（检测技术与自动化装置专业论文）换热点站智能管控系统的设计与应用.pdf

一一 v m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y j if u ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gs i y u a n j u n e2 0 1 1 i d , 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺逸垫进萱能笪丝丕统的逡过量廑旦：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：型_ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名舷扒导师躲严黔夕 日期：知f f 年7 月弓日 中文摘要 摘要 换热站是集中供热系统中非常重要的一部分，随着自动化技术和计算机通信 技术的深入发展，国外许多换热站系统已经实现了自动控制。然而我国大多数换 热站只是凭经验进行人工操作，自动化程度较低，难以满足用户端用热动态调节 的要求，造成了供热温度难以控制，补水、泄压系统紊乱，变频调速不合理等现 象，不仅对供热品质、安全性、经济性造成了不良影响，而且浪费了巨大的能源 和人力资源。 本文设计了一套换热站智能管控系统，该系统针对换热站各个环节的工艺特 点，分别设计选择了不同的控制算法。采用i t g c ( i n t e l l i g e n tt r a c kg u i d i n g c o n t r o l l e r ) 控制算法，结合动态适时的正确给定，以及实用化的智能p a n g p a n g 控 制，分别实现了具有气候补偿和时间修正功能的回水温度控制，安全可靠的补水、 泄压以及节电节能的变频调速控制。同时利用g p r s 无线传输技术以及网络视频 监控技术对多个换热站进行管理和监控，很好的实现了“分布控制、集中管理 。 换热站系统时间常数大、滞后严重，p i d 控制器难以兼顾动态与静态指标的 要求，而积分饱和、微分环节对噪声的放大等作用又制约了p i d 的控制效果，并 且传统的误差取法过于简单，极易造成控制系统的紊乱。i t g c 采用一阶惯性环节 的阶跃响应曲线来代替原有的阶跃给定变化，整个过程由原来的“目标管理”过 渡到“过程管理”，可以有效的克服传统p i d 控制算法的缺陷。通过m a t l a b 仿 真实验以及温度控制平台实验表明，i t g c 控制算法结构简单，参数整定方便，具 有较好的鲁棒性。 某高校换热站现场的实际运行结果表明该换热站智能管控系统稳定性良好， 可以很好的解决供热温度控制，补水、泄压控制，变频调速控制等问题，满足了 舒适性、安全性、节能性、经济性的要求。同时g p r s 无线传输技术以及网络视 频监控技术实时性强、传输速率高，实现了对各个换热站的远程监控。 关键词：换热站；智能管控系统；i t g c = 补水泄压；温度控制；g p r s j 攀 ， s y s t e mo f w a t e rr e p l e n i s h i n ga n dp r e s s u r er e l i e fd i s o r d e ra n dt h ef r e q u e n c yr e g u l a t i o n i sn o tr e a s o n a b l e t h i sn o to n l yc a u s e sb a de f f e c tt oh e a t i n gq u a l i t y , s a f e t y , e c o n o m y , b u ta l s ow a s t e sal a r g en u m b e ro fe n e r g ya n dh u m a nr e s o u r c e s t h i sp a p e rd e s i g n sas e to fi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fh e a t e x c h a n g es t a t i o n t h es y s t e mc h o o s e sd i f f e r e n tc o n t r o la l g o r i t h ma c c o r d i n gt o t h e p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so fe a c hl i n k , r e a l i z i n gt h ec o n t r o lo fb a c k w a t e rt e m p e r a t u r e w i t hc l i