基于DMC的主汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于DMC的主汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著火電機(jī)組向大容量、高參數(shù)和高效率方向發(fā)展，對(duì)機(jī)組熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求也隨之提高。在熱工過(guò)程中，大多數(shù)熱工對(duì)象具有較大的慣性和遲延，且是非線性和慢時(shí)變的，部分對(duì)象還是多變量的，因而具有很大的不確定性和強(qiáng)耦合性。這就難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，使采用固定參數(shù)的PID控制器不能與生產(chǎn)上越來(lái)越高的控制要求相適應(yīng)。本文主要是研究動(dòng)態(tài)矩陣控制算法在主汽溫控制方面的應(yīng)用。首先，分析了當(dāng)前火電廠主汽溫的控制方式和常規(guī)的控制方法，以及影響主汽溫變化的各種擾動(dòng)因素；然后，介紹了動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的原理，并基于此原理設(shè)計(jì)了DMC主汽溫控制系統(tǒng)；并且與傳統(tǒng)的串級(jí)PID控制系

2、統(tǒng)進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的響應(yīng)速度快，且沒(méi)有超調(diào)，魯棒性好，控制品質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。關(guān)鍵詞：主汽溫；動(dòng)態(tài)矩陣控制；DMC；仿真 THE DESIGN OF THE MAIN TEMPERATURE CONTROL SYSTEM BASED ON DMCAbstractDeveloping with the tendency to large capacity, high parameters and high efficiency of fossil-fired unit, the control trait request for thermodynamic aut

3、omatic control systems is heightened .In thermodynamic process, most thermodynamic objects have large inertia and delay, and are nonlinear and time-variable; furthermore, some of them are multi-variable, and also has large uncertainty and strong coupling. This makes it difficult to construct accurat

4、e mathematic models, and makes PID controllers with fixed parameters hardly adapted to higher and higher control request in productionThis article is mainly the research of the application of dynamic matrix control in the main temperature control system. First, it analyzed the conventional control m

5、ethod in the current thermoelectric power station steam system, and the affects of every kind of perturbation factor in the main temperature control system. Then it introduced the principle of dynamic matrix control algorithm, and designed the control system that based on this principle and was used

6、 to control the main temperature system. And also, in this paper we made a comparison with the traditional cascade PID control system, and the simulation result indicated that the speed of response of dynamic matrix control algorithm is more quickly, and the DMC control does not have the over modula

7、tion. And the control quality overmatches the conventional PID control obviously.Keywords: main steam temperature; dynamic matrix control; DMC; Simulation目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 主汽溫控制的現(xiàn)狀11.3 動(dòng)態(tài)矩陣（DMC）控制概述11.4 課題主要研究?jī)?nèi)容21.4.1 研究的問(wèn)題21.4.2 研究?jī)?nèi)容22 主汽溫系統(tǒng)分析32.1 火力發(fā)電廠的生產(chǎn)流程32.2 汽包鍋爐蒸汽基本流程42.3

8、主汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性52.3.1 蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性52.3.2 煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性62.3.3 減溫水量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性62.4 主汽溫的控制方法72.4.1 基于Smith預(yù)估器的單神經(jīng)元PSD自適應(yīng)主汽溫控制72.4.2 Fuzzy自整定PID參數(shù)的Smith預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)72.4.3 模糊自調(diào)整PID過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)72.5 影響主汽溫的因素82.5.1 鍋爐負(fù)荷82.5.2 過(guò)量空氣系數(shù)82.5.3 給水溫度82.5.4 燃料性質(zhì)82.5.5 燃燒器的運(yùn)行方式93 大時(shí)滯對(duì)象控制103.1 大時(shí)滯對(duì)象介紹103.2 串級(jí)PID控制103.2

9、.1 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法113.2.2 穩(wěn)定邊界法113.2.3 衰減曲線法123.3 Smith預(yù)估器123.4 自適應(yīng)控制方法133.5 智能控制方法143.6 內(nèi)模控制143.6.1 內(nèi)?？刂萍夹g(shù)143.6.2 內(nèi)?？刂频幕驹?53.7 動(dòng)態(tài)矩陣（DMC）控制164 動(dòng)態(tài)矩陣控制方法原理174.1 動(dòng)態(tài)矩陣控制簡(jiǎn)介174.2 動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）的基本算法174.2.1 系統(tǒng)模型與輸出多步預(yù)測(cè)184.2.2 參考軌線計(jì)算214.2.3 參數(shù)選取原則214.2.4 最優(yōu)控制律224.3 DMC實(shí)現(xiàn)步驟224.4 帶純遲延系統(tǒng)的DMC算法235 DMC主汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真245.1 控

10、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)245.1.1 理論研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)245.1.2 實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)245.2 DMC主汽溫控制系統(tǒng)仿真255.2.1 DMC控制過(guò)程基本算法程序流程255.2.2 基本算法實(shí)現(xiàn)265.2.2.1 DMC控制算法M-function程序清單265.2.2.2 串級(jí)控制Simulink實(shí)現(xiàn)285.2.3 仿真結(jié)果28總結(jié)31參考文獻(xiàn)32致謝331 緒論1.1 課題研究背景及意義在現(xiàn)代火力發(fā)電廠控制中，鍋爐出口過(guò)熱蒸汽溫度(主汽溫)是鍋爐的主要參數(shù)之一，對(duì)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大的影響。主汽溫偏高會(huì)使過(guò)熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過(guò)高的熱應(yīng)力而損壞，威脅機(jī)組的運(yùn)行安全。主汽溫偏低則會(huì)降低機(jī)組的熱效

11、率，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)主汽溫偏低會(huì)使蒸汽的含水量增加，從而縮短汽輪機(jī)葉片的使用壽命。因此必須將主蒸汽溫度嚴(yán)格控制在給定值附近。因此 ，必須將主蒸汽溫度嚴(yán)格控制在給定值附近，例如 ，對(duì)于亞臨界壓力機(jī)組的主蒸汽溫度而言通常要求其暫態(tài)偏差不能超過(guò)8，穩(wěn)態(tài)偏差不允許超過(guò) 2。1.2 主汽溫控制的現(xiàn)狀目前對(duì)于主蒸汽的常規(guī)控制采用的方法一般是采用常規(guī)PID控制加上噴水前過(guò)熱汽溫的導(dǎo)前微分信號(hào)構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)。由于過(guò)熱器管線很長(zhǎng)，系統(tǒng)對(duì)象的模型階數(shù)高、遲延大，能夠檢測(cè)和控制的信號(hào)又很少，而且隨著負(fù)荷的變化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致控制難度較大。采用一般針對(duì)特定對(duì)象的常規(guī)PID控制很難得到滿意

