（控制理论与控制工程专业论文）新型控制算法在火电厂中的应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 一， 一.，-一，自-，一 一叫 一-一 目 .-. 一. .-一 . 一-一， 一 - 摘 刁石 3七 现代工业对象的非线性、 大迟滞、 强藕合、不确定性和时变性一直是困扰过程控制 领域的难题， 本文对现代控制策略进行了深入的 研究， 其中自 抗扰控制是其中方法之一。 论文对自抗扰控制器控制原理， 收敛性及合理性进行详细分析。 为了进一步提高自抗扰 控制器的控制品质， 对原控制方法进行了改进研究， 本文提出了自 抗扰控制， 并结合火 电厂主汽温度控制对象， 进行了由自 抗扰控制构成的控制系统结构设计。 与传统p id控 制算法相比，新控制算法具有良好的鲁棒性、抗干扰性及负荷适应性等优点。 关键词:自 抗扰控制，大时滞，主汽温 abs t ract t h e o bj e c t s o f m o d e mi n d u s t r y e x i s t s e x t e n s i v e l y n o n l i near i ty，g re att i m e d e l ays ， c l o s e c o u p l i ng， unc e rtain t jandt i m evari at i 皿， iti s al l al o n gth e即左l e dp ro bl em i np r o c e s s c o nt ro l ar e a . t h i s p apere x p l o r e s auto 一 d i s t u r b anc e 一 reje c t i o n con tr o l l e r ( a d r c ) b a s e d o n th e r e s e ar o h o f th e d e v e l o p m e nto f m o d e rnc o 川 r o l s t r a t e gy. t b e c o o t r o l th e o ry， c o n v e r g e n c e 助d r at i o n al ity o fa i ) r car ep arti c ul ar re p 化 s e nt e 己f o rs o me s horta罗 o fb as i ca d r c山 e i mpr o vementi s d o n e ， the re s u l t s o f s i m ul at i o nss h o wt h a l t hep ro p o s edc o n t r o l l e r h asm erit s o f 垃 c e rro b u s t n e s s ， 田 n i j 如 i n gc a p abi li ty， l o ad a d a p 协 b i l i ty and业e t sthe des i 助记 z b e ngg u i -wen( t b e o 汀助d engi 加ering d i r e ct e d b y p r o f 、 触 o wa n 一 外 ke ywo r d s : a u to 一 d i ， t u 比幼c 卜 川. c 幼 。 uc o ntroll o r ( a d r c ) ， 卜 igti m .l a g ， t e mp e r a t u r e o f c c n 廿0 1 ) 劝， 勿i n时e an ， 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 新型控制算法在火电厂中的应用研究 ， 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 期 决 早 上尹 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; 学校可以 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 : 燕 盔 立 期 : 户 平 工 泞 导师签名: 岛分 吃 日 期 : 必率盗 止广 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 本课题研究的背景和意义 随着电网和单元机组容量的不断扩大， 现代电 力系统的规模和复杂程度正在显著地 增加，电网综合自 动化要求实现自动发电控制(a g c)l 的机组越来越多，以及为了 满足 用户对提高电能质量的要求， 电厂自 动化水平和控制性能品质越发显得重要。同时，电 力系统，电 厂热工过程具有强非线性、 参数时变、 大惯性、大时滞、 强祸合、强干扰等 特点， 而当前大部分控制装置都是基于非线性电 力系统某个运行点附近的线性化模型设 计的线性控制器， 难于满足控制要求。 本文研究把自 抗扰控制技术用于大型火电厂主汽 温控制中具有一定的意义和实用价值。 大型火电 厂锅炉主蒸汽温度控制系统是提高电厂经济效益、 保证机组安全运行不可 缺少的环节。主蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，保 护过热器使其管壁温度不超过允许的工作温度。 主蒸汽温度一般可看作多容分布参数受 控对 象 ( 其 动态 特 性描 述一 般 可 用多 容惯 性 环 节来 表 示) 11 ， 通 过 其动 态特性 实 验的 阶 跃扰动结果可以 看出， 该对象具有明显的 滞后特性， 且具有随机组负荷变化而变化的特 点。 汽温控制的 质量直接关系到机组的安全经济运行， 而且过热汽温控制是锅炉各项控 制中较为困难的任务之一。这主要因为: 1 、 造成过热汽温变化的因素很多，例如锅炉负荷变化、燃料送风工况变化、锅炉 给水温度的变化、 减温水量的变化、 火焰中 心位置的 变化、 进入过热器的蒸汽焙值变化、 流经过热器的烟气温度及流速变化、锅炉受热面结垢等。 2 、对象在各种扰动下具有非线性时变等特性使控制的难度增大。 3 、汽温对象具有大迟延、 大惯性等特点， 尤其随着机组容量和参数的提高，蒸汽 过热的受热面比 例增大使得迟延和惯性更大，进一步加大了控制的难度。 由于过热器是在高温、高压环境下工作的，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高 点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化范围又很小。面对其千扰因素多， 对象特性呈现非线性等诸多不利因素，使汽温控制系统复杂化11 。 采用传统的 pid控制方法对主汽温系统进行控制存在如下几方面的问题 : 锅炉燃烧 工况不稳定， 烟气侧扰动频繁且扰动量较大， 影响主蒸汽温度变化较大;由于工艺特性， 决定各级过热器管道较长， 造成主汽温对其控制输入喷水减温器的减温水量变化反应较 慢; 外部扰动变化频繁且扰动量较大致使主汽温长期不能稳定;由 于参数整定不当引起 华北电力大学硕士学位论文 一二级喷水量不匹配， 使得喷水量内扰较大造成主汽温在外扰较小时仍偏离设定值较大 t z 价 由以上叙述可知， 设计一种能适应多种工况变化且具有较强鲁棒性的主汽温控制系 统尤为 必要， 而自 抗扰技术在处理不确定性因素和抗千扰方面具有突出的优点， 因此研 究基于自 抗扰技术的火电厂主汽温系统新型控制方法具有重要的意义。 1 . 2控制理论和控制技术的发展 控制论( c y b e r net i cs) 是控制科学的基础，有工程控制论、生物控制论、经济控制 论、社会控制论等分支。1 9 48年， 美国数学家诺伯特. 维纳(n orb e r 七w iener)发表了专 著 控制论( 或关于在动物和机器中 控制和通讯的科学) ( c y b e r n e t i c s o r c o n t r o l a n d c o nunu n i c a t i o ni nt h ea n 1 mal a n dm a c h i n e ) ， 标志着控制论这一学科的诞生。工程控 制论(e ngi neeringc y b e r n e t i c s)是控制论的主要应用分支，是面向工程应用的控制科 学。我们通常所说的控制理论( c o n t r o i t h eory) 是工程控制论的组成部分， 其发展可以 分为三个阶段 : 第一阶段是二十世纪4 0 一 5 0 年代 的经典控制理论时期 。自从十九世 纪 m axwen对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程描述及稳定性分析以 来， 经过二十世纪初 n y q u i s t ，b o d e ，h a r r i s ，e v a n s ，w i e n n e r ，n i c h o l s 等人的杰出贡献， 终于形成了经典反馈控制理论基础，并于50年代趋于成熟。经典控制理论处理的系统多 为 “ 单输入一 单输 出”的线性定常反馈系统。常用的研究工具有用于建模和分析系统频 率 响 应 及 稳 定 雀 的 传 递 函 数 和 波 特 (b 。 d e) 图 ， 以 及 用 于 分 析 反 馈 系 统 稳 定 性 、 增 益 裕 度 和相位裕度的 奈奎斯特( n y q uist) 图 等等。线性定常系统的传递函数是在零初始条件下 系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之 比，是描述系统的频域模型。传 递函数只描述了系统的输入、输出关系，没有内部变量的表示。经典控制理论 的特点是 以传递函数为数学工具， 本质上是频域方法， 对线性定常系统己经形成相当成熟的理论。 n . m i n o r s 在1 9 2 2 年发 表论文 ， d i r e c t i o n a 1s t a b i l i t ya n da u t o m a t i c a 1 l y s t e e r e d b o d i e s ”首次正式提出了p id控制律。典型的经典控制理论包括p id控制、5 o it h 控制、 解藕控制、 d ali n 控制、串级控制等t3. 从20 世纪 40 年代开始，采用pid控制律的单输入一 单输出 简单的反馈回路己 成为 工业过程控制系统的核心。 主要是因为 pid控制算法是对人的简单而有效的操作方式的 总结和模仿， 以及它具有简单而固定的形式和大范围的鲁棒性， 而被更多人掌握和接受。 