（控制理论与控制工程专业论文）神经网络内模控制在协调控制系统中的应用.pdf

华忿电力天学碗士学位论文摘耍 撼要 单元机组协调控制系统的控制对象为锅炉、汽轮誊几和发电搬，它具有大时滞、 嚣寸变、稚线性、强禚合，同对难以遥配的特点，是一个典型的m i m o 热工对象。其 中，主汽压力稳定性和负荷适应性是对最基本、最主要的矛盾。本文根掇枫炉控 黼霞路的动态特往设计了以炉跟祝为主的协调控制系统，该方式充分利用了机组的 蓄能，负荷响成速度快，参与电网调频能力强，但压力波动较大，实际机缎运行不 稳定。为解决这一矛潜，先对协谓控稍系统邂行单向解藕；根据锅炉豹大逡延往， 对解耦詹的炉侧用神经网络内模进行控制：根据汽轮机的快速性，对解耦后的机侧 舔鬻筑p i d 逶行控翻。镑真试验表葫：该方法能保诿枫翦压力在定镶范国内，使穰 组具有良好的负荷跟踪能力，：拌具有良好的稳定性，抗干扰性和鲁棒性。 关键词：协调掇制系统，单向解耦，神经网络，内模控制 a b s t r a c t t h eo b j e c t so fu n i t sc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1s y s t e m ( c c s ) a r eb o i l e r ，t u r b i n ea n d g e n e r a t o r , i ti sat y p i c a lm i m o t h e r m a lo b j e c tw i t hl a r g ed e l a y , p a r a m e t e r st i m ev a r y i n g ， n o n l i n e a r ，s t r o n gc o u p l i n ga n d d i f f i c u l tm a t c h i n g r e l a t i v e l y ，t h em a i np a r a d o xi s b e t w e e nt h es t a b i l i t yo ft h ep r e s s u r eb e f o r et u r b i n ea n dt h es u i t a b i l i t yo ft h el o a d a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n ea n db o i l e r sc o n t r o ll o o p ，c c s m a i n l yb a s e do nt h eb o i l e r - f o l l o w t u r b i n ei si n t r o d u c e d t h i sm e t h o d 托l l yu s e su n i t s e n e r g ys t o r a g e ，t h e r ea r eaq u i c kr e s p o n s ef o rl o a da n das t r o n ga b i l i t yo ff r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，b u tt h ep r e s s u r ef l u c t u a t e sl a r g e l y , t h ep r a c t i c a lu n i tr u n su n s t a b l e t os o l v e t h i sp r o b l e m ，c c si so n e w a yd e c o u p l e d ；a c c o r d i n gt ot h el a r g ed e l a yo fb o i l e r ，n ni m c i su s e dt oc o n t r o lt h eb o i l e rs i d e ；a c c o r d i n gt ot h er a p i do ft u r b i n e ，p i di su s e dt oc o n t r o l t h et u r b i n es i d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t r o d u c e dm e t h o dc a ni n s u r et h e p r e s s u r eb e f o r et u r b i n et os t a b l ea n dg o o dt r a c k i n ga b i l i t yf o rl o a d ，t h eu n i ta l s oi ss t a b l e ， a n t i d i s t u r b i n ga n dr o b u s t h ul i h o n g ( t h e o r ya n de n g i n e e r i n go f c o n t r 0 1 ) d i r e c t e db yv i c ep r o f h et o n g x i a n g k e yw o r d s ：c o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ，o n e - w a yd e c o u p l i n g ，n e u r a ln e t w o r k ，i n t e r n a l m o d e lc o n t r o l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 单元机组协调控制系统的控制对象为锅炉、汽轮机和发电机，它典有大时游、 对变、j # 线性、弦藕合，同时难以匹配豹特点，是个典型的m i m o 热工对蒙。