d , t h e s em o d e l s i n c l u d ew a t e r p 田溉w a 钯r 胁p e m t u r e ，e t c t h e s ee o 地f i m t et h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h er e a l i t yb o i l e r s y s t e m t h ep r i m a r yd y n a m i cp e d o m 锄c eo f b o i l e rs ) r s t c mi ss i m u l a t e da t7 5 - b m c ra n d1 0 0 - b m c k , a n dt h eo b j e c ti d e n t i f l c a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e 位a n f f e rf i m c t i o m o fb o i l e rs y s t e mu n d e rd i f f e r tl o a da r eg a i n e d ( 2 ) i n t r 仪l u c et h eb a s i ca l g o r i t h mo ft h ei t e r a t i v ef e e d b a c kt u n i n gd e t a i l e d l y o nt h eb a s i so ft h e i d e n t i f i c a t i o nm o d e le s t a b l i s h e d ，d e s i g nt h et w od e g r e eo ff r e e d o mp dc 锄- o l l e r ss u p e r h e a ts t e a m t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mu s i n g 刀盯：b yc o m 】枷证gw i t ht h e 订a i d i 6 伽l a lt u n i n gm e t h o d , t h er e s u l to f s i m u l a t i o nu s i n gt h em e t h o di nt h i sd i s s e r t a t i o ni l l u s l r a t e si m p r o v e m e n te v i d e n t l y ( 3 ) i n t r o d u c et h eb a s i ca l g o r i t h mo ft h ev t r t 唿lr e f e r e n c ef e e d b a c kt m t i n gd c t a i l e d l y o nt h eb a s i so f t h ei d e n t i f i c a t i o nm o d e le s t a b l i s h e d ，d e s i g n 血ct w od e 嗽o f 能c d o mp i dc o n t r o l l e r ss u p e r h e a t $ t c a l n t e m p e r a t u r ec o n u o ls y s t e mu s i n gv r f rb yc o m p a r i n g 硒mt h ew a d i t i o m lt l l l l i i l gm e t h o d , t h er e s u l to f s i m u l a t i o nu s i n gt h em e t h o di nt h i sd i s s e r t a t i o ni l l u s t r a t e si m p r o v e m e n te v i d e n t l y ( 4 ) t h ee l 埘 a c t e r i s t i e sa n dm e r i t so ft h em o d e lf r e ec o n l r o la l g o r i t h mw e i 】巴s 衄r i z e d , a n dt h e 蜘c c sa n dr e l a f i o m l t i pb e t w e