12、的效果。隨著智能控制理論和技術(shù)的飛速發(fā)展,許多學(xué)者將先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于主汽溫控制系統(tǒng)當(dāng)中，但是由于熱工對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有大遲延、大慣性、耦合性和不確定性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)存在著許多不確定性和智能控制算法自身的缺陷，使得先進(jìn)控制算法很難投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。目前大部分智能算法仍處于理論和仿真階段。1.3 動(dòng)態(tài)矩陣（DMC）控制概述動(dòng)態(tài)矩陣控制是模型預(yù)測(cè)控制的一種，是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型計(jì)算機(jī)控制算法（或策略）。經(jīng)過(guò)三十多年的理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，DMC在算法改進(jìn)和理論分析方面都有很大的發(fā)展，現(xiàn)已日趨成熟，并且在石油、化工、冶金、機(jī)械等多個(gè)工業(yè)部門(mén)都得到了成功的應(yīng)用。

13、與此同時(shí)，不少國(guó)外儀表及軟件公司已經(jīng)推出了多種各具特色的商業(yè)化應(yīng)用軟件?，F(xiàn)在人們已經(jīng)普遍認(rèn)為模型預(yù)測(cè)控制算法是一類最具實(shí)用性，有著廣泛應(yīng)用前景的先進(jìn)的控制策略。以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，以最優(yōu)控制為目標(biāo)的現(xiàn)代控制理論從20世紀(jì)60年代以來(lái)發(fā)展很快，日益完善成熟，并在航空、航天等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代微處理器出現(xiàn)以后，計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能價(jià)格比大大提高，為計(jì)算機(jī)的工業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。于是工業(yè)界很自然地想到將先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到工業(yè)控制，以取代傳統(tǒng)的PID控制。但是，人們的應(yīng)用實(shí)踐證明，直接將現(xiàn)代控制理論搬來(lái)應(yīng)用于工業(yè)控制很難獲得滿意的控制效果，更談不上實(shí)現(xiàn)

14、所謂的最優(yōu)控制性能。其主要原因是，工業(yè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、環(huán)境都具有很大的不確定性，很難建立起工業(yè)對(duì)象的精確模型。而基于現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)出來(lái)的控制策略（或算法）都是建立在被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上的。模型不精確，按現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)出來(lái)的控制策略在執(zhí)行時(shí)不但得不到預(yù)期的最優(yōu)控制效果，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生更差的控制性能。因此人們一方面開(kāi)展工業(yè)對(duì)象建模、參數(shù)辨識(shí)與自適應(yīng)控制以及魯棒控制理論方面的研究，同時(shí)開(kāi)始打破傳統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論的框架，針對(duì)工業(yè)對(duì)象控制的特點(diǎn)，尋找以數(shù)值計(jì)算為主和不過(guò)分依賴系統(tǒng)精確模型的新的控制方法。模型預(yù)測(cè)控制就是在這種背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的一類新型的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制算法，簡(jiǎn)稱MPC，

15、而動(dòng)態(tài)矩陣控制DMC是MPC中的一種重要控制算法。DMC采用被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)序列作為預(yù)測(cè)和控制的模型，控制算法采用增量形式。DMC算法對(duì)系統(tǒng)控制無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，但也只能適用于開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)。1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容1.4.1 研究的問(wèn)題現(xiàn)代火力發(fā)電廠控制中，鍋爐出口過(guò)熱蒸汽溫度(主汽溫)是鍋爐的主要參數(shù)之一，對(duì)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大的影響。主氣溫的控制方法有許多種，目前主要采用PID串級(jí)控制，PID控制是一種經(jīng)典控制算法，該算法無(wú)需獲取對(duì)象模型，計(jì)算量小，能及時(shí)克服各種干擾的影響。但是，對(duì)于主汽溫這種大慣性、大純遲延的熱工對(duì)象，采用常規(guī)的PID控制很難取得理想的控制品質(zhì)，因此可在主汽溫控制

16、系統(tǒng)中引入DMC動(dòng)態(tài)矩陣控制方法。1.4.2 研究?jī)?nèi)容1）建立主汽溫控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型。2）設(shè)計(jì)主汽溫DMC控制系統(tǒng)。3）進(jìn)行參數(shù)整定。4）用MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并與常規(guī)主汽溫控制系統(tǒng)比較，提出自己的見(jiàn)解。2 主汽溫系統(tǒng)分析2.1 火力發(fā)電廠的生產(chǎn)流程下圖為一大型單元機(jī)組生產(chǎn)流程圖：圖2-1大型單元機(jī)組生產(chǎn)流程圖1高壓汽輪機(jī)；2中、低壓汽輪機(jī)；3發(fā)電機(jī)；4高壓汽機(jī)調(diào)門(mén)；5汽包；6爐膛；7煙道；8過(guò)熱器噴水減溫器；9再熱器噴水減溫器；10送風(fēng)機(jī)；l2中、低壓汽機(jī)調(diào)門(mén)；l3煙道擋板；14引風(fēng)機(jī)；15冷凝器；16凝結(jié)水泵；17低壓加熱器；18除氧器；19給水泵；20高壓加熱器；21給水調(diào)節(jié)機(jī)

17、構(gòu)；22燃料量控制機(jī)構(gòu)；23噴燃器；24補(bǔ)充水；25水冷壁管；26過(guò)熱器；27再熱器；28省煤器；29空氣預(yù)熱器。 從上圖可以看到它是以鍋爐，高壓和中、低壓汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)為主體設(shè)備的一個(gè)整體。根據(jù)生產(chǎn)流程又可以把鍋爐分成燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)。 燃燒系統(tǒng)的任務(wù)一方面是將燃料B由燃料控制機(jī)構(gòu)22經(jīng)噴燃器23送入爐膛燃燒，另一方面是將助燃的空氣AF由送風(fēng)機(jī)10經(jīng)空氣預(yù)熱器29預(yù)熱后再經(jīng)調(diào)風(fēng)門(mén)11按一定比例送入爐膛?？諝夂腿剂显跔t膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量熱量傳給蒸發(fā)受熱面(水冷壁)25中的水。燃燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)I型煙道，不斷將熱量傳給過(guò)熱器26、再熱器27、省煤器28和空氣預(yù)熱器29，每經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)備煙氣溫度便會(huì)

