智能切換的模型參考模糊自適應內(nèi)模控制的研究

葉文通，陳 勇，祝永華

(衢州學院，浙江 衢州 324000)

1 引言

從我國發(fā)電狀況來看，水力和核能發(fā)電發(fā)展很快，但由于火電發(fā)電具有投入少，工期短和見效快等優(yōu)勢，所以，火電發(fā)電還承擔著主要的發(fā)電任務。而火電發(fā)電會涉及到發(fā)電安全和穩(wěn)定高效運行等重要問題。發(fā)電廠中單元機組的大容量、高參數(shù)、高效率的發(fā)展趨勢，必然會要求機組的控制系統(tǒng)要有較高的的控制品質和高水平的自動化程度。而大滯后、大慣性、非線性和擾動頻繁等是單元機組具有的特征，運用常規(guī)控制方法已很難滿足電網(wǎng)對機組的要求，必然要求火電控制中采用先進的智能化控制方法如：模糊、預測控制、內(nèi)?？刂频戎悄芸刂撇呗浴Ｔ诳刂茖崿F(xiàn)時，由于操作機構等的限制，控制信號的幅度及其變化率會被限制，因此必然要求在設計控制器的時候考慮控制受限的問題。文獻中有利用柔化濾波器來限制控制量幅值、延長調(diào)節(jié)時間使控制量最小化等，但系統(tǒng)響應的快速性必然受到影響。Garcia等利用線性規(guī)劃、二次規(guī)劃等來處理，但算法復雜，實現(xiàn)困難。

因此，本文采用模型參考自適應控制的思想，結合模糊控制方法和內(nèi)?？刂品椒?，提出了一種模型參考模糊自適應內(nèi)模控制方法：在相消法設計內(nèi)?？刂破鞯幕A上，利用參考模型的系統(tǒng)誤差及其變化率去調(diào)節(jié)控制器中的參數(shù)。并用帶反饋校正的模型預測作系統(tǒng)輸出預測，根據(jù)系統(tǒng)響應和系統(tǒng)預測值是否在給定誤差范圍內(nèi)來共同決定控制量在限幅值與內(nèi)?？刂破鬏敵鲋抵g進行在線智能切換。并通過熱工對象的魯棒性仿真研究，證明其有效性。

2 模糊推理的模型參考自適應內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)結構

在相消法設計內(nèi)?？刂破鞯幕A上，利用參考模型的系統(tǒng)誤差及其變化率去調(diào)節(jié)控制器中的參數(shù)如圖1所示。

圖1 自適應內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)

其中，G為原始的被控對象，GM為其模型，GC是智能控制器，F(xiàn)為反饋濾波器，R、D和Y分別為輸入、擾動及輸出，eM、e和△e分別為模型誤差、系統(tǒng)誤差及其變化率。

2.2 控制器的設計

在GM準確的情況下我們可以通過對偶性來判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

用相消法設計GC的思路是，將GM分解為兩部分，即：GM（z）=GM+（z）GM-（z），其中，GM（z）是實際連續(xù)過程模型的傳遞函數(shù)加零階保持器再離散化后得到的系統(tǒng)模型，GM+是模型的最小相位部分，GM-是模型的非最小相位部分。

則內(nèi)?？刂破鱃C為其中f為可實現(xiàn)因子，即控制濾波器，通常設一階濾波器為

由對偶穩(wěn)定性可知，GC穩(wěn)定則閉環(huán)系統(tǒng)也穩(wěn)定。而且GC能保證系統(tǒng)對階躍輸入和擾動穩(wěn)態(tài)無差。

2.3 模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器設計

系統(tǒng)誤差e及其變化率△e，分別記為E，EC為輸入變量；控制器參數(shù)α為輸出變量。取E和EC的論域均為[－6，6],用X和Y表示：

α 的論域分 5 檔，用 Z表示：Z＝{1，2，3，4，5}

子集記為：

E和EC及α的各模糊子集的隸屬度函數(shù)見表1和模糊規(guī)則控制表如表2所示。

表1 E和EC的各模糊子集的隸屬度函數(shù)

表2 模糊控制規(guī)則表

采用加權平均法對輸入數(shù)據(jù)進行模糊化如表3所示。

表3 模糊參數(shù)整定表

2.4 智能控制器的整定

智能控制器的系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 智能內(nèi)?？刂平Y構圖

如圖3，令y1和y2分別為系統(tǒng)誤差帶的下、上限,y1'和y2'分別為系統(tǒng)預測輸出的上、下限，y1、y2、y1'、y2'均可在線調(diào)整；y p(k+L)為系統(tǒng)模型預測輸出值，其L表示滯后步數(shù)。

圖3 輸出與誤差關系

采用對控制器的輸出采用分段計算的方法，控制規(guī)則如下:

①y(k)

②y(k)>y2且yp(k+L)>y2'，按最小限幅值計算u(k)；

③其他均按式y(tǒng)=Gr×r+Gd×d=r計算控制量u(k)。

3 在線智能切換的模型參考模糊自適應內(nèi)?？刂圃谶^熱汽溫中的應用

針對國內(nèi)某500MW火電廠鍋爐過熱器一級減溫被控對象動態(tài)傳遞函數(shù)進行在線智能調(diào)節(jié)的模型參考自適應內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)仿真，并與常規(guī)內(nèi)模控制系統(tǒng)、PID控制系統(tǒng)作各種性能比較。

一級減溫控制系統(tǒng)被控對象的比例系數(shù)基本隨著負荷增大而增大，而時滯常數(shù)基本隨著負荷的增大而減小。文[8]由階躍響應曲線來擬和求取傳遞函數(shù)，采用兩點法，則被控對象的傳遞函數(shù)為

當 0≤u(k)≤2，取 α=0.6，在模型不變時，y1=0.75、y1'=1.8、y2=1.17、y2'=1.11，當參數(shù)發(fā)生變化時，y1=0.68、y1'=1.04、y2=1.28、y2'=0.83。

圖中實線是為在線智能切換的模型參考自適應內(nèi)模控制的響應曲線，小虛線是常規(guī)內(nèi)?？刂频捻憫€、大虛線是PID控制的響應曲線。

圖4 模型匹配仿真結果

圖5 模型不匹配仿真結果

仿真結果表明，在模型匹配時，PID控制系統(tǒng)的響應速度太慢，控制效果較差，而常規(guī)內(nèi)模控制和在線智能切換的模型參考自適應內(nèi)?？刂颇苓_到較好的控制效果；在模型失配時（K增大20%，滯后時間減小10%），PID控制較差，在線智能切換的模型參考自適應內(nèi)?？刂坪统Ｒ?guī)內(nèi)?？刂葡啾容^，不僅同樣具有良好的快速性，而且超調(diào)小，魯棒性好。

4 結語

文章在總結自由度內(nèi)?？刂频恼{(diào)節(jié)方法和規(guī)律的基礎上，在相消法設計內(nèi)?？刂破鞯幕A上，利用參考模型的系統(tǒng)誤差及其變化率去調(diào)節(jié)控制器中的參數(shù)。并用帶反饋校正的模型預測作系統(tǒng)輸出預測，根據(jù)系統(tǒng)響應和系統(tǒng)預測值是否在給定誤差范圍內(nèi)來共同決定控制量在限幅值與內(nèi)?？刂破鬏敵鲋抵g進行在線智能切換。并通過熱工對象的仿真研究結果表明，這種方法可以使系統(tǒng)的性能達到快速性和魯棒性的最佳結合。其參數(shù)的在線調(diào)節(jié)的方法簡單實用，具有一定的工程應用價值。

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