（检测技术与自动化装置专业论文）复杂热工系统多变量先进控制方法的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 典型的复杂热王系统都具有多个控制量和被控量，并且各控制量和被控量 之间存在着严重的耦合。常规的系统控制方案结合前馈补偿、串级等控制策略， 采用基于p i d 线性控制算法的多个s i s 0 反馈控制网路组成的分散控制结构，目 前仍在广泛应用，但无法保证长期正常投入运行，导致系统运行参数偏离经济 指标较大，造成大量能量损失，增加了设备故障率，严重影响系统的经济效益 和安全可靠运行。因此，研究适合于复杂热工系统的多变量先进控制方法，以 有效地实现其自动控制和优化运行，具有十分重要的理论意义和实用价值。本 文在综述了电厂球磨机中储式制粉系统等热工系统先进控制方法与应用研究现 状的基础上，进行了复杂热工系统多变量先进控制方法的应用研究。 本文第一章为绪论，首先阐述了课题的背景与意义，综述了目前国内外电厂 球磨机中储式制粉系统等热工系统先进控制算法的研究现状和发展方向，基于舀 前复杂热工系统实际控制中存在的问题，提出了本文的主要工作内容。 本文第二章针对电厂球磨机中储式制粉系统研究了多变量系统的解耦控制 方法。在对球磨枫中储式制粉系统生产工艺流程进行蔗要介绍的基础上，对其进 行了耦合性分析，并说明多变量系统回路的配对方法，不仅要参考系统的相对增 益矩阵，而且要根搌实际过程的工艺和控制要求，才能选择更为合适的输入输出 匹配。在选择好回路配对后，根据系统各回路的动态特点，提出了将前馈补偿解 耦控制和部分解耦控制方法结合的球磨机中储式制粉系统解耦控制方案，并对其 进行了系统设计和仿真验证。由仿真结果可以看出，采用部分前馈补偿解耦，可 以较好地将负压控制回路分离出来，使系统3 3 被控对象篱化为2 2 被控对象。 本文第三章研究了复杂热工系统多变量p i d 控制器的分散继电反馈自整定 技术。在对已提出的m i m o 系统p 1 d 控制器参数分散继电反馈自整定方法进行 研究的基础上，结合燃煤大型火电机组协调控制对蒙的特点，提出了具有前馈解 耦的协调控制系统的改进设计方法，仿真验证结果表明所提出的新方法，可以使 系统获得较好的控制效果。 本文第四章将迭代反馈理论和继电反馈自整定方法有机结合起来，提出了多 变量分散p i d 控制器的参数自整定方法迭代继电反馈自整定方法，这种设计 v 珏 山东大学硕士学位论文 方法与已有的设计方法相比较，对控制对象的先验知识和模型的要求低，物理概 念清晰，因此便于在工程上应用。针对简化的电厂球磨机中储式制粉系统对象， 用该方法进行控制系统设计和仿真验证，结果表明该方法毹够较好地整定控制器 参数，使系统获得令人满意的控制效果。 本文第五章论述了复杂热工系统多变量d m c 控制算法，提出了d m c 参数的自 整定方法。通过对一个典型的双输入双输出系统的仿真研究，分析了部分参数变 化对控制性能的影响。实例仿真部分，将提出的自整定方法应用于简化的球磨机 中储式制粉系统对象，从系统仿真结果看，提出的参数自整定算法能有效控制系 统的输出，满足工业控制的要求。 本文第六章介绍了应用软件研究开发方面的工作。基于p c 平台采用v c + + 设 计开发了多变量预测控制应用软件包，包括阶跃响应、控制矩阵、参数输入、系 统仿真等模块。该软件可以在p c 枫的w i n d o w s 操作系统下运行，薅且对硬件 要求较低，具有较好的灵活性。应用该软件对多变量系统进行实例仿真，可以减 少控制参数的调节时间，提高多变量过程控制的性能。 最后对本文所做工作进行总结，并对今后工作中需要进一步探索和研究的问 题进行了展望。 v m 关键词：热工过程；多变量系统；继电反馈；d m c 算法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l lt h et y p i c a lc o m p l e xt h e r m a ls y s t e m sa r em u l t i v a r i a b l ea n ds t r o n g l y c o u p l e d t a k i n g t r a d i t i o n a l s y s t e m c o n t r o ls c h e m ec o m b i n ew i t h f e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，c a s c a d ec o n t r o la n do t h e rc o n t r o l s t r a t e g i e s ，d e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls t r u c t u r ew h i c hi sc o m p o s e db ym u l t i p l e s i s of e e d b a c kc o n t r o ll o o p sa n db a s e do np i dl i n e a rc o n t r o la l g o