2007年 3 月电工技术学报
Vol.22 No.3第22卷第3期
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Mar. 2007
基于Smith 预估的模糊/PID 串级主汽温
控制系统仿真
程启明1 王勇浩
2
摘要 针对火电厂主汽温控制对象特点该系统的主控制器采用模糊/PID
并联控制器主环中还采用增益自适应Smith
预估控制器Matlab 仿真结果表
明
其控制品质远优于
常规的串级控制系统
主蒸汽温度 自适应模糊控制 Smith 预估 串级PID 控制 Matlab 仿真
中图分类号
1. Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090
2. Shanghai Science and Engineering University Shanghai
200090
Main steam temperature, adaptive fuzzy control, Smith predictive estimate, cascade
PID control, Matlab simulation
1 引言
大型火电厂锅炉主蒸汽温度控制系统是提高电
厂经济效益
主汽温控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允
许的范围之内使其管壁温度不超
过允许的工作温度
大惯性
非
线性这使主汽温控制较为困
难
大多数的常规PID 串级主汽温控制系统
的控制性能并不理想
但当对象大迟滞且机
组负荷变化时
因此
必须使模糊控制器
具有超前预估能力和自适应能力
但它对被控对象的
参数变化很敏感
06ZZ69
144电工技术学报2007年3
月
自学习工程
上难以实现
其中的主控制器采用自适应模
糊控制与PID 控制并联的复合模糊控制算法[1仿
真表明这种算法具有良好的控制品质
控制品质欠佳
但
它对被控对象的参数变化很敏感
在Smith
预估控制的基础上
可消除模型参数变化对系统的影响
[5]
图1
锅炉过热汽温新的串级控制系统结构
Fig.1 Structure of new cascade control system to
superheated steam temperature of boiler
从图可见C 2(s )分别为内环的副控制器
和外环的主控制器G 2(s )分别为导前区和惰性区的传递函数
H 2(s )分别为导前汽温和过
热主汽温的测量单元特性
y 为过热器出口温度的实际测量值d 2为系
统扰动输入等效值
燃烧率变化外扰动
可推导表示为
11p 22111
()(
)
()(
)()1()()()
C s G s G s G s H s C s G s H s =
+
(1)过热汽温动态特性呈现出大延迟变
参数的特点动态特性和模
型参数变化较大
过热汽温
对减温水量的动态特性为[3]
12238()(115)1.125()(125)G s s G s s ì
=?+?
í
?=
?+?
(2)测量单元特性为[4]
H 1(s
)=H 2(
s )=0.1 (3)
图中
而内环副控制还是采用简单的P 控制
G p (s )=G o (s )e -t s 为被控对象实际模型
G-A 为增益自适应辨识环
节
即
[5]
m m m m
exp()
()(1)
k s G s
T
s t -=
+
(4)
式中 k m
t m
对象参考模型的过程增益
取T m =43.0768s 2.2
自适应调节机构
将模型对象与模型间的所有差异均看成是增益的建模误差
对模型的增益做自适应修正
以使模型失配条件下的Smith 预估控制效果接近于模型精确匹配条件下的控制效果
模型增益的自适应调节算法为[6]
m m012()d
k t k
B
ey B ey t =++ò
(5)
式中
k
m0
被控制对象参考模型过程增益的初始值
B 1
, B 2
加权系数
B 1大小直接关系到自适应调节的速度
但选择的过大也会引起小的振
荡
再根据
仿真
控制
效
果
进
行
微
调
取
B 1
=0.02
k
m0=1.0714
误差的变化率
ec
6]
选择它们的范围分别为
[-15
[-2
/s]20mA]
ec EC
正大
模糊控制规则可采用如下形式
,7
A i
C ij 分别为E
模糊规则库共有49条控制规则
第22卷第3期 程启明等 基于Smith 预估的模糊/PID 串级主汽温控制系统仿真145
建立好隶属函数和规则
后
解模糊选用中位数法
常
规模糊控制器不具有消除稳态误差的能力