18、降低一次，最后低溫?zé)煔庥梢L(fēng)機(jī)14吸出，經(jīng)煙囪排入大氣。在汽水系統(tǒng)中，鍋爐的給水W由給水泵19打出，先經(jīng)過(guò)高壓加熱器20，再經(jīng)過(guò)省煤器28回收一部分煙氣中的余熱后進(jìn)入汽包5。汽包中的水在水冷壁中進(jìn)行自然或強(qiáng)制循環(huán)，不斷吸收爐膛輻射熱量，由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出，再經(jīng)過(guò)多級(jí)(34級(jí)) 過(guò)熱器26進(jìn)一步加熱成過(guò)熱蒸汽D。這個(gè)具有一定壓力和溫度的過(guò)熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品。蒸汽的高溫和高壓是為了提高單元機(jī)組的熱效率。高壓汽輪機(jī)1接受從鍋爐供給的過(guò)熱蒸汽，其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生電能MW。從高壓汽輪機(jī)1排出的蒸汽，其溫度、壓力都降低了，為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱

19、器27中再次加熱，然后再進(jìn)入中、低壓汽輪機(jī)2做功，最后成為乏汽從低壓汽輪機(jī)尾部排入冷凝器15冷凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水與補(bǔ)充水24一起經(jīng)凝結(jié)水泵16先打到低壓加熱器17，然后進(jìn)入除氧器18，除氧后進(jìn)入給水泵，至此完成了汽水系統(tǒng)的一次循環(huán)。在汽水系統(tǒng)中還有兩個(gè)噴水減溫器8和9，它們是用來(lái)控制蒸汽溫度的。由于對(duì)進(jìn)入高壓和中、低壓汽輪機(jī)蒸汽的溫度有較高的要求，為此用過(guò)熱器噴水W，經(jīng)減溫器8，用再熱器噴水經(jīng)減溫器9分別加以控制。高、低壓加熱器20和17的作用是利用汽輪機(jī)的中間抽汽來(lái)加熱給水和凝結(jié)水以提高電廠的熱效率。2.2 汽包鍋爐蒸汽基本流程以下是某300MW汽輪發(fā)電機(jī)組的汽包鍋爐為例，其過(guò)熱蒸汽流程圖如

20、下圖所示圖2-2過(guò)熱蒸汽流程圖1圖2-3過(guò)熱蒸汽流程圖22.3 主汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性汽包鍋爐過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指各種引起過(guò)熱汽溫變化的原因與過(guò)熱汽溫變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。下面重點(diǎn)分析蒸汽流量D、煙氣熱量和減溫水量三種擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫變化的動(dòng)態(tài)特性：2.3.1 蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性在蒸汽流量D產(chǎn)生階躍擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫變化的響應(yīng)曲線如下圖所示：圖2-4蒸汽流量擾動(dòng)下主汽溫響應(yīng)曲線蒸汽流量D擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是: 有滯后、有慣性、有自平衡能力。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，通過(guò)對(duì)流式過(guò)熱器的煙氣溫度和流速都增加，因此對(duì)流式過(guò)熱器出口汽溫升高；但對(duì)于輻射式過(guò)熱器，爐膛內(nèi)煙

21、溫升高增加的輻射傳熱量小于蒸汽流量增加所需的吸熱量，因此輻射式過(guò)熱器出口汽溫下降。2.3.2 煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性在煙氣熱量產(chǎn)生階躍擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫變化的響應(yīng)曲線如下圖所示：圖2-5煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫響應(yīng)曲線煙氣熱量擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是:有遲延、有慣性、有自平衡能力。由于煙氣熱量變化時(shí)，沿過(guò)熱器長(zhǎng)度使煙氣和過(guò)熱蒸汽之間的傳熱量同時(shí)變化，因此過(guò)熱汽溫反應(yīng)較快，其時(shí)間常數(shù)Tc和遲延時(shí)間均較小。2.3.3 減溫水量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性減溫水量擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是: 有遲延、有慣性、有自平衡能力。由于現(xiàn)代大型鍋爐過(guò)熱器管路很長(zhǎng)，因此減溫水量變

22、化時(shí)過(guò)熱汽溫反應(yīng)較慢，其時(shí)間常數(shù)Tc和遲延時(shí)間均較大。在減溫水量產(chǎn)生階躍擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫變化的響應(yīng)曲線如下圖所示：圖2-6減溫水量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫響應(yīng)曲線2.4 主汽溫的控制方法2.4.1 基于Smith預(yù)估器的單神經(jīng)元PSD自適應(yīng)主汽溫控制針對(duì)電廠主汽溫控制系統(tǒng)具有大之滯后、非線性的特點(diǎn)，提出了一種新的基于Smith預(yù)估器的單神經(jīng)元PSD自適應(yīng)控制算法，即由Smith預(yù)估器和單神經(jīng)元PSD白適應(yīng)控制器組合的復(fù)合控制。并且利用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種控制方式具有較好的自適應(yīng)性和魯棒性。2.4.2 Fuzzy自整定PID參數(shù)的Smith預(yù)估主汽

23、溫控制系統(tǒng)針對(duì)火電廠鍋爐主汽溫被控對(duì)象的大遲延、模型不確定性，設(shè)計(jì)了模糊(Fuzzy)自整定PID參數(shù)的Smith預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)。運(yùn)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)在多種工況下進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性、魯棒性方面明顯優(yōu)于常規(guī)的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)；由于該控制方案有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，所以適用于缺乏精確數(shù)學(xué)模型且參數(shù)變化的大遲延工業(yè)過(guò)程。2.4.3 模糊自調(diào)整PID過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)首先對(duì)主汽溫特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，針對(duì)工況參數(shù)對(duì)特性具有較大影響的被控對(duì)象，建立了過(guò)熱汽溫模糊自整定PID控制系統(tǒng)。選用直接推理的強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法，編程建立功能摸塊化形式的模糊控制算法，通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)該

