（控制理论与控制工程专业论文）基于无模型自适应的汽包水位控制研究.pdf

。1 。1 。 中文摘要 中文摘要 锅炉是生产蒸汽的没备，保持锅炉汽包内的水位在一定范围内是非常重要的。如果 水位过低，锅炉可能被烧干；水位过高，输出的蒸汽含水量大，而且水还可能溢出。这 些都相当危险，因此控制好汽包水位是保证锅炉正常运行的重要环节。 然而汽包水位具有时滞、非线性、大扰动等特性，虚假水位现象难以控制。若采取 常规的p i d 控制，在出现虚假水位时，p i d 调节器不但不加大调节阀，反而减少汽包进 水流量，致使汽包中供水量进一步减少。因此，常规的p i d 控制器难以获得良好的控制 效果。除此之外，由于汽包的时滞、非线性、大扰动等特性，要建立汽包精确的数学模 型绝非易事，即使建立了系统的数学模型，该模型也是对受控系统作了很多的简化，有 许多特性未能包括到模型中去，所以在实际应用中存在着许多问题，如不稳定，对某些 参数过于敏感等等。而目前在应用中取得普遍成功的理论结果和方法往往仅适用于线性 单变量的情形，实际系统又大多都是非线性的，多输入多输出的，耦合的和带有噪声的， 这就使得目前许多成熟的理论在应用时遇到一定的障碍。因此基于数学模型设计的控制 器，在实际应用中就可能受未建模动态和鲁棒性的影响，它们是所有的基于模型的控制 理论和技术不可避免的本质问题。因此，要想解决这对“孪生 问题，就必须开辟新的 研究路线，寻求一种不依赖于系统数学模型的控制律的设计方法。基于这一思想，提出 了汽包水位的无模型控制，即控制器的设计仅利用受控系统的v o 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。 作为无模型控制的一种，无模型自适应控制无沦是在理论研究、仿真实验还是在实 际应用中，都证明能够处理具有强非线性、时滞、扰动的系统的控制问题。文章将无模 型自适应控制应用于锅炉汽包水位的控制，并在m a t l a b s i m u l i n k 平台上开发了无模型 自适应控制器，通过仿真实验，汽包水位的无模型自适应控制系统抗扰动能力强，而且 能够消除虚假水位现象。另外，在无模型自适应控制的基础上，对控制算法进行了改进， 基于无模型自适应改进算法的汽包水位控制，响应速度更快，系统更稳定。 关键词：汽包；水位控制；无模型自适应；仿真 基丁无模型白适应的汽包水位控制研究 a b s t r a c t a b s t r a c t b o i l e ri sa ne q u i p m e n to fp r o d u c es t e a m ，t ok e e pt h ew a t e rl e v e lo ft h eb o i l e rd r u m w i t h i nac e r t a i nr a n g ei sv e r yi m p o r t a n t i ft h ew a t e rl e v e li st o ol o w ，t h eb o i l e rm a yb eb u r n t d r y ；t o oh i g h ，t h es t e a mc o n t a i nm u c hm o i s t u r e ，t h ew a t e ra l s om a y b eo v e r f l o w t h e s ea r e q u i t ed a n g e r o u s ，s ot h ed r u mw a t e rl e v e lc o n t r o li sn e c e s s a r y t oe n s u r en o r m a lo p e r a t i o n h o w e v e r ，d r u mw a t e rl e v e li so ft i m ed e l a y ，n o n l i n e a ra n dl a r g ed i s t u r b a n c e ，t h ef a l s e w a t e rl e v e lp h e n o m e n o ni sh a r dt ob ec o n t r o l l e d i fu s et h et r a d i t i o n a lp i d ，t h ec o n t r o ls y s t e m w i l lr e d u c ew a t e rf l o wi nt h ee v e n to ff a l s ew a t e rl e v e l ，l e a d i n gt of u r t h e rr e d u c et h ea m o u n t o fw a t e ri nt h ed r u m t h e r e f o r e ，t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri sd i f f i c u l tt oo b t a i ng o o d c o n t r o le f f e c t i na d d i t i o n ，d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd r u mi sn o n l i n e a r ，t i m ed e l a ya n dl a r g e d i s t u r b a n c e ，t oe s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e li sd i f f i c u l t ，e v e ni ft h es y s t e m s m a t h e m a t i c a lm o d e li sf i n i s h e d ，w h i c hi sa l s os i m p l i f i e d ，t h e r ea r em a n yf e a t u r e se x c l u d e di n t h em o d e l ，s oe x i s tm a n yp r o b l e m si nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s u c ha si n s t a b i l i t y , s o m e p a r a m e t e r sa r ev e r ys e n s i t i v ea n ds oo n w h i l ea tp r e s e n t ，t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dm e t h o d s w h i c ha c h i e v e ds u c c e s s f u la p p l i c a t i o na r eo f t e no n l ya p p l yf o rs i n g l ev a r i a b l ei nt h ec a s eo f l i n e a r , s y s t e m sa r ea l m o s tn o n l i n e a r , m i m o ，c o u p l i n gw i t hn o i s e ，s oi tm a ye n c o u n t e r e d s o m eo b s t a c l e sw h i l eu s em a t u r et h e o r i e s t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o l l e rd e s i g n e db a s e do n m a t h e m a t i c a lm o d e l sm a yb es u b j e c tt oi m p a c t i o no fu n m o d e l e dd y n a m i c sa n dr o b u s t n e s si n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h e ya r ei n e v i t a b l ep r o b l e mi nn a t u r e t h e r e f o r e ，t os o l v et h e ”t w i n ” p r o b l e m ，w em u s te x p l o r ean e wd e s i g nm e t h o d si n d e p e n d e n to nm a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e d o nt h i si d e a ，p u tf o r w a r dm o d e l - f r e ed r u mw a t e rl e v e lc o n t r o l ，t h ec o n t r o l l e r sd e s i g nj u s tu s e i od a t a ，e x c l u d ea n ym a t h e m a t i c a lm o d e li n f o r m a t i o n a so n eo fm o d e l f r e ec o n t r o l ，m o d e l f r e ea d a p t i v ec o n t r o lh a sp r o v e da b l et od e a lw i t h t h es y s t e mw