其 中，主汽服力稳定性和负荷适成性是对最基本、最主要的矛皤。本文根据机炉控 涮圃路的动态特毪设计了以炉菲祝为主的协调按制系统，该方式充分釉用了机组的 蓄能，负旖响应速度快，参与电网调频髓力强，但压力波动较大，实际机组运幸亍不 稳定。为解决这一矛詹，先对协调控稍系统进行萃向解耦：擞攒锅炉鞠大迟怒性， 对解耦后的炉侧用神经嘲络内模进行控制；根据汽轮机的快速性，对解耦后的机侧 焉鬻窥p i d 避雩亍控制。钫囊试验表明：该方法麓徐证祝翦压力在定篷范国内，使辊 组具有良好的负荷跟踪能力，并具有良好的稳定性，抗干扰性和鲁棒性。 关键词：协调控制系统，单向解耦，神经网络，内模控制 a b s t r a c t t h eo b j e c t so fu n i t sc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ( c c s ) a r eb o i l e r ，t u r b i n ea n d g e n e r a t o r , i ti sat y p i c a lm i m o t h e r m a lo b j e c tw i t hl a r g ed e l a y , p a r a m e t e r st i m ev a r y i n g ， n o n l i n e a r ，s t r o n gc o u p l i n g a n dd i f f i c u l tm a t c h i n g r e l a t i v e l y ，t h em a i np a r a d o xi s b e t w e e nt h es t a b i l i t yo ft h ep r e s s u r eb e f o r et u r b i n ea n dt h es u i t a b i l i t yo ft h el o a d 。 a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n ea n db o i l e r sc o n t r o ll o o p ，c c s m a i n l yb a s e do nt h eb o i l e r - f o l l o w t u r b i n ei si n t r o d u c e d ，t h i sm e t h o df u l l yu s e su n i t s e n e r g ys t o r a g e ，t h e r ea r eaq u i c kr e s p o n s ef o rl o a da n das t r o n ga b i l i t yo ff r e q u e n c y m o d u l a t i o n b u tt h ep r e s s u r ef l u c t u a t e sl a r g e l y , t h ep r a c t i c a lu n i tr u n su n s t a b l e 。t os o l v e t h i sp r o b l e m ，c c si so n e w a yd e c o u p l e d ；a c c o r d i n gt ot h el a r g ed e l a yo fb o i l e r ，n ni m c i su s e dt oc o n t r o lt h eb o i l e rs i d e ；a c c o r d i n gt ot h er a p i do ft u r b i n e ，p t di su s e dt oc o n t r o l t h et u r b i n es i d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t r o d u c e dm e t h o dc a ni n s u r et h e p r e s s u r eb e f o r et u r b i n et os t a b l ea n dg o o dt r a c k i n ga b i l i t yf o rl o a d ，t h eu n i ta l s oi ss t a b l e ， a n t i - d i s t u r b i n ga n dr o b u s t h ul i h o n g ( t h e o r ya n de n g i n e e r i n go f c o n t r 0 1 ) d