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先进控制技术论文内模控制在电厂主汽温控制的应用自控一，简介：主汽温控制系统具有大滞后、非线性的特点。在电厂中必须严格控制过热器出口蒸汽温度，使它不超过规定的范围，蒸汽温度过高或过低，都将给安全生产带来不利影响。主汽温控制系统关系着机组运行的安全性和经济性，因此对其要求非常严格。尤其近年来由于发电机组向大容量、高参数发展，被控对象更加复杂，对控制的要求更高，常规的串级PID控制已经不能完全满足主汽温控制品质的要求。近年来，内模控制(internal model control，IMC)引起了控制界的很大关注。内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略,其主要特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调整方针明确，调整容易，调节性能好，特别是对于鲁棒性及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤为显著。因此，研究内模控制在大迟延、大惯性的主汽温系统中的应用具有非常重要的实际意义。针对火电厂主汽温这一控制系统，提高主汽温控制质量的研究。1.1 研究背景及意义 大型火电厂单元机组主汽温度控制系统是提高电厂经济效益，保证机组安全运行的不可缺少的环节。主汽温度是表征锅炉特性的重要指标之一，主汽温度的稳定对机组的安全经济运行有极大的作用。主汽温控制对象是一个大迟延大惯性的难控对象，对于这样的被控对象，用常规的控制方式很难得到满意的效果，因此有必要讨论一下各种控制策略。本文提出其中一种内模控制方法，该方法扩展了PID控制技术，较好的实现了对主汽温的控制，有效实现控制的稳定性、准确性、快速性。本章针对主汽温调节对象特性，对其进行分析了解，了解内模控制的发展状况。 由于主汽温控制系统被控对象的惯性和迟延较大，受到的干扰因素多，具有非线性、时变等特点，尤其近年来由于发电机组向大容量、高参数发展，被控对象更加复杂，对控制的要求更高，常规的串级PID控制已经不能完全满足主汽温控制品质的要求。近年来，内模控制引起了控制界的很大关注。内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，其主要特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调整方针明确，调整容易，调节性能好，特别是对于鲁棒性及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤为显著。因此，研究内模控制在大迟延、大惯性的主汽温系统中的应用具有非常重要的实际意义。1.2 内模控制的发展概况 内模控制(Internal Model Control)是八十年代初提出来的，它是一种实用性很强的控制算法，其主要特点是结构简单，设计直观简便，在线调整参数少而且调整方针明确，特别是对于鲁棒及抗干扰性的改善和大时滞系统的控制效果尤为显著。在20多年的时间里，内模控制不论在控制器本身的设计上，还是在于其它控制方法的结合上，或者是在向非线性、多变量系统的扩展上，都取得了长足的进步，为其广泛应用打下了基础。 内模控制(Internal Model Control ,简称IMC)作为一种独特的控制系统结构，最早产生于过程控制并得到了成功应用。其设计思路是将对象模型与实际对象相并联，控制器逼近模型的动态逆，对单变量系统而言内模控制器取为模型最小相位部分的逆，并通过附加低通滤波器以增强系统的鲁棒性。与传统的反馈控制相比，它能够清楚地表明调节参数和闭环响应及鲁棒性的关系，从而兼顾性能和鲁棒性。内模控制的思想可追溯到1957年Smith提出的时滞补偿器，但作为控制系统设计综合的一般概念是由Garcia等建立的，在单变量和多变量线性连续系统中得到了研究应用，并推广到离散系统.Morari等给出了线性IMC设计的完整过程,并从理论上分析了线性内模控制的稳定性和鲁棒性。内模控制的思想也推广到非线性系统，并保留了线性IMC的诸多优点。 内模控制系统具有下述3个基本性质: 1) 当模型精确时，对象和控制器同时稳定就意味着闭环系统稳定。 2) 当闭环系统稳定时，若控制器取为模型逆,则不论有无外界干扰d，均可实现理想控制y = r。 3) 当闭环系统稳定时，只要控制器和模型的稳态增益乘积为1，则系统对于阶跃输入及阶跃干扰均不存在输出静差。