內(nèi)模控制在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用研究DOC 5頁

1、內(nèi)?？刂圃阱仩t燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用研究尚繼良，王曉燕，于瑋 (青島科技大學(xué) 自動化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)摘要：針對鍋爐燃燒系統(tǒng)具有大純滯后的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的自適應(yīng)內(nèi)模控制器。該控制器以空氣量和燃燒量作為輸入量，蒸汽壓力作為輸出量，用戶用汽量的變化作為干擾量，并增加濾波器來消除擾動的影響，對鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明，與普通PID控制比較，本論文設(shè)計(jì)的內(nèi)?？刂破髂艽蟠蟾纳拼髸r滯系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并且抗干擾能力強(qiáng)。關(guān)鍵詞：內(nèi)模控制；大時滯；PID控制；燃燒系統(tǒng)Application of Internal Model Control in Boiler Burning

2、SystemSHANG Ji-liang , WANG Xiao-yan, YU Wei (College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China )Abstract: This paper designs a new type of adaptive Internal Model Controller, according to the large time delay character of boiler bu

3、rning system. The inputs of the controler are the air and the fuel, the output is the steam press, the disturbance is the load. And by adding a filter the controller can eliminate the influence of disturbance. The simulation shows that Internal Model Control can improve the characteristics of the co

4、ntrol system with large time delay and the ability of disturbance suppressing for Internal Model Control is better than for PID control.Key words：Internal Model Control; large time delay; PID control; Boiler Burning System在工業(yè)鍋爐控制中，燃燒系統(tǒng)的控制目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)燃料和空氣量保證蒸汽壓力恒定。煤和空氣配比燃燒，爐膛溫度升高，爐膛溫度加熱汽包中的水，變成飽和蒸汽，再經(jīng)過過熱

5、器成為過熱蒸汽，很明顯控制通道長，是一個典型的大滯后系統(tǒng)。如果將控制通道的動態(tài)特性近似為一階或二階加純滯后，則時間常數(shù)和純滯后都較大1。而大的純滯后會使控制品質(zhì)變差：首先調(diào)節(jié)器的校正作用要滯后一個純滯后時間，會導(dǎo)致被調(diào)參數(shù)的最大偏差增大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量下降；其次滯后使開環(huán)系統(tǒng)的相位滯后增大，必然使閉環(huán)系統(tǒng)的振幅和相位裕度減小，而造成閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。實(shí)際應(yīng)用中用戶用氣量是非常不穩(wěn)定的。當(dāng)蒸汽用量增加時，蒸汽壓力下降；反之，蒸汽壓力上升。這就需要通過調(diào)節(jié)燃料來克服擾動，但由于有大滯后的存在，普通PID方法是很難控制的。針對大純滯后過程有許多控制算法，由于這些控制算法大都比較復(fù)雜，加上鍋爐

6、的復(fù)雜性和危險性，這些控制算法在鍋爐燃燒系統(tǒng)中還沒有得到很好的應(yīng)用。我們根據(jù)內(nèi)?？刂颇軌蛳鬁笥绊懙奶攸c(diǎn)，提出采用內(nèi)模控制方法來控制鍋爐燃燒系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明，它比PID控制超調(diào)量小，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。1 內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)及控制器設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖1所示，R(s)為給定輸入，Y(s)為給定輸出，D(s)為干擾輸入，C(s)和G(s)分別是常規(guī)反饋控制器和被控對象的傳遞函數(shù)，為對象的預(yù)測模型。圖1內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 IMC Structure (1) (2)如果模型精確，即，且沒有擾動，即D(s)=0，則模型的輸出可與過程的輸出y相等，此時反饋信號為0。這樣，在模型精確和無

7、未知輸入的條件下，內(nèi)?？刂凭哂虚_環(huán)結(jié)構(gòu)。也就是說，如果過程完全清楚，并且干擾輸入可測，只需要前饋（開環(huán)）控制，而不需要反饋（閉環(huán)）控制。事實(shí)上，在工業(yè)過程控制中，模型很難精確得到，即使能精確得到有時也很難精確實(shí)現(xiàn)。因此，反饋信號就反映了過程模型的不確定性和擾動的影響，從而使該系統(tǒng)具有閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。也就是說，該系統(tǒng)通過反饋，能克服過程模型估計(jì)不準(zhǔn)確和擾動對控制系統(tǒng)的影響。根據(jù)內(nèi)?？刂评硐霔l件，希望系統(tǒng)在所有時間內(nèi)都能夠消除干擾D(s)對控制系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)對參考輸入的無偏差跟蹤，這就需要在(1)式中和，即，此時 (3)但在實(shí)際系統(tǒng)中，若對象中存在純滯后環(huán)節(jié)，所以將出現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，因此理想控制器很難

8、實(shí)現(xiàn)。此時不能直接采用上述理想控制器的設(shè)計(jì)方法，而應(yīng)將對象模型進(jìn)行分解，分兩步進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。首先，不考慮系統(tǒng)的魯棒性和約束，設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定的理想控制器，其次引入濾波器，通過調(diào)整濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)獲得期望的動態(tài)品質(zhì)和魯棒性?？煞纸鉃閮身?xiàng)：和： (4)其中，是不含時間滯后的具有最小相位特征的穩(wěn)定部分，為含時滯和右平面零點(diǎn)的部分。 設(shè)計(jì)控制器時，通常只取估計(jì)模型中不含時間滯后，且具有最小相位特征穩(wěn)定部分傳遞函數(shù)的逆，然后增加濾波器，確保系統(tǒng)的魯棒性。即 (5)由于對象具有時滯，選取濾波器 (6)=0時，系統(tǒng)誤差方程為： (7)其中 (8) (9) (10)其中為建模誤差。則靜態(tài)誤差為： (11)當(dāng)

