（控制理论与控制工程专业论文）船用动力装置机炉协调控制系统优化设计.pdf

哈尔滨丁程大学硕十学位论文 摘要 蒸汽动力装置是大型船舶的主动力装置，它决定着船舶的航速性，机动 性和续航力等重要技术性能。船用锅炉是蒸汽动力装置的一个主要设备，构 成了船舶的主推进装置，在蒸汽动力装置中具有重要的地位。 蒸汽动力装置运行时，负荷变化频繁、幅度大，对控制系统的响应性能 要求高，尤其对机炉协调控制系统要求更高。主汽轮机经常由某一转速直接 速关停车，有时甚至在最大额定转速运行时直接速关停车，有时又从停车直 接跳跃到高工况的某一转速。主汽轮机的这种运行方式，对主增压锅炉来说， 都是冲击负荷，主汽轮机的所有负荷变化，都需要主锅炉来协调控制。船用 主增压锅炉受使用环境的决定，相对陆用锅炉体积较小，热容量小，若不采 用合理的机炉协调控制系统，主锅炉很难满足频繁大幅度的负荷变化要求。 本文通过对动力装置的协调控制系统的分析，对整个机炉机组的特点以 及分类方法经行了细致的研究，并阐述了总体的机炉协调的基本思想。通过 对船用增压锅炉和汽轮机的动力系统结构和工作原理的研究分析，给出系统 简化模型，并根据一些动力系统的参数，分析系统的稳定工况点，选取了典 型的几个工况点作为设计的根本。并且分析设计了基于改进的滑压控制机炉 协调系统，最后将其作为局部控制器，结合模糊多模型控制器，对整个机炉 协调系统经行了设计并且用m a t l a b 软件进行了仿真，得到了较好的控制 效果。 关键词：蒸汽动力装置；增压锅炉；机炉协调；模糊多模型 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t s t e a mp o w e rp l a n ti st h em a i np o w e rp l a n to fal a r g es h i p ，w h i c hd e t e r m i n e s t h es p e e d ，f l e x i b i l i t ya n de n d u r a n c eo ft h es h i p ，a n do t h e ri m p o r t a n tt e c h n i c a l p e r f o r m a n c e m a r i n es t e a mb o i l e ri st h em a j o rp o w e rp l a n te q u i p m e n t ，f o r m i n g t h em a i np r o p u l s i o np l a n ta n ds t e a mp o w e rp l a n ti na l li m p o r t a n tp o s i t i o n w h e ns t e a mp o w e rp l a n ti so p e r a t i n g ，f r e q u e n tc h a n g e si nt h el o a d ，l a r g e m a r g i n ，t h ec o n t r o ls y s t e mi nr e s p o n s et ot h eh i g hp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，i n p a r t i c u l a rt h ec o o r d i n a t i o no ft h em a c h i n ef u r n a c ec o n t r o ls y s t e m sr e q u i r eh i g h e r s t e a mf r e q u e n t l yb yt h eo w n e r so faq u i c kc l o s i n gs p e e dd i r e c tp a r k i n g ，a n d s o m e t i m e se v e nt h eg r e a t e s tr u n n i n gr p mr a t e ds p e e dd i r e c t l yr e l a t e dp a r k i n g ，a n d s o m e t i m e sd i r e c t l yl e a p i n gf r o mt h ep a r k i n gt oas t a t eo fs p e e d t h em a i ns t e a m t u r b i n er u n n i n gi nt h i sw a y , t h em a i np r e s s u r i z e db o i l e ri st h ei m p a c tl o a da n dt h e m a i nt u r b i n el o a da l lt h ec h a n g e sn e e d e dt oc o o r d i n a t et h ec o n t r o lo ft h em a i n b o i l e r s m a r i n em a i np r e s s u r i z e db o i l e rb yt h eu s eo f e n v i r o n m e n t a ld e