这3条性质不仅适用于线性内模控制，也能够推广到非线性内模控制。 为了更好推动内模控制的发展，下面对内模控制研究的新进展，特别是在非线性系统领域取得的研究成果进行评述。以上的结构使得内模控制具有以下优点：(1)当系统存在输出约束时，基于模型的预测输出值，很有帮助。可以预见任何超出约束值的输出，从而采取适当的纠正动作；(2)引入滤波器使得输出跟踪参考轨迹。这赋予了滤波器以物理意义，并且使操作员可以在线对它进行调节；(3)通过设计滤波器和控制模块能够分别调节系统的鲁棒性和响应性能。因此，内模控制因其鲁棒性好，具有良好的抗外扰和跟踪能力，设计简单易于工程实现等特点，就引起控制界的广泛注意。而且，内模控制具有Smith模型预估原理，同时又能在一定程度上克服对模型匹配要求特别严格的弊端，可以通过使用滤波器来调节控制器鲁棒性，所以在大惯性、大时滞、强耦合的复杂热工过程控制中具有好的控制品质。与传统的反馈控制相比，内模控制的最大优点是把伺服问题与鲁棒及抗干扰问题分开处理，使分析、设计、调节都大为简化，从而使系统比较容易获得良好的动态特性，同时兼顾稳定性和鲁棒性。设计了单输入单输出(SISO)离散系统的内模控制器，研究了内模控制与其他控制算法(最优控制、Smith预估器、推断控制、模型算法控制、动态矩阵控制)的关系。己证明PID、Smith预估补偿、最优控制、模型算法控制(MAC)，动态矩阵控制(DMC)。最后得出结论：内模控制能够以一种直接的方式调节控制质量和鲁棒性，它的清晰和直观的优点对工业应用很有吸引力。内模控制强大的生命力和应用潜力已在近20年的发展中充分体现，它不仅在慢响应的过程控制中获得了大量应用，在快响应如电机控制中也取得了比PID优越的成果。其典型设计方法有零极点对消法，预测控制法，针对PID控制的IMC方法，有限拍法等。近年来，内模控制与其他控制方法的结合为内模控制注入新的活力，自适应IMC、鲁棒IMC、采用模糊推理和神经网络的智能型MC等方法都有极大的进展。二，主汽温控制策略研究： 锅炉是火电厂重要且基本的设备，其最主要的输出变量之一就是主蒸汽温度。主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。如果该温度过高,会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快,降低使用寿命。若长期超温，则会导致过热器爆管，在汽机侧还会导汽轮机的汽缸、汽阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的寿命缩短,甚至损坏，假如该汽温过低,会降低机组的循环热效率，一般汽温每降低5 -10 ，效率约降低1 %，同时会使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损;汽温变化过大时，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组的安全，所以有效精准的控制策略是十分必要的。运行中引起汽温变化的因素有很多，在蒸汽侧有主蒸汽流量(锅炉负荷) 、给水温度、减温水温度、减温水流量等；在烟气侧有烟气量(总风量、燃料量) 、燃烧器的投运方式(包括燃烧器摆角)、受热面的污染情况等。但最主要的是主蒸汽流量、烟气量(总风量、燃料量) 和减温水流量3个扰动因素。 虽然影响因素众多，但汽温控制的质量要求却非常严格，一般要求主蒸汽温度稳定在5 的范围内，加上汽温对象的复杂性，汽温控制困难，其主要难点表现在以下几个方面： (1) 影响汽温变化的因素众多，存在强耦合现象。 (2) 汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其迟延和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。 (3) 汽温对象在各种扰动作用下反应出非线性、时变等特性,使其控制的难度加大。 (4) 由于过热器正常运行时的温度已接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数很小，汽温控制的不好会导致材料的疲劳、蠕变等，因此，中高压锅炉的主汽温短时偏差最大也不能超过10 ，精确度要求较高。针对电厂锅炉这个复杂的控制对象，人们不断地探索更为有效和精确的控制手段，从长期研究和实践总结出的经典控制理论到随着微机的发展和应用而得到飞跃发展的现代控制理论，再到后来出现的无须精确数学模型的智能控制方法。