即使到现在 pi d的 使用率也在 8 0%以上13 ，随着实践的不断深入和工业过程的需要 p id 控制技术也得到了很大的发展。 第二阶段为二十世纪5 0 一 7 0 年代的现代控制理论时期。 经典控制理论虽然具有很大 的实用价值，但也有着明显的局限性 。其局限性表现在下面二个方面:第一，经典控制 华北电力大学硕士 学位论文 理论建立在传递函数和频率特性的基础上， 而传递函数和频率特性均属于系统的外部描 述( 只描述输入量和输出量之间的 关系) ， 不能充分反映系统内部的 状态; 第二， 无论是 根轨迹法还是频率法，本质上是频域法( 或称复域法) ，都要通过积分变换( 包括拉普拉 斯变换、傅立叶变换、2 变换) ，因此原则上只适宜于解决 “ 单输入一 单输出”线性定常 系统的问 题， 对 “ 多输入多输出” 系统不宜用经典控制理论解决， 特别是对非线性、时 变系统更是无能为力。 现代控制理论正是为了克服经典控制理论的局限性而在二十世纪50年代开始逐步 发展起来 的。现代控制理论研究的主要内容包括三部分: 多变量线性系统理论、最优控 制理论以及最优估计与系统辨识理论。现代控制理论从理论上解决了系统的可控性、 可 观测性、稳定性以及许多复杂系统的控制问题。 第三阶段为二十世纪70年代 以后出现的大系统控制论、多变量鲁棒控制理论( 80年 代) 以及之后出现的众多分支如自适应控制、非线性控制、几何控制、离散时间动态系 统理 论、 混 杂 控制、 模糊 控制 、 神 经网络 控 制、 智能 控制 等11 3 。 从控制理论的现状看， 对于线性系统的 分析与设计也己 形成了一套完整的理论体 系，包括反馈镇定、观测器设计、解祸控制、动态补偿、最优控制、系统辨识、k al毗n 理论等， 这些理论及方法在工程中得到了 广泛的应用， 并获得了巨大的 成就. 但是， 线 性系统分析方法对非线性系统有很大的局限性。 现实世界中本质上讲一切系统都是非线 性系统， 一个形式上非常简单的非线性系统可以产生极其复杂的 动态系统， 而且一个比 较好的闭环控制系统一般是比较复杂的非线性系统。 对于非线性系统难以给出其精确的 解析解，拉普拉斯变换、傅里叶变换等数学工具不再适用于非线性系统。 现代控制理论在应用中也遇到了不少难题，因而影响了它们的实际应用， 其主要原 因有三: ( 1) 这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的数学模型的基础上的， 而实际 系统由于存在不确定性、不完全性、模糊性、时变性、非线性等因素，一般很难获得精 确 的数学模型; ( 2)研究这些系统时，人们必须提出一些比较苛刻的假设，而这些假设在 应用中往往与实际不符; ( 3)为了 提高控制性能， 整个控制系统变得极为复杂， 这不仅增 加了设备投资， 也降低了系统的可靠性。于是，自 动控制作者一直在寻求新的出路， 他 们在考虑: 能否不要完全以控制对象为研究主体， 而以控制器为研究主体呢? 于是， 人们 便不断寻求新的数学工具和控制方法， 诸如: l y apunov方法、微分几何方法、变结构控 制、自适应控制、智能控制、鲁棒控制、无模型控制及 自稳定域综合方法等。 随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力等工业过程的生产规模越 来越大型化、 复杂化， 主要表现在以下几个方面: 对象的不确定性， 状态的不完全性， 系 统的强祸合性， 大的、不确定的滞后及系统的 强非线性等。 为了保证生产过程的正常运 行， 必须提高工业过程的自 动化水平， 仅仅依靠常规的控制方法己 不能满足现代工业生 华北电力大学硕士学位论文 产的要求。 3 自抗扰控制技术的发展 追根朔源， 自抗扰控制技术的发展始于上世纪八十年代初期中国科学院系统所韩京 清研究员发表的一篇讨论线性系统的结构和反馈系统计算问 题统一处理方法的论文。自 抗扰控制技术是对 “ 反馈系统中的线性与非线性”， “ 模型论” 与 “ 控制论” 等一系列 根本问 题进行不懈探索和思考中发展起来的。 此后的二十多年来， 韩京清先后提出了一 系列突 破传统观念与方法的新概念及处理实际系统控制问题的 新思想、新方法。今天， 它们己经发展成为一种已相当完善的新型实用非线性控制技术一 自抗扰控制技术。它包 括 “ 非线性跟踪微分器”( td)， “ 扩张状态观测器”( e s o)， “ 扰动补偿”， “ 非线性 状态误差反愤控制律”( n l s ef) 等一系列特殊形式非线性结构 。 上世纪七十年代以 来， 韩京清对线性系统理论的深入研究， 发现一个系统的积分器 串联型结构不仅是线性系统在线性反馈变换下的标准结构， 也是一类非线性系统在非线 性反馈变换下的标准结构。 同样， 对一类自由 非线性系统， 也可以设计其观测器， 使得 其在非线性观测变换下的标准形为积分器串联型。 在一篇讨论线性系统的结构和各种计 算问题的统一处理方法的论文中， 将这个思想以 两个定理的形式表达出 来。 这一结果为 一类非线性系统的反馈镇定、 跟踪和调节问题以及渐近状态观测器的设计提供了 理论基 础.当然这种设计完全是依赖对象精确模型的方法。