因而采用在常规Fuzzy 控制器基础上再并联一个PID 通道的Fuzzy-PI 复合模糊控制结构
[7]
利用模糊控制结合适当的作用量抑
制干扰
同时保留了串级
控制系统抑制内扰的特点
外环主控制器C 2(s )的结构如图3
所示
因此上图中的
PID 控制器只采用比例积分PI
作用
T i
PI
控制器的增益和积分时间
T i =T m
l
比例增益调节系数
1
取l
=1.2
T i
=43.0
必然造成模糊控制规
则的粗糙和不完善
采用一种调整可调因子的模糊校正方法
由代数积-加法-
重心模糊推理法
1,,1i j i j i i
u u P e e ++-=
-e i ,e i +1
模糊子集A
i
j +1
的核心
u i ,j
模糊子集C i , j 的核心
图3中PID 型模糊控制器的输出可表示为c e d e d e d e d d ()()d ()d u u u t
A Pk e Dk e A Pk e Dk e t A At k P k D e k P e t k De a b a b a b a b b a =+=+++++=+++++ò
ò
ò
(9)
由上式可知
输出关
系可近似看作一个比例-积分-微分PID
关系
积分系数为b k e
P
显然
而可调因子b 影响控制器的比例
和积分
积分和微分的综合调整
在仿真中
a
=2.0
(0.6
2.5)
k
d
考虑到计算量及便于实现
大
146电工技术学报2007年3月
3 仿真与研究
本文使用
Matlab 软件中的Simulink 和
Fuzzy 模
块进行控制系统的仿真分析
将之与常规PID 串级控制系统
进行仿真比较副回路采用P 控制器
副回路的控制器为[4]
12
=25
(s)=1.2(1+0.01/+23.7)C C s s ìí
? (10)
3.1 正常状况
设给定输入信号r
为单位阶跃信号
仿真时间为1000s
图4 正常状况下系统输出响应曲线Fig.4 Response curve of system output on
normal condition
3.2 加入扰动干扰情况
在常规串级控制内环加入一个减温水阶跃扰动
扰动在系统稳定时间600s 处加
入
在此基础上再加入个燃烧
率变化阶跃扰动
图5为加入扰动
时控制系统输出响应曲线
这里仅考虑惰性区的的传递函数G 2(s )的惯性增大G 2(s )=1.125/(35s +1)3和增益增大G 2(s )=1.575/(25s +1)3两种情形
图7分别为惯性增大时
图6 惯性增大时控制系统的输出响应Fig.6 Response curve of system output when
the inertia is increased
万方数据
第22卷第3期
程启明等
基于Smith 预估的模糊
/PID 串级主汽温控制系统仿真
147
图7
增益增大时控制系统的输出响应Fig.7
Response curve of system output when
the gain is increased
通过上面仿真曲线比较可见还是在扰动干扰或工况变化下
稳定时间
抗干扰
4 结论
本文针对电厂主汽温控制对象特点
该系
统的主控制器采用模糊/PID 并联控制器
主环中还采用增益自
适应Smith 预估控制器
Matlab 仿真结果表明
可应用于热工过程
控制中
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作者简介程启明 男
教授
研究方向为智能控制
智能故障诊断等1978年生
硕士
故
障诊断等
基于Smith预估的模糊/PID串级主汽温控制系统仿真
作者：程启明， 王勇浩， Cheng Qiming， Wang Yonghao
作者单位：程启明,Cheng Qiming(上海电力学院电力与自动化学院,上海,200090)， 王勇浩,Wang Yonghao(上海理工大学光电学院,上海,200090)
刊名：
电工技术学报
英文刊名：TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
年，卷(期)：2007,22(3)
被引用次数：6次
参考文献(8条)
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引证文献(6条)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/0817546117.html,/Periodical_dgjsxb200703024.aspx