e ni f ra n d i f tw e r eg i v c n 笛w e l l mf e a s i b i l i t yo f 龇e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nu s i n gt h em o d e lf r e ec o n t r o la l g o r i t k mw a sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：s u p e r c r i f i e a lo n c c - t h r o l l g hb o i l e r , m e m a d c a lm o d e l ；s u p e r h e a t 蛐珊t e m p 咖c o n 仃o l s y s t e m ；m o d e lf r e ec o n t r o l ；i t e r a f i v ef e e d b a c kt i m i n g , v m m lr e f e r e n c ef e e d b a c kt u n i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 在过去的几十年中，基于对象模型的控制器参数整定方法占主导地位，在这方面很多专家和学 者进行了大量的研究。例如，基于对象传递函数模型的i a t e 性能指标p 1 d 参数整定方法、直接综 合法川和内模控制法【2 】等。然而，建立受控系统的数学模型绝非易事，尤其是针对非线性系统的建模， 到目前为止仍然是一个非常困难的问题。有时，建立受控系统的数学模型花费的成本或时间太大， 因而，不得不放弃。即使建立了受控系统的数学模型，该模型也是对受控系统作了很多的简化。因 此基于数学模型设计的控制器在实际应用中就可能会出现问题，即受未建模动态和鲁棒性的影响， 这是所有基于模型的控制理论和技术不可避免的问题。传统控制理论的研究对象是线性系统，经历 了经典控制理论和现代控制理论两个发展阶段之后，已经建立了比较完善的理论体系，而且广泛应 用于工业生产的各个领域。把传统控制理论应用与实际工业控制的一般做法是：对实际工业生产中 的非线性被控对象在某一工作点附近建立近似的线性模型，然后再利用传统的控制理论进行控制， 这种控制方法的控制效果依赖于对象数学模型的精确程度。虽然对于大部分工业控制对象，上述控 制方法能够获得较好的控制效果，但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域对控制效果的要 求也越来越高。为了进一步提高控制效果，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控 制、鲁棒控制等的研究外，开始打破传统控制思想的束缚，面向工业过程的特点，寻找各种对模型 要求低、在线计算方便、控制综合效果好的新的控制理论和方法。而无模型( 基于数据) 控制方法 就是在这样的背景下产生的。 研究热工对象动力学的目的在于揭示热力设备在过渡过程中的内在规律并在此基础上寻求改善 设备动态品质的合理控制方式和其它技术措施。作为目前最为复杂的热工控制对象，火电发电厂的 锅炉和核电站的蒸汽发生系统在运行过程中的动态行为直接影响设备本身乃至整个电力系统运行的 可靠性和总体经济性。建立锅炉汽水系统的动态数学模型对控制系统及控制方式的确定、机组的设 计优化、运行方式的优化、仿真培训系统的开发、故障检测及故障诊断等诸多方面都具有现实的工 程意义。 在现代火力发电厂热工控制中，锅炉出口过热蒸汽温度( 主汽温) 是锅炉的主要参数之一，也 是整个汽水行程中工质的最高温度，对电厂的安全经济运行有重大影响。过热器的材料采用耐高温、 高压的合金钢，由于过热器正常运行的温度已接近钢材允许的极限温度，因此，必须将主汽温严格 地控制在给定值附近。一般中、高压锅炉主汽温的暂时偏差不允许超过1 0 1 2 ，长期偏差不允许超 过5 ，这个要求对汽温控制系统来说是非常高的。主汽温偏高会使过热器和汽轮机高压缸承受过 高的热应力而损坏，威胁机组的安全经济运行；主汽温偏低则会降低机组的热效率，影响机组运行 的经济型，同时，主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。