m a t ec o m p e n s a t i o na n dt i m ec o r r e c t i n g , s a f ea n dr e l i a b l ew a t e rr e p l e n i s h i n g a n dp r e s s u r er e l i e f , p o w e rs a v i n go ff r e q u e n c yc o n t r o lb yu s i n gi t g c ( i n t e l l i g e n t t r a c kg u i d i n gc o n t r o l l e r ) ，d y n a m i c t i m e l y c o r r e c t g i v e n v a l u ea n dp r a c t i c a l i n t e l l i g e n tp a n g - p a n gc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h et e c h n o l o g yo fg p r sa n dn e t w o r k v i d e om o n i t o r i n gi su s e df o rh e a te x c h a n g es t a t i o nm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g ，w e l l a c h i e v i n gt h ea i mo f “d i s t r i b u t i o nc o n t r o l ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t ” t h eh e a te x c h a n g es t a t i o ns y s t e m sh a v el a g e rt i m ec o n s t a n ta n ds e r i o u st i m ed e l a y p i dc o n t r o l l e ri sd i f f i c u l tt og i v ec o n s i d e r a t i o nt ob o t ho ft h ed y n a m i ca n ds t a t i ci n d e x d e m a n d s t h ei n t e g r a ls a t u r a t e d ，d i f f e r e n t i a ll i n kt on o i s ea m p l i f i c a t i o na l s or e s t r i c t s t h ec o n t r o le f f e c t ，a n dt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fe r r o r - g e t t i n gi st o os i m p l e s oi ti se a s y t oc a u s et h ec o n t r o ls y s t e md i s o r d e r s i t g cu s e st h es t e pr e s p o n s ec u r v eo ff i r s t o r d e r i n e r t i al i n ki n s t e a do ft h eo r i g i n a ls t e p g i v e n - v a l u e , a n dt h eo r i g i n a l 、a r g e t m a n a g e m e n t i st r a n s f o r m e di n t o p r o c e s sm a n a g e m e n t ，w h i c h c a l le f f e c t i v e l y o v e r c o m et h ed e f e c t so ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t so f t e m p e r a t u r ec o n t r o lp l a t f o r ma n dm a t l a bs h o w t h a ti t g cc o n t r o la l g o r i t h mh a ss i m p l e s t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tp a r a m e t e rs e t t i n ga n dg o o dr o b u s t n e s s t h ea