24、控制系統(tǒng)功能。仿真及動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)與原機(jī)組常規(guī)主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)相比，對(duì)外擾的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，控制品質(zhì)得到明顯改善。2.5 影響主汽溫的因素運(yùn)行中影響主蒸汽溫度的因素很多，主要有鍋爐負(fù)荷、爐膛過(guò)量空氣系數(shù)、給水溫度、燃料性質(zhì)受熱面污染情況和燃燒器的運(yùn)行方式，這些因素可能同時(shí)發(fā)生影響并相互制約。2.5.1 鍋爐負(fù)荷過(guò)熱器出口蒸汽溫度與鍋爐負(fù)荷之間的關(guān)系稱為汽溫特性。采用不同的傳熱方式的過(guò)熱器，它們的汽溫特性就不同。隨著鍋爐負(fù)荷的增加，輻射式過(guò)熱器中蒸汽流量和鍋爐的燃料消耗按比例增加，但是，爐內(nèi)火焰溫度升高不多。所以，爐內(nèi)輻射熱并不按比例增多，從而使輻射式過(guò)熱器中單位蒸汽的輻射吸熱量減少

25、、蒸汽的焓增相對(duì)減少、出口蒸汽溫度下降。對(duì)流過(guò)熱器的汽溫變化特性與輻射式過(guò)熱器正好相反。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，燃料消耗量隨之增多、流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣流速和煙氣溫度提高，使其中的蒸汽焓增升高。所以，對(duì)流過(guò)熱器出口蒸汽溫度是隨鍋爐負(fù)荷的提高而增加的。2.5.2 過(guò)量空氣系數(shù) 當(dāng)送入爐膛的過(guò)量空氣增加時(shí)，理論燃燒溫度降低，爐膛出口煙氣溫度幾乎不變，爐膛內(nèi)溫度水平降低，于是爐內(nèi)輻射傳熱減弱、輻射式過(guò)熱器的蒸汽焓增減少、出口蒸汽溫度降低；對(duì)于對(duì)流過(guò)熱器，由于增加了過(guò)量空氣而增加了煙氣流量，煙氣流速增大、對(duì)流傳熱加強(qiáng)、對(duì)流過(guò)熱器焓增加大、出口蒸汽溫度升高。風(fēng)量減小時(shí)與上術(shù)情況相反。2.5.3 給水溫度給水溫度升

26、高，產(chǎn)生一定蒸汽流量所需的燃料量減少，燃燒產(chǎn)物的容積也減少、煙氣流速下降，同時(shí)爐膛出口煙氣溫度降低。這與鍋爐負(fù)荷降低的現(xiàn)象相同。輻射式過(guò)熱器焓增加大、出口蒸汽溫度升高；對(duì)流過(guò)熱器焓增減小，出口蒸汽溫度降低。整個(gè)過(guò)熱器系統(tǒng)過(guò)熱器焓增減小、出口蒸汽溫度降低、減溫水量減少。如果高壓加熱器出現(xiàn)故障不能投入時(shí)，溫度給水下降，情況與鍋爐負(fù)荷增加時(shí)相同，會(huì)使鍋爐燃料量增大、爐內(nèi)溫度水平上升、爐膛出口煙氣溫度上升、加熱器中工質(zhì)總的焓增加大、出口溫度升高、減溫水量明顯增加。2.5.4 燃料性質(zhì)燃煤中水分和灰分增加時(shí)，燃煤的發(fā)熱量降低。為了保證鍋爐的蒸發(fā)量，必須增加燃煤消耗量。這樣，由于水分的增加，增大了煙氣體積

27、。同時(shí)，水分的蒸發(fā)和灰分本身溫度的提高，都要吸收爐內(nèi)的熱量，因此使?fàn)t內(nèi)溫度水平降低，輻射傳熱減少。同時(shí)，由于燃煤灰分的增加抬高了火焰中心，使得爐膛出口煙氣溫度提高、對(duì)流煙道的煙氣溫度升高。同時(shí)水分的增加，增大了煙氣體積、使得對(duì)流傳熱增加，過(guò)熱器出口蒸汽溫度升高、減溫水量增加。煤粉變粗時(shí)，煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒時(shí)間增長(zhǎng)，火焰中心上移，爐膛出口煙氣溫度升高，過(guò)熱器吸熱量增加，導(dǎo)致蒸汽溫度升高。2.5.5 燃燒器的運(yùn)行方式燃燒器的運(yùn)行方式的改變，例如擺動(dòng)燃燒器噴口的傾角發(fā)生變化時(shí)，或者多排燃燒器的使用情況發(fā)生變化時(shí)，爐膛中的火焰中心就要發(fā)生變化，影響爐膛出口煙氣溫度。只要爐膛內(nèi)火焰中心升高，爐膛出口煙氣

28、溫度升高，蒸汽溫度就上升。反之，汽溫就下降。3 大時(shí)滯對(duì)象控制3.1 大時(shí)滯對(duì)象介紹在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控對(duì)象除了具有容積延遲外，往往不同程度地存在著純時(shí)滯?；痣姀S中的主汽溫的控制對(duì)象是一個(gè)典型的大遲延、大慣性對(duì)象。在這個(gè)過(guò)程中，由于時(shí)滯的存在，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，即使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)到達(dá)調(diào)節(jié)器，使之受到控制。因此，這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定就必須降低控制器的增益，而又降低了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和抑制干擾能力。所以具有時(shí)滯的過(guò)程被認(rèn)為是較難控制的過(guò)程，其難度將隨著時(shí)滯占整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)的份額的增加而增加。一般認(rèn)為時(shí)滯時(shí)間與過(guò)程的時(shí)間常數(shù)

29、T之比大于0.3，則說(shuō)該過(guò)程是具有大時(shí)滯的工藝過(guò)程.當(dāng)/ T增加，過(guò)程中相位滯后增加，使上述現(xiàn)象更為突出，導(dǎo)致控制精度降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而危及設(shè)備及人身安全。因此大時(shí)滯系統(tǒng)一直受到人們的關(guān)注，成為重要的研究課題之一。目前克服時(shí)滯的基本方法就是對(duì)時(shí)滯環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，研究表明，是否進(jìn)行補(bǔ)償取決于過(guò)程時(shí)滯因子與時(shí)間常數(shù)之比。以單變量系統(tǒng)為例，設(shè)對(duì)象可表示為，則有如下結(jié)論:當(dāng)0.5T時(shí)，應(yīng)考慮補(bǔ)償;當(dāng)1.5T時(shí)，必須補(bǔ)償。3.2 串級(jí)PID控制PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制算法。目前在工業(yè)過(guò)程中采用PID控制的占90%以上，也是目前電廠中過(guò)熱汽溫控制中最普遍的控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)