i r e c t e db yv i c ep r o f h et o n g x i a n g k e yw o r d s ：c o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ，o n e - w a yd e c o u p l i n g ，n e u r a ln e t w o r k ，i n t e m a l m o d e lc o n t r o l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文神经网络内模控制在协调控制系 统中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他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。 学位论文作者签名：捆鱼丝三日期：丛丝： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可阻学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：主盈塑f 日期：理里：l 基 导师签名： 日期 碰 0 2 - 兰! ! 盥垄叁堂耍堂垡造塞 第一章引言 1 1 选题背景及意义 随着工业生产对电力需求的不断增长，我国的电力工业得到了迅速发展，电网 豹垂动耽和蛰理拳平嚣盏爨蠢，毫潮豹结季奄嚣运行模式迄发生了缀太懿交纯。必了 适应电力市场竟价上阏的要求，单元机组应具有大幅度的快速调蜂能力，并使电阏 瑟稳定和经凌兹运嚣。嚣j 迦，单元壤组协调控利系统鲍磷究邑戒为火电厂壹动羧爨踅 中的袋键。同时，对单元机组协调控制系统的控制品质也提出了疆高的要求，主疆 包括：太范翻的受薅变动，良好的受蘅动毅悫跟踪性能、稳定性熊等。 单元机组协调控制系统的把锅炉和汽轮发电机组作为个整体进行控制n 1 ，它 具有大越嚣、越交、菲线瞧、强羯合，弱粒难戳瑟嚣戆特点，是一个爽型麴m i m o 热工对象。总结协调控制系统的研究成果，包括动态特性数学模型的建立，p i d 、 叁整定、摸糕、 季缀耀终、遗传、簸佳、预测、蛰棒、蜜锩、反馈线性纯及多交攫 频域簿控制手段，为协调控制系统的继续深入研究提供了些有赫参考，并指出了 按调按剩系统存在的闯题及一些嬲块豹思路和方法。 其中，内模控制( i m c ) 方法因具有盥观、炎现简易、鲁棒性能好及零稳态偏 差特瞧等一系列往患黼受到过程控穰爨数广泛关注。i m c 豹控利羧能美镶在于内郝 模型的精确程度和模型逆的实现，而一些篾杂系统难以建立精确的数学模型，其逆 曼难疆实瑰。棒经爨络缍必一季孛菲线蛙映射与内挨控制方法结合，可力系统提供嚣 参数模型和控制器模型，为复杂的非线性系统控制问题歼辟了新途径。 遴过霹众多毫厂控利系绞豹溺瓷，发璇协调投潮系统霆兹还蠢许多润题震要簇 决，特别是锅炉的控制。其中主要是锅炉的大迟延问题和锅炉在变煤种工况下的引 起熬主汽压力趣基歪需静交纯范强。汽轮枫铡出予漾j 爵ld e h 控铡，使羧铡晶矮大 大提商。因此，从a g c 的要求出发，要使机组之间协调动作，满足快速性和稳定 蛙熬装求，必修提鬻锅炉豹整裁特性。所以本文怒章孛经网络遗模投铡用于炉测懿控 制中。 镑灞控涮系统按照控铡方式兹不露，霹潋势秀辊鼹妒( t f ) 为基磷黧戮炉爨鸯氇 ( b f ) 为基础的协调控制系统【i l 。其中，机跟炉的特征是：由锅炉的燃料供应保_ i 正 要求豹受蓠，由汽轮掇避汽阉调节主汽压力，这秘控裂方姣只适耀予承掇基本受黄 的单元机组。而炉跟机的特征是负荷由汽轮机调节而主汽压力由锅炉调节，这种方 式豹优点是充分裂题了镊炉藿热量，捷提缀毙较抉豹跟踪钤赛受赞熬交豫，缺蠢楚 主汽压力会肖较大的波动，影响锅炉的安全稳定运行。因此，b f 方式适用于参加电 l 兰! ! 皇塑查堂堡主堂堡堡塞 网调频的机组。根据单元机组参加a g c 的要求，本文采用炉跟机为基础的协调控 制方式，神经网络内模控制用于炉侧来保证机前压力在稳定范围内，并保证机组安 全稳定运行。 1 2 单元机组协调控制系统的发展现状 随着电网运行自动化水平的提高，实现整个电网自动调度与管理已势在必行。 以单元机组协调控制系统为基础，构成整个电网级的协调控制和优化管理系统，已 成为电力生产自动化的发展趋势。 根据目前的发展状况，单元机组协调控制系统所采用的控制策略归纳起来有如 下6 种运行方式【2 】。 1 ) 基本方式：汽机主控和锅炉主控均处于手动运行方式： 2 ) 机跟炉方式：汽机自动调压，锅炉手动调功； 3 ) 炉跟机方式：锅炉自动调压，汽机手动调功； 4 ) 机跟炉协调方式：汽机自动调压，锅炉自动调功，并参与电网的一、二 次调频； 5 ) 炉跟机协调方式：锅炉自动调压，汽机自动调功，并参与电网的一、二 次调频； 6 ) 机炉协调方式：锅炉自动调功，汽机既自动调功又自动调压的运行方式， 并同时参与电网的一、二次调频：或锅炉调压，汽机既调功又调压的运 行方式，并同时参与电网的一、二次调频。 目前单元机组所采用的协调控制系统的运行方式基本上都是上述几种方式的组 合，对于同一台机组，并不是几种方式同时存在。在2 0 世纪9 0 年代以前，各火力 发电机组的协调控制系统主要为基本方式、机跟炉方式、炉跟机方式、机炉协调方 式这4 种方式并存。