清华大学的几位学者以此结论为基 础， 经过深入研究， 从理论上将它推广到对更为广泛的一类非线性系统进行反馈控制律 设计。他们将这种设计反馈律的方法称为直接反馈线性化 ( dpl)方法，实质上就是通过 设计恰当的控制输入来补偿对象的非线性， 使之成为积分串联型线性系统进而再进行控 制律设计。在应用上，用d fl理论圆满地解决了电力系统非线性励磁控制器和静止无功 补偿器的设计 问题 。1 9 9 4 年以来，利用d fl理论的微机非线性励磁控制器在山东龙口电 厂、 平度热电厂、山东滨洲化工厂、江苏扬农化工集团有限公司、山东省航天发泡剂总 厂、山东济宁中银电化有限公司的成功投运成为这一新思 想最突出的应用成果15。 上世纪80年代后期， 韩京清将其上述工作给予一般化， 讨论一类非线性控制系统的 基本问题， 进一步深化为对线性系统与非线性系统关系的探讨。 他发现线性控制系统理 论己发展约30年，按处理问题的 方法形成了 代数方法(k alman)、几何方法( w onh am) 、 频 域方法( r o s e n b r o c k ) 、多项式阵方法 ( w o l o ， i c h ) 、构造性方法( 韩京清、许可康) 等，取 得了很大成就。然而，人们一遇到非线性控制系统问题就觉得处理线性系统的办法不好 用， 非得找新路子不可。 而当时流行的微分几何方法又给控制工程界提出了熟悉新的数 学工具的难题。 他认为解决问题的出路在于对控制系统与经典力学系统如何认识， 必须 重新认识 “ 反馈”的 作用。 控制系统有经典力学系统所没 有的新结构: 控制输入和反馈 华北电力大学硕士学位论文 作用。 控制系统中的反馈作用能够破坏原有经典力学系统中的大部分拓扑结构， 又能建 立起完全新的拓扑结构， 特别是在状态反馈作用之下， 控制系统中不变的性质几乎只剩 下几个积分器和联结它们的信息通道，此外的其它性质几乎可以随意设置。因此，控制 系统中的反馈作用打破了经典动力系统意义之下的线性和非线性的界线。反馈能够把 “ 线性”转化为 “ 非线性”， “ 非线性” 转化为 “ 线性”161 。 从反馈控制的角度看， 我 们不应该再按经典意义把控制系统分成线性和非线性系统。 实际上，现今我们所理解的 “ 线性” 控制系统和 “ 非线性” 控制系统， 只是由几个积分器和联结它们的信息通道所 组成的控制系统中不同反馈作用的不同表现罢了。因此， 针对当时学术界对非线性系统 如临大敌的现状，韩京清提出了 “ 抛弃线性和非线性的旧 观念，发挥反馈威力”是对付 非线性控制系统问 题的出路的新观念7。 这种对 “ 非线性” 无所畏惧的思想使得韩京清主动地考察在控制系统设计中引入非 线性环节带来的效果，结果发现有些非线性环节具有线性结构所没有的好品质。 例如: 在研究一阶不确定系统的状态反馈控制器的设计中发现，如果是线性状态反馈，将始终 存在稳态误差，如果采用b ang 一 b ang 控制则可以完全消除不确定因素的干扰 ，但 bang一 b ang 控制实现较困 难，此时可以用饱和非线性函数替代。进一步研究发现，如果 采用幂为介于0 和1 间的 幂函 数非线性状态反馈，其性能介于b a ng一 b a n g 控制和线性状态 反馈之间，稳态误差小于线性状态反馈，又没有b ang 一 b ang 控制的颤振现象. 把这样一些好的结果收集起来并加以研究， 开发出了一些具有 良好品质的非线性功 能单元，实际上是对控制工程界的一个经验知识: “ 大误差，小增益; 小误差，大增益” 的数学拟合。模糊控制， 智能控制，变增益p 功等方法的本质都是基于这一经验知识。 从那以后， 韩京清在多篇文章中大力倡导 “ 开发利用非线性特性” 设计控制器，并身先 士卒地致力于寻找更好的非线性特性， 设计出 效率更高的控制器。 在研究非线性系统设 计观测器中， 开创性地提出了“ 用配置非线性结构替代极点配置” 的新思想。 至此， “ 控 制系统的非线性设计方法”的思想已基本形成。 经典pid控制器的最大优点就是它的“ 用误差反馈来消除误差” 的思想， 而且简单易 实现， 但是pid控制器还存在以下的许多缺点:第一、 微分信号的实现需要改进。 现场 微分信号的实现通常采用差分或超前网络， 这种方式对噪声放大作用很大， 使微分信号 失真而不能使用。第二、误差信号的比例、微分和积分形成 pid控制量采用它们的线性 组合不一定最合适，这种线性组合不易解决快速性和超调的矛盾.第三、积分反馈的作 用主要是消除稳态误差，但它的引入也带来很多副作用，增加了系统的不稳定性以及积 分饱和现象的出现 . 而自抗扰控制器的产生就是在改进 pid的基础上进行的。 首先，韩京清利用时间最 优控制的b ang 一 b ang 控制器设计非线性跟踪微分器， 并针对pi d控制器的上述局限，提 华北电力大学硕士学位论文 出了 非线性pi d控制器的结构，这是对pid控制器的第一次重大改进。方法是s : 1 、 将给定信号首先进行预处理， 称为安排过渡过程， 这可以利用非线性跟踪微分器 来实现。 2 、 对测量的反馈信号使用一个跟踪微分器进行预处理， 既可得到滤波的输出， 又可 得到输出的微分信号用于构造误差的微分以形成控制量。 3 、 对误差信号的比例、 微分和积分探讨合适的非线性组合来提高其信号处理的 效率， 恰当 地使用非线性能带来极大的好处， 而有了计算机之后， 非线性特性的实现也变得容 易。 