c i s i o n s ，t h e r e l a t i v el a n db o i l e r sa r es m a l l e ra n dh e a tc a p a c i t ya r ea l s os m a l l i fi td o n tu s e r e a s o n a b l eb o i l e r - t u r b i n ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ，t h em a i nb o i l e rw i l lv e r y d i f f i c u l tt om e e tt h ef r e q u e n tc h a n g i n gr e q u i r e m e n t so ft h el o a ds i g n i f i c a n t l y b a s e do nt h ec o o r d i n a t i o no fp o w e rp l a n tc o n t r o ls y s t e ma n a l y s i s ，f o rt h e e n t i r eh e a t e ru n i t sa sw e l la st h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o dh a sb e e nc h a r a c t e r i z e db ya d e t a i l e ds t u d yt r i p ，a n dd e s c r i b e dt h eo v e r a l lb o i l e r - t u r b i n ec o o r d i n a t e dt h eb a s i c i d e a t h r o u g ht h em a r i n es u p e r c h a r g e db o i l e ra n ds t e a mt u r b i n ep o w e rs y s t e m s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h er e s e a r c ha n da n a l y s i s ，g i v e ns i m p l i f i e d m o d e ls y s t e m ，a n da c c o r d i n gt os o m eo ft h ep a r a m e t e r so fp o w e rs y s t e m s ，a n a l y z e t h es t a b i l i t yo ft h i ss y s t e mw o r k i n gc o n d i t i o np o i n t s ，s e l e c tat y p i c a lc a s eo f s e v e r a lp o i n t sa st h ef u n d a m e n t a ld e s i g nb a s e do nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g nt o i m p r o v et h es l i d i n gp r e s s u r eb o i l e r - t u r b i n e c o n t r o ls y s t e m ，a st h el a s tl o c a l c o n t r o l l e r , c o m b i n e d 谢t hf u z z ym u l t i m o d e lc o n t r o l l e r , f o rt h e e n t i r ef u r n a c e s y s t e mt oc o o r d i n a t eav i s i tb yt h ed e s i g na n du s e o fm a t l a bs i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s o f t w a r e ，h a sb e e nb e t t e rc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s t e a mp o w e rp l a n t ；p r e s s u r i z e db o i l e r ；b o i l e r - t u r b i n ec o o r d i n a t i o n ； f u z z ym u l t i - m o d e l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：动倚 日期：伽 年了月印日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 啦授予学位后即可 口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：辗侑 日期：矽 年3 月牛日 导师( 签字) ：别 一年了月甲e l 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 船用动力装置是船舶的重要组成部分，其主要任务是保证船舶在战斗， 航行，锚泊和系岸等工况下所需要的各种动力和能源( 如热能，电能等) 。