c t u a lo p e r a t i o nr e s u l t so fh e a te x c h a n g es t a t i o ni nau n i v e r s i t ys h o wt h a tt h e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo f h e a te x c h a n g es t a t i o nh a sg o o ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g es t a t i o n ；i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ； i t g c ；w a t e rr e p l e n i s h i n ga n dp r e s s u r er e l i e f ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ； g p r s 1 2 国内外研究现状一3 1 2 1 国外研究现状一3 1 2 2 国内研究现状一4 1 3 研究内容一6 一 第二章换热站智能管控系统基础理论研究一7 2 1p i d 控制器概述一7 2 1 1 经典p i d 控制器一7 2 1 2 经典p i d 控制器优缺点及改进一8 2 2i t g c 控制器概述一1 0 2 2 1i t g c 原理与结构一1 0 2 2 2i t g c 算法的实现一1 2 2 2 3i t g c 算法的参数意义分析一1 5 2 3i t g c 控制器参数整定一1 6 2 3 1t 的整定一1 7 2 3 2a p 、a v 的整定一1 8 2 4i t g c 控制器仿真研究一1 9 2 5 基于温度控制平台的i t g c 实验研究一2 1 2 5 1 温度控制平台的构建一2 l 一 2 5 2 控制效果分析一2 2 2 6 本章小结一2 5 一 第三章换热站智能管控系统的设计一2 7 3 1 系统结构设计一2 7 3 2 供热温度控制系统一2 8 3 2 1 温度控制原理一2 9 目录 3 2 2 回水温度设定值的给定一2 9 3 2 3 控制算法的选择一3 3 3 3 补水、泄压系统一3 3 3 3 1 补水控制一3 4 3 3 2 泄压控制一3 5 一 变频调速系统一3 6 3 4 1 变频控制原理一3 6 3 4 2 变频控制方式一3 8 一 报警机制设计一3 9 一 g p r s 无线传输一4 0 一 3 6 1g p r s 无线通讯原理及特点一4 0 3 6 2g p r s 无线通信系统架构设计一4 l 一 3 6 3g p r sd t u 的配置一4 2 3 6 4 无线路由器的配置一4 4 一 网络视频监控系统设计一4 5 3 7 1 系统的功能及特点一4 5 3 7 2 系统的运行环境及结构设计一4 6 一 本章小结一4 7 一 换热站智能管控系统的应用与实现一4 9 一 终端站人机界面一4 9 4 1 1 总貌一5 1 4 1 2 流程图一5 1 4 1 3 实时曲线一5 2 4 1 4 数据表一5 3 4 1 5 历史曲线一5 3 4 1 6 历史报表一5 5 4 1 7 报警窗口一5 6 一5 7 一 一6 0 一 一6 2 一 一6 3 一 一6 3 一 一6 4 一 一6 5 一 一6 6 一 一6 7 一 一6 7 一 一6 8 一 一6 9 一 致谢一7 1 一 研究生履历一7 3 ， 节能减排是缓解能源资源约束，落实科学发展观，实现可持续发展的必然选 择，党中央、国务院高度重视节能减排，将“节能、环保、低碳”确立为我国长 期坚持的战略国策。2 0 0 6 年国务院发布关于加强节能工作的决定，要求将节 能工作摆在更加突出的位置，2 0 0 7 年国务院又印发了节能减排综合性方案， 进一步明确了节能减排的目标和责任【1 1 。 在我国广大的北部地区，冬季城市供热一直是人们密切关注的问题。随着社 会的发展，城市化、现代化进程的加快，节能、环保、低碳思想的逐渐深入人心， 尤其是工业自动化水平的提高，供热方式也随之发生了巨大的变化，正逐步由以 往的分散供热方式向集中供热方式发展，在节约能源、降低碳排放量、减少环境 污染、提高经济效益方面起到了重要作用。 集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，利用一个或多个热源通过供热管网、 热交换站等，向一个城市或城市中较大区域的各个热用户提供热能的方式。集中 供热与分散供热相比，有着许多的优势，而正是这些优势，使其得到了快速的发 展【2 1 ： 第一、减少环境污染。“拆小建大 ，拆除技术落后、污染严重的小锅炉房， 新建热电厂或是集中供热锅炉房，将大面积排放变为点排放，大大的减少了城市 环境污染。 