现不对具体结果，仅对控制思想、控制方法作个简要的介绍和综述。2.1 基于经典控制理论的主汽温度控制方法常规PID 控制,具有结构简单易于实现、鲁棒性强等优点，因此目前广泛应用于电厂主汽温度的调节。但常规PID控制器构成的调节系数存在其固有的缺点：参数是根据被控对象的数学模型来整定的，而汽温调节对象的时变性、不确定性和非线性使其难以建立精确的数学模型，若仅仅依靠PID控制，无论PID参数如何匹配，也很难使蒸汽温度适应各种扰动的变化。而且一旦运行工况发生较大变化，过热汽温对象的动态特性和模型参数会受到较大影响。所以，采用常规PID控制方法很难获得令人满意的控制性能。基于以上常规PID控制的缺点，出现了一系列的改进方法,有相应的相位补偿、前馈补偿控制、分段控制等。但是这些针对PID控制系统的一系列改进措施，仍然不能从根本上使控制系统达到满意的控制品质，根本原因是它们无法对系统的内部动态参数进行直接有效地控制。下面介绍几种典型的PID控制方法。 普通PID串级控制 ：PID串级控制由主、副2个控制回路组成。副控制回路中的调节器根据导前汽温的变化改变减温水量，消除减温系统的内部扰动，对主汽温进行粗调。当主汽温偏离给定值时，主调节器输出校正信号，不断调节减温水量，直到主汽温恢复到给定值，对主汽温起细调作用。锅炉过热汽温串级控制系统结构如图所示，图中：R1( s)和R2( s)分别为副控制器和主控制，G1( s) G2( s)分别为导前区和惰性区的传递函数，H1(s)和H2(s)分别为导前汽温和过热汽温的测量变送单元特性， d1 和d2为系统扰动。相位补偿控制：相位补偿网络，是补偿被控对象的滞后，通过补偿网络的相角超前，有效降低补偿后等效被控对象的模型阶次。这种控制方法的主要思想，是用一个超前动态补偿网络，通过它的超前性能来补偿被控对象的惯性和滞后，从而使补偿后的等效对象具有滞后较小的特性。因此，可在保证控制系统稳定性不变的前提下，加快调节器的动作速度，从而有效抑制汽温的变化。分段控制：目前大机组的过热汽温一般采用分段控制，级喷水减温器通常布置在屏式过热器之前，级喷水减温器通常布置在末级过热器之前，主汽温的控制通过级喷水和级喷水来实现，这样便可以提高汽温调节对象的动态特性。就原理上说，在定值分段汽温控制系统中，末级喷水维持锅炉出口汽温，末级前的每级喷水分别维持过热器段相应的中间点温度，各个减温喷水器的控制逻辑相互独立，定值系统的控制目标明确，系统结构分明，系统参数整定容易，投运相对简单，且各级调节系统手动、自动切换自由。但是，由于定值分段汽温调节系统各子系统分别维持各段汽温于相应的设定值，因此，当各段汽温的调节对象特性不同时，这种调节系统将不适应锅炉工艺过程的要求。三，内模控制：在工业过程中，存在着难以获得对象精确数学模型和要求控制系统有较高的精确性、鲁棒性和抗干扰能力这样的矛盾。而应用较为普遍的PID对于非最小相位系统和大时滞系统，尤其是受随机干扰的系统，很难获得很好的控制性能。并且它的参数调整也是一个相当棘手的问题。对传统的控制方法做了仿真研究，证明传统控制方法的弱鲁棒性。而由GarciaC.E和MorariM提出的内模控制方法，具有结构简单、直观性强、实现简单和鲁棒性好等一系列优点，不仅可以成功地应用于非最小相位系统和大时滞过程，对于慢时变和快时变系统也具有良好的适应性，是一种适应性很强的控制方法。所以一直为工程控制界所重视。3.1基本原理内模控制原理如图所示，图中G0(s)为被控对象，Gc(s)为对象内部模型，G0(s)为内模控制器，R为参考输入，y为被控对象的输出，d为外部不可测干扰，U为控制器输出，em为系统输出和模型输出之差。由图可以看出，当预估模型和实际对象完全匹配，即G0(s)=Gm(s)，且没有扰动的情况下，系统的反馈信号P为零，则系统呈现出开环特性；在外部有扰动或模型失配的情况下，系统呈现出闭环特性。因此，系统同时具有开环系统和闭环系统的特性。从上图中，我们也可以得到内模控制系统的闭环传递函数如下当模型和实际过程完全匹配时，系统输出如下：由此，可得内模控制器的对偶稳定性：若模型精确，即G0(s)=Gm(s)，则系统内部稳定的充要条件是对象G0(s)与控制器Gc(s)都要是稳定的。当然这只是理想条件，在一般的反馈控制中，系统的稳定性条件没有这么简单，特别是存在非线性、大时滞的场合，系统的稳定性条件非常复杂。系统的闭环误差传递函数为由此，可以得到内模控制器的第二个特性：当把控制器设计为时，在所有时间内和任何干扰作用下，系统的稳态误差都为零。可得内模控制的第三个特性：当控制器静态增益满足时，系统为一阶无误差系统。