影响过热 汽温的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、过热器入口蒸汽焓值、流经过热器的烟 气温度、流量、流速以及锅炉受热面的结渣、积灰、结垢等。这这些因素的共同作用下，主汽温对 象除了具有多容大惯性、大延迟特性外，往往表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热汽温控 制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。 因此，本文以某超临界直流炉汽水系统为研究对象，建立其动态数学模型用以获得能够反应对 象特性的输入输入数据，在此基础上采用无模型控制方法设计过热汽温控制系统，这对探讨直流炉 的动态特性和过热汽温控制方法都具有一定的意义。 东南大学硕士学位论文 1 2 锅炉汽水系统建模和控制的相关研究现状 1 2 1 锅炉汽水系统建模研究的相关现状 目前火电机组建模的三个主要研究方向为：一是侧重于实验数据分析的简化模型，或者称为实 验建模；二是侧重于机理分析的模块化模型，或者称为机理建模【3 4 1 ；三是采用神经网络，通过训练 学习获得机组的黑箱模型【5 6 1 。其中，机理模型又分为集中参数模型和分布参数模型，这两类模型在 文献【7 j 中都有研究，并且有很高的应用价值。集中参数模型在工程应用中，特别是在全工况电站培 训仿真机的建模工作中，得到了广泛的应用，目前国内外所开发的大多数电站培训仿真机均使用集 总参数模型。然而集总参数模型存在严重的不足之处：模型动态精度较差，不能较好地反映热工对 象的分布参数特性，若以集总参数模型为基础进行控制系统仿真研究，所得某些结果，如控制器的参 数整定，则与实际情况差别很大，不适用于控制系统的仿真研究。国内最新研究认为高精度的集总 参数动态修正模型基于惯性补偿的修正方法，通过增加惯性补偿方程式以及适当调整动态修正因子 和惯性补偿时间常数，对原集总参数模型的结构及其所反映的惯性进行补偿或修正，使修正模型更 好地逼近于分布参数模型，但由于电站在生产过程中，锅炉等设备运行在极端复杂、环境恶劣的条件 下，而且运行状况复杂多变，补偿系数与结构数据有关的参数的确定很难与实际完全吻合。这大大 降低了修正的准确性，从而影响了模型的精度。热工对象最原始的分布参数模型由偏微分方程组成， 可以采用直接数值求解技术对原始分布参数模型进行求解，所得数值解具有很高的精度，但是有计 算量大的缺点。在一定的简化假定条件下，对原始分布参数模型进行线性化，可得线性化分布参数 模型，即传递函数模型，以此为基础可以方便地进行控制系统的仿真研究p j 。与汽包锅炉相比，直 流锅炉( 包括亚临界或超临界直流锅炉) 建模的特殊性主要表现在两相区段上。国内在这方面的理 论研究已赶上国际先进水平，最新的研究成果主要有： 基于l a g r a n g e 流体质点追踪思想的动态计 算模型1 9 j 和适用于大扰动全工况仿真的非线性集总参数移动边界的动态数学模型【l0 1 。 1 2 2 锅炉过热汽温控制研究的相关现状 过热汽温控制系统的设计方案有如下几种 1 l 】：( 1 ) 两级过热器喷水的控制原理。每一级采用双回 路控制，而不是串级控制系统。外部慢回路是基于相应设备相应的前馈，而内部快回路是基于一个 常规的p i d 控制器。( 2 ) 减温喷水控制系统由两级喷水控制子系统组成。一级减温喷水控制系统主回 路为第二级过热器出口汽温控制器，生成第二级过热器出口汽温校正值，用于修正第二级过热器入 口汽温给定值。副回路为第二级过热器入口汽温控制器，生成第一级减温喷水控制指令。二级减温 喷水控制系统主回路为末级过热器出口汽温控制器，生成末级过热器出口汽温校正值，用于修正末 级过热器入口汽温给定值。副回路为末级过热器入口汽温控制器，生成第二级减温喷水控制指令。 ( 3 ) 第三种方案属于煤跟水协调系统的汽温调整，给水调锅炉负荷，燃烧系统调汽温。燃烧指令与给 水流量指令相互交叉限制。过热汽温控制由汽温的燃烧系统控制、减温水控制两部分组成，过热汽 温偏高时，系统将同时降低燃烧率及打开喷水阀直到汽温回到设定值。采用该种控制方案的机组有 福克斯波罗超临界机组过热汽温控制系统。从上文的分析可知，目前运行的超临界机组拥有众多的 控制策略。机组运行时，控制策略的选择也并不是唯一的，而是根据机炉的特性，选取相应的方法， 以期得到最佳的控制效果。综上所述，对于超临界主汽温的控制，其基本的控制思想是“燃水比粗 调，减温水微调1 2 | 。