第二、大大节约能源。利用高效、低能耗、大容量的锅炉代替原有的低效、 高能耗、小容量锅炉，达到节能的目的。 第三、提高供热品质。分散供热采取间断供热的方式，供热的稳定性不高， 舒适度较差；集中供热则采取连续供热的方式，且一般自动化程度较高，可根据 室外温度及热负荷的变化实时的对供热量进行调节，保证室内始终维持在一个适 宜的温度，确保了供热的舒适度和供热品质，满足热用户的需求，同时节约了大 换热站 图1 1 换热站在集中供热系统中的重要位置 f i g 1 1t h ei m p o r t a n tp l a c eo fh e a te x c h a n g es t a t i o ni nt h ec e n t r a lh e a t i n gs y s t e m 对于热源，供热量的变化经常会导致热网的动态变化，它肩负着调节热网输 配平衡的作用；对于热用户，由于热计量工作的推进，热用户对于用热量的动态 调节变成了一种必然【4 】，这种动态调节也会使得管网处于一个动态变化的环境中， 造成了供热温度难以控制，补水、泄压系统紊乱，变频调速不合理等现象，对换 热站的安全性、节能性、舒适性、经济性提出了更高的要求，它有着保障优质供 热的作用。综上所述，换热站智能管控系统的控制关键点如图1 2 所示。 r 温度控制 | 供热变们l 补水控制 - 毯戮动态变化既篡- 用热调节|l 泄压控制 一 l 1 变频调速 图1 2 换热站智能管控系统的控制关键点 f i g 1 2t h ek e yp o i n to fi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fh e a te x c h a n g es t a t i o n 同时，随着科学技术的发展和生活水平的提高，广大的热用户对供热的稳定 性以及舒适性也提出了更高的要求，如何了解各个换热站的工作状况和相关信息， 并根据这些信息以及室外温度对换热站运行参数进行实时的调节，实现安全可靠 的补水泄压、合理的变频调节、恰当的供热温度控制，最终使得整个集中供热系 统的在一个最佳的工况下工作，从而获得良好的经济效益以及社会效益是供热企 业所追求的目标。 在传统的换热站控制系统中，多采用p i d 控制算法，但随着控制系统的复杂 化和对控制要求的日益精确化，并且实际换热站现场常具有时滞性、时变性、不 确定性等因素，使得p i d 控制效果不尽如人意，对控制的质量、系统的能耗等带 来了不利的影响，甚至会影响到生产装置的安全【5 1 。针对p i d 控制器存在的上述问 题，研究开发了一种新型的更为实用的控制器：i t g c ( i n t e l l i g e n tt r a c kg u i d i n g c o n t r o l l 训卜一智能轨迹导引控制器，并将该算法在换热站智能管控系统中进行了 有效的应用【6 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外，特别是北欧的一些发达国家，自2 0 世纪7 0 年代的能源危机以来，非 第一章绪论 常重视建筑节能工作，制定了一系列政策、法规和相配套的技术方案，并特别针 对供暖系统安设了自动控制装置，使得用户可以充分利用自由热，对于用热舒适 度提出了明确的要求。如丹麦、瑞典、芬兰、德国、韩国等国家，它们普遍采用 的控制模型是【2 】= 一次网：根据热负荷的大小确定热源投入运行的时序。在供暖初期和末期， 热负荷较小，只需启动电厂主热源进行供热，随着气候变冷或是热负荷的增加， 再启动调峰热源。主热源通过温度控制器调节循环泵的转速，从而达到控制供水 温度恒定的目的。当主热源供热量不足时，位于近端有利工况处的换热站，通过 调大一次网供水管上的供水调节阀，使之达到要求负荷；位于远端不利工况处的 换热站，由于需水量得不到满足而出现供热不足，此时需启动调峰热源，向热网 中补充欠缺的热量。当主热源与调峰热源之间的热负荷采用不同的匹配方法时， 最不利工况点的位置是移动的，则在正式开始供热之前，需要对各个换热站进行 巡检以获得真实的最不利工况点，然后将巡检结果反馈到热电厂，并对调峰热源 循环泵的转速进行相应的调节，以保证最不利工况点处的换热站达到要求负荷【2 1 。 二次网：采用p i d 控制算法或是简单的p a n g p a n g 控制算法调节一次网供水 管上的供水调节阀，从而改变一次侧的供水流量，保证二次网供水温度为设定值。 上述控制方案中，一次网、二次网分别采用量调节以及质调节的方式。这样 做的优点是，既保证了一次网的节能运行变水量控制，又简化了对二次网的 控制。但是该方案在二次网的控制算法选取上存在着不足之处，由于换热站供热 系统各个部分相互关联，涉及区域较广，热惯性很大，面临扰动因素多，供热系 统处于一个不断变化的工况中，使得整个系统协调动作难度较大。