当静态增益满足则系统是二阶无误差系统。这一特性说明内模控制系统本身具有误差积分作用。3.2 内模控制器的设计 由上文可知，在内模控制系统中，若控制器可以设计为GcSGmS-=且模型和被控对象完全匹配，则在设定输入下，过程的输出为Y(S)=R(S)。而在不可测干扰的作用下，过程输出为Y(s)=0。可见，在理想情况下，内模控制系统对设定值有完全跟踪的功能，而对不可测干扰则有完全补偿的功能。 内模控制器的设计通常采用的是两步走的方法：第一步先设计一个稳定的理想控制器；第二步采用在反馈和输入回路内插入反馈滤波器和输入滤波器，通过调整参数来稳定系统，并使系统获得所期望的动态品质和鲁棒性。 稳定控制器的设计：在不考虑模型误差、约束条件的情况下设计一个稳定的理想控制器。若模型为有时滞的非最小相位系统，则将Gm(S)分解为两个部即式中，为模型中包含所有时延和位于平面单位圆外零点的部分；为模型中的最小相位部分，为了保证控制器的可实现性，取其中，Gf(s)为控制器可实现因子，选择它的目的之一是使Gc(S)变为有理。又因为设计时要求保持系统的零稳态偏差特性，因此要求可实现因子的一种比较简单的选取方法是：也可将选择成为滤波器的形式可实现因子f(s)还可以选择成为一阶滤波器的形式，即具体要如何选择，还要根据实际的情况确定。滤波器的设计 ：内模控制器是在假设对象稳定且模型准确的前提下设计的，若模型失配或有干扰存在时，闭环系统不一定能获得所期望的动态特性和鲁棒性甚至有可能出现闭环不稳定的情况。解决由于模型失配而引起闭环不稳定的简单有效的方法就是，在反馈回路中插入一个反馈滤波器Gf(s)，适当选取滤波器的结构和参数，可以有效的抑制输出振荡，且可以获得期望的动态特性和鲁棒性。为满足零稳态偏差特性，即对阶跃输入无余差。则Gm+(s)和Gf(s) 取如下形式：式中，n应取得足够大以保证内模控制器Gc(S)有理。假设Go(S)=Gm(S),且Gm+(1)=1(最小相位模型),则，参数的取值将决定闭环响应的速度。与常规PID控制器参数不同的是，口的取值还直接与闭环的重要性能相关。通常增大(1)，系统克服模型失配和参数波动的能力增强，值越大，闭环输出相应越慢，操纵变量的变化也就越柔和。因此的选择需要在鲁棒性和快速性之间取折中。对象模型的求取采用最小二乘拟合的方法，可根据实际对象的飞升曲线，获得最小偏差的对象的近似模型，下图给出了对象模型模型求取方法的原理框图。四，仿真研究：4.1 内模控制系统 内模控制是一种基于过程数学模型设计的控制策略。具有设计简单、控制性能好和易于在线分析的优越性，已在工业过程控制领域中获得了许多成功的应用。4.2广义被控对象模型的建立 主汽温度对象具有大迟延、大惯性和时变性，可以采用基于阶跃响应的最小二乘方法，根据对象的阶跃响应曲线、最小偏差获得广义被控对象的近似模型。拟合得到的广义被控对象一阶时滞模型。为了与主汽温PID控制比较,采用了相同的主汽温对象。本文中采用最小二乘法求取广义被控对象的近似模型。过程如下：被控对象阶跃曲线如图根据被控对象的阶跃曲线进行辨识：采样周期为T=100秒，且T大于对象延迟。得被控对象的近似模型为近似模型与实际模型的阶跃曲线对比如下图实线为实际模型的阶跃曲线，虚线为近似模型的阶跃曲线，两曲线基本吻合，符合要求。4.3内模控制器的求取4.4内模控制仿真用Simulink构建的内模仿真试验系统如图所示所得的内模控制阶跃响应曲线如图所示4.5鲁棒性分析比较为了进行鲁棒性分析，当稳定系统加入内扰、外绕以及对象参数变化时分别对串级PID控制系统和内模控制系统进行仿真研究。（1）内扰 图为系统在1500秒时加20%阶跃内扰响应曲线，由图可以看出内模控制系统受内扰影响较小。具有较强的抗干扰能力。（2）外扰 图为系统在1500秒时加20%阶跃外扰响应曲线，由图可以看出内模控制系统受外扰影响较小。具有较强的抗干扰能力。五，总结： 根据所学得内模控制原理，结合电厂主汽温度控制的实际需求，设计了控制器并用Matlab软件进行仿真。针对电厂主汽温系统设计了内模控制系统，理论推导和仿真结果表明该控制器具有良好的位置跟随性能、抗干扰性能和鲁棒性。能够较好地满足了工程控制要求，对更好的研究不确定大迟延对象的控制有一定的意义。由此可见，内模控制具有很强的实用性和实际意义。 实验还有很多不足之处，比如干扰只采用了阶跃信号，实际往往更复杂。只做了初步的仿真工作，如果要投入实际还需要很多工作要做。这次仿真实验使我深入了解了内模控制，加深了课上的学习，拓宽了视野与知识层面，是大学生涯中很有意义的一次学习。