r i t h m ， i ss t i1 1u s e dw i d e l y h o w e v e r ，t h i sm e t h o dc a n n o te n s u r el o n g t i m en o r m a l o p e r a ti o n ，a n dt h ep l a n tc a n n o tr u na to p ti m u ms t a t e a tt h es a m eti m e ， al o to fe n e r g yi sw a s t e da n de q u i p m e n tf a u l ti si n c r e a s e d e c o n o m ya n d s e c u r i t ya r ea f f e c t e ds e r i o u s l y s oi t i so fv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et os t u d ym u l t i v a r i a b l ea d v a n c e dc o n t r o l m e t h o d sw h i c ha r es u i t a b l ef o rt h ec o m p l e xt h e r m a ls y s t e m s ，a n dt a k ei t i n t oa u t o m a t i cc o n t r o la n do p t i m a lo p e r a t i o ne f f e c t i v e l y t h i sp a p e r r e v i e w st h ea d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sa n da p p l i c a t i o nr e s e a r c hs i t u a t i o n o ft h e r m a ls y s t e m ss u c ha sp o w e rp l a n tb a l lm i l ls t o r a g ep u l v e r i z e dc o a l s y s t e m ，a n dt h e ns t u d i e st h ea p p li c a t i o nr e s e a r c ho ft h e 舢l t i v a r i a b l e a d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sf o rt h ec o m p l e xt h e r m a ls y s t e m s c h a p t e r1i st h ei n t r o d u c t i o no ft h ep a p e r f i r s t l y ，i td e s c r i b e st h e b a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h ，a n dt h e nr e v i e w st h e s i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sf o rt h et h e r m a l s y s t e m ss u c ha st h ep o w e rp l a n tb a l lm i l ls t o r a g ep u l v e r i z e dc o a ls y s t e m a tp r e s e n t l a s t l y ，i tp u t sf o r w a r dt h ep r i m a r yw o r kb a s e do nt h ep r o b l e m s e x i s t i n ga tp r a c t i c a lc o n t r o l so fc o m p l e xt h e r m a ls y s t e m s c h a p t e r2s t u d i e st h em u l t i v a r i a b l es y s t e md e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o d f o r t h e b a llm i1 1 s t o r a g ep u l v e r iz e dc o a ls y s t e m b a s e do nt h ec h i e f i n t r o d u c t i o no fp r o d u c t i o nf l o wf o rt h eb a l lm i l ls t o r a g ep u l v e r i z e dc o a l s y s t e m ，w em a k et h ec o u p l i n ga n a l y s i sa n dg i v et h el o o pm a