由于机炉协调方式存在机、炉难以协调一致工作并存在动态调 节过程中的稳态偏差等缺陷，人们在此基础上将其分解为机跟炉协调方式和炉跟机 协调方式这两种高级协调方式。9 0 年代以后的新建机组和改造机组，大部分采用基 本方式、机跟炉方式、炉跟机方式、机跟炉协调方式、炉跟机协调方式这5 种协调 方式。 在工程应用中，协调控制系统能否成功地投入运行，发挥其应有的功能，主要 取决于机组主设备本身的可控性，系统控制设备的性能及可靠性，控制算法的合理 性与鲁棒性等因素。近年来，随着计算机分散控制系统( d c s ) 的应用与发展，为 实现功能更加完善，控制算法更加先进的协调控制系统提供了良好的条件。主设备 2 一一 兰j ! 皇垄盔堂堡主堂笪堡苎 的可控性以及局部控制系统性能的改善，例如汽轮发电机组数字式电液调节系统 d e h 的应用，也为机组协调控制系统的投入奠定了必要的基础。 目前大多数的协调系统还是采用传统的p i d 进行设计，因为其控制器结构简单， 便于调节，鲁棒性强等优点使之能较好的适应过程工况的波动。但是传统的p i i ) 控 制依赖于被控对象的数学模型，而实际工程中很难得到精确的数学模型，这就严重 影响了控制品质。同时，p i d 调节器本质上是线性调节，而单元机组协调对象是非 线性的，这就使得其对于参数复杂的慢时变过程不易实时的在线调节。近年来，已 有很多学者分别采用诸如最优控制、现代频域设计方法( 如逆奈氏阵法( i n a ) 和 特征根轨迹法( c l ) 等) 和参数自整定p i d 控制等方法对单元机组的协调控制进行 了研究，但这些方法对受控对象模型的精确性要求也比较高。也有一部分学者采用 现代控制理论方法进行设计，虽然其理论比较完整，但是其控制器结构复杂，难以 实现，在设计过程中需要较多的数学知识和专门的设计工具，不便于工程技术人员 掌握，所以在工业过程中也不能得到广泛应用。 因此，工程技术人员越来越多将目光投入到智能控制上，随着智能控制策略的 发展，新兴的智能控制已有了不可阻挡的势头。具体到单元机组协调系统也有采用 i m c 、神经网络的智能控制策略。如文献 3 中i m c 控制方法是多变量控制算法的基 础，i m c 控制器中的“完全控制器”或“近似完全控制器”的使用有效地提高了系 统地动态性能，滤波器的使用又有效地提高了系统地鲁棒性。如文献 4 研究了基 于自适应神经元模型的负荷控制系统。仿真试验表明，各权系数的学习收敛速度较 快，控制系统具有很强的自适应能力和良好的控制品质。如文献 5 在简化单元机 组低阶非线性模型后得到的传递函数矩阵基础上，采用多变量内模控制方法，推导 出控制器的p i d 实现形式，该控制器结构简单，需调节参数少，具有良好的解耦效 果和负荷适应能力。 由以上可以看出，智能控制在现代工程中越来越代表了一种控制的新趋势。采 用一种新的基于神经网络和内模的智能控制方法有望对单元机组这样复杂的多变 量对象进行更有效的控制。综上所述，本文把神经网络和内模的思想结合起来，提 出了一种神经网络内模控制器，对解耦后的炉侧进行智能控制。 1 3 神经网络和内模控制的发展现状 1 3 1 神经网络的发展现状 近年来，人工神经网络以其独特的优点+ ij z 了人们的极大关注，其基本思想是 从仿生学的角度对人脑的神经系统进行模拟，使机器具有人脑那样的感知、学习和 推理等智能5 1 。对于控制界，神经网络的吸引力在于【6 】( 7 】： 3 华北电力大学硕士学位论文 一一 1 ) 能够充分逼近任意复杂的非线性关系； 2 ) 能够学习和适应严重不确定系统的动态特性： 3 ) 由于大量神经元之间广泛连接，即使少量神经元火连接损坏，也不影响 系统的整体功能，表现出很强的鲁棒性和容错性： 4 ) 采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能。 这些特点显示了神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面 的巨大潜力。可以断定，把神经网络引入控制系统是控制科学发展的必然趋势，它 的引入不仅给这一领域的突破带来了生机，也为控制研究者带来许多亟待解决的问 题。 神经网络的研究已有较长的历史，最早的研究是四十年代心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s 合作提出的兴奋与抑制型神经元模型和h e b b 提出的神经元连接强度 的修改规则，他们的研究结果至今仍是许多神经网络模型研究的基础。五、六十年 代的代表性工作是r o s e n b l a t t 的感知机和w i d r o w 的自适应线性元件a d a l i n e 。1 9 6 9 年，m i n s k y 和p a p e r t 合作发表了颇有影响的p e r c e p t r o n ) ) 一书，得出了消极悲观 的论点，加上数字计算机j 下处于全盛时期，并在人工智能领域取得显著成就，七十 年代人工神经网络的研究处于低潮，进入八十年代后，传统的v o nn e u m a n n 数字计 算机在模拟视听觉的人工智能方面遇到了物理上不可逾越的极限，与此同时， r u m e l h a r t 与m c c l e l l a n d 以及h o p f i e l d 等人在神经网络领域取得了突破性进展，神 经网络的热潮再次掀起。