本文采用基于二自由度p d 控制的过热汽温控制系统设计方案，可以独立地 设定“干扰抑制最佳整定参数”和“设定值跟踪最佳整定参数”，进行控制通道和扰动通道两种情况 下控制器的参数整定。 几乎所有先进的控制策略都被用于过热汽温控制系统的设计中，收到了不错的成效，满足了火 电厂对过热蒸汽温度越来越高的控制要求【1 3 1 4 15 1 6 , 1 7 j 引。这些先进的控制策略主要有：基于神经 2 第一章绪论 网络理论的各种控制策略，如用单神经元控制器取代过热蒸汽温度串级p i d 控制中的主调节器的策 略等；基于模糊控制理论的各种控制策略，如过热蒸汽温度的模糊p i d 控制、模糊预测控制策略等； s m i t h 预估控制及其改进型；基于状态反馈的控制策略，如状态反馈控制与串级p i d 控制相结合的 过热蒸汽温度控制策略等；基于鲁棒控制原理改进过热蒸汽温度的串级p i d 控制策略；还有自适应 控制，补偿法控制等等。本文结合所建立的过热汽温对象的模型，采用了两种典型的无模型控制方 法( 迭代反馈整定方法一i f t 和虚拟参考整定方法一v r f t ) 来设计过热汽温控制系统。这两种控制 方法的主要特点就是“无模型”的控制方法，或称为基于数据的直接控制方法。后续章节将对这两 种方法的理论和其在过热汽温控制系统中的应用作详细阐述。 1 3 无模型控制方法研究的相关现状 建立受控系统的数学模型是现代控制理论应用的基础，没有受控系统的数学模型，现代控制理 论就无法取得应用。为了解决这个问题，应使控制方法不依赖于受控系统的数学模型。无模型控制 方法( m o d e lf r e ec o n t r 0 1 ) 就是为了解决现代控制理论这种本质问题而产生和发展起来的控制理论 与方法。基于无模型的控制技术不需要包含受控系统的内部模型的任何信息，仅需要系统的输枷 出( i o ) 数据就能设计控制器，因此无模型控制已经成为当前控制界研究的一个热点。无模型控制 理论与方法是指：。控制器的设计仅利用受控系统的的数据，控制器中不包含受控过程数学模型的 任何信息的控制理论与方法”i l 州。目前，有关无模型控制方法国内外已有一些标志性的研究成果： 无模型自适应控制理论( m o d e lf r e ea d a p t i v ec o n t r o l , m f a c ) ，迭代学习控制理论( i t e r a t i v el e a r n i n g c o n u o li l c ) ，自抗扰控制理论( a c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r , a d r c ) ，迭代反馈整定理论 ( i t e r a t i v ef e e d b a c kt u n i n g ，刀盯) ，去伪控制理论( u n f a l s i f i e dc o n t r o lu c ) ，虚拟参考反馈整定理论 ( v | r t u a ir e f e r e n c ef e e d b a c kt u n i n g ，v r f t ) 等，并且这些新兴的无模型控制理论在多个领域内已经 取得了成功应用。应该指出，应用神经网络的控制方法从严格意义上不是无模型控制方法，因为神 经网络的节点、隐层的确定需要受控对象的部分信息。而且，广义上讲，神经网络就是系统的模型， 系统变化时网络需要重新训练。另外，模糊控制方法也不属于无模型控制方法，因为从广义上讲， 一n 砸n 规则也是一种模型，需要对受控系统有非常深入的了解，同时，当系统发生较大变化时， 规则需要重新给出。因此，按照无模型控制方法的定义，学术上讲，它们不属于无模型控制方法。 由于本文主要研究的是迭代反馈整定理论( 研) 和虚拟参考反馈整定理论( i f r ) ，因此下文 仅对这两种无模型控制方法的研究现状加以介绍。 1 3 1 迭代反馈整定算法( i f r ) 研究的相关现状 迭代反馈整定方法( 耵) 是一种由系统i o 数据驱动的无模型方法，由瑞典学者h h j a t m m s o n 于1 9 9 4 年提出【2 0 】。该方法的具体思路是：预先给定控制器结构，针对受控系统提出一个线性二次高 斯型( l q g ) 优化性能指标，在闭环系统上迭代地完成实验，用获得的数据计算性能指标函数对控 制器参数的梯度，再采用g - a u s s - n e w t o n 迭代算法，搜索使该指标函数最小化的控制器参数，最终使 控制器参数向量收敛到局部极小点。