t c h i n gm e t h o d 山东大学硕士学位论文 o fm u lt i v a r i a b l es y s t e m l o o pm a t c h i n gs h o u l dn o to n l yc o n s u l tr e l a t i v e g a i na r r a y ( r g a ) ，b u ta l s oh a v et oc o n s i d e rt h et e c h n o l o g ya n dc o n t r o l r e q u i r e m e n to fp r a c t i c a lp r o c e s st oc h o o s em o r ea p p r o p r i a t ei n p u ta n d o u t p u tm a t c h i n g a f t e rc h o o s i n gt h es u i t a b l em a t c h i n g ，w eg i v et h e d e c o u p l i n gc o n t r o ls c h e m eo ft h eb a l lm i l ls t o r a g ep u l v e r i z e dc o a ls y s t e m b a s e do nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe a c hl o o p t h i ss c h e m ec o m b i n e s f e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o nd e c o u p l i n gw i t hp a r t i a ld e c o u p l i n gw e l l ，a n dw e m a k et h es y s t e md e s i g na n ds i m u l a t i o no fi t f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， w ec a ns e et h a tt h ep a r t i a lf e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o nd e c o u p li n gc o n t r o l c a np r e f e r a b l ys e p a r a t et h en e g a t i v ep r e s s u r el o o p ，a n dt h ec o n t r o l l e d o b j e c ti ss i m p l i f i e dt o3 3f r o m2 2 c h a p t e r3s t u d i e sad e c e n t r a l i z e dr e l a yf e e d b a c ka u t o t u n i n gs t r a t e g y o fm u l t i v a r i a b l ep i dc o n t r o l l e r sf o rc o m p l e xt h e r m a ls y s t e m s f i r s t l y ， t h i sp a r ts t u d i e st h ee x i s t i n ga u t o t u n i n gm e t h o d so fm u l t i v a r i a b l ep i d c o n t r o l l e r sf r o md e c e n t r a l i z e dr e l a yf e e d b a c k t h e n c o m b i n i n gt h e c o o r d i n a t e dc o n t r o lo b j e c tc h a r a c t e r i s t i c so fc o a l f i r e du n i t ，t h ea u t h o r p r o p o s e sa ni m p r o v e dd e s i g nm e t h o df o rt h ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mw i t h f e e d f o r w a r dd e c o u p li n g t h es i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n e wm e t h o dc a nm a k es y s t e m so b t a i np r e f e r a b l ec o n t r o le f f e c t s c h a p t e r4c o m b i n e st h ei t e r a t i v ef e e d b a c kt h e o r ya n