9、時： （12)由(12)式可得：在線性對象中含有大時滯環(huán)節(jié)且存在建模誤差時，選用(6)式濾波器，可使系統(tǒng)無靜差地跟蹤給定階躍信號的變化。同理，在定值系統(tǒng)中，只考慮干擾變化也是如此。2 鍋爐燃燒系統(tǒng)的內(nèi)模控制方案燃燒系統(tǒng)最關(guān)鍵的控制指標(biāo)是蒸汽壓力，同時要求爐膛負(fù)壓的波動也盡量小，這里只考慮前者。內(nèi)?？刂破鬏敵稣{(diào)節(jié)燃料執(zhí)行機(jī)構(gòu)和空氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制燃燒系統(tǒng)的操縱變量即空氣量和燃料量，使二者按照一定比例配比，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)燃燒。蒸汽壓力作為受控變量，干擾一般為用戶用汽量的變化。結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖2 鍋爐燃燒系統(tǒng)內(nèi)模控制方案Fig.2 IMC Scheme chart of Boiler Burnin

10、g System此設(shè)計(jì)方案由內(nèi)?？刂破鱽砜刂埔粋€雙閉環(huán)控制回路（燃料回路和空氣回路，空氣量給定值與燃料量給定值成比例關(guān)系），其中：內(nèi)?？刂破?；燃料控制器；空氣控制器；燃料執(zhí)行機(jī)構(gòu)；空氣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)；燃料量；空氣量；擾動傳遞函數(shù)； 鍋爐燃燒對象；燃料與空氣的比例系數(shù)當(dāng)用戶用汽量穩(wěn)定且鍋爐燃燒對象和過程模型相一致時，受控量蒸汽壓力恒定，此時系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)結(jié)構(gòu)；當(dāng)鍋爐燃燒對象和輸出估計(jì)器一致，但用戶用汽量發(fā)生變化即存在干擾時，反饋量即為干擾量，將干擾量作為控制器的輸入量，通過改變?nèi)剂狭亢涂諝饬空{(diào)節(jié)蒸汽壓力；當(dāng)鍋爐燃燒對象和過程模型二者不一致時，反饋量為二者不一致造成的偏差和由于干擾引起的偏差之和，此時

11、通過改變?nèi)剂狭亢涂諝饬空{(diào)節(jié)蒸汽壓力。3 應(yīng)用仿真按照內(nèi)?？刂品桨缚驁D根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行仿真，比較內(nèi)?？刂坪蚉ID控制的控制效果。用一階慣性帶純滯后環(huán)節(jié)來描述鍋爐燃燒對象： (13)而因?yàn)榇嬖诮Ｕ`差，實(shí)際過程中不可能建立起與過程完全匹配的模型。設(shè)過程估計(jì)模型為 (14)因?yàn)槿剂狭考翱諝饬炕芈废鄬τ谶^程對象其響應(yīng)要快得多，故設(shè)控制器輸出到過程對象輸入間的傳遞函數(shù)為1。根據(jù)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)原理得： (15) (16)式(16)中濾波器時間常數(shù)必須滿足： (17)由(17)式給出的限制條件是為了確保內(nèi)?？刂破髟诟哳l時的增益不大于其低頻時增益的倍。濾波器形式取為是由于它能獲得過阻尼響應(yīng)并具有可實(shí)現(xiàn)的單一可

12、調(diào)參數(shù)。這樣的濾波器具有設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)。這里取，則（9）式為： (18)分別進(jìn)行給定值變化和干擾變化仿真，并與PID控制的變化加以比較，整理得下圖3：圖3 燃燒系統(tǒng)的內(nèi)模控制與PID控制的階躍響應(yīng)曲線Fig. 3 Step Response of IMC and PID of Burning Stystem由圖3可以看出，內(nèi)?？刂票绕胀≒ID控制更能獲得良好的動態(tài)效應(yīng)，穩(wěn)定速度快，超調(diào)量減小，抗干擾能力強(qiáng)。4 結(jié)論本文針對鍋爐燃燒系統(tǒng)具有大時滯的特點(diǎn)，采用一階純滯后模型作為實(shí)際過程對象的模型，并根據(jù)內(nèi)模控制的原理設(shè)計(jì)了控制器進(jìn)行仿真，并與普通PID控制進(jìn)行比較。仿真控制效果表明，內(nèi)?？刂票萈I

13、D控制超調(diào)小，提高了穩(wěn)定速度及抗干擾能力，且兼顧了魯棒性和穩(wěn)定性。因?yàn)閷?shí)際工業(yè)中普遍存在大時滯系統(tǒng)，且內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)方便，因此這種控制方法不僅用于鍋爐燃燒系統(tǒng)，還可推廣用于其他具有大時滯的過程中。參 考 文 獻(xiàn)：1 王驥程,祝和云.化工過程控制工程M.化學(xué)工業(yè)出版社.2002,2:281-2832鄭明方.線性時滯系統(tǒng)內(nèi)?？刂频难芯縅. 江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2006,18(1):49-513 唐新宇,任智華,王萍. 系統(tǒng)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)與仿真J. 天津工業(yè)大學(xué)報.2002,22(1):84-864 Yucai Zhu, Paul P.J. van den Bosch. Optimal closed-

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