适当选择非线性组合和跟踪微分器中的参数， 这种非线性 pid控制器有极好的对对 象不确定性的适应性和 自身参数的鲁棒性 。 九十年代中期， 对非线性状态观测器的进一步改造而获得了对一类不确定对象的扩 张状态观测器。正是这个非线性功能单元的出现，为进一步改进非线性 pid控制器提供 了可能。扩张状态观测器不仅能得到不确定对象的状态，还能获得对象模型中的内扰和 外 扰的 实时 作用 量， 如果 将 这 个实时 作用 量补 偿到 控 制器中 去， 其 功能 就 相当 于 反馈 线 性化方法， 可以将非线性系统转化为积分器串联型结构系统. 此时 非线性p id 中的积分 作用可以取消，再进一步将控制器用于高阶对象的控制时，一种新的控制律一 非线性状 态误差反馈控制律困l s e f)产生了. 非线性控制律需要知道对象模型的阶次，因为不同 阶次的对象需要不同的n l s e f ， 这就是自 抗扰控制器反馈线性化， 再使用非线性配置构 成非线性反馈控制律来提高其闭环系统的控制性能， 所以自抗扰控制器对对象的适应能 力 要大 于 非线 性pi d， 而控 制 性能 也 将优 于非 线 性pl nl 61 . 总的来说，自抗扰控制技术不需要知道被控对象的内部机理和外扰规律， 将未建模 动态和未知外扰都归结为对象的未知扰动，用输入输出数据估计并给予补偿，从而实现 了动态系统的反馈线性化。自 抗扰控制技术是为适应数字控制技术的时代潮流而发展起 来的。 它吸收了现代控制理论的信号处理思想，发扬丰富了pid控制思想的精髓一误差 反馈控制律。凡是能用 pi d 的场合，只要能够数字化，就可以采用自 抗扰控制器取代 pi d ， 而提高系统的控制品质，特别在高速高精度控制领域，更能发挥自 抗扰技术的优 越性。自抗扰控制技术 ( a d r c)优异的控制性能使其一提出就迅速受到国内非线性控 制界的普遍关注， 其优异的控制性能在很多 方面得到了 验证。 仿真结果表明， 将a d r c 用于时变系统、 多变量系统和最小相位系统控制均取得了良 好的 控制效果。 对大时滞系 统的控制，使用 a d r c也是非常成功的。目前，a d r c已经在电力系统，励磁控制，可 控硅串联补偿装置，异步电机调速控制，智能化结构抗震减震技术，混沌系统，飞行器 姿态控制，有源降噪等不同对象的实际控制系统试验或数值仿真实验中得到应用181 。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 4本文主要工作 本文研究的主要内容是自 抗扰技术在主汽温控制系统中的应用研究。 在工业过程控 制中分析了目 前应用最广泛的 控制方法， 对典型的几种智能控制方法进行了简要地的分 析和比 较。阐述了自 抗扰控制算法的 核心及关键特点。 第二章首先介绍了电厂主汽温对象， 阐述了 主汽温的特性。 然后叙述了自 抗扰控制 器(ad r c)的发展过程: a d r c是由pi d思想发展而来，同时又突破了pi d技术的局限 性。本章对 a d r c进行了较为全面的介绍 ，首先是对 a d r c的发展简史和各组成部分 的详细介绍， 然后对二阶自 抗扰控制器进行了简单介绍并给出了 其离散算法的实现， 进 一步介绍高阶自 抗扰控制器的 组成原理， 给出了高阶自 抗扰控制器的离散算法实现。 随 后又介绍了ad r c参数的整定问题。 本文第三章中，介绍了自抗扰控制器在各种系统中的应用，然后介绍了几种改进的 自 抗扰控制器， 提出了低阶自 抗扰控制器向高阶对象的 跨阶控制， 同时 也提出了自 抗扰 状态pl ( a s pi) 技术， 意在拓宽自 抗扰控制的领域。 本文第四章讨论了自 抗扰控制技术在主汽温控制系统中的应用。 首先指出了主汽温 对象具有大惯性、大迟延，多扰动等特性，属于较为难控的一类热工对象。然后提出了 基于自 抗扰的主汽温控制系统的设计方案问题， 并通过仿真实验验证了 该控制系统的 控 制性能及其在热工控制领域应用的可行性; 最后提出了高阶自 抗扰控制技术( a d r c)在主 汽温控制系统中的应用，adrc 控制器的控制性能，以及 a d rc 控制器在热工控制领域中 应用的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 自抗扰控制器 2 . 1电厂主汽温控制系统的特点 2 . 11 锅炉主汽温被控对象特性简介 锅炉过热器出口 过热蒸汽温度主汽温是整个汽水行程中工质的最高温度， 对电厂的 安全经济运行有重大影响。由 于过热器承受高温高压，它的 材料采用耐高温高压的合金 钢，过热器正常运行的温度己接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也很小， 因此必须相当严格地将主汽温控制在给定值附近。中高压锅炉主汽温的暂时偏差不允许 超过士 10， 长期偏差不允许超过士 5 。 这个要求对于汽温控制系统来说是非常高的。 主汽温偏高会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏， 威胁机组的安全经济 运行， 主汽温偏低则会降低机组的热效率影响机组运行的经济性， 同时主汽温偏低会使 蒸汽的含水量增加， 从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。 