dt h er e l a y a u t o t u n i n gm e t h o do r g a n i c a ll ya n dp r o p o s e s a n a u t o t u n i n g f o r m u l t i v a r i a b l ed e c e n t r a l i z e dp i dc o n t r o l l e r s - - i t e r a t i v er e l a yf e e d b a c k m e t h o d c o m p a r e dw i t h t h ee x i s t i n gd e s i g nm e t h o d s ，t h i so n eh a s t h e a d v a n t a g e so fl o wd e m a n d st op r i o rk n o w l e d g ea n dm o d e lo ft h ec o n t r o ll e d o b j e c ta n di th a sc l e a rp h y s i c a lc o n c e p t i o n s ，s oi t i sc o n v e n i e n tf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e do b j e c to ft h ep o w e r p l a n tb a l lm i l li n t e r m e d i a t ec o a lp u l v e r i z i n gs y s t e m ，t h i sp a r td o e s c o n t r o ls y s t e md e s i g na n ds i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nb yt h ep r o p o s e dm e t h o d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ll e rp a r a m e t e r sc o u l db et u n e d x 山东大学硕士学位论文 p r e f e r a b l ya n dt h es y s t e mc o u l dg e tas a t i s f i e de f f e c t c h a p t e r5d i s c u s s e sm u l t i v a r i a b l ed m ca l g o r i t h ma n dp r o p o s e s a n a u t o t u n i n gm e t h o do fd m cp a r a m e t e r s f o rat y p ic a lt i t os y s t e m ，w em a k e s o m esi m u l a ti o n sa n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo f e a c hp a r a m e t e r i nt h e c o n t e x to fs i m u l a t i o n ，t h ep r o p o s e dm e t h o di sa p p l i e dt ot h es i m p l i f l e d b a l lm i l ls t o r a g ep u l v e r i z e dc o a ls y s t e ma n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h i s t u n i n gs t r a t e g yc o u l dc o n t r o lo u t p u t se f f e c t i v e l ya n ds a t i s f yi n d u s t r i a l c o n t r o lr e q u i r e m e n t 。 c h a p t e r6p r e s e n t st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i nt h i sp a r t ， ap r e d i c tc o n t r o le n g i n e e r i n gs o f t w a r ep a c k a g ei sd e s i g n e dw i t hv e + + b a s e d o np cp l a t f o r m ，c o n t a i n i n ga s t e pr e s p o n s em o d u l e ，ac o n t r o lm a t r i xm o d u l e ， ap a r a m e t e ri n p u tm o d u l e ，as y s t e ms i m u l a t i o nm o d u l ea n do t h e rm o d u l e s i tc a nb eu s e di nw i n d o w ss y s t e m so np cp l a t f o r m ，a n da l s o ，i th a sl o w d e m a n d sf o rh a r d w a r e ，s oi th a sag o o df l e x i b i l i t y 。