i t ht i m ed e l a y ，n o n - l i n e a r ，p e r t u r b a t i o nb o t hi nt h et h e o r e t i c a ls t u d y ，s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a r t i c l e sa p p l i e dm o d e l f r e ea d a p t i v ec o n t r o lt ob o i l e r d r u mw a t e rl e v e l a n dd e v e l o p e dm o d e l - f r e ea d a p t i v ec o n t r o l l e ro nm a t l a b - s i m u l i n kp l a t f o r m ， t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h em o d e l f r e ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mo fd r u mw a t e rl e v e l i so fs t r o n ga n t i - d e l a y ，a n t i d i s t u r b a n c ea b i l i t y ，b u ta l s oe l i m i n a t et h ep h e n o m e n o no ff a l s e w a t e rl e v e l i na d d i t i o n ，i m p r o v e dc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h em o d e l - f r e ea d a p t i v ec o n t r o l ， w h i c hh a sf a s t e rr e s p o n s e ，t h es y s t e mi sm o r es t a b l e k e yw o r d s ：d r u m ；w a t e r l e v e lc o n t r o l ；m o d e l f r e ea d a p t i v e ；s i m u l a t i o n 基丁无模型白适应的汽包水位控制研究 l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究问题的提出1 1 1 1 课题背景1 1 1 2 选题意义1 l - 2 汽包水位控制的研究现状1 1 3 论文主要内容、研究方法及研究思路2 1 3 1 论文主要内容2 1 3 2 论文研究方法3 1 3 3 论文研究思路3 第二章汽包水位系统5 2 1 汽包水位系统的组成5 2 1 1 汽包的作用5 2 1 2 汽包水位系统5 2 2 影响汽包水位的因素5 2 2 1 给水流量财汽包水位的影响6 2 2 2 蒸汽流量对汽包水位的影响7 2 3 “虚假水位”现象8 2 4 汽包水位经典控制策略8 2 4 1 单冲量控制8 2 4 2 双冲量控制9 2 4 3 三冲量控制9 2 5 汽包水位先进控制策略1 0 2 5 1 自校正控制l0 2 5 2 模糊控制l o 2 5 3 预测函数控制1 1 第三章汽包水位的pid 控制13 3 1 常规p i d 控制13 3 1 1p i d 控制器13 3 1 2 汽包水位的p i d 控制1 3 3 2 中间微分反馈p i d 控制一1 5 3 3 模糊自适应p i d 控制1 6 3 3 1 模糊自适应p d 控制原理1 6 3 3 2 汽包水位的模糊自适应p i d 控制l6 3 4 神经网络p i d 控制1 8 3 4 1 神经网络p i d 控制器学习算法1 8 3 4 2 汽包水位的神经网络p i d 控制1 9 3 5 j 、结2 0 第四章无模型控制2 1 4 1 无模型控制器的实现一2 1 4 1 1 无模型控制律的没计2 l i 基丁无模型白适府的汽包水位控制研究 4 1 2 无模型控制律的收敛性分析2 2 4 2 典型无模型控制方法2 4 4 2 1 自抗扰控制2 4 4 2 2 无模型自适应控制2 5 4 2 3 学爿控制2 5 4 2 4 去伪控制2 5 4 3 j 、结2 6 第五章汽包水位的无模型自适应控制2 7 5 1 非参数模型的线性化2 7 5 2 无模型自适应控制算法一2 8 5 2 1 控制律算法2 8 5 2 2 伪偏导数估计算法2 8 5 3 汽包水位的无模型自适应控制3 0 5 3 1 国内外无模型自适应控制3 0 5 3 2m f a 控制器的开发3 l 5 3 3 仿真实验3 2 5 4 小结3 4 第六章一种改进算法的汽包水位m f a 控制3 5 6 1m f a 改进算法3 5 6 1 1 改进算法的推导3 5 6 1 - 2 改进算法的稳定性分析3 6 6 2 改进算法的m f a 汽包水位控制3 7 6 2 1 改进算法的m f a 控制器3 7 6 2 2 改进算法的汽包水位控制3 8 6 2 3 改进算法与基本m f a 控制比较4 0 6 3 汽包水位的m f a p i d 串级控制41 6 4 j 、结4 2 第七章结论与展望。