目前在研究方法上已形成多个流派，最富有成果的研究工 作包括：多层网络b p 算法，h o p f i e l d 网络模型，自适应共振理论( a r t ) ，自组织特 征映射理论等等。 将神经网络用于控制领域，已取得了如下几方面进展【8 j ： 1 )基于神经网络的系统辨识，估计模型的参数，重点在于非线性系统的 建模与辨识； 2 ) 神经网络作为实时控制系统的控制器，对于不确定、不确知系统及扰 动进行有效的控制，使控制系统达到所要求的动态、静态特性； 3 )神经网络与专家系统、模糊逻辑、遗传算法等相结合用于控制系统， 可为系统提供非参数模型、控制器模型； 4 ) 在常规控制系统设计中，神经网络可求解约束优化问题。 5 ) 随着对控制系统安全性、可靠性、可维护性要求的提高，神经网络可 用于系统的故障检测与诊断。 神经网络控制发展的历史虽不长，但神经网络已在多种控制结构中得到应用， 4 一一釜i ! 璺查奎兰墨妻堂壁量塞 如p i d 控制、模型参考自适威控制、前馈反馈控制、内模控制、逆系统控制、预测 控麓、模糊控潮等。 神经网络控制在理论与实践上，还有如下问题褥待于进一步磷究与撵讨： 1 ) 神缀网络的稳定性与收敛性问题； 2 ) 在遗遥菲线性薅数阕题上，毒孛经阚络熬瑷毒理论只髌凌了存在瞧瘸题； 3 ) 神缀网络的学习遗度一般比较慢，为满足实时控制的需簧，必须予以解 决； 4 ) 对于控制器及辨识器，如何选择合适的神经网络模型及确定模型的结构。 篾蠢瑾论攒导； 5 ) 引入神经网络的控制系统，在稳定性和收敛性的分析方面增加了难度， 繇究成莱较少，有待于遴一步舔讨。 1 。3 2 内模控制的发展现状“砧 内模控制是一种纂于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。其设计思 想霹遥滋裂1 9 5 7 年s m i t h 撵凄懿嚣雩滞臻毽 嫠控铡器，农馥磊戆繇究中，f r a n c i s 和w o h a m 等人相继引用了内模原理的概念，即把动念过穰特性的逆模型作为调节 器设诗，鞋懿褥到理想翡调繁往筏。毽是这挚争遂摸蘩受到避程交东特缝豹隈裁， 般不易实现。在随后的一段时间内，内模原理更多的停留在理论研究阶段丽难以成 为一耱工程设诗方法。壹裂1 9 8 2 每g a r e i a 秘m o r a r i 宠整遮提出势发震了内模控联 结构【9 1 ，这之稻，m o r a r i 等人广泛深入地研究了内模控制的性质、设计方法，并将 i m c 援广到多簸入多输出( m i m o ) 系统窝线性j 篷程，必内模控制奠定了坚实的 理论基础。这样，基于动态横型求逆来设计控制器的思想才得以工程化弗在单变 篷秘多变量线性控割中褥到了研究应用| l 。 内模控制以其设计简单、控制性能好等优点在过程控制中获得了成功的应用， 褥璺还袭王曼密农接裁系统稳定蛙和警搭搜理论分掇方覆戆傀努。谗多疆究蠢深入涎 论了内模控制与其控制算法，如动态矩阵控制( d m c ) 、模测算法控制( m a c ) 、线 性二次毽( l q ) 最貔羧割等之闲的内在关系。困瑟肉模控象l 不仅是一秘实怒豹先遴 控制算法，而且是研究预测控制等基于模型的控制策略的重要理论基础，以及提高 常甄控捌系统设量 水平的骞剃王具。 目前，线性系统的内模控制已研究得比较透彻。相比之下，自e c o n o m o u 、m o r a r i 等人塔及m i c h a e l 等将痰摸羧冀霭方法雄广到落线缝系统之鬃，菲线蠖系统戆内摸控 制研究仍进展缓慢。谶年来，随着对神经网络等智能控制方法研究的展开，非线性 系统巍模控制熬实现滋戒麦霹姥，爨溪了蠹摸控剩毒毒枣经瓣终控裁疆及其宅控制穷 5 些! ! 皇垄叁堂堡主兰垡兰奎 式相结合的趋势，并取得了一系列的成果。 i m c 发展到今天，应当说其理论框架已基本形成，尚需深入研究的主要是如何 更有效地利用反馈滤波器来改善鲁棒及抗扰性，但对于常用的一阶滤波器，所得结 论已能够卓有成效地指导实践。另外在非线性、多变量系统的控制，与智能、自适 应控制的结合等方面，也有很多工作要做，目前的很多研究成果与实际应用尚有距 离。 1 3 3 神经网络内模控制的发展现状“3 1 神经网络内模控制方法充分利用了神经网络强大的函数逼近能力，在一定程度 上克服了非线性系统难以建模的困难，受到人们的青睐。b h a t 和m c a v o y 在1 9 9 0 年就已考虑过将神经网络用于非线性内模控制，但他们没有研究非线性动态系统的 可逆条件，也没有为逆模型的建立提出相应的学习算法【l4 1 。1 9 9 1 年h u n t ”】等利用 高斯基函数网络以及1 9 9 2 n a h a s l l 6 j 等利用b p 网络进行对象模型及其逆模型的辨识， 给出了网络的训练算法，并直接用于i m c 结构，真j 下开创了非线性神经网络内模控 制的研究。h u n t 等7 j 还探讨了内模控制与自适应逆控制的关系，指出基于神经网络 的内模控制可看作是一种非线性自适应逆控制。y i l d i r i m 等利用回归混合神经网络 模型，进行了机器人内模控制的研究【1 8 1 ：刘小河针对由线性动态系统和非线性静 态系统串连组合的特殊非线性系统。