在锅炉运行中，影响过热器出口 蒸汽温度的因素很多:有蒸汽流量燃烧状况，锅炉给水温度，过热器入口蒸汽焙值，流 经过热器的烟气温度流量流速，以及锅炉受热面的结渣积灰结垢情况等。在这些因素的 共同 作用下， 主汽温对象除了具有多容、 大惯性、 大延迟特性之外，往往表现出 一定的 非线性和时 变特性。因此， 过热汽温控制是锅炉各项控制中较为困难的 任务之一。 理论 分析和大量的实践表明， 在影响过热汽温的各种因素中， 过热器吸热量扰动 q ， 蒸汽扰 动量ad ，过热器入口蒸汽温度扰动量 t9 。这三种扰动是造成过热器出口 主汽温度变 化 0 的主要原因。其它多种不可忽略的扰动因素都可归入这三种扰动类型中，如燃烧 侧和过热器侧的扰动可认为属于过热器吸热量扰动 q，而发电 机侧和汽机侧一些随机 扰动对主汽温度造成的影响则可认为是源于蒸汽扰动量 2 ) .下面是几种主要扰动和调 节变量特性的简要分析。 1 、蒸汽流量 ( 负荷 )扰动下过热汽温对象的动态特性。 当锅炉负荷扰动时， 蒸汽流量d的变化使得沿整个过热器管路上各点的蒸汽流速几 乎同时改变， 从而改变过热器的对流放热系数， 使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变， 因而汽温反应较快。 过热器出口温度的阶跃响应曲线如图 2 一 1 所示， 其特点是: 有滞后、 有惯性、有 自平衡能力且州t 较小。当锅炉负荷增加时， 通过对流式过热器的出口温度 和流速都增加，从而使对流式过热器出口温度升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度 升高不多， 而烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增加所需要的吸热量， 因而当负 荷增加时，辐射式过热器出口 汽温是下降的 l 01 。 正常工况下，蒸汽流量d是由锅炉负荷决定的，机组控制的一个主要 目标是保证蒸 华北电力大学硕士学位论文 汽流量d 快速地跟踪电网负荷指令的要求。 所以， 蒸汽流量 扰动量 d是机组控制系统 努力要消除的对象，而不适合选其为主汽温度控制系统的调节变量111 . 2 、 烟气热量扰动过热汽温动态特性 图2 一 2 表示烟气热量q 阶跃变化时过热汽温的反应曲线， 其特点是: 有延迟、 有惯 性、有自 平衡能力。烟气热量扰动时 ( 由于烟气温度和流速产生的变化) ，由于烟气流 速和温度的变化也是沿着整个过热器同时改变， 因而沿着过热器整个长度使烟气传递热 量也同时变化，所以汽温反应较快， 其时间常数t 和延迟: 均比其他扰动小。现场当中 是通过改变烟气温度( 例如， 改变喷燃器角度或者改变喷燃器投入的个数) 或者改变烟气 流量来求取汽温响应曲 线的11 21 。 在机组运行的有些情况下，如升降负荷或主汽温一直高于或低于给定值时， 可以 利 用过热器吸热量扰动 q 作为调整主汽温度的一个手段。但过热器吸热量q 的变化， 如 改变燃料量或烟气循环流量等燃烧侧工况的变化会影响到锅炉燃烧系统的稳定性， 且燃 烧工况的变化又会祸合到其它多种机组运行参数中。 因此， 也不宜常采用过热器吸热量 扰动 q 来调整主汽温跟踪给定值。 3 、减温水量扰动过热汽温动态特性 当减温水流量扰动，改变了高温过热器的入 口温度，从而影响了过热器出口温度， 其阶跃响应曲线如图2 一 3 所示。从图 2 一 3中可以看出，其特点也是有延迟、有惯性、有 自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因而当减温水流量扰动时， 汽温反应较慢。 一般情况下， 锅炉主汽温度控制系统都采用通过改变过热器入口 汽温作 为调整主汽出口汽温的主要调节手段，具体地可以采用直接喷水，自凝式喷水和面式减 温器等。也就是说，影响主汽温度的各种扰动中，选取过热器入口汽温扰动作为调节变 量， 而将其它对主汽温影响的因素作为需要克服的 扰动113 . 图 2 一 1 蒸汽流量扰动图2 一 2烟气热量扰动图2 一 3减温水量扰动 总之，当产生负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快;而减温水量扰动时， 汽温的反应较慢。因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑， 改变烟气侧参数 ( 改 华北电力大学硕士学位论文 变烟温或烟汽流量) 的控制手段是比 较理想的 ( 因为负 荷信号由用户决定， 不能作为控 制量) ，但具体实现较困难。喷水减温法调节范围大、设备简单、能有效保护过热器， 所以尽管对象的特性不太理想， 但还是目 前广泛被采用的 过热蒸汽温度控制方法， 其示 意图如图 2 一 4 所示。 汽 包 过 热器 过 热器 图2 一 4主蒸汽喷水减温系统 21 . 2 传统的串级过热汽温控制系统 1 、传统的串级过热汽温控制系统的结构及工作原理 为减少控制通道上的惯性和滞后并提高控制系统抗内扰的能力， 在工程上常采用传 统的串级控制方案。传统主汽温 串级控制系统框图如下图 2 一 5 所示。 