因 此，它决定着船舶的航速性，机动性和续航力等重要战术技术性能。 以水蒸气作为工质的动力装置称为蒸汽动力装置，简称汽力装置。装置 中蒸汽锅炉把燃料中的化学能转变为热能，再将水转变成具有一定压力和温 度的蒸汽，蒸汽送入主汽轮机后热能转变成机械能带动螺旋桨回转做功，推 动船舶运动。 船用蒸汽动力装置运行时，负荷变化频繁、幅度大，对控制系统的响应 性能要求高，尤其对机炉协调控制系统要求更高。主汽轮机经常由某一转速 直接速关停车，有时甚至在最大额定转速运行时直接速关停车，有时又从停 车直接跳跃到高工况的某一转速。主汽轮机的这种运行方式，对主锅炉来说， 都是冲击负荷，船用蒸汽动力装置一般没有旁路系统，主汽轮机的所有负荷 变化，都需要主锅炉来协调控制；船用主锅炉受使用环境的决定，相对陆用 锅炉体积较小，热容量小，若不采用合理的机炉协调控制系统，主锅炉很难 满足频繁大幅度的负荷变化要求1 。协调控制是一个总称，它包括主控、锅 炉的燃烧控制、风量控制、给水控制和汽温控制等系统及数字功频电液调节 控s j j ( d e h ) 等，控制的核心部分是主控系统。 蒸汽动力装置系统复杂，设备多，被控对象惯性大，无法用简单的数学 模型来描述，各参数之间相互关联，耦合关系复杂，这就对调控监测系统提 出了较高的要求，同时也决定了控制系统的复杂性。蒸汽动力装置受舰船航 行特点决定，在运行过程中负荷变化频繁，且变化幅度大，通常负荷在1 0 - 1 0 0 的范围变化，这就对控制系统的响应性能、精度、稳定性等调节品质提 出了更高的要求。 船用锅炉汽轮机系统因其需满足船在不同海情和各种战斗条件下的航行 需要而具有负荷变化频繁的特点，故必须具备良好的负荷跟踪能力和安全性。 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 锅炉汽轮机系统作为一个多变量控制对象，其良好的负荷适应性及较小的进 汽压力波动是两个互相矛盾的主要指标。为使系统具有良好的动态品质，控 制系统的设计必须考虑到两者之间不同的动态特性。协调控制系统能较好地 满足多变量控制的要求，它能有机地、协调地控制燃料、送风、给水以 及汽机调节阀开度等，使控制系统的多变量相互影响较小，参数控制最佳， 整体动态性能良好弘1 。 1 2 国内外研究现状及分析 新结构船用增压锅炉动力系统的建造一直沿着具有高可靠性、高运行寿 命、小的重量尺寸特性和良好的可维护性的研制道路前进。同时也高度重视 提高整个动力装置的经济性。这就要求船用用增压锅炉在战斗，巡航等恶劣的 工作条件下能够稳定正常的工作，由此对船用增压锅炉的控制系统提出了更 高的要求，要求其稳定性要好，响应速度要快。 汽轮机动力装置的特点是单机功率大，振动和噪声小，维修费用低，但 热效率较柴油机装置低，且设备多，主要用于大型军舰、大型客船和油船上。 采用再热循环和沸腾炉以降低燃料消耗率，使用煤或混合燃料等，是汽轮机 动力装置的发展方向。 目前国内对于增压锅炉及涡轮增压机组的研究尚未起步，与其配套的控 制系统的研究也未全面开展工作，增压锅炉以其重量轻、尺寸小、性能优良 的优点为大功率蒸汽动力装置的首选设备，而作为给增压锅炉配套的重要设 备装置控制系统又有许多关键技术需要立项进行专门研究，因此，对增压锅 炉控制技术进行立项研制非常必要。 控制理论的发展，己经从经典的控制理论、现代控制理论发展到了智能 控制理论。经典控制理论主要处理单变量常系数线性系统的控制问题，其典 型特征是传递函数来描述系统，在频域内进行分析和综合，完成指定任务。 现代控制理论，更确切地说应当是多变量线性控制理论，克服了经典控制理 论仅能分析单输入单输出系统的局限性，采用的手段是能控性、能观性理论， 极大值原理，反馈镇定等p 1 。经典控制理论和现代控制理论研究的是线性时 不变系统的控制问题，对于非线性系统，则是将其线性化，研究其在某个平 2 哈尔滨t ：稃大学硕十学何论文 衡点的控制行为。随着控制对象、控制任务及控制口标的日益复杂化，系统 的数学模型难以建立，使用上述控制方法就难以奏效。 传统意义上的协调控制有两种划分方式：一种是根据系统发展的基础按 照机跟炉或炉跟机的方式来划分；另一种是从能量平衡的观点出发，将协调控 制系统分为直接能量平衡和间接能量平衡系统两大类。协调控制的本质就是 维持机组在运行过程中机炉之间供需能量的平衡，通常把机前压力作为锅炉 输出能量与汽机需求能量之间平衡的特征参数，通过控制间接参数来维持整 个机组能量平衡的系统，称为间接能量平衡系统。通过构造出能量平衡信号， 并以此直接控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统一1 。从目前工程领域 的应用来看，无论是直接能量平衡协调控制系统还是间接能量平衡协调控制 系统，都属于近似解耦设计方法范畴，这类系统通常具有以下局限性： ( 1 ) 间接能量平衡协调控制系统的设计往往是在机炉独立控制回路的基 础上加入前馈控制，这种设计是基于静态的近似解耦，因此无法考虑系统的 不确定性扰动，非线性等因素，系统的鲁棒性能较差。 ( 2 ) 锅炉系统的大时延，大惯性等l - j 题没有充分的考虑，因此很难在快速的 汽轮机控制回路和相对较慢的锅炉控制圆路之间达到快速的能量平衡。 ( 3 ) 系统的设计与整定一般基于特定的工作点线性化处理，没有考虑动态 非线性及大范围适应性等p 1 。 ( 4 ) 基于简化的建立在传递函数基础上的机组动态数学模型来设计的协 调控制系统无法考虑相关系统相对较弱的耦合关系的影响及机组的动态时变 等。 随着现代控制理论的发展，高级控制算法在协调控制系统中的应用己经 有了一些成果，这些算法主要有模糊控制、鲁棒控制、内模控制、模糊神经 网络、预测控制和预见控制、反馈线性化控制等。 自1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的z a d e h 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年 哈尔滨t 程大学硕十学侍论文 英国的e h m a m d a n i 成功地将模糊控制应用于锅炉和汽机控制以来，模糊控 制得到广泛的发展，并在动力装置协调控制中得以应用，有着较好的控镱4 效 果。 人工神经网络的研究主要是直接模拟人脑的结构和功能。模糊神经网络 就是模糊理论同神经网络相结合的产物，它汇集了神经网络与模糊理论的优 点，集学习、联想、识别、自适应及模糊信息处理于一体。虽前，将模糊神 经网络用于控制一般都是与其它控制方法相结合。模糊神经网络与自学习控 制相结合便构成了自学习模糊神经网络。在模糊神经网终中弓i 入自学习算法， 将进一步改善模糊神经网络控制的鲁棒性和适应性，特别适用于具有不确定 性的非线性系统跟踪控制问题州。 模型预测控制是近年来发展起来的一类新型控制算法，由于其对模型的 依赖性弱、控制综合效果好等诸多优点而在实践中得到成功应用。 鲁棒控制理论是近年来兴起的热门学科之一。一个反馈控制系统具有鲁 棒性，就是指这个反馈控制系统在某一类特定的不确定性条件下具有稳定性、 渐近调节和动态特性保持不变的特性，即这一反馈控制系统具有承受这一类 不确定性影响的能力。通常，机炉协调控制数学模型在各个典型工作点通过 t a y l o r 级数展开而得以线性化，在线性化状态空间模型的基础上根据鲁棒控 制理论设计反馈控制器和前馈控制器。 内模控制是鲁棒控制的一种简化，因其良好的稳定性和控制品质，近年 越来越受到控制专家的重视。目前大多数内模控制研究集中在内部模型的算 法，如采用模糊模型、神经网络模型等作为内模控制的内部模型。内模控制 在热工控制中的应用也屡见不鲜u 1 。 这些协调控制算法的研究和应用，大大提高了协调控制的理论研究和实 际应用水平。但是对动力系统大范围变负荷时所引起的非线性问题，目前还 没有很好的实用解决方案。 4 哈尔滨t 释大学硕十学何论文 ；i i m i l lmi imi! m ；i 宣i 宣i i 宣暑；暑i 葺宣 1 3 模糊多模型控制 1 3 1 多模型控制产生的意义及主要研究方向 控制工程中的被控对象可以称之为“不能精确知道的被控对象( c k p ， c o a r s e l yk n o w np l a n t ) ”，对c k p 问题进行控制的一般问题可以描述为：若一 个c k p 的所有变化组成了集合s ，则寻找控制器u ，它与集合s 中的任一元 素构成的闭环系统都有满意的性能指标p 1 。 解决此类问题的途径之一是鲁棒控制。它采用一个完全知道的标称模型 及设计一个固定的控制器，并企图尽量优化闭环系统的稳定域。研究人员对 鲁棒控制技术，如l q g l t r 方法，巩控制等，在热工自动控制领域中的应 用也进行了广泛的探讨，并取得了一定成果。由于人们希望使用一个固定的 控制器来稳定整个集合s 中的每一个元素，其代价必然是需要高度复杂的控 制器，获得的性能则由集合s 的大小及控制器的阶数所决定。 解决c k p 问题的另外一个研究途径是自适应控制。它由辨识器和控制器 组成，其直接控制方式需要一个可参数化的控制器，使得闭环系统有着期望 的形式；间接控制方式要求在所选择的模型集合中存在能恰当表达实际对象 输入一输出关系的元素。但是，这种传统的自适应控制器设计往往基于一个 参数固定或慢时变的系统模型，要求人们设计出适合于复杂系统( 如系统故 障、子系统动态变化、传感器或执行器故障、外部扰动、系统参数出现大的 变化等) 的控制器进行控制，其效果往往不好。因为当系统从一种操作环境突 然变到另外一种操作环境时，系统的参数将产生很大变化，这时常规的自适 应控制器中的辨识器难于跟随参数的实际变化，造成模型不准确，从而造成 基于此模型而设计的控制器性能不佳。 多模型控制则企图尽量利用可获得的信息将鲁棒设计、模式识别、自适 应算法等有效地结合起来，把有限多个适当简单和固定的鲁棒控制器映射成 能面对多种g k p 、具有自适应能力的非线性鲁棒控制器。因此，多模型控制 相对于鲁棒控制来讲，可适用于更大范围的不确定性；相对于自适应控制来 讲，多模型控制将问题的复杂度部分地转移到离线设计上去了，因而在线实 时调整的难度有所降低p 1 。 从早期的d g l a i n i o t i s 的基于后验概率加权的多模型控制到近几年的 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 g c g o o d w i n 、k s n a r e n d r a 等人提出的基于模型切换的多模型控制器，多模 型控制已经经历了近三十年的发展，并在理论和实践方面取得了很多成果。 