內(nèi)?？刂撇呗栽谥鳉鉁叵到y(tǒng)中的應(yīng)用研究

柯炎，錢輝，馬世京

（1.江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224631；2.華北電力大學(xué)河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

1 前言

熱工過程自動(dòng)控制是大型火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的重要措施，隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，為提高機(jī)組發(fā)電效率，火電廠逐步向大容量、高參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方向發(fā)展，許多超臨界甚至超超臨界機(jī)組逐步取代了原來的小機(jī)組。由于熱工生產(chǎn)過程本身就由許多復(fù)雜的多輸入多輸出甚至是時(shí)變的非線性過程組成，使用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論往往并不能實(shí)現(xiàn)過程的最優(yōu)控制效果，加上超（超）臨界機(jī)組的參數(shù)相比亞臨界機(jī)組大大提高，再次加大了熱工生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的難度。雖然PID控制在大多數(shù)工業(yè)過程中均可以取得令人滿意的控制效果，但是其在克服大遲延問題方面往往令人失望。在熱工生產(chǎn)過程中，一般純遲延時(shí)間常數(shù)與慣性時(shí)間常數(shù)二者之比大于0.3時(shí)即可認(rèn)為該對(duì)象具有大遲延特性。由于純遲延環(huán)節(jié)的存在，即使受到各種擾動(dòng)的影響，也會(huì)導(dǎo)致輸出無法及時(shí)反映對(duì)象受到的這部分干擾，而且就算執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受到控制器開度指令后迅速動(dòng)作，調(diào)節(jié)量也需經(jīng)過較長的遲延才可以對(duì)被調(diào)量進(jìn)行控制，整個(gè)過程會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間變長以及超調(diào)量增大，對(duì)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此大遲延系統(tǒng)一直以來就受到學(xué)者和技術(shù)人員的關(guān)注，也成為他們重要的研究方向，火電廠的主汽溫系統(tǒng)就是典型的大遲延對(duì)象?，F(xiàn)代電站對(duì)主汽溫控制要求是非常嚴(yán)格的，其值過高或過低都會(huì)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)帶來不利影響，如果主蒸汽長時(shí)間超溫，調(diào)節(jié)級(jí)可能發(fā)生過載，各部分金屬材料的強(qiáng)度也隨之下降，進(jìn)而影響設(shè)備的效率及壽命，給電廠帶來不必要的損失；主汽溫過低，末級(jí)葉片可能過負(fù)荷以及蒸汽濕度增加，同時(shí)還將加劇水滴沖蝕，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

內(nèi)?？刂疲↖nternal Model Control，IMC）是工業(yè)過程控制中具備較強(qiáng)實(shí)用性與魯棒性的控制方法，在復(fù)雜系統(tǒng)控制中取得了非常好的效果并成功在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。它的特點(diǎn)是能夠避免不可測(cè)擾動(dòng)以及建模誤差的影響，并且以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、跟蹤調(diào)節(jié)性能良好以及可消除不可測(cè)擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛適用于強(qiáng)非線性過程以及大遲延工業(yè)過程。綜合上述情況，本文將研究內(nèi)模多模型控制在火電廠主汽溫系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 內(nèi)?？刂苹驹?/h2>

內(nèi)?？刂朴蒑orari和Garacia在20世紀(jì)80年代提出后，最早用于對(duì)模型預(yù)測(cè)控制（MAC）和動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）進(jìn)行分析，它的設(shè)計(jì)思路與早期的史密斯預(yù)估控制類似，也是采取將對(duì)象辨識(shí)模型與實(shí)際對(duì)象并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。控制過程中取其二者差值作為反饋信號(hào)送回輸入，選取辨識(shí)模型的逆作為控制器，并通過增加低通濾波器以改善系統(tǒng)的魯棒性。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)參數(shù)少且整定意義明確，對(duì)于大遲延過程控制效果的改善尤為明顯。在進(jìn)行內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)時(shí)，首先，選取過程對(duì)象傳遞函數(shù)的反函數(shù)作為其傳遞函數(shù)，但是由于系統(tǒng)內(nèi)在特性的影響，這種方法很難實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般選擇被控對(duì)象傳遞函數(shù)的最小相位部分的逆作為其傳遞函數(shù)，并針對(duì)模型失配和控制過程中存在的擾動(dòng)情況，設(shè)置低通濾波器。低通濾波器不僅能起到對(duì)輸入濾波以防止控制量瞬間跳變的作用，而且還可以改善系統(tǒng)的魯棒性能。也就是說，內(nèi)?？刂破鞯恼麄€(gè)設(shè)計(jì)思路是首先設(shè)計(jì)理想控制器，然后綜合考慮實(shí)際工程中遇到的各種約束問題，再在理想控制器的基礎(chǔ)上添加濾波器進(jìn)行實(shí)際控制器的設(shè)計(jì)。

內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，它的設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)部分：內(nèi)部模型Gm(s)，作用是預(yù)測(cè)過程的輸出然后將其與實(shí)際被控對(duì)象的差值反饋回輸入進(jìn)行校正；內(nèi)?？刂破鱃c(s)，用來調(diào)節(jié)控制量的輸出以使控制系統(tǒng)滿足各方面性能指標(biāo)要求；濾波器F(s)，它的作用是調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及改善系統(tǒng)的魯棒性。另外，G(s)為被控對(duì)象，Y(s)為過程輸出，r為系統(tǒng)輸入，d為外部干擾，z為被控對(duì)象與內(nèi)部模型的差，作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)，u代表內(nèi)?？刂破鞯妮敵?。由上圖可得定值擾動(dòng)下的傳遞函數(shù)為