4 3 参考文献4 5 致谢4 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 1 1 1 1 课题背景 对于锅炉汽包水位的控制，目前已经存在的方法很多，如p i d 控制、自适应控制、 预测控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、遗传算法以及一些复合控制等等， 控制方法丰富多样。然而对于汽包水位控制，就控制器的设计来说，有的算法复杂，如 自校正控制；有的需要汽包水位精确的数学模型，如预测控制；有的则依赖人们的操作 经验，如模糊控制。传统的p i d 控制虽然结构较为简单易于实现，但最大的问题是汽包 在出现“虚假水位时，p i d 调节阀反而关小，汽包的给水量进一步减少，难以获得良 好的控制效果。 那么有没有这样一种控制器，其算法简单，控制器的设计不需要对象的数学模型， 也不依赖人们的操作经验呢? 答案是肯定的。无模型白适应控制保持了p i d 控制“简单 美”的优点，而且效果能与复杂的先进控制相媲美，在工业界备受工程师的青睐，被称 为二十一世纪“梦想成真”的控制器u 。 1 1 2 选题意义 锅炉是一种既受压又直接受火的重要设备，是火力发电厂三大丰机之一，而且还是 轻工业生产过程中的热源和动力源，如为蒸馏、干燥蒸发等提供热能，为风机、泵类提 供动力。一旦对锅炉生产操作不当，管理不善，往往会引起事故，工业锅炉中最常见的 事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧， 锅炉灭火等，其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制 不当引起的，由此可见锅炉汽包水位控制的重要性。 汽包水位是机组运行的一个重要参数，它反映了给水量与供汽量的动态平衡关系， 保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会影响汽包内 汽水分离，饱和水蒸气将带水过多，使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度 急剧下降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机叶片；水位过低，由 于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，若不及时加以控制，将使汽 包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。“。因此必须对锅炉汽包水位进行 严格控制。 1 2 汽包水位控制的研究现状 半个世纪之前，人们便对锅炉水位系统进行了钥：多深入的研究，采用了诸 t n p i d 控 基丁j 无模型自适应的汽包水位控制研究 制、自适应控制、最优控制等控制方法，一直沿用到上世纪九十年代。1 9 9 5 年，哈尔滨 工程大学的夏国清等针对锅炉水位问题，提出了一种自学习模糊控制方法。，并进行仿 真研究，仿真结果表明学习模糊控制有很强的抗干扰能力，另外，对汽包水位模型参数 变化也不敏感。此后，越来越多的控制方法应用于汽包水位控制研究，如神经网络控制、 神经网络p i d 控制、仿人控制等。 从时间上看，汽包水位的控制经历了由传统的p i d 控制到更高级的智能控制的发展 过程。在这个发展过程中，汽包水位的控制经历了经典控制策略到先进控制策略的发展 历程。目前，国内外汽包水位控制策略采用较多的是三冲量控制、模糊控制、模糊p i d 控制。其中模糊控制主要是朝着智能化方向发展，表现在与神经网络、专家控制的结合， 采用遗传算法对模糊控制进行优化等，而自适应控制等在实际中应用的比较少啊。 1 3 论文主要内容、研究方法及研究思路 1 3 1 论文主要内容 在锅炉运行过程中，对汽包水位的主要影h 向来自于蒸汽流量的变化和给水量的变 化，而这两个量都是过程量，具有时滞、大扰动。另外，蒸汽流量与给水量都有各自的 扰动，对汽包水位的影响不可忽略。