讨论了存在神经网络逼近误差情况下模型逆的 结构和稳定性得到系统稳态输出的上界f l9 】；a o y a m a 等提出基于模糊神经网络的 非线性内模控制，发挥神经网络和模糊逻辑二者的优点，是解决非线性内模控制建 模问题的一条新途径，现在需要解决的问题是如何优化网络的结构和改进学习算法 以利于在线控制，并保证闭环系统的稳定性【2 0 l ：小波网络是集小波分析和神经网络 二者优势的一种前馈网络，具有网络参数物理意义明确、学习算法简单、收敛快、 无局部极小点等优点经过吕朝霞等【2 1 1 的研究表明基于小波网络的非线性内模控制 效果明显优于基于前馈网络的方法；p o t t m a n n 等还针对离散系统研究了基于r b f 网络的内模控制方法1 2 2 。 1 4 论文的主要工作及内容 本文主要阐述如下三个方面内容： 1 协调控制系统的解耦问题 机炉协调控制对象是一个强耦合对象，以锅炉燃料量、汽轮机进汽量为输入， 锅炉主蒸汽压力、机组实发电功率为输出。考虑到扰动主要来自炉侧，因此本文设 计了汽机侧到锅炉侧的单向解耦，以实现动态时汽轮机调节阀门和锅炉燃烧量共同 跟随外界负荷的变化而改变，而锅炉单独调节机前压力，保持机前压力维持在稳定 6 兰些生垄查兰堡主堂垡丝塞 式相结合的趋势，并取得了系列的成果。 i m c 发展到今天，应当说其理论框架已基本形成，尚需深入研究的主要是如何 更有效地利用反馈滤波器来改善鲁棒及抗扰性但对于常用的一阶滤波器，所得结 论已能够卓有成效地指导实践。另外在非线性、多变量系统的控制，与智能、白适 应控制的结合等方面，也有很多工作要做，目前的很多研究成果与实际应用尚有距 离。 1 33 神经网络内模控制的发展现状“” 神经网络内模控制方法充分利用了神经网络强大的函数逼近能力，在一定程度 上克服了非线性系统难以建模的困难受到人们的青睐。b h a t 和m c a v o y 在1 9 9 0 年就已考虑过将神经网络用于非线性内模控制，但他们没有研究非线性动态系统的 可逆条件，也没有为逆模型的建立提出相应的学习算法【l “。1 9 9 1 年h u n t i ”l 等利用 高斯基函数网络以及1 9 9 2 n a h a se ”i 等利用b p 网络进行对象模型及其逆模型的辨识， 给出了网络的训练算法，并直接用于i m c 结构真正丌创了非线性神经网络内模控 制的研究。h u n t 等j 还探讨了内模控制与白适应逆控制的关系，指出基于神经网络 的内模控制可看作是一种非线性自适应逆控制。y i l d i r i m 等利用回归混合神经网络 模型，进行了机器人内模控制的研究i l ”；刘小河针对由线性动态系统和非线性静 态系统串连组合的特殊非线性系统，讨论了存在神经网络逼近误差情况下模型逆的 结构和稳定性，得到系统稳念输出的上界“9 j ；a o y a m a 等提出基于模糊神经网络的 非线性内模控制，发挥神经网络和模糊逻辑二者的优点，是解决非线性内模控制建 模问题的一条新途径，现在需要解决的问题是如何优化网络的结构和改进学习算法 以利于在线控制，并保证闭环系统的稳定性日o j ；小波网络是集小波分析和神经网络 二者优势的一种前馈网络，具有网络参数物理意义明确、学习算法简单、收敛快、 无局部极小点等优点，经过吕朝霞等口l 】的研究表明基于小波网络的非线性内模控制 效果明显优于基于前馈网络的方法：p o t t m a n n 等还针对离散系统研究了基于r b f 网络的内模控制方法“。 1 4 论文的主要工作及内容 本文主要阐述如下三个方面内容： 1 协调控制系统的解耦问题 机炉协调控制对象是一个强耦合对象，以锅炉燃料量、汽轮机进汽量为输入， 锅炉主蒸汽压力、机组实发电功率为输出。考虑到扰动主要来自炉侧，因此本文设 计了汽机侧到锅炉侧的单向解耦，以实现动态时汽轮机调节阀门和锅炉燃烧量麸同 跟随外界负荷的变化而改变，而锅炉单独调节机前压力，保持机前压力维持在稳定 跟随外界负荷的变化而改变而锅炉单独调节机前压力，保持机前压力维持在稳定 6 些! ! 皇垄叁堂堡主兰垡兰奎 式相结合的趋势，并取得了一系列的成果。 i m c 发展到今天，应当说其理论框架已基本形成，尚需深入研究的主要是如何 更有效地利用反馈滤波器来改善鲁棒及抗扰性，但对于常用的一阶滤波器，所得结 论已能够卓有成效地指导实践。另外在非线性、多变量系统的控制，与智能、自适 应控制的结合等方面，也有很多工作要做，目前的很多研究成果与实际应用尚有距 离。 1 3 3 神经网络内模控制的发展现状“3 1 神经网络内模控制方法充分利用了神经网络强大的函数逼近能力，在一定程度 上克服了非线性系统难以建模的困难，受到人们的青睐。b h a t 和m c a v o y 在1 9 9 0 年就已考虑过将神经网络用于非线性内模控制，但他们没有研究非线性动态系统的 可逆条件，也没有为逆模型的建立提出相应的学习算法【l4 1 。1 9 9 1 年h u n t ”】等利用 高斯基函数网络以及1 9 9 2 n a h a s l l 6 j 等利用b p 网络进行对象模型及其逆模型的辨识， 给出了网络的训练算法，并直接用于i m c 结构，真j 下开创了非线性神经网络内模控 制的研究。