过 热 器过 热 器 蒸 汽 yel工pll piz工kz 关蝎龙 图2 一 5传统串级过热汽温控制系统 其中整个汽温被控对象的动态特性主要由两部分组成 : (l) 以 喷 水 调节 阀开 度作 为 输入 信号 ， 减温 器出 口 温度氏 作 为输出 信号 的 对象， 这 部分调节通道称为导前区，传递函数为 华北电力大学硕士学位论文 叽 ( 5 ) = (2) 以 减 温器出口 汽温氏 为 输 入信 号， 分调节通道为对象惰性区，传递函数为 叽 2 ( 5 ) = 戈 ( 写 5 + 1 ) 、 过热器出口 汽温已 为输出信号的通道，这部 凡 ( tz s + 1 ) 、 其 中， 导 前区 的 时间 常 数 和阶 次 都 远小于 惰 性区 的 时间 常 数和 阶次 ， 而且k : 、 k : 、 兀、几、nl 、n : 皆为工况参数的非线性函数。 工 作原 理: 只 要导 前 汽温氏 发生 变 化， 副调 节 器p 就 去改 变减 温水 流 量， 初 步维 持 后级 过 热 器入口 汽 温氏 在 一定 范围 内 ， 起粗 调作 用。 而 对过 热器出 口 汽 温氏 的 控 制， 则 是通 过 主调 节 器来 校 正副 调节 器 工 作， 氏 只要 未 达到 给 定值， 主 调 节的 输出 信 号就 不 断 地变 化， 使副 调 节 器不断 去 控 制减 温 水喷 水量 的 变 化， 直到氏 恢复 到给 定 值为 止。 稳 态 时 ， 导 前汽 温仇 可能 稳 定 在与 原 数 值不同 的 数 值上 ， 而主 汽 温伏 则 一定 等于 给 定 值 114 1 。 图2 一 6 是串级过热汽温控制系统原理框图。 不2 ( ) 鹦尸汹卜酬 图2 一 6串级过热汽温控制系统原理框 图 (l ) 副 回 路( 内 回 路) 由 对 象的 导 前区叽 1 ( 5) ， 导 前 汽温 变 送器ye :， 副 调 节器岭( 5) ， 执行 器kz和减 温 水调 节阀凡组 成; (2 ) 主 回 路 ( 外回 路) 由 对 象 的 惰性区叽(5)， 主汽 温 变送 器ye l ， 主 调 节器界 2 (s ) ， 以及副回路组成。 2 、传统的串级过热汽温控制系统的特点 在 串级控制系统中， 由于两个回路的任务和动态特性不同， 可 以选用不同的控制器。 副回路及副调节器的任务是快速消除内 扰， 要求控制过程的持续时间较短， 但不要求无 差，故一般可选用纯比 例调节器。当导前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。 主回 路 及 主调 节 器的 任务 是 维持已 恒定， 一 般 选用比 例积 分调 节 器。 串级调节系统能改善调节品质， 主要是由 于有一个快速动作的副调节回路存在。 而 华北电力大学硕士学位论文 它的 主回路在负荷扰动时，控制效果变差。 2 . 2主汽温控制技术的发展状况 随 着机组容量的增大， 过热器和再热器管道也随之加长， 这就使得的其热惯性和调 节滞后都大大加长，从而造成汽温控制系统投自 动困难和被调参数的动静态品质指标 差。 为此， 人们作了 许多有益的尝试目前己 有神经网络控制模糊控制等多种方法在主汽 温控制系统中的仿真研究取得了有益的结果115 。 2 . 2 . 1基于神经网络的主汽温控制系统 文献 16 使用神经网 络设计了主汽温控制系统。系统结构为串 级系统内回路采用常 规比例调节器，外回路采用带辨识器的单神经元pid 控制器辨识器，为3 层b p 网络结构。 以广义占规则为学习规则控制器习算法，为有监督的h ebb 算法教师信号由系统定值和辨 识器输出构成该系统的结构框图如图2 一 7所示: 对 象 图2 一 7基于神经网络的主汽温控制框图 2 . 2 . 2基于内 模控制的主汽温控制系统 内模控制是一种新型控制算法，它有良 好的跟踪性能和鲁棒性， 但抗干扰性不够理 想.目前的工 m c 是单一层次的，而人们对控制系统的要求是综合的，这就必须在各种设 计参数之间寻找折衷，以 求被控系统的各项性能都比较满意。 然而对于联系不同 性能要 求的是同一个参数，该参数的取值为满足不同性能要求又是直接矛盾时，这样的折衷就 很难进行。因此， 必须改变原有算法单层次结构， 采用多层控制策略， 把抗干扰性和鲁 棒性这两个对立的性能要求划分到不同的层次， 采用不同的工作效率和控制策略， 就有 可能避免因集中在一个设计参数上所造成的 直接矛盾， 而通过各层次的分别整定， 较 容易地实现满足综合性能的要求。 华北电力大学硕士学位论文 为了实现上述目的，我们知道p id控制对内扰有良 好的抑制作用，故在对象最易发 生内扰的部位取 出信号首先形成pid 闭环控制，并采用 比工 mc高得多的工作频率，以便快 速有效地抑制突发性的内 扰。 由p 工 d 控制的内回 路与对象的剩余部分一起作为广义对象， 在第二层用内模控制， 这样内 扰的主要部分已 及时得到克服，内 扰的影响体现在广义对 象中己 远不如原始形态显著和剧烈， 故可近似看作是模型与对象有效分配， 所以 第二层 的工 m c 应以良好的动态性能和鲁捧性为要求进行设计。这种分层的m c 一 p id串级控制如图 2 一 8 所 示。 它既 能 保持串 级控 制的 结 构形 式， 又能 保 持内 模 控 制的 性能 。 