30、單、通用性強(qiáng)、魯棒性好而且使用方便，應(yīng)用PID控制的關(guān)鍵技術(shù)是PID參數(shù)的設(shè)置和整定。串級(jí)過(guò)熱汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)以過(guò)熱汽溫為被調(diào)量，根據(jù)噴水減溫器出口溫度調(diào)節(jié)減溫水量。水減溫器出口溫度可以快速反應(yīng)對(duì)過(guò)熱汽溫的擾動(dòng)，只要變化，就可以通過(guò)副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)減溫水量，維持在一定范圍以內(nèi)，從而使過(guò)熱汽溫基本不變，提高控制品質(zhì)。對(duì)應(yīng)的汽包鍋爐串級(jí)過(guò)熱汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理方框圖如下圖所示：圖31串級(jí)控制原理方框圖常見(jiàn)的參數(shù)整定方法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、衰減曲線法、臨界震蕩法等等。3.2.1 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法這是一種以被控對(duì)象控制的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定值的開(kāi)環(huán)整定方法。這種方法是由齊

31、格勒和尼科爾斯于1942年首先提出的,后來(lái)經(jīng)過(guò)不少改進(jìn)，總結(jié)出相應(yīng)的計(jì)算調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定公式。這些公式均以衰減率(=0.75)為系統(tǒng)的性能指標(biāo)，其中廣為流行的是柯恩(Cohen)庫(kù)思(Coon)整定公式：(1)比例調(diào)節(jié)器(2)比例積分調(diào)節(jié)器(3)比例積分微分調(diào)節(jié)器其中K、T、為對(duì)象動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。用上述公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)整定值的前提是，廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延來(lái)近似，即，否則由公式計(jì)算得的整定參數(shù)只能作初步估計(jì)值。3.2.2 穩(wěn)定邊界法這是一種閉環(huán)的整定方法。它基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即臨界比例帶和臨界振蕩周期，利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)值。其整

32、定計(jì)算公式如下表所示。具體步驟如下： 參數(shù)整定調(diào)節(jié)規(guī)律PPIPID1）置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間了TI到最大值(TI)，微分時(shí)間TD為零(TD0)，比例帶置較大值，使控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。2）待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即所謂臨界振蕩過(guò)程。記錄下此時(shí)的比例帶(臨界比例帶)，并計(jì)算兩個(gè)波峰間的時(shí)間T(臨界振蕩周期)。3）利用和值，按上表給出的相應(yīng)計(jì)算公式，求調(diào)節(jié)器各整定參數(shù)的數(shù)值。應(yīng)當(dāng)注意的是，在采用這種方法時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整定參數(shù)。穩(wěn)定邊界法適用于許多過(guò)程控制系統(tǒng)。但對(duì)于如鍋爐水位控制系統(tǒng)那樣的不允許進(jìn)行穩(wěn)定

33、邊界試驗(yàn)的系統(tǒng)，或者某些時(shí)間常數(shù)較大的單容對(duì)象，采用純比例控制時(shí)系統(tǒng)本質(zhì)穩(wěn)定。對(duì)于這些系統(tǒng)是無(wú)法用穩(wěn)定邊界法來(lái)進(jìn)行參數(shù)整定的。3.2.3 衰減曲線法與穩(wěn)定邊界法類似，不同的只是本法采用某衰減比(通常為4：1或l0：1)時(shí)設(shè)定值擾動(dòng)的衰減振蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器相應(yīng)的整定參數(shù)。PID控制是目前應(yīng)用最為廣泛的控制，然而PID在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用是有一定的限制的。對(duì)于時(shí)滯較大的系統(tǒng)常規(guī)PID很難達(dá)到滿意的效果。3.3 Smith預(yù)估器Smith預(yù)估器是得到廣泛應(yīng)用的時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法。該方法的基本思路是:預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性,然后由預(yù)估器對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償,力圖使被延

34、遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器,使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作,從而抵消掉時(shí)滯特性所造成的影響:減小超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和加速調(diào)節(jié)過(guò)程,提高系統(tǒng)的快速性。Smith預(yù)估器的原理如圖3-2所示。圖3-2 Smith預(yù)估器原理圖圖中即為Smith預(yù)估器從理論上分析,Smith預(yù)估器可以完全消除時(shí)滯的影響,從而成為一種對(duì)線性、時(shí)不變和單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實(shí)際應(yīng)用中卻不盡人意,主要原因在于:Smith預(yù)估器需要確知被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而且它只能用于定常系統(tǒng)。這一條件事實(shí)上相當(dāng)苛刻,因而影響了Smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。3.4 自適應(yīng)控制方法自適應(yīng)控制器是能修改自己的特性以適應(yīng)

35、對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)特性的變化。起其研究對(duì)象是具有一定不確定性的系統(tǒng)，這里的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型表不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)講描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能確切知道。作為外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來(lái)表示。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的，它們可能是確定的，例如常值負(fù)載擾動(dòng)，其幅值和出現(xiàn)時(shí)間是不可預(yù)知的；也可能是隨機(jī)的。此外，還有一些噪聲從不同的測(cè)量反饋回路進(jìn)入系統(tǒng)。這些隨機(jī)擾動(dòng)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性常常是未知的，面對(duì)這些

36、客觀存在的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或接近最優(yōu)，就是自適應(yīng)控制要解決的問(wèn)題。對(duì)大多實(shí)際控制過(guò)程而言,被控對(duì)象的參數(shù)在整個(gè)被控過(guò)程中不可能保持不變,對(duì)于這一類系統(tǒng),如果采用常規(guī)的控制方法,不僅控制性能會(huì)變差,而且還會(huì)造成系統(tǒng)發(fā)散,然而利用自適應(yīng)技術(shù)卻可以獲得比較滿意的控制效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一種本質(zhì)非線形系統(tǒng)，所以分析這種系統(tǒng)相當(dāng)困難。由于自適應(yīng)系統(tǒng)的特性復(fù)雜，所以必須從幾種不同的角度來(lái)考查它們。對(duì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，最重要的理論研究課題集中在以下三個(gè)方面：（1） 穩(wěn)定性：自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指是指系統(tǒng)的狀態(tài)、輸入、輸出和參數(shù)等變量，在干擾的