在深入细致地研究了无模型自适应控制理论后，就 如何消除滞后和虚假水位现象以及抑制扰动做了一些工作，论文主要内容包括： ( 1 ) 介绍了汽包水位控制系统的基本组成，分析了影响汽包水位的主要因素是给 水流量和蒸汽流量，并分别分析了汽包水位在给水流量作用下、蒸汽流量作用下的汽包 水位动态特性。 ( 2 ) 细致研究并比较分析了汽包水位的经典控制策略与先进控制策略，归结出汽 包水位的控制难点是大扰动、大滞后以及虚假水位现象。 ( 3 ) 针对汽包水位，采用了传统p i d 、中间微分反馈p i d 、模糊自适应p i d 以及 神经网络p i d 进行控制，进行了实验仿真，并对仿真结果进行了分析。 ( 4 ) 提出汽包水位的无模型控制思想，详细介绍了无模型控制理论。介绍了无模 型控制律的基本形式和一般形式，并给出了收敛性分析。 ( 5 ) 介绍了无模型自适应控制理沦基础和数学描述，给出了基于紧格式线性化的 无模型自适应控制器算法及其稳定性证明。 ( 6 ) 重点研究了汽包水位的无模型自适应控制，并提出一种无模型自适应控制的 改进算法，并就此算法对汽包水位的控制效果与基奉m f a 控制效果进行比较分析。 ( 7 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 平台上丌发m f a 控制模块和改进算法的m f a 控制模块， 并在该平台上进行了汽包水位基本无模型自适应控制的实验仿真和改进算法的无模型 ， ( 8 ) 将改进算法的m f a 控制与传统的p i d 控, 4 t l 结合，组成汽包水位的m f a p i d 串级控制系统，并进行了实验仿真。 1 3 2 论文研究方法 文章首先采用文献研究法对大量的汽包水位控制、无模型控制的文献进行研究，然 后采用归纳总结法和定性分析法财汽包水位的各种控制方法进行总结、归纳，定性分析 各种控制方法存在的不足，接着采用经验法，根据汽包水位的控制要求以及无模型控制 的实际应用成果，提出汽包水位的无模型控制，最后采用实验法，在m a t l a b s i m u l i n k 平台上开发无模型白适应控制器，对汽包水位控制进行实验仿真研究。 1 3 3 论文研究思路 首先归纳目前常用的汽包水位控制策略，分析其不足，包括算法的简单与复杂、控 制器的设计依赖被控对象数学模型与否、抗扰动能力强弱等等，提出课题。 然后从经典p i d 控制丌始，介绍汽包水位的4 种p i d 控制，并进行了仿真研究，由 p i d 控制不太理想的控制效果引出无模型控制，实现从p i d 到无模型控制的过渡。 最后重点研究汽包水位的无模型自适应控制，包括基本的无模型自适应控制和改进 算法的无模型自适应控制，并进行试验仿真与对比研究。 基丁无模型白适应的汽包水位控制研究 4 2 1 汽包水位系统的组成 汽包是汽水循环系统的核心环节，是锅炉水、汽系统的分界面，为负载提供蒸汽。 下面对汽包水位系统的组成做了二个简译的介绍。 2 1 1 汽包的作用 汽包足锅炉的主要受压部件，是汽水分离过程的核心部件，其作用主要有：( 1 ) 汽包与下降管、上升管连接组成自然循环回路，同时汽包又接受省煤器米的给水，还向 过热器输送饱和蒸汽，所以汽包是锅炉内加热、蒸发、过热这三个过程的连接枢纽，保 证锅炉正常的水循环；( 2 ) 汽包中装有汽水分离装置、蒸汽冲沈装置、连续排污装置、 炉内加药装置等以改善蒸汽品质；( 3 ) 汽包中存有一定的水量，因而有一定的储热能力， 可以缓和汽压的变化速度，提高运行的安全性；( 4 ) 汽包上有压力表、水位计、事故 放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。 2 1 2 汽包水位系统 锅炉汽包水位系统如图2 1 所示，主要由汽包、给水调节阀、省煤器、下降管、下 联箱、水冷壁和过热器组成。 给水量 图2 1汽包水位系统结构图 f i 9 2 1a r c h i t e c t u r ed i a g r a mo fd r u mw a t e r l e v e ls y s t e m 给水泵送出的水经过省煤器提高温度后进入汽包，汽包中的水沿着下降管进入下联 箱，再向上进入水冷壁，在水冷壁中被加热成饱和蒸汽与水的混合物一起进入汽包。在 汽包内汽水混合物被分离成饱和水和饱和蒸汽，饱和水继续参与循环，饱和蒸气则由汽 包上部进入过热器被进一步加热，这就是锅炉汽水循环的过程。 2 2 影响汽包水位的因素 汽包中水的贮藏量足以水位表钮f 的。在实际应用中，汽包水位是很难固定f 变的， 基丁无模型白适应的汽包水位控制研究 引起汽包水位变化的冈素很多，有燃烧t 况、给水流量、给水压力、锅炉负荷( 蒸汽流 量) 和炉水品质等等，其中起关键作用的足给水流量和蒸汽流量吲。 