传统的p i d 控 制算法或是简单的p a n g - p a n g 控制算法并不能满足换热站温度调节的需求，不仅降 低了供热品质，造成能源的大量浪费，而且易于造成“爆管、窜气”等供热事故。 1 2 2 国内研究现状 与国外相比，目前我国的采暖系统非常落后，具体表现在供热品质差，供热 效率低，热能、电能消耗巨大，且安全性得不到有效的保障。当前按面积计费的 换热站智能管控系统的设计与应用 方式无助于用户节能意识的提高，直接导致了一些非正常现象的出现，例如：室 温过高开窗、室温过低投诉等，使得设计人员及供暖公司不得不尽量加大锅炉、 循环泵及换热器的容量，造成了效率低、能耗高的浪费现象。我国能源紧缺，但 是采暖用能十分浪费，据有关资料介绍，我国住宅建筑采暖能耗为相近气候条件 的发达国家的3 倍左右，采暖能耗不仅造成资源的严重浪费，而且也是大气污染 的一个重要诱因【3 1 。 在功能上，发达国家通常保证室内温度不低于2 2 ，但我国仅为1 6 ，而且 我国的供热品质较差，室内温度经常会发生冷热不均的现象。目前，我国城市集 中供热的能源浪费主要来源于：建筑设计落后，建筑的保温隔热和气密性能差； 采暖系统落后，自动化程度不高。本文主要就是通过改善采暖系统中换热站环节 的自控程度来提高供热品质、节约能源的。 与国外控制模式不同，国内采用的控制模式可分热源和热网两部分：热网部 分保证总供热量的均匀分配，并以实现各换热站供热效果一致为调节目标。热网 的总需热量是通过对热负荷的动态预测，并对热源部分进行直接调节而实现的。 而各换热站之间的热量分配是通过各站点自身独立的控制器来实现的，即根据室 外温度确定二次网供水温度值，再通过一次网供水调节阀改变一次侧供水量来保 证二次侧供水温度维持在设定值上。为了使调节阀动作准确、工作稳定、免受管 网压力波动的影响，可以通过外加一个自力式差压流量调节阀的方式，来维持供 水调节阀两端的压差为恒定值【2 1 。 在热源供热量充足的条件下，每个换热站都可通过自身的控制器来调节满足 热负荷的要求。但是当热源供热量不足的情况下，各换热站的自力式差压流量限 制阀就会起到限制各站的流量的作用，从而限制各站的用热量，实现均匀分摊热 量的作用。 换热站今后的发展趋势是3 】： ( 1 ) 供热系统的全自动化； ( 2 ) 换热站设备更加的安全可靠，实现机组化； ( 3 ) 满足供热安全性、节能性、舒适性、经济性的要求； 第一章绪论 ( 4 ) 具有可靠的g p r s 无线传输系统以及图像监控设备，无需人员的现场 1 3 研究内容 本文以集中供热系统中的换热站为研究对象，设计了一套换热站智能管控系 统。该系统针对换热站不同环节的不同工艺特点，编写相应的控制算法，主要采 用智能p a n g p a n g 控制算法对泄压及补水进行控制，结合动态给定的i t g c 控制算 法对二次网循环泵转速、供热温度进行调节，并综合使用了g p r s 无线通信技术 以及网络视频监控技术，搭建监控中心，实现对多个换热站的集中监控和管理， 很好的满足了安全性、节能性、舒适性、经济性的要求。 本文主要分为以下几章： 第一章：绪论。主要介绍了供热领域中集中供热的发展趋势，以及换热站在 集中供热系统中的重要地位；分析了国内外供暖系统和换热站控制系统的发展现 状及其优缺点；最后介绍了本课题的主要研究内容。 第二章：换热站智能管控系统基础理论研究。着重剖析了经典p i d 控制器， 说明了p i d 的基本原理、适应范围、合理性及其不足之处，针对不足的地方提出 改良，引入i t g c 控制算法，深入研究了i t g c 控制算法的原理、结构、参数等， 并在实验室搭建温度控制平台，对其控制效果以及鲁棒性进行了研究。 第三章：换热站智能管控系统的设计。该章详细分析了换热站智能管控系统 终端站的内部结构、控制回路、算法使用等情况，然后介绍了g p r s 无线传输的 基本原理、特点，以及g p r sd t u 、无线路由器的使用配置方法，并深入研究了 网络视频图像传输技术。 第四章：换热站智能管控系统的应用与实现。介绍了上、下位机软件设计思 路和人机界面的使用方法，并主要对基于动态给定以及i t g c 控制算法的供热温度 控制系统进行了研究，对换热站系统的运行数据进行了处理、分析。 第五章：结论与展望。对该换热站智能管控系统以及i t g c 控制算法的良好应 用前景进行了展望，并指出研究中存在的不足以及今后有待改善的方向。 容易获取的， 根据这些已知的信息，如何去确定为实现预期控制要求而需要施加的控制力是控 制理论要解决的最终问题。 控制理论的发展史就是围绕这个最终目的而开展的两种截然不同的研究方案 的相互交错的发展历史。第一种是根据系统的输入输出信息来决定对象运动的 “输入一输出 关系，然后根据此关系来决定所需控制力的办法；第二种是直接 加入输入输出和设定值的信息来决定所需控制力的办法。