37、影響下，應(yīng)當(dāng)總是有界的。（2） 收斂性：一個(gè)自適應(yīng)控制算法具有收斂性是指在給定的初始條件下，算法能漸進(jìn)地達(dá)到其預(yù)期目標(biāo)，并在收斂過(guò)程中，保持系統(tǒng)的所有變量有界。（3） 魯棒性：自適應(yīng)控制系統(tǒng)的魯棒性主要是指在存在擾動(dòng)和未建模動(dòng)態(tài)特性的條件下，系統(tǒng)能保持其穩(wěn)定性和一定動(dòng)態(tài)特性性能的能力。自適應(yīng)控制的基本思路是:依據(jù)自適應(yīng)控制的“確定性等價(jià)原理”和“分離設(shè)計(jì)原則”,時(shí)變系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)可以分為兩步進(jìn)行,首先假定被控對(duì)象的參數(shù)已知且定常,按給定的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制器,然后利用參數(shù)辨識(shí)在線估計(jì)出被控對(duì)象的參數(shù)值,并以參數(shù)估計(jì)值代替控制器中所用的真值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。自適應(yīng)控制由于具有對(duì)時(shí)變參數(shù)的良

38、好的自適應(yīng)能力,因而在時(shí)變時(shí)滯系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)已提出的控制方法包括:模型參考自適應(yīng)預(yù)估控制、自適應(yīng)預(yù)估最優(yōu)控制、極點(diǎn)配置最優(yōu)預(yù)報(bào)自校正PID控制器、大時(shí)滯系統(tǒng)的自抗擾控制、時(shí)滯并聯(lián)自適應(yīng)控制、零極點(diǎn)配置的自校正內(nèi)模控制、動(dòng)態(tài)矩陣控制等等。自適應(yīng)控制的典型控制框圖如3-2所示。圖3-2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖自適應(yīng)控制雖然對(duì)時(shí)變系統(tǒng)具有良好的控制效果,但是它也存在一定的缺陷,即它要求將對(duì)象描述為某些特定的數(shù)學(xué)模型類,自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)取決于這個(gè)數(shù)學(xué)模型,而實(shí)際上許多過(guò)程控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以獲得,即所謂灰色系統(tǒng),這將限制自適應(yīng)控制算法應(yīng)用。3.5 智能控制方法隨著智能控制理論和技術(shù)的飛速發(fā)

39、展,許多學(xué)者將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用于大時(shí)滯控制系統(tǒng)當(dāng)中。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而且具有很強(qiáng)的魯棒性,因而非常適合于不確定性系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制則具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)以及很強(qiáng)的非線性表述能力,對(duì)于不確定的非線性時(shí)變系統(tǒng)非常適用。專家系統(tǒng)為解決復(fù)雜的不確定性對(duì)象的控制提供了另外一條有效途徑,它以控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)彌補(bǔ)了對(duì)象數(shù)學(xué)模型的缺陷。智能控制方法雖然克服了Smith預(yù)估器和自適應(yīng)控制的缺陷,但它們本身也并不是完美的。模糊控制的顯著缺點(diǎn)是控制精度不高、自適應(yīng)能力有限、存在穩(wěn)態(tài)誤差、可能引起振蕩。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的缺點(diǎn)是學(xué)習(xí)和訓(xùn)練比較費(fèi)時(shí)、對(duì)訓(xùn)練集的要求也很高。專家控制

40、則過(guò)度依賴專家的經(jīng)驗(yàn),缺乏自學(xué)習(xí)能力,控制精度不高,而且同樣存在穩(wěn)態(tài)誤差。鑒于上述原因,智能控制方法經(jīng)常相互融合或者和Smith預(yù)估器以及自適應(yīng)控制相結(jié)合,這也正是時(shí)變大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法目前的研究方向。現(xiàn)已提出的方法包括:神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制、自調(diào)諧模糊控制器時(shí)、專家控制與PID控制結(jié)合的遞階智能控制器、基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)控制、變結(jié)構(gòu)模糊控制器時(shí)、基于模糊預(yù)測(cè)的問(wèn)歇PID控制器、基于模糊邏輯的Smith預(yù)估器、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性Smith預(yù)估器、專家Smith預(yù)估控制、非自衡系統(tǒng)的智能控制、遺傳算法與最小二乘結(jié)合的時(shí)變時(shí)滯系統(tǒng)的在線辨識(shí)等等。3.6 內(nèi)模控制3.6.1 內(nèi)?？刂萍夹g(shù)內(nèi)模

41、制 (Internal Model Control)是一種基于過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略。由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制性能好和在系統(tǒng)分析方面的優(yōu)越性，因而內(nèi)?？刂撇粌H是一種實(shí)用的先進(jìn)控制算法，而且是研究預(yù)測(cè)控制等基于模型的控制策略的重要理論基礎(chǔ)，以及提高常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的有力工具。自20世紀(jì)50年代后期起，許多研究者己開(kāi)始采用類似內(nèi)?？刂频母拍顏?lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)反饋控制器，如Smith預(yù)估控制器，其他人的基于內(nèi)部模型的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法。在隨后的一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)模原理更多地停留在理論研究階段而難以成為一種工程設(shè)計(jì)方法。1974年，德國(guó)學(xué)者Frank首先在工業(yè)過(guò)程控制中提出了圖1-1的內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)。

42、1979年，Brosilow給出內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)方法。1982年， Garcia和Morari完整地提出并發(fā)展了圖3-3的控制結(jié)構(gòu)，并將該控制策略定名為內(nèi)?？刂?。自面世以來(lái)，內(nèi)模控制不僅在工業(yè)過(guò)程控制中獲得了成功的應(yīng)用，而且表現(xiàn)出在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性理論分析方面的優(yōu)勢(shì)。在工業(yè)過(guò)程中，簡(jiǎn)單的PID控制可以解決約90%的控制問(wèn)題，然而對(duì)于強(qiáng)非線性過(guò)程和大時(shí)滯過(guò)程，常規(guī)PID控制難以得到滿意的控制效果。內(nèi)模控制與經(jīng)典PID控制相比，僅有一個(gè)整定參數(shù)，參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確，而且設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)并能消除不可測(cè)干擾的影響，較適用于時(shí)滯系統(tǒng)的控制。圖33內(nèi)模控制