由此可见，肝方法构成简单、各部分之间既相互联系又相对独 立。到目前为止，口盯算法己成功应用于多种过程控制行业中，如：直流伺服系统b 1 | 、倒立摆田j 、 热循环模块控制口驯等。以下分三种情况对该算法的研究现状加以概括。 首先，对基本胛算法的改进方面。许多学者以改善系统性能为出发点，提出对基本耵算法的 若干改进算法，主要包括如下三个方面：( 1 ) 在基本玎盯算法中，使用的指标包含跟踪误差和加权控 制信号两项。而在工业过程控制中，常常使用各类误差积分指标。故此，文献【2 4 】针对过程控制系统 提出一种误差绝对值的优化指标，使刀f 1 r 算法更符合过程控制设计的特点。文献【2 5 】提出一种零权重 方法，使系统暂态响应获得了较大改善。( 2 ) 基本i f t 算法中采用g - a u s s - n e v a o n 迭代算法来更新控制 3 东南大学硕士学位论文 器参数，而文献【2 4 】中，控制器参数更新采用最速下降法，并用v n m i c o m b e 准则将参数限制在使闭环 系统稳定的区域内。该方法不仅具有更快的收敛速度而且给1 f t 算法的稳定性的证明提供了一种新的 思路。( 3 ) 计算输入信号、输出信号对控制器各参数的梯度是耵算法的核心。计算这些梯度时，需 要用到系统的f o 数据，这些数据由系统的三次闭环实验得到。因而采用不同的实验将会得到不同的 t 算法。文献【2 6 】提出，使两次实验外部信号尽量接近，将前次实验误差信号由一个p d 滤波器滤波 后迭加在前次外部信号上。通过上面的阐述可以看到，对基本i f r 算法的改进仍然是目前i f r 算法研 究的一个方向。 其次，i f t 算法和其它控制算法的结合研究，这也是当今i f t 算法研究的热点问题。主要包括如 下三个方面：( 1 ) 基于i f t 算法的内模控制。众所周知，在工业过程控制中常常存在时滞现象，这种 被控对象是难控的。s i m i t h 预估器是处理这种大时滞过程的一种有效解决方法。文献1 2 7 提出一种内 模控制器的迭代反馈整定方法，在内模控制器结构下，应用耵方法实时调节内部模型和控制器的参 数。此外，通过系统结构等价变换，可将s m i t h 预估控制结构转换为内模控制结构，因而该算法也可 以应用于s m i t h 预估控制中。基于i f i 算法的内模控制彻底克服了常规内模控制需要精确了解被控对 象的缺点，算法简单，便于参数调节，且控制品质得到了提高。( 2 ) 基于w i 算法的p i d 控制。文献 【2 8 提出了一种基于继电反馈的p i d 参数优化整定方法。该方法将继电自整定方法和迭代反馈整定方 法有机结合，有效克服了标准z n 整定法的缺陷，并给出解析解和求解公式。该方法基于参数最优 化理论和实验整定方法，根据闭环系统的输入、输出信号，以及性能指标要求整定p d 控制器的3 个 参数。可以尽快得到p i d 控制器参数的最优值，使给定的性能指标达到最小，有效克服了现有p d 整 定方法的缺点。文献 2 9 1 将m i m o 系统转化为两个s i s o 的双闭环系统。再用研算法分别整定这两个 控制器的参数。该方法解决了p i d 控制器参数调整复杂的问题，避免使用多变量控制方法，简化了多 变量控制系统的控制。( 3 ) 基于i f t 算法的切换控制。文献f 3 0 】将刀盯方法与安全切换方法相结合来控 制未知非线性系统。i f f 方法可以直接根据输入输出信息得出满足性能指标的控制器参数。故该文献 用i f t 算法获得与各切换模型对应的控制器参数，避免了常规多模型控制方法中辨识切换模型带来的 诸多不变。 最后，针对非线性系统的口叮算法。j o n a ss j o b e r g t 3 1 3 2 】等人将i f r 方法推广到非线性系统中。文 献【3 1 】为非线性系统提出一类通用控制器的调节方法。该方法建立在闭环系统的一系列实验基础上， 假设参考信号与第一次实验所用参考信号非常接近，以保证其输出信号与第一次实验的输出信号接 近。第一次实验产生一个轨迹，用来建立沿着该轨迹的非线性系统时变线性化模型；再在闭环系统 上作n 次梯度实验( n 为控制器参数个数) ；之后，利用各实验中所获得的数据计算指标函数对每个 控制器参数的梯度；再对控制器参数更新，直到满足最优指标为止。文献【3 2 】提出一种减少闭环系统 实验数目的方法，但是需要辨识时变线性化模型。 