而第二种办法的典型例 子，是依据期望行为和实际行为之间的误差来决定控制力的经典p i d 控制方法， 即利用误差反馈来消除误差，这种根据期望值与实际值之间的误差来消除误差的 控制策略叫做误差反馈控制。其原理图如图2 1 所示哺1 。 图2 1p i d 控制原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fp i dc o n t r o l p i d 是线性的控制算法，该算法通过设定值s v i n ( t ) 与p v o u t ( t ) 得到偏差e ( t ) ， 即：e ( t ) = s v i n ( t ) p v o u t ( t ) ，根据这个误差信号的比例信号、积分信号以及微分信号 的加权和来生成驾驭被控对象的控制量u ( 0 的方法。其结构简单、物理意义明晰、 对模型依赖性低且可靠性高，是至今仍在工业控制过程中被大量使用的基本控制 结构。其控制规律可表示为： 式中 进行 节速 定目标值的无静差跟踪【9 1 。由式( 2 1 ) 可知，仅有当p ( f ) = o 时，p i d 控制器的输出才 为常数值，因此，只要系统的动态误差不为零，积分环节就会产生输出，直至误 差为零时，积分环节的调节作用停止。积分时间常数z 的大小决定积分作用的强弱， z 越大则积分作用越弱，z 越小则积分作用越强。积分作用的引入常使得系统的稳 定性下降，动态响应速度变慢。 微分环节的引入可以改善系统的稳定性和响应速度，微分环节能够反映系统 偏差的变化率，从而预见偏差变化的趋势和方向，产生超前调节的作用，换而言 之，微分环节可以在偏差没有扩大之前消除偏差，当偏差无变化时，微分环节的 输出为零。微分时间乃的大小可以决定微分作用的强弱，乃越大则微分作用越强， 乃越d , n 微分作用越弱。选取合适的微分时间可以有效的减小系统的调节时间和 超调量，但是微分环节对噪声干扰同样有放大作用，故不能过度的增强微分环节。 2 1 2 经典p l d 控制器优缺点及改进 经典p i d 最主要的优点在于：它是一种依靠目标与实际行为之间的误差来决 换热站智能管控系统的设计与应用 定消除此误差控制力的控制策略，而不是依赖于对象的输入输出关系，即不依赖 于对象的输入一输出模型来决定控制策略。只要选择合适的p i d 增益使得闭环达到 稳定状态，那么就可以使一类对象达到静态指标。 经典p i d 控制器的缺陷主要有以下几个方面【1 0 】： ( 1 ) ：对象的被控输出p v o u t ( t ) 是动态环节的输出，具有一定的惯性，取值不 能发生突跳，但是设定值s v i n ( t ) 是由系统外部给定的，可以跳变。若直接采用它 们之间的差e ( t ) = s v i n ( t ) p v o u t ( t ) 作为误差信息来消除这个误差，就意味着让不可能 跳变的量来跟踪可以跳变的量，这个要求是不合理的。 ( 2 ) ：p i d 控制中需要使用误差的微分信号，但是过去没有合理、可靠的提取 微分信号的装置和办法，因此不能充分的发挥出微分环节的反馈作用。 ( 3 ) ：p i d 中的误差反馈率是误差的现在( p ) 、过去( i ) 、将来( d ) 的线性 加权和，但是这些量的线性组合过于简单，并非是最合适的组合方式，可以在非 线性领域寻求更合适、更有效的组合形式。 ( 4 ) ：大量现场控制工程表明，经典p i d 控制中的积分反馈环节对抑制常值 扰动的作用效果显著，但积分反馈环节也存在着许多的弊病，常常使闭环系统产 生反应迟钝、产生震荡以及控制量饱和等现象，不仅影响了了工程的控制效果， 也给安全生产埋下了隐患。 为了有效的避免上述缺陷，可以从如下四个方面加以改进【1 1 】： ( 1 ) ：安排合理的过渡过程。根据系统的承受能力、被控量变化的合理性以 及系统所能够提供控制力的能力，由设定值s v 预先安排合适的过渡过程，该过渡 过程可以通过跟踪微分器或函数发生器来实现。在某些控制工程的实践中，安排 过渡过程的方法已经得到了一定的应用，但是往往忽略了安排过渡过程的微分信 号。因此，在新的算法里不仅需要给出过渡过程本身，同时还需给出过渡过程的 微分反馈信号，充分发挥出微分环节的作用。 ( 2 ) ：使用恰当的微分信号提取手段。误差的微分反馈信号可以通过噪声放 大效应低的跟踪微分器、状态观测器或是扩张状态观测器来提取。 ( 3 ) ：寻找更合适的组合方式。可以尝试在非线性领域寻找更为合适的组合 第二章换热站智能管控系统基础理论研究 形式，形成更加合理的误差反馈率。 ( 4 ) ：采用扰动估计补偿办法。用扩张状态观测器实时的估计作用于系统的 扰动总和，并给予新的补偿方法代替误差积分反馈作用，该扰动估计补偿办法既 能抑制常值扰动的影响，又能消除几乎任意形式的扰动影响。 由此引出新的思考：以什么样的曲线安排过渡过程、进行引领，才能使设定 值更加合理；以什么样的形式使用微分信号，才能抑其缺点，扬其优点。