43、結(jié)構(gòu)框圖3.6.2 內(nèi)?？刂频幕驹頌榍笕D3-3中輸入r和d與過(guò)程輸出Y之間的傳遞函數(shù)，將圖3-3等價(jià)變換為圖3-4所示的簡(jiǎn)單反饋形式。對(duì)于圖3-4中的內(nèi)環(huán)反饋控制器有： 圖34內(nèi)?？刂频刃Э驁D類似地，圖3-4中的輸入輸出關(guān)系可以表示為: （31） （32）如果模型準(zhǔn)確，即Gm(s)=Gp(s),且沒(méi)有外界擾動(dòng)，既D(s)=0，則模型的輸出ym與過(guò)程的輸出y相等，此時(shí)反饋信號(hào)為零。這樣，在模型不確定性和無(wú)未知輸入的條件下，內(nèi)模控制系統(tǒng)具有開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。這就清楚地表明，對(duì)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的過(guò)程而言，反饋的目的是克服過(guò)程的不確定性。3.7 動(dòng)態(tài)矩陣（DMC）控制動(dòng)態(tài)矩陣控制是模型預(yù)測(cè)控制的一種，是20世紀(jì)

44、70年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型計(jì)算機(jī)控制算法（或策略）。經(jīng)過(guò)三十多年的理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，DMC在算法改進(jìn)和理論分析方面都有很大的發(fā)展，現(xiàn)已日趨成熟，并且在石油、化工、冶金、機(jī)械等多個(gè)工業(yè)部門(mén)都得到了成功的應(yīng)用。與此同時(shí)，不少國(guó)外儀表及軟件公司已經(jīng)推出了多種各具特色的商業(yè)化應(yīng)用軟件?，F(xiàn)在人們已經(jīng)普遍認(rèn)為模型預(yù)測(cè)控制算法是一類最具實(shí)用性，有著廣泛應(yīng)用前景的先進(jìn)的控制策略。預(yù)測(cè)控制算法由于采用了多步預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，擴(kuò)大了反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的有用信息，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和魯棒性。但同時(shí)，也增加了優(yōu)化時(shí)域P和控制時(shí)域M。并且使得預(yù)測(cè)校正誤差權(quán)系數(shù)Q、控制權(quán)系數(shù) 以及P和M等參數(shù)都隱

45、含在控制參數(shù)中，不易直接考察它們的取值對(duì)控制性能的影響。只能采用試湊和仿真研究來(lái)初步選定。4 動(dòng)態(tài)矩陣控制方法原理4.1 動(dòng)態(tài)矩陣控制簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代后期，在美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的一類新型的計(jì)算機(jī)控制算法-預(yù)測(cè)控制算法，其典型的代表如動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)、模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制(MPHC)、模型算法控制(MAC)等。這些算法在過(guò)程工業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的作用。就其本質(zhì)而言，模型預(yù)測(cè)控制不是一種特定的控制策略。而是一類通過(guò)使用簡(jiǎn)單的過(guò)程模型得到控制信號(hào)使得控制函數(shù)最小化的控制方法。預(yù)測(cè)控制算法產(chǎn)生于工業(yè)實(shí)踐。20多年的發(fā)展。使得預(yù)測(cè)控制以飛快的速度滲透到過(guò)程工業(yè)界。有力地解決了許

46、多過(guò)程控制中的實(shí)際問(wèn)題，并得以不斷完善。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，世界上有2000多個(gè)裝置在運(yùn)行預(yù)測(cè)控制軟件?？梢韵胂?，預(yù)測(cè)控制在過(guò)程工業(yè)中的應(yīng)用前景是非常樂(lè)觀的。隨著現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)中對(duì)象日益復(fù)雜化、高堆化、高度非線性化和快速化。帶有優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和變量約束的大規(guī)模多變量約束控制算法的在線運(yùn)行實(shí)時(shí)性成為目前預(yù)測(cè)控制在工業(yè)實(shí)踐中急需解決的關(guān)鍵性課題。DMC預(yù)測(cè)控制是是模型預(yù)測(cè)控制算法中重要的一種。該算法對(duì)模型沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的要求，具有預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化以及反饋校正3大特性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。且能在一定程度上克服系統(tǒng)的不確定性，具有較強(qiáng)的魯棒性，這是PID控制所不具備的。但是，DMC預(yù)測(cè)控制也存在某些不足，如在

47、線計(jì)算比較復(fù)雜，采樣周期不能過(guò)小，因而不能快速及時(shí)克服擾動(dòng)的影響。4.2 動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）的基本算法20世紀(jì)80年代初，Culter提出的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制(DMC)算法是MPC中的一種重要的算法，是一種利用被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)采樣序列作為預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)控制算法。算法原理圖如下圖41 預(yù)測(cè)控制算法原理圖4.2.1 系統(tǒng)模型與輸出多步預(yù)測(cè)假設(shè)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為,則系統(tǒng)輸出可表示為： (4.1)式中,為控制增量。 為系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)序列的算子表示式，其中為單位階躍的算子表示。式（4.1）表明系統(tǒng)輸出可以用系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)序列和控制增量表示。被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)序列a(t)很容易通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)

48、驗(yàn)獲得。選用適當(dāng)?shù)牟蓸又芷趯?duì)連續(xù)的單位階躍響應(yīng)a(t)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，即得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)序列(i=1,2,)。為了方便應(yīng)用，用延時(shí)算子將其表示為： (4.2)對(duì)于線性漸進(jìn)穩(wěn)定系統(tǒng)，單位階躍響應(yīng)序列，最終會(huì)隨著時(shí)間趨于常值，即階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值如下圖所示。而且在N（N1）后面各項(xiàng)都近似相等，即（i0）。因此，我們可以令中的N項(xiàng)后面的各項(xiàng)（i0），并令，即取系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)序列模型為： （4.3）應(yīng)用該模型很容易推得系統(tǒng)未來(lái)輸出預(yù)測(cè)方程和增量式最優(yōu)控制律。圖42 單位階躍響應(yīng)及其序列由（4.1）（4.3）式可知，系統(tǒng)輸出可用單位階躍響應(yīng)序列模型表示，即 (4.4)式中，上式表明，系統(tǒng)在k時(shí)