通过以上对已有研究成果的论述和分析可以看到，i f t 方法的理论在算法的收敛性、稳定性方面 有待进一步完善，且i f t 方法是针对固定结构控制器提出的一种控制器参数整定方法，应用范围受到 局限。因此，将研方法与其它控制方法相结合是今后该算法发展的主流方向。 1 3 2 虚拟参考反馈整定算法( i f t ) 研究的相关现状 虚拟参考反馈整定方法( v r f t ) 是近年来发展起来的一种直接控制器设计方法，不需要辨识对 象的模型或者进行迭代处理，直接根据对象的开环f o 数据设计反馈控制器。v r f r 方法和内模控制 方法( i m c ) 密切相关，它实际上是通过性能指标的最小化来解决模型匹配问题。虽然两种方法下 控制系统的性能指标有着不同的形式，但v r f f 的性能指标的最小化可以得到相对于模型参考方法 的次优控制器。该方法的基本框架最早由g u a r d a b a s s ig o 3 3 】提出，其基本思想是：将对开环系统 扰动得到的输入输出测量值作为闭环数据，虚拟参考信号可由闭环系统的参考模型和对象的开环输 出测量值来计算得到，虚拟参考信号和对象的开环输出测量值之作差得到虚拟偏差信号。虚拟偏差 信号为控制器的输入信号，对象的开环输入测量值为控制器的输出信号，从而控制器的设计问题就 4 第一章绪论 成为一个标准的辨识问题。这在该文献中被称作虚拟参考直接设计方法( v i r t u a lr e f e r e n c ed i r e c t d e s i g nm e t h o d ) ，简称玢2 d 2 。而文献【3 4 】的发表标志着v r f t 方法的产生。基于坎d 2 方法，该文 考虑了滤波器的作用和噪声的影响，将豫d 2 方法进一步扩展，引入滤波器的设计概念，得到用于 设计反馈控制器的v r f t 方法。到目前为止，v r f r 已在基准点问题【3 5 】、机械传动问题【3 4 j 以及功能 性电刺激i 刈等问题上获得了成功应用。以下简述v r f t 算法在国内外的相关研究现状。 m c c a m p i 教授首先提出了v r f t 算法，并进行了一系列卓有成就的研究，并将积极寻求该算 法和工业实际生产的合作。目前，国外控制界对己f t 算法的研究方兴未艾。文献【3 7 】对f t 的 具体细节进行了更进一步的分析。该文指出，v r f t 方法基于对象输入输出数据通过辨识的方法直 接整定控制器，不论控制器是线性或是非线性的，控制器及逆控制器都可以得到。对系统输出有扰 动或是出现不稳定的零点或极点时，v r f r 算法的每一个步骤都有其优点。另外，该文借助于近似 方法或( 和) 通过简化控制器的结构，采用唧方法给出一种检验控制器是否有效的方法，并且 给出一些用来整定控制器参数的辨识方法的选择。文献 3 8 1 提出了一种单自由度的自适应v r f t 算 法，可用于整定自适应p i d 控制器。另外，该文分析了v l i f l r 算法和i m c 算法之间的关系。仿真结 果表明自适应哪算法的控制效果优于传统v l i f l r 算法。文献f 3 9 1 将i f r 的应用扩展到了两自 由度控制系统的设计，考虑了控制通道及扰动通道的设计，并给出了v r f r 方法在两自由度控制系 统中的具体设计步骤。另外该文也指出，采用v r f t 方法时，可在回路中单独设置积分环节。同时， 通过分析被控对象和闭环系统的频率响应，很容易获得滤波器的设计思路。2 0 0 7 年，a n t o n i os a l a 4 0 将v r f t 方法统一到闭环系统辨识的框架中。该文讨论了三种情况下的辨识指标的梯度计算：闭环 辨识( 模型辨识) 、控制器辨识( 或v r f t 算法中的真实回路) 以及和控制相关的辨识。v r f r 方法 下控制器的辨识实际上是闭环辨识的特例，并且它和i f t 方法以及控制相关的辨识是相关的。根据 这一特点，通过辅助的对象模型( 由对象实验数据辨识得到) 或是无模型近似方法，总结了、像f t 的几种可能方案。可根据实际条件和精度要求来选择其中可行的方案。文献【4 l 】和文献【4 2 】将唧 方法推广到了在非线性系统中的应用。 在国内，对v r f t 的算法的研究文献和成果较少，并且尚未应用到实际工业过程控制中。文献 【4 3 】提出一种改进的v r f r - - p i d 参数整定方法。由基本唧算法可知，i f t 只需要对象的一组 开环i o 数据就可以设计出一个控制器，但设计出的控制器是否能获得很好的控制效果取决于采集 的i 船数据能否将足够的对象信息展现出来，因此，v r f t 方法所设计出的全局控制器实际上是与 i o 数据紧密相关的。