针对上 述问题，本文引进了i t g c 控制算法。 2 2it g c 控制器概述 前一节讨论了通过在经典的p i d 控制算法框架中加入“合理的过渡过程 、 “恰当的微分信号提取手段”以及“寻找更加合适的组合方式 等方法来改善控 制器缺陷和控制品质的问题，本节研究了智能轨迹导引，即i t g c 控制算法【1 2 1 。 i t g c 采用一阶惯性环节的阶跃响应曲线作为规划曲线，并将简单的误差反馈 转变为速度以及位置的反馈，从而将“目标的控制 转化为“过程的管理与控 制 ，将“目标的实现”转换为可达“过程目标 的实现【1 3 1 。 2 2 1it g c 原理与结构 i t g c 的控制原理框图如图2 2 所示【1 4 1 。 图2 2i t g c 控制原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fi t g cc o n t r o l 在实际工控现场中，被控对象不可能迅速发生大幅度的变化，要使一个真实 的物理系统快速的跟随不连续的阶跃设定值是不可实现的，所以对于具有较大时 换热站智能管控系统的设计与应用 间常数的系统来说，系统的阶跃响应一定是一个逐渐趋近的过程。工程n 4 r 也早 就意识到系统的设定值s v 不应该发生突变，而应该逐渐的改变以使得系统的输出 渐进的进行跟踪，这就需要改变传统的目标值设定方式，转而安排逐渐改变的设 定值，即安排合理的过渡过程 1 3 】。 在传统的控制系统中，误差一般直接取为： p ( f ) = s v i n ( t ) 一p v o u t ( t )( 2 5 ) 式中，s v i n ( t ) 为设定值，p v o u t ( t ) 为系统的输出值，即测量值。该种误差取法 经常使得系统初始阶段的误差过大，极易产生超调。根据被控对象的实际承受能 力，首先安排合理的过渡过程s v i n 。( f ) ，然后将误差取为e ( t ) = s v i n ( f ) 一p v o u t ( t ) ， 这就有效的解决了p i d 快速性和超调之间的矛盾，并且提高了控制器的鲁棒性。 s v 图2 3 规划曲线的选择 f i g 2 3t h es e l e c t i o no fg u i d i n gt r a c k 机理相似的规划曲线都可显著改进p i d 控制的不足，可供选择的规划曲线是 多种多样的，如：斜线、“s ”型曲线、一阶惯性曲线等( 如图2 3 所示) 【j 5 1 。结 合工艺对比分析可知，在大偏差阶段通常需要有一个比较快和相对粗糙的响应； 随着误差的逐渐减小，系统更需要有较好的稳定性和准确性，避免超调和振荡的 产生。以斜线为参考模型，实现简单，但系统的规划响应速度是一个常数，后半 程易于超调；而以“s ”型曲线为参考模型，则初始阶段对被控参数的位置和速度 的规划都更平滑，但算法实现较为麻烦。以一阶惯性系统为参考模型能够较好满 足控制系统( 在自身物理特性约束下的) “稳、准、快 的要求，且结构简单、 实现方便。所以i t g c 采用一阶惯性为参考模型。 第二章换热站智能管控系统基础理论研究 因此，i t g c 将原有单一的目标指令转化为一组指令，原有的阶跃信号s v 也 转换成位置s v p 和速度s v v 两个给定信号。同样，系统反馈测取的信号也分解为 两个：位置量p v p 和速度量p w 。使系统的误差由原来单一的误差转换为位置误差 和速度误差两部分【6 】。从机理上使得系统的控制关1 2 1 “前移”，也就是整个过程由原 来的“目标管理”过渡到“过程管理”，由对原来的最终目标要求，转变为在全过程中 对给定轨迹以及给定速度的要求。除对位置量的控制外，又引进了对速度量的控 制( 相当于微分环节) ，必然会带来平稳和“超前”的控制效果。 2 2 2lt g c 算法的实现 ( 1 ) 过渡过程的实现 如上所述，当系统采用阶跃信号作为设定值时，初始阶段的偏差通常会很大， 这会导致系统的控制输出很大，极易造成大幅度的超调和控制的混乱【1 6 1 。而依照 被控对象的具体特性引入一阶惯性系统的阶跃响应曲线作为连接目标指令和过程 指令之间的纽带，可以有效的克服初始偏差过大的问题，使得整个调节过程更加 的平滑和柔顺。 至于在实际应用中应选用何种一阶惯性系统阶跃响应曲线来进行规划，o p e n 何选择合理的时间常数t ，需要根据实际被控对象的物理特性而定。但是，由于 i t g c 控制算法具有较强的鲁棒性，因而t 的取值范围较大，略有偏差对系统的控 制效果并不会产生严重的影响。若想要获得精确的t 值，可通过手动或自动整定 获得，具体方法将在第四章进行介绍。 ( 2 ) 微分信号的充分利用 在传统p i d 控制算法中，微分环节对噪声有放大作用，但是微分环节同时又 能提前预测系统的偏差，并对其进行超前抑制，可以有效的减小超调量的幅度， 对控制过程有一定的积极作用，因此不能完全去除微分项，而应该对其进行合理 的改造利用【1 4 1 。 