现在已经形成了分别以美国y a l e 大学的k s n a r e n d r a 、澳大利亚取n e w c a s t l e 大学g c g o o d w i n 和法国g r e n o b l e 实验室的z b i n d e r 教授为核心的研究小组。 其中n a r e n d r a 教授的研究小组主要研究了连续时间系统的间接多模型控制， 其主要题是当控制对象含有随机扰动时，模型切换可能不收敛或者收敛速度 慢：g o o d w i n 教授的研究小组主要研究了直接多模型控制，其主要问题是当 模型过多时过渡过程可能不好；z b i n d e r 教授的研究小组主要研究基于概率 加权和形式的多模型控制，其特点是切换过渡过程比较平滑，但其稳定性很 难证明，只有少量的收敛结果。 基于模糊规则的多模型控s u ( 简称为模糊多模型控制) 是基于概率加权和 形式的多模型控制方法的一种，它的优点是模型切换、过渡比较平缓。模糊 多模型控制可以分为基于隶属度加权和的模糊监督控制( 后文简称为模糊监 督控制) 以及基于t - s 模糊模型和l m i 的p d c 控制( 后文简称为p d c 控制) 两 个研究方向。下文将对这两个研究方向的研究现状进行较详细的介绍。 1 3 2 模糊监督控制 通常，控制系统工作空间是有限的，因此，可以在一个小区域内，即在 一个工况点附近，建立一个线性时不变的模型和相应的控制器来实现控制目 标，这样就只需要少量的模型和控制器来保证系统在不同工况点的稳定性和 控制品质。监督器的作用是在给定的工作条件下根据所得信息选择合适的 控制器，并保证在不同工作点的控制器间进行平滑的切换。 模糊监督控制是一种模糊自适应控制。“监督”的含义就是对控制系统的 控制情形进行“监督”，视其工作效果对底层控制器进行调整。底层控制器可 以是模糊控制器，也可以是p i d 或其他形式的控制器。模糊监督控制将一个 复杂系统的控制问题拆分成了一些较简单系统的控制问题，因而使系统的控 制难度有所降低。模糊监督控制从本质上说也是一种变结构控制。在描述被 控对象动态特性状态方程的右端表达式中，模糊监督控制和变结构控制都具 有不连续的函数，从而可推侧其间应具有某种本质的联系。文献在一定假设 条件下，通过选择特定形式的l y a p u n o v 函数，证明了间接模糊监督控制本质 6 哈尔滨t 程大学硕十学仲论文 上是一种变结构控制，因此模糊监督控制可以称之为模糊化边界层的模糊变 结构控制。这在一定程度上揭示了为什么模糊监督控制可以比针对某一工况 点模型所设计的控制器取得更好控制效果的原因。 模糊监督控制的主要调整手段是对监督器的隶属函数进行调整，可以调 整隶属函数的形状、宽窄、重叠程度等，来对监督效果进行控制。如果被控 对象的操作环境是周期性的，则可以对隶属函数的重叠程度进行寻优，以取 得最优的控制效果。文献对模糊模型的切换原则进行了研究，它首先给出菲 线性系统的线性多模糊模型表示，然后根据实际对象在不同运行点附近的状 态，采用最大隶属度原则识别匹配模型，并选择相应控制器。模糊监督控制 在工业过程中也取得了很多应用成果“。文献将模糊监督控制应用于典型的 工业锅炉过程控制中，取得了很好的控制效果。文献通过机械系统动力学分 析和计算机仿真结果相结合，利用机械动力学分析和计算机模拟相结合获得 模糊控制规则，提出了同向回转双机传动振动系统中两个偏心转子的相位差 的模糊监督控制方法，为具有复杂数学模型的菲线性系统的模糊控制规则产 生方法提供了一条新途径。 模糊监督控制的不足之处是其稳定性目前还缺乏系统、严格的证明。 1 3 3 基于t - s 模糊模型和l m i 的p d c 控制 对于采用t - s 模糊模型作为监督器内部模型、根据各局部模型的状态反 馈设计控制器、控制器求解过程应用l m i ( l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ) 的这样一 类控制算法，很多学者称之为基于l m i 的v d c ( ；a r a l l dd i s t r i b u t e d c o m p e n s a t i o n ) 控制。 t a k i g i s u g e n o 于1 9 8 5 年首先提出t - s 模糊模型。模糊的前件是一系列的 模糊集，后件是一个线性的函数表达式。t - s 模糊模型的早期研究主要在模 型辨识领域，使得辨识精度得以大大提高。文献【1 2 】最早用t - s 模糊模型进 行状态反馈控制器设计，并利用l y a p u n o v 稳定性定理进行稳定性证明。文献 用t - s 模型首先对非线性模型进行线性化，建立多个简单的局部线性化模型， 然后对每一个局部模型按照g p c ( g e n e r a | p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 算法设计控制器， 最后总的控制量取为这些局部控制器的加权平均，并成功地对一个单杆倒立 摆进行了控制。不足之处是系统的全局稳定性没有证明。