2 2 1 给水流量对汽包水位的影响 根据物料平衡的基本方程推导出汽包水位对象在蒸汽负荷不变时的微分方程式可 以表示为刖： 互疋孑d 2 h + 互瓦d h = 瓦鲁+ k ( 2 1 ) 经拉氏变换后整理得： g ( s ) ：型：玉兰丛( 2 2 ) 一 k ( s ) 互s ( 巧s + 1 ) 瓦的数值一般很小，常常可以忽略不计，用下面公式近似计算： 删= 器= 志k j = k w t 汜3 ， 式中，互，疋为时间常数，瓦为给水流量项时间常数，k 。为给水流量项的放大系数， h = a h 1 4 0 ( h o 为稳定状态下的水位，h 为水位高度的变化) ，= a w d m 。( a w 为 给水流量的变化，d m 缸为最大蒸汽负荷量) 。较冷的给水造成相应的纯滞后，所以引入 纯滞后e 1 。，取f = 2 。经工程实验测量得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为归1 ： = 器= 而0 0 3 7 e 小 ( 2 4 ) 汽包水位在给水流量作用下的阶跃响应特性曲线如图2 2 所示。 1 0 0 t s 图2 2 给水流量作用下的水位特性曲线 f i 9 2 2w a t e rl e v e lc u r v eu n d e rt h ew a t e rf l o w 从图2 2 的特性曲线上可以看到，汽包水位调节对象在给水量作用下具有纯滞后和 无白衡能力。 6 ；| 一 ，一 一一 一 6 5 4 3 2 1 o 根据物料平衡的基本万程堆导出汽包水位对象在给水流量小受时的微分万程式d j 以表示为： 墨疋第+ 1 7 , i _ d h 一( 乙，d 衍r 1 ) + ( 2 5 ) 经拉氏变换并整理得： 删2 器2 糕 汜6 ， 式中，z ，正为时间常数，巧为蒸汽流量项时i 日j 常数，k d 为蒸汽流量项的放大系 数，1 ，_ ) = a d d m 。( a d 为蒸汽负荷变化量) 。 式( 2 6 ) 可以用两个动态环节的并联来等效，即： 删= 嚣一去+ 畚一詈+ 刍 缇7 ， 其中e ：竺笸，z ：王，p 为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的。i l 升速度。 lk ，) 经工程实验测量得到汽包水位在蒸汽流量作用下的传递函数为： 啪，= 器一半+ 羔 汜8 ， 蒸汽流量在时间陡然增加a d 的扰动下，汽包水位的阶跃响应曲线如图2 3 所示： - 4 。- - 一- 一 “- 一- - 。一一 0 2 0 4 0 6 08 01 0 01 2 01 4 0 1 6 01 8 02 0 0 t s 图2 3 蒸汽负荷增加时水位特性曲线 f i 9 2 3w a t e rl e v e lc u r v ew h e ns t e a ml o a di n c r e a s e s 从以上动态特性分析中可以得出结沦：汽包水化调节对象在蒸汽流量扰动下非但没 有自半衡能力而且存在着“假水位”现琢，“假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸 发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成砭比。 ， o 0 乏 召 基丁：无模型自适应的汽包水位控制研究 2 3 “虚假水位 现象 汽包在运行过程中，若负荷突然增大，汽包蒸汽量会上升，这时，汽包中的水量非 但没有增加，反而因蒸汽量的上升而下降，这种囚汽包负荷增大引起的水量减少、水位 上升的现象称之为虚假水位”，虚假水位示意图如图2 4 所示。 给水 图2 4 虚假水位示意图 f i 9 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ff a l s ew a t e rl e v e l “虚假水位”产生的原因：一是蒸汽负荷突然增大，致使汽包中产生大量蒸汽，导 致汽水比例发生逆转而引起汽包水位上升，这是造成汽包“虚假水位”的首要原因。二 是蒸汽流量陡然增大，汽包内压力下降，以致汽包内的水沸点下降，使汽包水位随压力 下降而升高。 2 4 汽包水位经典控制策略 2 4 1 单冲量控制 单冲量控制系统是以汽包水位为被控变量，以给水流量为控制变量的单回路汽包水 位控制系统。这里的冲量指的是变量，单冲量即汽包水位。如图2 5 为单冲量控制系统 结构框图。 图2 5 单冲量水位控制系统结构框图 f i 9 2 5b l o c kd i a g r a mo fs i n g l e - i m p u l s ew a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e m 这种控制系统结构简堆，参数整定方便，足典型的单回路控制系统。对于小型锅炉， 由于水在汽包内停留时i l j 长，当蒸汽负荷变化时，假水位现象不明显，配上一些连锁报 警装置，单冲量控制系统也可以满足工艺要求，并保证安全操作；蒸汽负荷突然增加时， 8 到假水化消失后，汽包水位严重下降。