49、刻以前，從系統(tǒng)啟動(dòng)的0時(shí)刻開(kāi)始直到k-1時(shí)刻的各步控制增量（i=0,1,k-1），分別作用與系統(tǒng)后，在k時(shí)刻所產(chǎn)生的輸出響應(yīng)值之和。由系統(tǒng)理論可知，系統(tǒng)未來(lái)P步輸出可分解為：未來(lái)各步預(yù)測(cè)輸出以及未來(lái)各步可調(diào)輸出，j1。系統(tǒng)在k步時(shí)的未來(lái)P步預(yù)測(cè)輸出為： (4.5)為方便推導(dǎo)，將上式改寫(xiě)成向量矩陣形式: (4.6)式中， (4.7)系統(tǒng)在未來(lái)P步可調(diào)輸出分別為 (4.8)同樣，也將上式寫(xiě)成向量矩陣形式 (4.9)式中， (4.10)為未來(lái)待優(yōu)化的控制增量序列。如果取未來(lái)控制量的優(yōu)化步數(shù)mP，則并設(shè) 于是相應(yīng)的(4.10)式矩陣為： (4.11)由式(4.6)和(4.9)得系統(tǒng)未來(lái)P步輸出預(yù)測(cè)方程

50、的向量形式 (4.12)系統(tǒng)模型總有誤差，模型誤差必然使得由模型計(jì)算出的系統(tǒng)未來(lái)預(yù)測(cè)輸出與實(shí)際系統(tǒng)未來(lái)預(yù)測(cè)輸出之間存在偏差（稱為模型預(yù)測(cè)誤差）。此外，實(shí)際系統(tǒng)總存在各種外部擾動(dòng)，在k時(shí)刻以前作用于系統(tǒng)的擾動(dòng)必然影響系統(tǒng)的未來(lái)預(yù)測(cè)輸出，因而也將造成模型預(yù)測(cè)誤差。為了減少由模型誤差和過(guò)去外部擾動(dòng)造成的模型預(yù)測(cè)誤差，提高預(yù)測(cè)精度，一般都用模型預(yù)測(cè)誤差來(lái)校正有模型獲得的系統(tǒng)未來(lái)預(yù)測(cè)輸出，即，i=1,2,P (4.13)式中，是系統(tǒng)k時(shí)刻的未來(lái)第i步預(yù)測(cè)輸出的校正（也程估計(jì)或重構(gòu)）； 是系統(tǒng)在k時(shí)刻的實(shí)際輸出預(yù)測(cè)量； 是由模型獲得的k時(shí)刻的輸出； 1，ii=1,2,P。于是系統(tǒng)未來(lái)P步輸出預(yù)測(cè)的重構(gòu)方程

51、組的向量形式為 （4.14）式中F陣可取。4.2.2 參考軌線計(jì)算參考軌線是指系統(tǒng)未來(lái)P步期望輸出 （i=1,2,p）連成一條從系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際輸出y(k)出發(fā)的指數(shù)型過(guò)渡過(guò)程曲線，其實(shí)就是系統(tǒng)未來(lái)的期望輸出形式。它是由參考模型在初始值為系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際輸出y(k)條件下，在參考輸入作用下產(chǎn)生的輸出響應(yīng)。參考模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性就是閉環(huán)控制系統(tǒng)的期望動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)參考模型而言，參考模型也相當(dāng)于參考輸入的濾波器。參考軌線未來(lái)輸出的差分方程。 （4.14）令，并將（4.14）中的兩式合并整理寫(xiě)成 （4.15）式中稱為參考軌線系數(shù)或柔化因子，顯然1。而且越大，相應(yīng)的參考軌線越平緩，控制系統(tǒng)的相應(yīng)和控制速度就

52、越慢，反之亦然。若取0，則參考軌線就是參考輸入本身，相應(yīng)的控制系統(tǒng)在相同條件下，其響應(yīng)和控制速度最快，甚至?xí)霈F(xiàn)較大超調(diào)，而且空質(zhì)量一般都很大，有可能是執(zhí)行器飽和。由此可見(jiàn)，值對(duì)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有很大的影響，所以是預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。4.2.3 參數(shù)選取原則由上面的推導(dǎo)可以看出，參數(shù)P、m、Q、R、都是DMC算法中的待定設(shè)計(jì)參數(shù)，它們的取值對(duì)控制性能都有很大的影響。目前尚無(wú)法用解析方式對(duì)它們的影響進(jìn)行定量分析，只能定性分析它們對(duì)系統(tǒng)性能影響的趨勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中這些參數(shù)的選取，主要是參照它們對(duì)控制系統(tǒng)影響的定性趨勢(shì)，根據(jù)被控對(duì)象特性和控制系統(tǒng)性能要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)試湊來(lái)確定。

53、（1）預(yù)測(cè)步數(shù)P，是控制過(guò)程中每步進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)域長(zhǎng)度，P的大小對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性有較大的影響。增大P將有利于增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性，但是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將變慢；減小P將有利于增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制的快速性，但會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性。一般可取PN/3左右，N為脈沖響應(yīng)模型長(zhǎng)度。（2）控制優(yōu)化步數(shù)m，即每步通過(guò)優(yōu)化所要確定的未來(lái)控制量的數(shù)目。由于每步優(yōu)化是針對(duì)未來(lái)P步控制性能指標(biāo)的，所以m應(yīng)是mP。通?？扇為P/3左右，對(duì)于具有振蕩響應(yīng)特性的對(duì)象，m應(yīng)適當(dāng)大一些，對(duì)于無(wú)振蕩簡(jiǎn)單響應(yīng)特性的對(duì)象，m應(yīng)適當(dāng)小一些。（3）加權(quán)陣Q和R: 誤差加權(quán)陣Q和控制加權(quán)陣R通常都取為對(duì)角陣，即而且R陣一般更簡(jiǎn)單地取為(為m階單位陣)。Q和R的大小對(duì)系統(tǒng)性能影響作用是相反的。如果R是確定的，增大Q則系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)控制效果，相反，系統(tǒng)的控制快速性將增加，同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降；如果Q是確定的，增大R系統(tǒng)控制量幅值將減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性也將加強(qiáng)，而系統(tǒng)的誤差指標(biāo)將會(huì)相對(duì)增大，控制快速性也將下降。設(shè)計(jì)時(shí)，通常先確定Q，并取式中，為系統(tǒng)時(shí)延或非