而该文提出的方法的基本思想是将运行一段时间的过程输入输出数据添加到最 初离线开环系统实验得到的测量数据序列中生成增广数据序列，它包括了当前最新一段工作范围内 的所有数据，以此用来更新传统v r f t 设计方法中的离线数据。而后，在每一个采样时刻利用增广 数据序列中的新数据通过v r f t 算法整定p i d 控制器的参数。且仿真结果表明经过改进的v r f r 算 法优于传统i f t 算法。文献【4 4 】提出一种基于虚拟参考方法和支持向量机( s v m ) 的非线性控制 器直接设计方法。采用s v m 来求解虚拟参考方法最终要解决的控制器参数辨识问题。给出了具体的 非线性控制器的结构和设计步骤，证明了其良好的处理非线性和噪声的能力，并和经典的基于神经 网络( n e u r a ln e w o r k s ，n n ) 的间接模型参考控制方法进行了比较。 通过以上对已有研究成果的论述和分析可以看到，v r f t 算法尚有如下问题值得进一步研究： 虚拟参考模型的选择、灵敏性问题、评价函数的设计以及该算法的实际应用性问题等。 1 4 本文的研究方案和主要内容 本文以某6 0 0 w m 超临界直流炉为研究对象，建立其在7 5 - - b m c r 和1 0 0 0 a - b m c r 两种典 型工况下的汽温对象模型，并针对该模型设计过热汽温控制系统。本文的主要工作包括如下几个部 5 东南大学硕士学位论文 分，并可由图1 4 来表示本文的写作结构。 ( 1 ) 采用l a g r a n g c 流体质点追踪方法建立了受热面的分布参数模型；补充锅炉系统其它部分的 仿真模型，主要包括汽水分离器、喷水减温器等环节的仿真模块，构成锅炉本体仿真模型；对己建 立的仿真模型作7 5 - - b m c r 和1 0 0 - b m c r 两种典型工况下的动态特性试验，并建立基于实验 结果的汽温对象传递函数模型，为进一步开展汽温控制系统的设计奠定基础。 ( 2 ) 详细介绍迭代反馈整定方法( 疥) 的理论，结合已建立的过热汽温对象的模型，采用常规 z - n 整定方法得到p i d 控制器的初始参数，设计基于i f t 的二自由度p i d 过热汽温控制系统，给 出具体的设计步骤，并和常规整定方法作比较。 ( 3 ) 详细介绍虚拟参考反馈整定方法( 聊) 的理论，结合已建立的过热汽温对象的模型，设 计基于v r f t 的二自由度p i d 过热汽温控制系统，给出具体的设计步骤，并和常规整定方法作比较。 ( 4 ) 总结i f r 方法和v r f t 方法的特点。首先，i f t 方法的突出贡献在于它给出了一种计算指 标函数对控制器参数的无偏梯度的计算方法，但这种无偏梯度的计算是通过对闭环系统的三次实验 得到的。而v r f t 方法则是直接面向应用的，控制器的参数可通过一次计算得到，不需要进行迭代 处理。其次，i f r 方法要求给出控制器参数的初始值，而且要选择得当。不合适的控制器初始参数 会对控制器系统的性能造成很大的影响，甚至使控制系统指标陷入局部最小点。而i f r 方法不需 要知道控制器的初始参数或是迭代处理，并且参考模型也可根据具体的控制目标来灵活选取。最后， i f t 方法得到的控制器是最优的，但仿真时间较长；v r f r 方法得到的控制器是次优的，但计算方便， 耗时较短。由此可知，这两种无模型控制算法各有其特点，可根据实际需要来合理地选择控制算法。 ( 5 ) 需要说明的是，本文所选用的控制方法为两种典型的无模型控制方法，汽水系统仿真模型 的建立和传递函数的辨识主要用于模拟实际的被控对象，进而通过获取其输入输出数据或进行闭环 响应实验，进行无模型控制器的设计和优化。 