冈此，单冲量控制无法控制大中型锅炉的水位。 2 4 2 双冲量控制 单冲量控制系统不能克服假水位的影响，那么在单冲量控制系统的皋础上引入蒸汽 流量对给水流量进f ，补偿，用来减弱“假水位”引起的调节器误动作，这就构成了双冲 量控制系统，系统结构框图如图2 6 所示。 图2 6 双冲量水位控制系统结构框图 f i 9 2 6b l o c kd i a g r a mo fd o u b l e i m p u l s ew a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e m 双冲量控制系统实质足一个前馈( 蒸汽流量) 加单回路反馈控制的复合控制系统， 蒸汽流量所构成的前馈用来补偿蒸汽输出的突然增加或减少，反馈控制用来克服反馈回 路的其他扰动，但双冲量控制只足削弱了调节阀误动作而并没有缓解虚假水位。 2 4 3 三冲量控制 双冲量控制系统对给水干扰仍不能及时克服，此外，由于调节阀的工作特性不一定 完全是线性，做到静态补偿也比较困难。为此，在双冲量控制系统的基础上将给水流量 信号引入，构成三冲量控制系统。汽包水位的三冲量控制系统如图2 7 所示。 图2 7 三冲量水位控制系统结构框图 f i 9 2 7b l o c kd i a g r a mo ft h r e e i m p u l s ew a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e m 9 基于无模型门适应的汽包水位控制研究 汽包水位的三冲量摔制系统是由前馈和串级控制组成的复合控制系统。以汽包水 位、蒸汽流量和给水流量作为三个控制变量，并将这三个变量的信号经过一定的运算后， 共同控制给水阀。串级系统的主四i 路直接控制汽包水位，用于抑制除负荷扰动之外的其 他扰动；副回路是流量随动系统，与蒸汽流量的静态前馈系统一起抑制负荷扰动。当蒸 汽流量变化时，引入蒸汽流量前馈信号及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响，并有 效克服由于锅炉汽包假水位引起的调节器误动作；引入给水流量信号是将给水流量作为 副变量，利用串级系统中副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位 的影响。 2 5 汽包水位先进控制策略 2 5 1 自校正控制 自校正调节( s e l f - t u n i n gr e g u l a t o r ，s t r ) 是自适应控制的一种形式，该思想及最小 方差白校i l - 控制7 i 法是由k a r l o ub i o m w i t t e n m a r k 于1 9 7 3 年提出的1 。自校正 控制的基本思想是，在对象和扰动的数学模型不完全确定的条件下，设计控制律，使预 定的性能指标达到或接近最优。 在自校正控制策略下，通常需要用一个辨识环节来实时辨识受控对象的参数，这样 的工作通常由递推辨识环节来实现。有了受控对象参数，则可以通过自适应控制律计算 控制量，来控制整个控制系统的行为。汽包水位的自校正控制系统结构如图2 8 所示。 设定 图2 8 汽包水位自校正控制系统框图 f i 薛8d r u mw a t e rl e v e lb l o c kd i a g r a mo fs e l f - t u n i n gc o n t r o ls y s t e m 汽包水位的自校正控制系统由汽包水位、参数辨识器和调节器等3 部分组成。系统 对于存在随机干扰、滞后、非线性的受控系统有很好的控制效果，然而自校正调节器的 算法比较复杂。 2 5 2 模糊控制 模糊集合的概念是控制论专家l o t f ia z a d e h 教授于1 9 6 5 年提出的n2 l ，1 9 7 3 年，l o t 6 a z a d e h 提出了一种把逻辑规则的语言表达转化成相关控制量的思想，继续丰富和发展 l o 模糊控制系统框图如图2 9 示。 图2 9 汽包水位模糊控制系统框图 f i g a 9d r u mw a t e rl e v e lb l o c kd i a g r a mo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 汽包水位的模糊控制过程包括输入( 汽包水位的偏差和偏差的变化率) 输出( 汽包 水位) 变量的模糊化、设计模糊控制器的控制规则、进行模糊化处理和去模糊化，得到 模糊输出的精确量，并作为模糊控制器输出的决策信号，送给凋节阀并作用于汽包，实 现汽包水位的控制。系统的优点是鲁棒性强，能有效解决非线性、时变、多扰动的滞后 系统的控制l u j 题，缺点足模糊控制规则的制定需要依赖于人们的操作经验。 