u s i n gt h i ss o f t w a r e ， w ec o u l dd e c r e a s et h et u n i n gti m eo fc o n t r o lp a r a m e t e r sa n di n c r e a s et h e p e r f o r m a n c eo fp r o c e s sc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e sa l lt h ew o r k sw h i c hh a v eb e e nd o n ei n t h et h e s i s ，a n dl o o kf o r w a r df u r t h e re x p l o r a t i o n sa n dr e s e a r c hq u e s t i o n s i nt h en e x tw o r k k e y w o r d s ：t h e r m a lp r o c e s s ： m u l t i v a r i a b l es y s t e m ；r e l a yf e e d b a c k ：d m c a l g o r it h m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：捌 e t 期：竺叠：妄：亟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雌导师签名：云厶垒丛日 期：垒塑蔓塑 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 热工过程控制主要是对电力、冶金、化工、石油等生产过程中热工参数的控 制。典型的复杂热工系统都具有多个控制量和被控量，并且各控制量和被控量之 间存在着严重的耦合。 常规的系统控制方案结合前馈补偿、串级控制等策略，采用基于p i d 线性控 制算法的多个s i s o 反馈控制回路组成的分散控制( d c s ) 结构，目前在复杂热工 过程中得到广泛应用，但无法保证长期正常投入运行，只能用来维持生产过程的 平稳运行，复杂工况需要技术人员大量的手工操作和监督控制，运行参数偏离经 济指标较大，造成大量能量损失，增加了设备故障率，严重影响了企业的经济效 益和安全可靠运行。解决上述问题的有效途径之一就是设法消除过程中各输入输 出变量之间的耦合，以实现其自动控制和优化运行。因此研究适合于复杂热工系 统的多变量先进控制方法，将是今后过程控制的研究重点。同时，先进控制理论 的发展和计算机控制技术的日益广泛应用，也极大地促进了应用非常规方法对复 杂热工系统控制的研究与开发。 1 2 热工系统先进控制方法与应用研究现状 先进控制a p c ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 也称为高级过程控制n 3 1 ，目前 尚无严格且统一的定义。通常是指将一类在动态环境中，基于数学模型，借助计 算机充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。为了与智 能控制方法以及常规控制方法区分开来，我们把多变量最佳状态估计和反馈、逆 奈奎斯特阵列设计方法、自适应或自整定控制、模型预测控制、鲁棒控制等基于 传统数学模型的方法定义为先进控制方法。 多变量最佳状态估计和反馈设计方法 在先进控制研究的早期，其研究的重点主要放在使某些二次型性能指标最小 的最优控制n 6 1 ，这种控制方法应用于热工系统控制的局限性在于：设计必须依 山东大学硕士学位论文 赖于被控对象精确的状态空间数学模型，造成控制系统实施的复杂性；设计方法 难以考虑控制系统实际运行提出的要求，例如控制回路或子系统的分散化，控制 结构的简单性和调节器的整体性；不可避免地需要采用状态观测器，降低了控制 系统对模型参数变化的鲁棒性，因此系统性能敏感地受到模型不确定性的影响； 设计问题的提法过于间接和抽象，难以融合常规控制的成功经验；在控制器中必 须包含积分作用的需求；在强非线性系统中应用线性控制技术。 尽管如此，许多研究者仍在这方面做了有益的尝试，为了消除锅炉一汽轮发 电机组控制对象输入输出变量间存在的复杂关联对机组控制性能的影响，他们试 图采用最佳控制理论从整体上改进机组的控制结构，h n i c h o l s o n 6 】首先用文献 7 提出的锅炉建模方法利用机组设计和稳态测试数据，建立了一个运行于工业发电 厂的小型燃油锅炉机组( 额定蒸汽流量为4 5 3 5 t h ，额定过热蒸汽温度和压力分 别是4 4 0 。