文献1 1 2 1 对一个 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 2 0 0 m w 单元机组的负荷控制系统传递函数模型首先利用t - s 模型进行模糊 辨识，然后对此模糊模型进行求逆运算，设计了以模糊模型作为内部模型的 控制算法。这是基于模糊多模型控制在单元机组协调控制中进行应用的有益 探索。 文献【1 4 】首先将l m i 技术应用于针对t - s 模糊模型的状态反馈控制器设 计过程中，并将寻找满足条件的正定矩阵p 和反馈矩阵f 的任务统一到一组 l m i 的凸优化问题求解上。同时，文献【1 4 】还提出了对控制系统的输入输出 进行约束的矩阵表达式。其后，文献 1 3 1 也对这种方法进行了研究，并将这 种方法应用n d , 车倒立摆的控制当中。为寻求满足一定性能指标的状态反馈， 文献对状态反馈的闭环极点区域用一组l m i 进行刻画，并与文献 1 4 1 中己有 的l m i 进行联立求解，从而使状态反馈控制器满足了一定的闭环性能指标。 为解决含有不可观测变量控制系统的控制问题，文献 1 2 1 采用了一种模糊状 态观测的方法，并且使用l m i 同时求出了反馈控制增益和模糊状态观测器增 益。为减少各种限制和稳定性条件对l m i 的要求，文献【1 2 】定义了模糊 l y a p u n o v 函数的概念，并且据此计算前件隶属函数的时间微分，从而克服了 一般p d c 控制算法所得结果过于保守的缺点。文献 1 3 1 和文献( t 4 1 认为寻找 满足一组l m i 的正定矩阵比较困难，因此文献【1 5 】采用模糊聚类和滑动模控 制相结合构造了模糊逆模型控制方法，并将其应用于动力学方程未知的机械 手轨迹控制。文献 1 6 1 将t - s 局部模型通过模糊隶属函数连接得到的全局连 续模型采用l y a p u n o v 函数的概念和方法，利用大系统的分散控制结构稳定性 定理得到了闭环模糊系统稳定的充分条件，并对单杆倒立摆进行了仿真。这 些研究是对基于t - s 模型的多模型控制的一种有益探索。但是这些设计方法 比起基于l m i 的p d c 控制设计方法来说，控制器设计和闳环控制系统的稳 定性证明过程也很复杂。随着计算机应用水平的提高和矩阵运算技术的发展， 基于l m i 的p d c 控制器设计方法，一定可以得到更好的发展和应用。 需要指出的是，所有间接多模型控制都默认了这样一个事实：若控制对 象模型是局部模型的加权和，则最终控制作用也是子控制作用的同样权值的 加权和。这种等价是否合理，还没有得到严格论证。 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 1 4 论文的主要内容安排 本文的主要工作是对船用动力装置的机炉部分进行协调控制的优化设 计，将动力装置是一个整体，设计时让机炉在不同程度上同时按负荷需求的 变化和主要运行参数的偏差分别进行调节，从雨在满足负荷需求的同时，保 持主要运行参数的稳定。 基于论文的目的，全文共分五章，论文安排如下： 第一章：绪论主要介绍课题研究的背景及意义，国内外研究现状，模糊 多模型控制的概述分析以及论文的主要内容安排。 第二章：协调控制系统概述首先介绍协调控制系统的组成，机组运行 方式，管理机组运行控制目的，协调控制系统各部分的作用以及主控制系统， 接着分析了机炉协调基本思想和各种不同的运行方式。 第三章：机炉系统的线性化模型的建立首先介绍了非线性测度的概念， 接下来对机炉模型进行了细致的分析和建模，最后对动力装置的动态模型进 行了分析，并且列举了动力装置的参数并建立了平衡工况点，得出了几个平 衡工况点下的数学线性化模型。 第四章：基于复合滑压控制的单模型机炉协调系统首先介绍了一般协 调控制系统的控制方法。分为定压运行方式和渭压运行方式。以及滑压运行 的3 种方式，接着分析了滑压运行方式对机组的影响，并分别对纯定压运行 方式，复合滑压运行方式以及前馈复合滑压控制三种控制方式进行了仿真比 较。 第五章：基于模糊多模型控制器的机炉协调优化设计首先介绍了模糊 多模型控制器的设计方法，模糊多模型控斜系统的基本结构以及稳定性分析。 接着对模糊多模型控制器的模糊规则进行了阐述，最后分析了线性化模型的 解耦和降阶处理方法，并对模型进行了仿真研究。 9 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 第2 章协调控制系统概述 机炉协调控制系统是船用蒸汽动力装置自动控制系统的重要组成部分。 为了同时满足快速响应负荷需要和维持动力装置主要运行参数稳定这两个方 面的要求，在动力装置自动控制系统的设计中必须考虑到“主锅炉和主汽轮机 是一个具有相对独立性的整体”这一特点，采取相应措施，让机炉在不同程度 上同时按负荷需求的变化和主要运行参数的偏差分别进行调节，从而在满足 负荷需求的同时，保持主要运行参数的稳定。 协调控制系统是一个多变量、多耦合控制系统。各控制参数间存在相互 耦合作用，在设计系统时必须进行解耦。由于锅炉、汽轮机对象本身较复杂， 很难通过机理建模或试验建模求得准确的传递函数，因而无法在理论上对协 调控制系统各控制参数进行精确的解耦计算。实际工程中常采用定性分析、 定量估算和试验整定的方法近似解耦，以达到把多变量控制问题转化为多个 单变量控制问题来处理。 