图 2 一 8 中q ( 5) 是 主调节对象，q(s ) 是副调节对象，砰 (s ) 是内 扰，其它同图1 所示 w( 5 ) 醚义一 瓜蔽面孔户局子沫弄甲 ) g( 5 ) 图2 一 si m c 一 p i d 串级控制结构方框图 2 . 2 . 3基于模糊控制算法的主汽温控制系统 模糊控制可以 根据专家的经验选择控制规则 切。 结合主汽温系统的特点设计的 主汽 温自 整定模糊控制结构示意图如图2 一 9 。 利用解析公式形式可以 对主汽温偏差及其变化 率导前汽温变化率进行综合考虑，并根据运行工况能够自 动调整各模糊变量的加权因 子 . 知识库 信息获得 及处理 控制规 则集 薇 蕊 蔺j 导前区 卜门 今 过热区 图2 一 9主汽温自 整定模糊控制器结构示意图 另外， 还有将自适应控制和预估控制应用于主汽温控制系统的研究和现场成功实 现。 但是，由于这些方法设计复杂不易实现和现有的分散控制系统组态软件限制等多种 华北电力大学硕士学位论文 原因， 在实际 现场仍然主要是采用传统的pi d 控制方法。 pi d 具有对大滞后对象控制效果 差的 缺点， 随着机组容量的增大过热器管道长度增加， 主汽温系统的滞后时间加大， pid 控制方法越来越难以满足机组的运行要求。 针对这种情况寻求一种结构简单工程上易于 实现控制效果更好的主汽温控制方法是非常有意义的。 2 . 3p l 。 和自抗扰控制器简介 2 . 3 . 1经典p ld控制器的结构分析 简单地说，经典p id调节器原理以被控量与期望达到的目 标 t 参考输入之间的误差 信息来确定消除误差的反馈律，即以误差及其微分， 积分来产生控制信号， 其控制框图 如下( 图2 一 1 0 ) = 弓 争 被控 对象 一- 一 一 图2 一 10 经典pid 调节器原理图 其基本要素是 一 、 黔 ，e+ 气 夸 ( 2 一 5 ) 我们对原理作一直观 的解释。考察被控对象 少 = 关 (y ， 夕 ) + u (2一 6) 使其输出跟踪参考输入的问题。这里我们假定r(t)满足 户 = 人 ( r ， 户 )( 2 一 7 ) 令 ( el 一 气 “ rt) 一 y (， t 气 =已 ( 2 一 8 ) 在气 ， 较小的 情况 下， (26)， (2 . 7) 两式 相 减可 得如 下的 近 似 方 程 朽 l 气 =几 =。+马 e+几几十u ( 2 一 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中。 = 人 (r 约 一 人 (r ， 价 ， 对此 误差 系 统 采取 状态 反 馈 律u = 一 戈 el 一 凡 气， 得闭 环 方程 马 几二二 l 气 =田一人l el一人2 气 (2一 1 0 ) 其中风= 凡一 马 ， 风= 凡一 几。 如 果马 ， 气 为常 值， 。 = 0 。 那 么只 要 取凡 汽 ， 凡 气 则 闭 环 稳定 ，el 一。 。 从 而y 斗， ， 在一 般 情况 下， 很 少满 足。 二 00 若假定口 二 co ns t 护 0， 那 么 闭 环 就 有 稳 定 误 差 。 (oo ) 一 耐 凡 ， 为 了 消 除 这 个 误 差 ， 把 。 的 积 分 eo 一 卜 。 冲扩 充 为 状 态 变 量 ， 并 把 它 的 反 馈 也 加 进 去 ， 即 取 反 馈 律 。 一 凡 介 。 ) 击 + 凡 e( t) + 屁 (t) 得 到 闭 环 方 程 = 气 1 气 一 气- 二 二 t e z =田一入o eo一入l el一人2 2 (2一 1 1 ) 显 然取ko，凡， 凡使ko 0 ，凡 马 ， 凡 气 且风 风 ko， 则 系 统稳定。 此 时 误 差却 出 现在 上， 而气 峥00 ， 斗。 ， 通 常把 反 馈律 写 成 k ( e (t ) l 十 界j e (r ) “ + 几 (t ) ) ( 2 一 1 2 ) 其中， k，界 ， 几分别 称为 放 大 系数， 时 间 常数 和 微分 常 数。 这 就是 p id的 基 本 原 理。 然 而， 对 一 般的 系 统， 参数马 ， 几 事 先未 知， 因 此出 现了 现场 调试参 数k ， 界， 几 的需要。由于pid 的结构是不依赖于被控对象模型的固定形式， 而且对很多实际对象调 整其参数也比较容易( 实际 上， 己 有许多理论与工程上的调试方法) ， 因此pi d 控制器具有 很强的适应性和实用性。 pid 控制器对付简单的被控对象是很有成效的，并且得到了广泛的应用，然而要控 制参数变化范围较大或非线性效应显著的对象时显示出其局限性， 这种局限性就暴露出 经典pi d 本身所固有的缺陷.这种缺陷表现在141115 : ( 1) 参考输入r( o 一般不光滑， 甚至不连续， 而对象输出 作为动态系统的 输出 是光 滑的。 把不光滑函数和光滑函 数的误差作为产生控制信号的基本要素就容易产生控制量 的突变，从而常常会导致超调与振荡。 (2 ) 微分信号怎么提取? 在经典pi d 中。微分信号主要是由差分比 或一阶微分环节来 近似实现的。这种形式对噪声信号有很大的放大作用，使微分信号失真而不能使用。 (3)。 ，介 ， 三 者 的 组 合 为 什 么 必 须 是 线 性 的 ? 理 论