圖1 內(nèi)模控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

外擾下的傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)包含定值擾動(dòng)和外擾的傳遞函數(shù)為

其反饋信號(hào)為

如果模型精確，即G(s)=Gm(s)，且不存在外部擾動(dòng)，即d=0，則內(nèi)部辨識(shí)模型的輸出ym與過程對(duì)象輸出即被調(diào)量y相等，那么取二者偏差信號(hào)作為反饋的信號(hào)也將保持為零。這時(shí)，系統(tǒng)可看作一個(gè)開環(huán)結(jié)構(gòu)。而在工業(yè)過程控制中，控制系統(tǒng)的一個(gè)重要任務(wù)便是克服擾動(dòng)的影響，而內(nèi)部模型也不可能完全精確匹配過程對(duì)象，所以在圖1所示的內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)圖中，反饋信號(hào)z就反映了這兩個(gè)因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響，構(gòu)成了閉環(huán)負(fù)反饋控制。

3 內(nèi)膜控制器主要性質(zhì)

3.1 對(duì)偶穩(wěn)定性

當(dāng)模型匹配即Gm(s)=G(s)時(shí)，，系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)。這表明，在模型實(shí)現(xiàn)精確匹配且保證控制器自身穩(wěn)定的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的穩(wěn)定。

3.2 理想控制器特性

3.3 零穩(wěn)態(tài)偏差特性

如果辨識(shí)模型不精確，即產(chǎn)生模型失配問題，那么，在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候也只需使其穩(wěn)態(tài)增益與內(nèi)部模型穩(wěn)態(tài)增益

如上所述，在進(jìn)行內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)時(shí)，只要滿足控制器傳遞函數(shù)等于對(duì)象模型傳遞函數(shù)的倒數(shù)即系統(tǒng)就可具備較好的控制性能。

4 仿真實(shí)踐

在仿真試驗(yàn)過程中，本文被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型采用蒸汽流量擾動(dòng)下主汽溫動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)的二階純遲延形式，并設(shè)計(jì)模型集中各辨識(shí)子模型對(duì)應(yīng)的內(nèi)模控制器和濾波器，然后進(jìn)行參數(shù)整定。首先，在各典型建模工況點(diǎn)進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)，以58%負(fù)荷為例，兩種控制策略下系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線及內(nèi)模多模型控制的控制量輸出曲線分別如圖2～4所示，其中串級(jí)PID控制所用控制器參數(shù)為經(jīng)過優(yōu)化后的參數(shù)，分別為：內(nèi)回路，δ=0.5，Ti=40；外回路，δ=5，Ti=550。

圖2 58%負(fù)荷下系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線

輸出響應(yīng)曲線圖2表明，內(nèi)模多模型控制比常規(guī)串級(jí)PID控制具有更快的調(diào)節(jié)時(shí)間和更短的調(diào)節(jié)時(shí)間，而且由圖3可以看出，此時(shí)，控制器輸出在工程可接受范圍。由圖4仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)處于典型辨識(shí)工況點(diǎn)處時(shí)，內(nèi)模多模型控制能夠較快地實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象與運(yùn)行工況子模型的準(zhǔn)確匹配。

圖3 58%負(fù)荷下控制量輸出

圖4 58%負(fù)荷下各子控制器權(quán)值變化曲線

圖5 非典型工況下階躍響應(yīng)曲線

圖6 非典型工況下各控制器權(quán)值變化曲線

圖7 非典型工況下控制量輸出

由仿真曲線可以看出，當(dāng)某一時(shí)段對(duì)象處于非典型工況時(shí)，在參數(shù)不變的情況下，該控制算法仍然能夠像處于典型工況那樣保證各子控制器處于最佳權(quán)值分配狀態(tài)，系統(tǒng)具有良好的魯棒性。也就是說，當(dāng)發(fā)生模型失配時(shí)，本文設(shè)計(jì)的控制策略仍然可以保證系統(tǒng)擁有令人滿意的控制性能。

在原有的單位階躍響應(yīng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，1500s時(shí)刻在試驗(yàn)（2）內(nèi)回路中加入單位階躍擾動(dòng)，用來測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾性能，系統(tǒng)輸出曲線和各控制器權(quán)重曲線如圖8和圖9所示。

圖8 抗干擾性能試驗(yàn)仿真曲線

圖9 控制器權(quán)重變化曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論，采用內(nèi)模多模型控制，在干擾下其被控量輸出曲線的波動(dòng)幅值小于串級(jí)PID控制的輸出曲線，系統(tǒng)具有更加快速地克服擾動(dòng)的能力。

研究變工況情況系統(tǒng)響應(yīng)曲線，在1000～1600s時(shí)，假設(shè)負(fù)荷從58%升至75%且被控對(duì)象模型均勻變化，則系統(tǒng)的響應(yīng)曲線與各子控制器所占權(quán)重變化曲線分別如圖10和圖11。

圖10 變工況下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線

圖11 變工況下各子控制器權(quán)值變化曲線

從圖11系統(tǒng)的權(quán)值分配曲線可以看出，內(nèi)?？刂茖?shí)現(xiàn)了各子模型權(quán)值最佳的比例分配，并且由變工況下的輸出響應(yīng)曲線圖10可以看出，該算法使變負(fù)荷過程輸出變化平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)較小，能很好地適應(yīng)對(duì)象模型參數(shù)的變化，系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié)語

本文通過三種工況下負(fù)荷變動(dòng)仿真試驗(yàn)，觀察變動(dòng)過程中各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)尤其是氣溫的變化趨勢(shì)，結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的內(nèi)模多模型控制算法比常規(guī)串級(jí)PID控制更適合用于火電廠主汽溫的控制。