c 和4 5 6 m p a ) 满负荷工况附近的九阶线性化状态空间模型，基于此模 型的降阶模型设计了机组的最优和次最优数字控制器。m c d o n a l d 和k w a t n y 4 】利 用自己建立的2 0 0 m w 燃煤机组非线性数学模型陋1 ，提出应用具有完整状态估计 器( 包括外部干扰的估计) 的最佳控制器分析和设计动力机组的控制系统。文 1 4 针对具有直吹式制粉系统的5 0 0 m w 机组由控制对象闭环运行时收集到的数据建 立了适于控制系统设计的随机离散模型，用于机组最佳协调控制系统的仿真研 究。上述基于多变量线性最优调节器理论设计的热工控制系统并没有获得实际应 用。直到1 9 8 1 年，c o r i 和m a f f e z z o n i 阳m 1 把l o g 设计方法直接应用存在的许多 缺点，通过借助于常规控制成功经验加以消除，才在一个1 6 0 m w 燃油汽包炉机 组上实现了实用的多变量线性最优调节的试验性运行。虽然如此，这种多变量最 佳控制方法却在机组局部控制系统中获得了应用，文 1 1 报道了在日本某电力公 司5 0 0 m w 燃油锅炉上实现的蒸汽温度线性二次型最优调节器，使得他们的机组 可用性和运行热效率显著提高。 为了消除或降低机组控制回路间交互作用的影响，也进行了状态反馈解耦方 法的应用研究，文 1 2 针对加拿大o n t a r i oh y d r o 公司的一个1 5 0 m w 燃油机组 采用基于状态反馈的补偿器对常规炉跟机控制方案进行了扩展，以达到降低系统 间耦合影响的目的。此补偿器利用对象的一个9 阶的状态空间线性模型计算出一 组常数增益矩阵，并作用于过程状态向量产生相应的控制信号，这部分信号作为 2 山东大学硕士学位论文 原有的四个主要控制输入信号的补偿信号，以加权求和的方式共同参与控制，而 过程状态向量是通过k a l m a n 滤波器估计获德的。仿真结果表明此方案在7 5 到 1 0 0 负荷范围内改善了机组负荷跟随控制能力，并减小了过程变量偏差和降低 了回路闻耦合影响。但在研究的负荷范围内文中没有给出使用的线性模型的数 量，也没有说明状态反馈增益矩阵组间的切换方式。 lb o r s i n 3 1 则用对象的一个1 2 阶模型为b e n s o n 直流锅炉设计了状态反馈解 耦控制器，且在实际机组上进行了应用研究，以实现蒸发器出口蒸汽压力和焓值 的互不相干控制。研究结果说明与常规控制相比近似解耦的控制方案霹降低控制 偏差，改进低负荷运行稳定性，简化的参数调整和对过程特性变化的不敏感性。 同时指激采用勰耦控制方法的主要困难在于解藕毒 偿器的设计，设计实用的动态 解耦补偿器不仅费事费时，而且不总是可行的，解耦补偿器的复杂性会阻碍它的 实际应用。 逆奈奎斯特阵列设计方法( a 法) i n a 法的设计愚想是由珏。h r o s e n b r o c k “铂首先提出的，它是多变量频域法 中提出最早也是最重要的一种方法。烈a 法首先通过对控制对象的预补偿使系统 的开环传递函数矩阵达到对角优势，亦即近似解耦，由此来保证闭环传递函数矩 阵也达到近似解耦以减弱系统的关联和获得控制器的简单结构和可实现性；再利 用对角优势有理函数矩阵的特有性质推缛的对角优势系统n y q u i s t 稳定判据和 o s t r o w s k i 定理完成反馈增益矩阵的设计；最后可用单变量频域法为每个回路设 计满足动态和稳态品质的零 偿器。i n a 法由于借助了状态空间法所取得的成栗， 并且沿袭和推广了经典频域法的概念和方法，因此较好地解决了上述的状态空间 法应用于一般过程控制遇到的实际困难。在协调控制系统研究方面，文献 1 5 将i n a 法用于囡产2 0 0 m w 火电机组的负荷汽压多变量控制系统的控制结构设 计，并对设计的特点及仿真实验结果进行了讨论，其中控制对象的数学模型是预 先给定的。文 1 6 针对一个燃用固体燃料的锅炉送引风控制系统采用i n a 法设计 了多变量线性控制器。虽然i n a 法在过程控制实际应用中毙状态空间法前进了一 步，但其设计的前提对象传递函数矩阵或频率响应矩阵仍然要求在设计所关心的 频率范围足够精确；i n a 法设计依赖于大量的图形信息和设计者的经验和技巧， 本质上是一种离线设计方法，要实现设计的自动化还需要做大量的工作。 3 山东大学硕士学位论文 自适应或自整定控制方法 直到目前热工系统中实际使用的控制策略还主要是固定参数的p i d 控制，并 且采用的各种控制算法参数的整定仍大多依靠试凑和经验，而热工控制对象大部 分具有很长的惯性和延迟时间，且具有慢时变和非线性特征，因此从原理上说自 适应控制似乎更适合于电厂整体控制，且它所具有的消除对象特性时变和环境干 扰波动不确定性影响的能力特别有助于机组大范围运行的控制。 r i s e r m a n n 在文【1 7 忡用仿真试验的方式系统地讨论和研究了基于过程辨识 的多种数字控制方法在电厂的应用问题，在不考虑耦合时，过热汽温和蒸发器压 力的s i s o 自校正控制的参数估计选用r l s 方法，控制器分别为考虑控制量幅度 限制的d e a d b e a t 控制器和广义最小方差控制器。