参考文献 【l 】 【2 】 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 图1 4 论文写作结构图 s c b o r gd e ，e d g a rt em e l l i c h a m pd a p r o c e s sd y n a m i c sa n dc o n a o l m j o h nw i l e y , 1 9 8 9 m o r a r i m ，z a f i r i o u c r o b u s tp r o c e s sc o n l r o l m n jp r e n t i c eh a l l ，19 8 9 范永胜，徐治皋，陈来九超临界直流锅炉蒸汽发生器的建模与仿真研究( 一) 【j 】中国电机工程 学报，1 9 9 8 ，1 8 ( 4 ) ：2 4 6 - 2 5 3 范永胜，徐治皋，陈来九超临界直流锅炉蒸汽发生器的建模与仿真研究( 二) 【j 】中国电机工程 学报，1 9 9 8 ，1 8 ( 5 ) ：3 5 0 3 5 6 王广军，何祖威，陈红基于神经网络和过程机理特性的锅炉蒸发系统仿真阴中国电机工程学 报2 0 0 1 ，2 1 ( 1 1 ) ：6 5 - 6 8 刘志远，吕剑虹，陈来九新型b p f 神经网络及在热工过程建模中的应用【j 】中国电机工程学 6 第一章绪论 报2 0 0 2 ，2 2 ( 1 1 ) ：1 1 8 - 1 2 2 阴章臣樾锅炉动态特性及其数学模型北京：水利水电出版社1 9 8 7 【8 】吕崇德，范永胜，蔡瑞忠，等我国电站仿真技术进展与建模理论研究中国工程科学1 9 9 9 1 ( 1 ) 【9 】王广军，章臣樾锅炉单相受热面动态过程建模与仿真的一种新方法川中国电机工程学报 1 9 9 3 ，1 3 ( 4 ) ：2 2 - 2 6 【l0 】范永胜6 0 0 m w 超临界机组直流锅炉的全工况建模与仿真研究【d 】南京：东南大学1 9 9 7 【1 1 1 杨景祺，戈黎红，凌荣生超临界参数机组控制系统的特点及其控制策略【j 1 中国动力工程学 报2 0 0 5 ，2 5 ( 2 ) ：2 2 1 - 2 2 5 【1 2 】魏志，高东杰超临界直流锅炉主汽温控制【j 1 微计算机信息，2 0 0 8 2 4 ( 4 1 ) ：1 1 9 【1 3 】何同样，刘吉臻，牛玉广，等过热汽温s i m i t h * 级控制系统及参数整定 j ，华北电力大学学 报，1 9 9 8 ，2 5 ( 4 ) ：7 0 7 3 【1 4 1 陈江华，吕剑虹基于大滞后补偿技术的锅炉再热汽温控制系统【j ，江苏电机工程，2 0 0 5 ，2 4 ( 2 ) ：5 8 6 0 【1 5 】边立秀，赵日晖f u z z y 自整定p i d 参数的s m i t h 预估主汽温控制系统 j ，计算机仿 真，2 0 0 4 ，2 1 ( 1 ) ：1 0 2 - 1 0 4 【l6 】黄胜改进型s m i t h 预估器在过热汽温控制中的应用 j ，自动化仪表，2 0 0 3 ，( 2 4 ) ：4 2 4 5 【l7 】李遵基，袁应钦，段志刚主汽温自适应预估控制方法的研究 j ，华北电力大学学报，1 9 9 6 ， 2 3 ( 4 ) ：9 8 1 0 1 【1 8 】李向东，阎明，邵春江，等自适应理论在过热器减温调节中的应用 j ，黑龙江电力，2 0 0 0 ， 2 2 ( 5 ) ：4 3 - 4 5 【1 9 】侯忠生无模型自适应控制的现状与展望m 控制理论与应用，2 0 0 6 ，2 3 ( 4 ) ：5 8 6 - - 5 9 2 【2 0 h j a l m m nh ，g - u n n 嬲s o l ls ，g e v e r sm ac o n v e r g e n ti t e m f i v e r e s t r i c t e dc o m p l e x i t yc o n l r o l d e s i g ns c h e m e p r o c e e d i n g so f t h e3 3 r di e e ec d c ，o r l a n d o ，f l , 1 9 9 4 ：1 3 7 5 1 7 4 0 【21 h j a l m a 脚nh ，g e v e r sm ，g u n n a r s s o ns ，l e q u i n0 i t e r a f i v ef e e d b a c kt u n i n g ：t h e o r ya n d a p p h c a f i o n s i e e ec o n t r o ls y s t e mm a g a z i n e ，1 9 9 8 ，1 8 ( 4 ) ：2 6 - 4 1 【2 2 c o d r o u sb ，b m y n efd ，w a n m d ，g e v e r sm i t e r a t i v ef e e d b a c kt u n i n go fan o n l i n e a rc o