h u n t 等7 j 还探讨了内模控制与自适应逆控制的关系，指出基于神经网络 的内模控制可看作是一种非线性自适应逆控制。y i l d i r i m 等利用回归混合神经网络 模型，进行了机器人内模控制的研究【1 8 1 ：刘小河针对由线性动态系统和非线性静 态系统串连组合的特殊非线性系统。讨论了存在神经网络逼近误差情况下模型逆的 结构和稳定性得到系统稳态输出的上界f l9 】；a o y a m a 等提出基于模糊神经网络的 非线性内模控制，发挥神经网络和模糊逻辑二者的优点，是解决非线性内模控制建 模问题的一条新途径，现在需要解决的问题是如何优化网络的结构和改进学习算法 以利于在线控制，并保证闭环系统的稳定性【2 0 l ：小波网络是集小波分析和神经网络 二者优势的一种前馈网络，具有网络参数物理意义明确、学习算法简单、收敛快、 无局部极小点等优点经过吕朝霞等【2 1 1 的研究表明基于小波网络的非线性内模控制 效果明显优于基于前馈网络的方法；p o t t m a n n 等还针对离散系统研究了基于r b f 网络的内模控制方法1 2 2 。 1 4 论文的主要工作及内容 本文主要阐述如下三个方面内容： 1 协调控制系统的解耦问题 机炉协调控制对象是一个强耦合对象，以锅炉燃料量、汽轮机进汽量为输入， 锅炉主蒸汽压力、机组实发电功率为输出。考虑到扰动主要来自炉侧，因此本文设 计了汽机侧到锅炉侧的单向解耦，以实现动态时汽轮机调节阀门和锅炉燃烧量共同 跟随外界负荷的变化而改变，而锅炉单独调节机前压力，保持机前压力维持在稳定 6 牮l 迄力大学疆女学位论文 范围内。 2 杌铡控稍器豹设计 对予单向解耦后的以炉跟机为基础的协调控制系统，机侧由予汽轮机惯性小， 适应外界晌应快，所以采用常瓶p t d 控制就足以满怒要求。 3 炉侧控制器懿设计 单向解耦聪炉侧为大迟延大惯性对象，濉以维持压力在稳定的范围内，所以本 文戆主要内骞怒采爰害枣经鼹终痰模_ 泉控铡炉铡。 7 墼垒蠢查堂窭杰堂垄望塞 第二章 单元机组协调控制系统对象特陡及解耦 2 1 单元枕组协调控制系统概述“1 单元机组协调控制系统慰在常规机炉局部控制系统基础上发艘起来的新型控 锚系统，它把镛炉和汽轮发电视组作为一个熬体进行控制，采用递输控制系统结构， 把自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合在一起，构成种具有多种控 爨葫能，满足不嗣运行方式弱不同王况下控制要求鼢综合稳制系统。 单元机组掷调控制系统e ：l 处于上位级的机炉协调级和处于局部控制级躲子系 统组藏。视炉协调级也嘲作单元机组燕控系统，是整个系统的核心部分，它产生指 挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。予系统包括锅炉燃料控制系统，风量控 镧系统，汽轮税功率颓率调节系统等，它执行主控系统发漱的指令，完成指定酌 控制任务。 单元杌组协调控制系统拘基本要求有以下几点： 1 ) 裁缝共鼷运行时，能较快她逶成外界受薅要求，保送瓤簸压力在较小 幅度范围内变化； 2 )缳涯极缝运行安全，当主极或主簧骥驹设备酸艨蹲，实瑗受饕闼镂增、 闭锁降、迫升、迫降以及保持功能，避免机组因局部故障而引起机组 全箨； 3 )对于允许滑压运行的单元机组，其协调控制系统应能满足定瓜和滑压 不鼹运舒方式熬爨要； 4 )系统要便于运行人员的干预，如进行运行方式的切换，手动操作等， 焉盈诱挨楚无撬动静； 以上要求主要由单元机组主控系统的功能来实现。 单元机组协调控制系统已成为大勰单元椭组普遍采用豹一种控制系统。该系统 把自动调节、逻辑控制、安全保护、监督管理溶为一体，具蠢功能竞蛰，技术先进， 可靠性商等优点，满足大型单冗杌组控制的需要。 同时，单元机组协调控铡系统是一个相慰复杂熬多变量控制系统，其笺袭性圭 聚体现在以下几个方面1 2 到： 1 )多变量数强烈辗合。诲调控裁系绞豹压力控裁霹鼹蠢受楚控割秘鼹楣蔓 关联，存在着强烈的耦合特性。这种耦合特性还存在着一类病态的结构， 郢执蜒具鸯挟速嚷瘫特性，嚣炉铡其毒攘对较竣瓣晚应特蛙。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 多目标相互关联。在不同的任务约束情况下，协调控制系统需要满足不 同的优化目标。由于优化目标的相互关联，在满足某一优化目标时，需 要充分考虑其他目标的次优化问题。 3 ) 机组动态为非线性。主要有两种存在形式：存在于机侧的调节阀门本质 非线性，以及存在于锅炉对象中的系统非线性。 4 ) 机组动态是时变的，因此必须考虑模型的自适应性及算法的鲁棒性。 5 ) 系统存在着不确定干扰，如燃煤煤质的变化、给煤量的扰动等，设计时 要考虑系统的抗干扰性能。 6 )炉侧存在着很大的纯时延。 7 ) 运行的安全性要求。 单元机组协调控制可以按照若干不同的运行方式运行。不同运行方式下，受控 过程的动态特性往往差别很大。 1 ) 定压运行。定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力 以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽门的丌度，改变机组 的输出功率。按传统方式，定压运行机组的运行方式有机跟炉、炉跟机 和机炉协调方式三种。 