在经典调节理论中，给定信号中的微分信号是用如下的微分环节【1 7 1 ： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 为t 的一阶 f i g 2 4t h eb l o c kd i a g r a mo fd i f f e r e n t i a ll i n k 将第二项的惯性环节输出记为v ( t ) ，则式( 2 7 ) 可以改写为： 心，却沪而 亿8 ， 当输入信号，( f ) 变化较慢而时间常数t 较小时，v 0 ) v ( t 一丁) ，因此可得： y 。，= ； v 。，一v 矗， ； v ( t ) - v ( t - t ) ；c ， c 2 9 ， 当时间常数t 越小，y ( t ) 越接近于v ( t ) ，这就是微分环节的数学意义。式中，y ( t ) ： 系统的输入信号，v ( t ) ：系统的输出信号，从j ) ：传递函数。 当输入信号v ( f ) 被随机噪声n ( t ) 所污染，则由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 得到： y ( r ) = ； v o ) + ，z ( d 一而 亍1 【v ( r ) + 咒o ) 一v o d 】= ；( r ) + ；甩( f ) ( 2 1 。) 即输出信号等于输入信号v ( t ) 的微分信号“f ) 加上噪声信号n ( t ) 的1 厂r 倍，由公式 第二章换热站智能管控系统基础理论研究 ( 2 1 0 ) 可以看出，t 越小，噪声放大现象越严重，当t 足够小时，可以完全湮没微 分信号作用。这就是经典微分控制环节的噪声放大效应。 为了进一步消除或减弱噪声放大效应【1 8 】，可用如下形式的微分近似公式代替 传统微分近似公式： 0 ( f ) v ( t - r , ) - v ( t - r 2 ) ，o 砭 ( 2 1 1 ) z2 一l 且延迟信号v ( t - - t m ) 、v ( f 一乇) 将由惯性环节上r 和ib来分别获取，这样可以。s+l 很好的降低噪声放大效应。式( 2 1 1 ) 的等价方框图如图2 5 所示【1 9 】。 图2 5 微分近似公式等价方框图 f i g 2 5t h ee q u i v a l e n tb l o c kd i a g r a mo fd i f f e r e n t i a la p p r o x i m a t ef o r m u l a 该微分近似公式的传递函数为： y 2 去【- 六一者v 一帚卉丽v 仁埘 上述方法中，微分信号是用尽快的跟踪输入信号的方法获取的，即：用反馈 速度信号来跟踪给定速度信号，并以两者之差作为微分，用以消除微分环节对噪 声的放大作用。经实验验证，过渡过程的设定速度信号和实际测量值的反馈速度 信号可以很方便进行获取，由此得到的速度差是误差控制的一个重要组成部分， 从而将对单一目标位置的控制转换成对过程位置和速度的组合控制，并最终实现 对位置的最优化控制【6 1 。 i t g c 算法中对速度环节的使用类于传统p i d 控制算法中的微分环节，但又不 尽相同。传统p i d 控制算法中的微分信号反应的是相邻时刻误差的变化速度，而 换热站智能管控系统的设计与应用 i t g c 控制算法是相邻时刻过渡过程的设定速度信号和反馈速度信号之差的变化。 传统p i d 中的微分作用对速度的抑制是绝对的，当误差增大时会抑制误差增大的 速度，同样，当误差减小时也会抑制误差减小的速度，只要误差存在，抑制作用 就会一直存在【1 4 】。 速度信号的引入使得测量反馈信号能够实时的跟随过渡过程的设定速度信号 的变化，从而有效地避免了速度控制的盲目性，真j 下起到超前控制的作用，抑制 了微分环节对噪声的放大作用，避免了超调和震荡。正是由于i t g c 算法的这种特 性，使其可以很好的解决大时间常数、大惯性、大时滞系统中的控制难题【2 0 1 。 2 2 3l t g c 算法的参数意义分析 i t g c 算法的核心在于用一阶惯性环节的阶跃响应曲线作为连接目标设定值 与过渡过程之间的纽带与桥梁，t 为一阶惯性环节的响应时间，由于不同的被控对 象也有自身的时间常数，故t 的大小应与被控对象的时间常数相适应，t 取值过 大或是过小，都难以取得最佳的控制效果。但经接下来几章的进一步研究表明， i t g c 控制算法的控制参数具有较好的鲁棒性，t 的取值范围较宽，并没有严格的 要求。 智能轨迹导引控制器一i t g c 的增量式如下所示： 砜= a 。( s v p 一p v p 一) + 4 ( 溉一尸饥) ( 2 1 3 ) a u ：a p ( s v p 一p v p ) + a v ( s v p - s v p ( -