2 1 协调控制系统的组成 船舶动力系统的协调控制系统是把锅炉及汽轮机作为一个单元机组的整 体进行综合控制时所用的控制系统，是整个动力装置控制系统的一部分，也 称为主控制系统。整个控制系统是由负荷控制系统也称主控系统，常规控制 系统也称子控制系统和负荷控制对象三大部分组成的，如图2 1 所示“。负 荷控制系统又由两部分即符合指令处理部分也称负荷管理控制中心和机炉主 控制器组成。从c c s 形成和发出的主控指令，分别去控制锅炉及汽轮机子控 制系统。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 豇 被控对 武 象 图2 1 协调控制系统组成框图 2 1 1 机组运行方式管理 船舶动力装置控制的对象很多，但其主控制对象是锅炉和汽轮机，包括 机组输出功率是指机组对外提供的能量输出。锅炉出口压力反映了机炉进出 能量是否平衡以及机组蓄热能力的大小。当机组负荷变化时，锅炉和汽轮机 的响应速度是不同的1 8 1 。汽轮机主汽阀动作就可使蒸汽流量迅速变化以适应 外界负荷变化的需要，而锅炉从燃料和水变化到蒸汽量变化必须有一定的过 程，机组功率响应较慢另外，为保证机组安全运行，当负荷变化时，要求主 汽压保持在一定范围内波动。所以怎样调节锅炉和汽轮机以适应负荷变化和 保持汽压就成了机炉协调控制系统的主要任务之一。 2 1 2 船用动力装置特点 1 。重量轻，体积小。与非增压船用锅炉相比较，对流放热系数提高了。 耐火材料消耗较少。在锅炉全负荷效率增加8 1 0 的条件下，锅炉重量减少 二分之一，容积减少三分之二。 2 提高了动力装置经济性。涡轮增压机组替代了耗汽量大的汽轮鼓风 机。 3 机动性能好。从冷态正常点火到锅炉全工况时间为2 5 分钟，紧急点 火为1 5 分钟。在压力，过热器温度和气筒内水位允许的波动条件下，从1 0 到9 0 负荷时只需2 5 秒钟。 4 减少管理维修的工作量。 5 生命力强。重量尺寸的减小，增加了锅炉对操作的抵抗力和防原子能 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 力，显著地提高了船舶的生命力。而炉壳受有内力，又可使锅炉在船舶受到 冲击时，对冲击波具有良好的防御能力m 1 。 2 1 3 协调控制系统各部分的作用 负荷管理控制中心( l m c c ) 接受的是外部负荷指令，根据机组和控制 系统本身需要所设的内部负荷指令。内部负荷指令一般有机组辅机故障减负 荷( 快速返回) 指令，与机组负荷有关的主要运行参数超过上限而引起的减 负荷( 迫降) 指令。主要运行参数低于下限而引起的增负荷( 迫升) 指令， 负荷控制系统处与手动状态时，符合控制系统本身跟踪事发功率的信号。外 部负荷指令一般指机组运行人员手动增减负荷的指令和该工况下所需的负荷 分配指令。 负荷管理控制中心的主要作用是对外部要求的负荷指令或目标负荷指令 进行选择，并根据机组主辅机运行的情况加以处理，使之转变为机，炉设备 负荷能力，安全运行所能接受的实际负荷指令只。对于上述内，外部指令的 选择是由负荷管理控制中心根据机组运行状态和航行对机组的要求以及机炉 本身运行安全性要求的优先级来选定的。除了选择负荷指令以外，负荷管理 控制中心对于选择的内外部负荷指令还需要进行处理，主要是对负荷指令的 变化率和起始变化幅度进行限制，使之与机组的负荷能力相适应。 机炉主控制器接受l m c c 发出的实际负荷指令只，为了使锅炉和汽轮机 的控制作用更好的协调，在协调控制方式下，汽轮机主控制器接受汽轮机的 d e h 来的频率偏差信号，还接受汽轮机首级后压力p ，与主蒸汽压力p r 的 比值的反馈信号，即汽轮机阀位的反馈信号，以及实发功率信号只和主蒸汽 压力的偏差p 。机炉主控制器的主要作用是根据锅炉和汽轮机的运行条件和 要求，选择合适的负荷控制方式，按照实际负荷指令r 与实发功率信号最的 偏差和主蒸汽压力的偏差卸以及其它信号，进行控制运算，分别产生对锅炉 子控制系统和汽轮机子控制系统的协调动作的指挥信号，分别称为锅炉指令 p r 和汽轮机指令b 。 单元机组主控系统是使单元机组协调控制系统的核心，无论是调负荷， 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 机组的启动和停止，故障状态下的安全运行，锅炉燃烧率的变化，汽轮机调 节阀开度的变化都是在主控制系统的统一指挥下打到协调一致的。完成主控 制系统与子控制系统之间的协调。根据单元机组的容量，控制对象动态特性， 控制系统功能要求等组成的协调控制系统得方案各异，但将这些协调系统进 行分类，一般有按反馈回路和能量平衡两种分类方法啪1 。按反馈回路可将其 分为机跟炉为基础的协调控制系统和炉跟机为基础的协调控制系统，这在上 一份阶段报告中已经详细介绍过。而按能量平衡分类则可将协调系统分为间 接能量平衡的协调控制系统和直接能量平衡的协调控制系统。 2 2 主控制系统 2 2 1 负荷管理控制中心 负荷管理控制中心是协调控制系统的指挥机构，它的主要功能是根据调 度中心的要求负荷指令或机组运行人员要求改变负荷的指令以及机组主辅机 运行情况，处理成适合于机炉运行状态的实际负荷要求指令。