两类典型热工对象的自抗扰控制

论文摘要

热力系统具有明显的强耦合、大延迟、时变和严重的非线性等复杂特性,且难以建立可靠的系统动态过程数学模型,导致传统的控制方法难以获得期望的控制要求。自抗扰控制(Active Disturbances Rejection Control,ADRC)结构简单,且具有扰动估计补偿能力,可以有效地抑制扰动对控制效果的影响,克服对数学模型的依赖性,并具有良好的鲁棒性能。本文研究了核电站蒸汽发生器(SG)水位和火电机组制粉系统两类典型的热工过程的自抗扰控制问题。SG水位控制对象不仅具有明显的非线性、时变性和不确定性,而且还存在明显的“虚假水位”现象。本文针对SG水位控制过程存在的主要问题,提出了一种SG水位ADRC系统。基于SG水位变动过程分析,构造了SG水位控制对象的广义状态方程结构,并以该广义状态方程为基础,建立了SG水位的二阶ADRC系统。该控制系统利用扩张状态观测器对系统的“内扰”和“外扰”实时估计,通过前馈方式给予补偿;同时,通过非线性状态反馈改善控制系统的快速性和稳定性。在水位自身扰动、给水流量扰动和蒸汽流量扰动以及系统负荷大幅度变动等工况下,对SG水位自抗扰控制系统进行了对比仿真试验。结果表明,本文所建立的SG水位ADRC系统具有良好的控制品质,并能够有效地抑制蒸汽流量扰动引起的“虚假水位”现象。球磨机制粉系统是火电厂的重要设备和主要耗能设备之一。球磨机制粉系统具有多变量、强耦合、时变性,以及难以建立有效的动态过程数学模型等特点,常规的控制方法在制粉系统中难以得到有效的应用。本文基于球磨机制粉系统的对象结构分析,将球磨机制粉系统看作是由温度回路与负压回路两个单回路组成,并将回路之间的动态耦合看作为每个单回路系统的外部扰动;以每个单回路作为独立的控制对象,设计了对应的自抗扰控制器,建立了球磨机制粉自抗扰解耦控制系统。该控制系统利用自抗扰控制器的扰动估计能力估计回路间的动态耦合,并以前馈形式给予补偿,实现球磨机制粉系统的解耦控制。文中通过仿真试验考察了上述控制系统的控制性能,并与常规的PID解耦控制系统进行了比较,证实了所设计的制粉自抗扰解耦控制系统的有效性。本文将自抗扰控制技术应用于复杂热工过程控制中,可以有效地抑制扰动对控制效果的影响,明显降低控制系统对于对象模型的依赖性,为设计热工过程控制系统提供了一种新思路。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 自抗扰控制器
• 1.2.1 自抗扰控制器的提出
• 1.2.2 自抗扰控制器的发展及问题
• 1.2.3 自抗扰控制器的应用
• 1.3 热工过程的动态特性及控制现状
• 1.3.1 热工过程的动态特性
• 1.3.2 热工过程的控制方法
• 1.3.3 热工过程控制系统存在的问题
• 1.4 热工过程自抗扰控制
• 1.5 本文的工作
• 2 自抗扰控制基础
• 2.1 跟踪微分器（TD）
• 2.1.1 经典微分器
• 2.1.2 非线性跟踪微分器
• 2.1.3 非线性PID 控制器（LNPID）
• 2.2 扩张状态观测器（ESO）
• 2.2.1 线性状态观测器
• 2.2.2 扩张状态观测器
• 2.2.3 动态补偿线性化
• 2.3 非线性状态误差反馈律（NLSEF）
• 2.3.1 线性反馈和非线性状态反馈
• 2.3.2 非光滑反馈
• 2.3.3 非线性函数
• 2.4 ADRC 在两类控制系统中的应用
• 2.4.1 并联系统自抗扰控制
• 2.4.2 多变量系统自抗扰控制
• 2.5 小结
• 3 蒸汽发生器水位的自抗扰控制
• 3.1 引言
• 3.2 SG 水位的动态特性
• 3.2.1 蒸汽流量扰动下的水位动态特性
• 3.2.2 给水流量扰动下的水位动态特性
• 3.2.3 SG 水位动态过程模型
• 3.3 SG 水位的常规控制系统
• 3.3.1 前馈-反馈控制系统
• 3.3.2 单级三冲量水位控制系统
• 3.3.3 前馈-串级水位控制系统
• 3.4 SG 水位的ADRC 控制
• 3.4.1 SG 水位的广义对象结构
• 3.4.2 SG 水位的ADRC 控制设计
• 3.4.3 SG 水位ADRC 控制系统参数取值
• 3.5 SG 水位控制过程仿真试验
• 3.5.1 水位阶跃仿真试验
• 3.5.2 给水流量扰动仿真试验
• 3.5.3 蒸汽流量扰动仿真试验
• 3.5.4 水位控制系统适应性仿真试验
• 3.6 小结
• 4 制粉系统的自抗扰控制
• 4.1 引言
• 4.2 球磨机制粉系统的对象特性
• 4.2.1 球磨机的运行特性
• 4.2.2 球磨机制粉系统的动态特性
• 4.3 解耦控制方法
• 4.3.1 串联解耦控制方法
• 4.3.2 前补偿解耦控制方法
• 4.4 制粉系统自抗扰解耦控制
• 4.4.1 制粉系统对象结构
• 4.4.2 温度回路的ADRC1 设计
• 4.4.3 负压回路的ADRC2 设计
• 4.5 制粉控制系统仿真试验
• 4.5.1 定值阶跃仿真试验
• 4.5.2 解耦仿真试验
• 4.6 小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录