2 5 3 预测函数控制 预测函数控制( p r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o l ，p f c ) 是由法国a d e r s a 公司的 r i c h a l e t 和德国1 1 t b 公司的k u n t z e 等人于1 9 8 6 年共同提出的。，并成功地应用于工业 机器人的快速高精度控制“。在这之后，预测函数控制在火炮或雷达的目标跟踪、冶金 轧制过程等快速随动系统中得到了广泛的应用。 预测函数控制将控制输入结构化，即把每一时刻加入的控制输入看作是若干事先选 定的基函数的线性组合，而基函数的选取依赖于设定值轨线和对象的性质。这样，系统 输出是上述基函数作用于对象的响应的加权组合。通过在线优化求出少量的线性加权系 数，进而算出未来的控制输入。汽包水位的预测函数控制系统结构图如图2 1 0 所示。 给定水位 图2 10 汽包水位的预测函数控制系统结构图 f i 9 2 10d r u mw a t e rl e v e lb l o c kd i a g r a mo fp r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o l 1 1 基于无模型白适应的汽包水位控制研究 其中，g 0 。( s ) 为给水流量对汽包水位的传递函数，g o ：( s ) 为蒸汽负荷对汽包水位的 传递函数。仿真和工业应用结果表明，预测函数控制具有良好的抗干扰能力和跟踪性能。 第二章汽包水位的p i d 控制 第三章汽包水位的p id 控制 在控制领域，p i d 控制器是最早出现的控制器类型。在控制理论和技术飞速发展的 今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但p i d 仍因其结构简单、参数整定方便等优点 而得到了最广泛的应用。在实际的工业过程控制系统中，9 5 以上的控制回路都具有p i d 结构。本章主要介绍汽包水位的p i d 控制，包括常规p i d 控制、中间微分反馈p i d 控制、模糊自适应p i d 控制和神经网络p i d 控制等等，并进行了实验仿真。 3 1 常规pid 控制 3 1 1p id 控$ t l 器 连续p i d 控制器的最一般形式为： 材( r ) = k p e ( ，) + k d t + k d 掣 ( 3 1 ) 连续p i d 控制器的l a p l a c e 变换形式可以写成： q ( s ) = k ，+ 竺+ 巧s ( 3 2 ) 根据( 3 1 ) 构造的p i d 控制器结构如图3 1 所示。 给定值t 图3 1p i d 控制器结构图 f i 9 3 1b l o c kd i a g r a mo f p i dc o n t r o l l e r 其中，k 。、k 、心是p i d 控制器三个可调参数，分别是对系统误差及其积分与微 分的加权，控制器通过这样的加权计算出控制信号，驱动受控对象模型。如果控制器设 计得当，则控制信号将能使得误差按减小的方向变化，以达到控制的要求。 3 1 2 汽包水位的p id 控制 山上一章可知，给水流量丰通道传递函数和蒸汽流量干扰通道传递函数分别为： 删= 怒= 罴p 办 3 ， 删= 器一半+ 篙+ 4 ， 汽包水位的常规p i d 控制系统仿真框图如图3 2 所示。 基丁无模型白适戍的汽包水位控制研究 v 3 0 4 5 争o 0 3 7 s e a m f l o wt f 1 5 s 2 + s 。 i n lo u t l ： t1 ：4 - f e e d 悯t e ，一一面i f e e d 3 0 帅s 2 t e + ，s t f ! t 陷n s ： 。delay一 f e e dw a t e rd i s t u r b a n c e - a d d s c o p e 图3 2 汽包水位的常规p i d 控制仿真框图 f i 9 3 2d r u mw a t e rl e v e lc o n t r o ls i m u l a t i o nb l o c kd i a g r a mo fc o n v e n t i o n a lp id p i d 控制器参数的整定方法很多，主要有z i e g l e r - n i c h o l s 整定法、临界比例度法、衰 减曲线法。由于汽包水位系统是开环不稳定的，无法用这些整定方法来整定p i d 的参数。 p i d 控制器的积分控制能提高系统的稳态误差，微分控制可以改善系统的动态性能，经 过反复调节使系统阶跃响应无稳态误差，汽包水位p i d 控制的单位阶跃响应曲线最后效 果如图3 3 所示。 3 厂r 一一一r 一一t 一一t 一一。t 2 5 l 2 f ，5 i f i f 1i o 5 0 0 5