2 ) 滑压运行。滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开，当外界负荷需 求变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水以及相应的输入量，改变 锅炉的蒸发量，进而改变汽轮机的进汽压力，在维持主蒸汽温度为额定 值的前提下，使进入汽轮机蒸汽的能量改变，使汽轮发电机组的输出功 率适应外界负荷的需求。但由于锅炉具有很大的蓄热能力，热惯性也很 大，当外界负荷需求变化时，虽然改变了锅炉的能量输入，但直到锅炉 输出蒸汽能量的变化，还要经过一段滞后时间和惯性过程。这会使得滑 压运行方式下，机组难以快速地响应外界负荷的需求。另外，如果使汽 轮机调节汽门总是处于全开位置，当电网频率波动时，机组就不可能通 过调节进汽量，参与电网的一次调频。为了弥补滑压运行存在的上述缺 点，采取的方法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位置，而是留出一定 的调节余地。当外界负荷需求变更时，首先通过调整汽轮机调节汽门的 丌度，改变进汽量，利用锅炉内部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的 需求。与此同时，调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷 需求达到新的平衡。调节汽门的调节余地也为机组参与电网一次调频创 造了条件。 9 兰! ! 生垄盔堂婴主堂垡堡壅 3 ) 联合运行方式。根据机组的不同负荷水平，在低负荷下采用滑压运行方 式，在高负荷下采用定压运行方式，就构成称为联合运行方式。因为在 低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运行方式具有其优越性，可有 效地利用锅炉蓄热，提高对外界负荷需求地响应速度。 4 ) 调频运行方式。电网规模的扩大和对供电质量的更高要求，对大机组参 加电网调频的要求越来越迫切。单元机组参加电网调频的方式分为一次 调频和二次调频。一次调频是指汽轮机电液调速系统根据电网频率的变 化，自动地改变一部分负荷，以减少电网频率的波动。 协调控制系统根据系统发展的基础，可按机跟炉、炉跟机的方式来划分。但随 着系统结构的不断更新和变化，许多系统已难以区分究竟属于机跟炉还是炉跟机的 形式。另一种分类方法是从能量平衡的观点出发，把协调控制系统划分为直接能量 平衡( d e b ) 和间接能量平衡( i e b ) 两大类。这种分类方法从一定意义上讲，揭 示了协调控制系统具有的内在本质特性。因为机炉控制的根本任务就在于维持整个 机组运行过程中的能量平衡，包括机组输入能量与输出能量的平衡；机炉之间供需 能量的平衡；锅炉内部子系统之间物质能量传递的平衡等。由于能量信号不便于直 接测量，常常采用一些间接的参数表征这种平衡关系。最典型的例子就是把机前压 力只作为锅炉能量输出与汽轮机能量需要之间平衡的特征参数。通过控制这些间接 参数维持整个机组能量平衡的系统，称为间接能量平衡系统。通过构造出能量需求 信号，并依此控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统。 目前，广泛应用的单元机组协调控制系统中，控制规律仍属于经典控制规律的 范畴。系统分析设计与综合的方法多采用多变量频域法和常规的工程方法。但是随 着现代控制理论的发展，各种智能控制算法如模糊控制、神经网络控制、解耦控制、 极点配罱、鲁棒控制、i n a ( 逆奈氏阵列) 方法、模型预估控制、内模控制、遗传算法 等在协调控制系统中己出现不少研究成果，并越来越多的应用于解决工程实际问 题。 2 2 单元机组协调控制系统对象特性 单元机组协调控制系统把机炉设备作为一个整体进行控制，受控过程十分复 杂。影响机组动态特性的因素除了其内在物理结构属性外，还与机组的运行方式、 运行工况、外部环境等因素有关。一般说来，单元机组的动态特性是本质非线性的， 并具有分布参数和时变特性。对单元机组动态特性的精确描述目前还难以做到。只 有通过合理的简化与近似处理，采用机理分析( 理论建模) 或试验的方法( 系统辨 识) ，能够建立起满足一定精度要求的动态特性数学模型。在特定运行方式和额定 工况下，小扰动范围内可作为线性系统处理。在特定条件下建立的模型，通过合理 1 0 华l l 电力大学矮士学位论文 的修正质，可供其它工况条件下参考和使用。 m e l l o 在1 9 9 1 年给出了一个通掰的大黧单元税组的协调控制系统非线性模型 l 。d em e l l o 领导的研究小组对锅炉、汽轮机动态及工质做功过程中各个部分的熊 霾供需关系迸行了深入研究，觚镪震平衡、容积平褥窝藐量平衡的角度出发构造了 单元机缀协调控制系统的模型。m e l l o 的数学模型定义了c c s 对象的2 个非线性特 经：汽镪压力帮主蒸汽压力静疆力簿阍汽包密口蒸汽燕闻存在平方穰关系；主蒸汽 流量同汽轮机调节阀通流面积和主蒸汽压力的乘积成比例关系。从中也可得到c c s 豹2 个髓量予锈关系：汽包垂力反获了锅炉裁熬量帮汽惫密辩蒸汽袭热鲞翡平衡， 汽包蓄热系数反映了汽包蓄能的大小；主蒸汽压力反映了汽包出口蒸汽发热量和进