如图2 2 所示， 具体来讲，l m c c 能完成以下功能： l 实际负荷要求指令的产生 2 负荷的增加和减少 3 最大最小负荷控制 4 负荷变化率限制 5 远方就地控制 6 负荷快速返回 7 负荷快速切回 8 负荷增减闭锁 9 负荷迫升迫降 1 0 负荷保持恢复 哈尔滨丁程大学硕+ 学何论文 医历习 i 指令 i i _ j 2 2 2 机炉主控制器 图2 2 负荷控制管理中心 机炉主控制器是协调控制系统的控制机构，机炉主控制器的主要功能是 根据机组的运行条件和要求，运行人员可选择协调，锅炉跟随，汽轮机跟随 等控制方式，给出合理的控制翻番提供机组全面的协调控制。 机炉主控制器的设计从其控制结构出发有两种指导思想，一种是以反馈 控制为基础的，适当加入一些前馈信号作为辅助调节以改善控制品质，另一 种则从能量平衡的角度考虑前馈的控制，力争做到前馈补偿后，锅炉和汽轮 机就能协调一致的达到所需要的负荷， 这样机炉主控制器就有两种分类方法， 衡分类。 a 以反馈圆路分类 反馈作用仅在此基础上起校正作用。 一种以反馈回路分类，一种以能量平 1 以锅炉跟随主汽轮机方式为基础的协调控制系统 2 以主汽轮机跟随锅炉方式为基础的协调控制系统 b 以能量平衡分类 1 4 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 宣i i i 葺；宣i 宣i i i 宣；i ；i i i i 宣；i i i i i i ；i ；宣；i i i i ；i i ；m i 目宣昌置声宣i 暑暑 l 直接能量平衡控制系统 2 间接能量平衡控制系统 2 3 机炉协调基本思想 用蒸汽动力装置运行时，负荷变化频繁、幅度大，对控制系统的响应性 能要求高，尤其对机炉协调控制系统要求更高。主汽轮机经常由某一转速直 接速关停车，有时甚至在最大额定转速运行时直接速关停车，有时又从停车 直接跳跃到高工况的某一转速。主汽轮机的这种运行方式，对主锅炉来说， 都是冲击负荷，蒸汽动力装置一般没有旁路系统，主汽轮机的所有负荷变化， 都需要主锅炉来协调控制；主锅炉受使用环境的决定，相对陆用锅炉体积较 小，热容量小，若不采用合理的机炉协调控制系统，主锅炉很难满足频繁大 幅度的负荷变化要求眵。协调控制是一个总称，它包括主控、锅炉的燃烧控 制、风量控制、给水控制和汽温控制等系统及数字功频电液调节控带0 ( d e h ) 等，控制的核心部分是主控系统。 2 - 3 1 以锅炉为基础的运行方式 在这种方式下，锅炉通过改变燃烧率以调节机组负荷，而汽机则是通过改 变调速汽门开度以控制主蒸汽压力。当负荷要求改变时，由锅炉的自动控制系 统，根据负荷指令来改变锅炉的燃烧率及其它调节量，待汽压改变后由汽轮机 的自动控制系统去改变调速汽门开度，以保持汽轮机前的汽压为设定值，同时 改变汽轮发电机的输出功率。汽轮机跟随锅炉控制方式的运行特点是：当负 荷要求改变时，汽压的动态偏差小而功率的响应慢。 系统如图2 3 所示，方框图如图2 4 所示。在主汽轮机跟随锅炉运行方式系 统中，由锅炉主控制器q ( j ) 通过控制燃烧率改变主汽轮机转速虬，主汽轮 机主控制器g 7 ，( s ) 通过控制调节阀开度稳定主蒸汽压力b 。当主汽轮机转速 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 要求指令变化时，首先由锅炉主控制器发出改变锅炉燃烧率的指令鳓，弓 发生变化，然后主汽轮机主控制器发出改变调节阀开度的指令所，从而改变 主汽轮机进汽量。最后稳态时，达到，= ，弓= 名。在这种控制方式中， 机前压力的变化较小而主汽轮机转速的起始变化较慢。因为，当给定主汽轮 机转速增加时，首先增加锅炉的燃烧率，使得蓄热增加，锅炉汽包压力会升 高，引起机前压力升高，进入主汽轮机的蒸汽量增大，同时由于机前压力的 升高，主汽轮机主控制器发出开大调节阀指令。 该种控制方法的优点是由于调节阀的动作对机f j 压力的影响很快，动作 过程中机前压力的动态偏差很小。缺点是在此过程中，主汽轮机没有利用锅 炉的蓄热量来加快对给定主汽轮机转速的响应，而是在动态过程的起始阶段 先增加锅炉的蓄热，从而使主汽轮机对负荷的起始响应很慢。这种控制方式 显然无法满足快速性的要求。 图2 3 主汽轮机跟随锅炉运行方式系统示意图 1 6 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 图2 4 主汽轮机跟随锅炉运行方式系统方框图 2 3 2 以汽机为基础的运行方式 在这种方式下，锅炉通过改变燃烧率调节主蒸汽压力，而汽机则以改变调 速汽门开度调节机组负荷。当负荷要求改变时，由汽轮机的自动控制系统根据 负荷指令改变调速汽门开度，以改变汽轮发电机的输出功率。此时，汽轮机前的 蒸汽压力改变，于是锅炉的自动控制系统跟着动作，去改变锅炉的燃烧率及其 它调节量( 如给水量、喷水量等) ，以保持汽轮机前的汽压为设定值1 。这种控 制方式的运行特点是：当负荷要求改变时，功率的响应快而汽轮机前汽压的动 态偏差大。 系统如图2 5 所示，方框图如图2 6 所示。在锅炉跟随主汽轮机运行方式系 统中，由主汽轮机主控制器q ( j ) 控制主汽轮机转速e ，锅炉主控制器g 嚣( j ) 控制主蒸汽压力弓。当主汽轮机转速要求指令变化时，首先由主汽轮机主 控制器发出改变主汽轮机调节阀开度的指令胁，从而改变主汽轮机进汽量， 使主汽轮机转速。迅速满足要求。调节阀开度改变后，锅炉出口主蒸汽压力 ( 机前压力) b 也迅速偏离其