基于dmc-pid串級主汽溫控制系統(tǒng)的仿真研究

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1、基于DMC-PID串級主汽溫控制系統(tǒng)的仿真研究華北電力大學(xué)動力系??劉紅軍?韓璞?王東風(fēng)?黃成靜???摘?要：針對火電廠主汽溫被控對象的大遲延、大慣性且模型不確定的特點(diǎn)，設(shè)計了基于預(yù)測—PID串級控制的主汽溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將串級控制結(jié)構(gòu)與預(yù)測控制算法相結(jié)合，內(nèi)回路采用常規(guī)比例調(diào)節(jié)器，外回路采用動態(tài)矩陣控制器(DMC)。既保持了預(yù)測控制的強(qiáng)魯棒性和跟蹤性能，又具有足夠的抗干擾性。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)在控制品質(zhì)、魯棒性方面明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)。???關(guān)鍵詞：主汽溫系統(tǒng)?串級控制?動態(tài)矩陣控制?PID控制1引言??

2、?眾所周知，大遲延、大慣性的對象是難控對象，純遲延的存在使系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制品質(zhì)明顯下降，在模型攝動的情況下，情況會更嚴(yán)重。采用固定參數(shù)的PID控制，難以在穩(wěn)定性和控制品質(zhì)之間取得折衷，即使整定出一組相對理想的參數(shù)，在對象模型變化時，被控品質(zhì)也難以保證證。Smith預(yù)估控制也存在同樣的問題，只有在模型精確穩(wěn)定時，才能完全補(bǔ)償純遲延。???火電廠鍋爐主汽溫控制對象就是這種大遲延、大慣性的對策，而且受控系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性和時變特性，且影響汽溫變化的擾動因素很多。如蒸汽負(fù)荷、煙氣溫度和流速、火焰中心位置、減溫水量、給水溫度等等，對

3、這樣的對象，用常規(guī)控制方式難以取得滿意的控制效果，嚴(yán)重時還會影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此有必要探討主汽溫控制的新策略。2控制系統(tǒng)設(shè)計???動態(tài)矩陣控制(DMC)是預(yù)測控制算法中一種重要的算法，它能直接處理帶有純滯后、大慣性的對象，有良好的跟蹤性能，并對模型失配有較強(qiáng)的魯棒性。然而，由于模型的卷積性質(zhì)，使其難以采用PID控制那樣短的采樣周期，因而對過程中隨機(jī)突發(fā)性干擾的抑制往往不如PID控制有效。此外，由于采用單層次的控制結(jié)構(gòu)，反饋環(huán)節(jié)難以兼顧魯棒性和抗干擾性。為了使預(yù)測控制系統(tǒng)能滿足綜合的性能要求并簡化設(shè)計，?有必要改變原

4、有算法的單層次結(jié)構(gòu)，而采用多層控制的策略。在本文中，把串級控制結(jié)構(gòu)引入預(yù)測控制，在內(nèi)環(huán)采用頻率較高的常規(guī)PID控制，抑制進(jìn)入系統(tǒng)的主要干擾，而外環(huán)采用DMC控制，獲得了良好的跟蹤性和魯棒性。???根據(jù)上述分層控制的思想，串級控制副回路的選擇應(yīng)該使副對象含有系統(tǒng)的主要干擾，同時在副回路采用較高采樣控制頻率，其參數(shù)的選擇原則同傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器。而主回路則以副回路和對象的剩余部分一起作為廣義對象，由于干擾的主要成分已經(jīng)得到有效的抑制，可以選擇較大的采樣周期，采用DMC控制?；谏鲜鏊枷朐O(shè)計的主汽溫預(yù)測—PID控制系統(tǒng)如圖1所示。

5、其中Ｇ１（s),Ｇ２（s)分別為惰性區(qū)和導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)，θ１(k)，θ2(k)分別為主汽溫和導(dǎo)前汽溫，w(k)為主汽溫的參考值，N(k)為擾動量。3動態(tài)矩陣控制算法???動態(tài)矩陣控制是一種利用被控對象的單位階躍響應(yīng)采樣數(shù)據(jù)作為預(yù)測模型的預(yù)測控制算法，?設(shè)被控對象的單位階躍采樣數(shù)據(jù)為{a1,a2,}。對于漸近穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在若干個采樣周期后就趨于穩(wěn)態(tài)值，即aＮ≈a（∞），因此可以用單位階階躍響應(yīng)采樣數(shù)據(jù)的前有限項描述系統(tǒng)的動態(tài)特性{a1,a2,aＮ｝。???由線性系統(tǒng)的疊加原理，可以得到系統(tǒng)輸出的預(yù)測模型為：上式表明

6、，預(yù)測模型輸出由待求的未知控制量和過去控制量產(chǎn)生的系統(tǒng)已知輸出初值兩部分組成。???由于模型和干擾等影響，系統(tǒng)的輸出預(yù)測值，需要在預(yù)測模型輸出的基礎(chǔ)上用實際輸出誤差修正，即???優(yōu)化下列性能指標(biāo)：???P是預(yù)測時域，M是控制時域。Q，λ分別為誤差權(quán)矩陣和控制權(quán)矩陣。4設(shè)計參數(shù)的選擇???預(yù)測控制算法由于采用了多步預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略，擴(kuò)大了反映系統(tǒng)動態(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，也增加了優(yōu)化時域P和控制時域M。并且使得預(yù)測校正誤差權(quán)系數(shù)Q、控制權(quán)系數(shù)λ以及P和M等參數(shù)都隱含在控制參

7、數(shù)中，不易直接考察它們的取值對控制性能的影響。只能采用試湊和仿真研究來初步選定。通過仿真總結(jié)了下面幾點(diǎn)調(diào)整規(guī)律：???????(1)為了使?jié)L動優(yōu)化真正有意義，應(yīng)使優(yōu)化時域P包括對象的真實動態(tài)部分。???????(2)控制時域M越小，跟蹤性能越差，M增大，?系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性隨之下降，另外，當(dāng)M增大時，矩陣A的維數(shù)增加，計算量增大，使系統(tǒng)的實時性降低，因此，M的選擇要兼顧快速性和穩(wěn)定性。???????(3)誤差權(quán)系數(shù)Q的簡單選取方法是與P的選取相對應(yīng)的，對應(yīng)時滯和反向部分qi=0，而其它部分則取qi=1。???????(4

8、)控制權(quán)系數(shù)λ的作用是用來限制控制增量的劇烈變化，以減少被控對象的過大沖擊。通過增大λj可以實現(xiàn)穩(wěn)定控制，但同時也減弱了控制作用。一般應(yīng)先將λj取得較小，此時若系統(tǒng)穩(wěn)定但控制量較大，則可適當(dāng)增加λj，直到取得滿意的控制效果。5系統(tǒng)仿真研究???以某廠300MW機(jī)組主汽溫為被控對象，在圖1中