统一考虑的m i m o 参数自适应 控制采用多变量r l s 方法和l q 最优状态反馈控制器。仿真试验包括控制器启 动阶段的开环辨识、控制器的投入和自适应控制，根据仿真结果对自校正控制器 和采用参数最优化设计的p i d 控制器进行了性能和设计时间的评价，结论指出对 于具有强耦合的多变量、大惯性的热工控制对象，自适应控制可以节省设计时间 和显著改善控制性能。文 1 8 针对一个母管制机组的煤粉汽包炉( 9 5 m p a ，5 4 0 ，1 2 0 t h ) 报导了多变量自校正调节器( s t r ) 试验性应用研究结果。该自校 正调节器为了适合于工业应用采用p e t e r k a 提出的数值稳定的修正平方根l s 递 推辨识算法，选用具有控制输入惩罚矩阵的多步l q 性能指标综合自校正控制律， 以应付过程的非最小相位特性。m i m os t r 应用于末级过热器的两个控制回路， 取得了6 5 的采样周期内温度保持在设定值附近3 5 范围内的良好效果。 当机组负荷大范围变动且变负荷速率较大时，由于要长时间大幅度地改变燃 料量，使机组各回路的耦合加强、非线性特性表现得更加明显。文 1 9 对于机组 的这种工况研究了多变量s t c 的应用，研究的对象是一个典型的6 0 0 m w 燃油 强制循环汽包炉单元机组，采用的控制算法是k o i v o 提出的m i m os t c 。假设 在某个固定负荷控制对象的输入输出关系可用一个线性a r 模型逼近，模型的阶 和系统的纯时延通过离线辨识获得，为获得好的辨识结果，用试验确定了可使对 象输出波动不超出近似线性范围的试验信号p r b s 的最大幅度，将此p r b s 信号 施加于控制对象得到的开环响应与辨识获得的a r 模型的预测输出相比较，只有 前4 0 0 秒两者动态行为一致，说明经4 0 0 秒后对象工作点发生了较大的漂移，在 4 山东大学硕士学位论文 指定工作点得到的a r 模型不再能用来表示对象的特性。利用得到的a r 模型作 为初始值投入设计好的m i m os t c 进行自适应控制，由于在动态过程中参数估计 器不能利用获得的少量信息跟踪相对变化较快的对象参数，导致与常规控制相比 被控输出动态偏差较大。通过引入增益调度技术对m i m os t c 进行改进，显著 减小了动态偏差。 自适应控制方案虽然没有成功应用于机组整体控制的报道，但在日本一些火 电厂机组上却已将这种方法满意地用于蒸汽温度的控f l ；t j 2 0 。他们实际采用的控 制结构是自适应控制与常规控制并行存在，把两者的控制信号以加权的方式叠加 实现控制，对象数学模型采用输入输出多项式离散模型，模型参数通过过程数据 估计，应用表明达到了在负荷变化情况下明显改进控制性能，提高机组热效率的 效果。我国研究人员【2 1 2 2 也用自适应控制方案取得了良好的蒸汽温度控制应 用实验结果。 尽管早期对自适应控制方案寄予了很大期望，但至今用它实现机组整体控制 仍不能成为现实，原因在于机组对象的高维和非线性，特别是机组的大范围变压 运行工况已超出了自适应控制所能解决问题的范围。 j ： 模型预测控制 上述立足于现代控制理论的设计方法由于需要控制对象的精确数学模型，因 此在实际热工系统控制中获得的应用是有限的。为了填补完美的控制理论与实践 之间的巨大鸿沟，七十年代以来人们开始突破传统方法的束缚，面向工业过程的 特点，寻找对模型要求低、控制综合质量好、在线计算方便的动态优化数字控制 新算法，预测控制应工业应用的实际需要而产生和发展起来。基于模型的预测控 制m p c 乜州2 4 1 这类控制策略在化工或石油化工过程控制中获得了极大的成功，人们 也已认识到它在热工系统控制中的相类似的发展潜力。 文献 2 5 报导了m p h c 算法在一个2 5 0 m w 燃油汽轮发电机组控制中的应 用。控制对象的被控量是送到高压缸的蒸汽压力和过热器、再热器的出口温度， 控制量是燃料输入量、冷却水流量和再循环烟气流量，可测扰动量为过热器出口 蒸汽流量。对于这样的多变量对象，采用了分散控制的结构，即对蒸汽压力先用 模拟p i 控制器控制后再用m p h c 算法对闭环等效对象进行动态设定值优化控制； 而对过热器、再热器的出口温度则由冷却水流量和再循环烟气流量实行直接的多 5 山东大学硕士学位论文 变量m p h c 控制。用于实现m p h c 控制的软件包称为i d c o m ，该软件包可以完 成对象脉冲响应模型参数的辨识，并能考虑对执行器和中间变量的约束条件和控 制的鲁棒性。虽然该软件包提供了在线辨识的可能性，但在工业环境中一般不需 要连续地进行辨识，因为一般情况下过程工作在相同的工况附近，算法自然具有 的鲁棒性已能被动地适应对象特性的缓慢变化。当机组负荷变动时，通过离线辨 识发现与温度有关的脉冲响应是随着负荷的变化呈反方向变化的，如果采样周期 随负荷变化作相应的调整，则需要在线辨识的只有脉冲响应的增益。这一汽轮发 电机组采用m p h c 控制质，控制爨在扰动发生后较迅速地做出了反应，加快了调 节速度，避免了大幅度的动态偏差和振荡，取得了比常规控制优化的控制效果。 应用基于线性模型的多变量d m c 控制机组对象的仿真研究汹3 也有论述，但文中 对如何由线性自回归采样数据模型克服过程非线性没有给予说明。 g p c 控制方法是为了增加囱适应控制系统的簧棒性，在广义最小方差囊校 正控制的基础上汲取预测控制中多步预测优化策略产生的基于参数模型的预测 控制算法，通过引入不相等的预测时域和控制时域，使系统设计更加灵活，它不 仅能用于非最小相位对象，而且能用于时延未知或时变以及阶次未知的过程。文 【2 7 利用m c d o n a l d 和k w a t n y 8 建立的2 0 0 m w 燃煤机组非线性数学模型，通过 仿真研究了当负荷变化时应用g p c 控制主汽压力的问题，其中讨论了控制器设 计参数豹选择以及输入输出滤波器的重要性，彷卖试验表明与固定参数p l 控制 器相比g p c 可用较小的控制量得到平稳的控制效果，同时主汽压的平稳控制也 提高了机组其它被控量的控制质量。文 2 8 m 改进的方法设计了主汽压g p c 控制 器，在一个2 0 0 m w 燃油机组实时仿真器上研究了机组按炉跟机方式定压运行和 滑压运行时的控制效果，得出豹结论是当机组大范豳改变负荷时与经过仔细整定 的p i d 相比g p c 可使定压运行的控制性能取得较大的改善，而对滑压运行则改 进较小。文 2 9 1 在一个2 0 0 m w 燃油机组实时仿真器上对控制量变纯幅度和变化 速率受限的m i m om b p c ( m o d e l 。b a s e dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 算法进行了应用研究， 该算法用于枫组的汽压和电功率的协调控制，仿真结果说嬲改进的控制策略可在 获得快的负荷响应速度的同时减小汽压的变化。 然焉，预测控制是理论研究落后于实际豹一种控制算法，尽管在王监上的应 用，尤其是在复杂对象和多变量的系统中如石油化工行业中已经取得了十分显著 6 山东大学硕士学位论文 的控制效果，但是还存在着一些问题。如在理论上，要保证鲁棒稳定性，而在实 际上，要保证在每个采样时间求解最优问题有充足时间等。因此，如何将这种算 法更好地应用于实际工业过程，仍是一项亟待解决的问题。 1 3 球磨机中储式制粉系统控制的研究现状 二十世纪六十年代末，国外大都采用模拟仪表进行磨煤机控制，而我国的钢 球磨煤机一直是采用手动控制方式，到七十年代初期，我国开始设计了以给煤量 控制压差，以热风量控制温度，以再循环风量控制负压的自动控制系统，以及另 一种用给煤量控制温度、用热风控制负压的方法。它们共同的问题是以单回路调 节器为基础，对磨煤机如此复杂的系统显然达不到要求，若强行将其间的相互联 系割裂开来，只能顾此失彼，达不到理想的控制效果。三变量之间的严重耦合， 加之系统的非线性和时变性问题，这个时期的自动控制系统均不能投入运行，直 到八十年代初期，国内开始有人研究钢球磨制粉系统的动态特性和数学模型，并 把多变量解耦控制方法应用于制粉系统的分析。进入九十年代，人们在消化引进 国外钢球磨制粉系统控制技术的同时，开始探索用新的方法来检测磨煤机内的存 煤量，而且控制方法也有了较大的进步。随着先进控制理论和检测手段以及计算 机技术的发展，火电厂热工过程控制水平有了大幅度的提高，球磨机中储式制粉 系统这一较难控制的系统开始受到重视，并取得了一些理论和应用方面的研究成 果。 中储式钢球磨制粉系统是一个具有非线性、大滞后和不确定性扰动的多变量 非线性系统，其控制核心在于对钢球磨煤机的控制。在磨煤机运行过程中，通过 调节给煤机的转速、热风门开度及冷风门开度，以保证磨煤机鼓筒内的存煤量( 即 磨煤机负荷) 、磨煤机出口温度及磨煤机入口负压分别处在最佳值附近，从而使 磨煤机保持在最大出力下运行。球磨机系统是存在严重耦合的三输入三输出多变 变量系统，控制难点在于：被控参量间的耦合、信号难以测量( 如磨煤机负荷) 、 数学模型复杂( 磨煤机的三个被控参数的阶跃响应为多容高阶、纯迟延较大的对 象特性) 。文 3 1 的作者应用b r i s t o 卜s h i n s k e y 方法对制粉系统球磨机的耦合进 行了理论分析，结论是，在钢球磨制粉系统的三个调节回路中，不管三个回路如 何配对，均存在着相当严重的耦合，不解耦的系统不可能实现良好的控制，解耦 设计是必须的其作者设计了两种补偿方法，一种是前馈补偿法，即根据抗干扰 7 山东大学硕士学位论文 设计原理，选择一个补偿支路，使它与耦合支路的影响互相抵消；另种是三角矩 阵法，即在前馈补偿法的基础上，只考虑采用部分解耦公式，允许一些相对来说 不太重要的变量存在耦合，让解耦环节与对象组成的广义对象矩阵成为一个上三 角或下三角矩阵。 将给煤回路看作单回路系统，针对磨入口负压和出口温度，文 3 2 设计了一 种解耦控制系统：动静态全解耦方法、静态解耦方法和工程实用的静态解耦方法。 其后一种方法是通过试验来确定解耦补偿函数，具有一定的实用性 文 3 3 3 4 以振动信号来表征球磨机的负荷，亦将给煤量设计成单回路，对 磨出v i 温度和入v i 负压回路则基于多变量频域设计方法，分别给出了逆奈奎斯特 阵列( i n a ) 法和反标架正规化( r f n ) 设计方法，其特点是系统结构简单，较易于 工程实现。文 3 5 则对磨入e l 负压和出口温度控制系统，提出以下改进方法：( 1 ) 以多