電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)----控制部分

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　-----控制部分</b></p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b>

3、;</p><p>　　目前，世界各國(guó)制造的大容量、高參數(shù)鍋爐過熱蒸汽溫度大多控制在540℃上下。為保證汽輪機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在規(guī)定條件下，對(duì)過熱蒸汽溫度的控制提出了較高的要求，即要將過熱蒸汽溫度的暫時(shí)偏差不允許超過額定值的±10℃，長(zhǎng)期偏差不允許超過額定值的±5℃，這個(gè)要求對(duì)于控制系統(tǒng)來說是非常高的。對(duì)于大型火力電廠鍋爐，過熱蒸汽的溫度是保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)。蒸汽溫度過高，

4、會(huì)直接影響過熱器管道、汽輪機(jī)的安全運(yùn)行；蒸汽溫度過低，則影響機(jī)組的熱效率。對(duì)于如此高的控制要求，傳統(tǒng)的控制方式是無法達(dá)到的。</p><p>　　當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣泛的溫度控制系統(tǒng)是PID控制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中，80%以上的控制器是PID控制器。本文提出狀態(tài)反饋—PID過熱蒸汽溫度控制方法，針對(duì)具有大延遲純滯后的主汽溫對(duì)象，外回路采用PID控制器，將狀態(tài)反饋應(yīng)用于內(nèi)回路，通過合理的配置狀態(tài)觀測(cè)器的極點(diǎn)位置，能

5、改善被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，獲得比較滿意的控制效果。本文中，討論了現(xiàn)代電廠過熱蒸汽控制的一般情況，對(duì)提出的狀態(tài)反饋-PID控制方法進(jìn)行了仿真。論文中總結(jié)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的極點(diǎn)配置原則，同時(shí)，仿真結(jié)果也表明這種方法能有效的完成主汽溫的控制功能，且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：狀態(tài)觀測(cè)器；過熱蒸汽溫度控制；極點(diǎn)配置；狀態(tài)反饋-PID</p><p><b>　　Abstra

6、ct</b></p><p>　　At present，many countries have made the boiler that have big capacity and high parameter which reheat steam temperature have controlled in 540℃。Under specified conditions，to ensure the

7、safe and economic of the steam turbine，reheat steam temperature have higher requirement，we should make the reheat steam temperature deviation will not allow for more than ±10℃，for long-term deviation will not allow

8、more than ±5℃，this is a very high requirement to control system。For large boiler coal-fired power pl</p><p>　　The most widely used temperature control system in the world today is still PID control syst

9、em. In the control of the industrial processes, over 80% of the controller is PID controller. We design a feedback-PID controller，Based on a big delay pure lagging behind the main steam temperature object，The outer loop

10、 PID controller and will state feedback application within circuits，Through the rational disposition of state observer pole locations，can improve the dynamic characteristics of the control</p><p>　　Keywords：

11、state observer；reheat steam temperature control；pole assignment；state feedback-PID</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p>　　1.1 控制理論的發(fā)展1</p&g

12、t;<p>　　1.1.1經(jīng)典控制理論的發(fā)展及基本內(nèi)容2</p><p>　　1.1.2現(xiàn)代控制理論的發(fā)展及基本內(nèi)容2</p><p>　　1.2基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷的設(shè)計(jì)任務(wù)3</p><p>　　第2章 電廠過熱蒸汽溫度控制的一般情況4</p><p>　　2.1過熱蒸汽溫度對(duì)象的一般特性4</

13、p><p>　　2.2減溫水?dāng)_動(dòng)下過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性4</p><p>　　2.3過熱蒸汽溫度控制的發(fā)展概況6</p><p>　　第3章 狀態(tài)反饋系統(tǒng)及極點(diǎn)配置8</p><p>　　3.1狀態(tài)反饋系統(tǒng)的概念8</p><p>　　3.2狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置及算法9</p><p>　　第4

14、章 基于狀態(tài)觀測(cè)器的過熱蒸汽溫度控制與診斷的設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.1狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)要求11</p><p>　　4.2狀態(tài)反饋蒸汽溫度控制器的設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.2.1 極點(diǎn)位置選取的一般原則12</p><p>　　4.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立13</p><p>　　第5章 控制

15、系統(tǒng)的仿真研究15</p><p>　　總結(jié)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1 控制理論的發(fā)展</p>

16、;<p>　　隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術(shù)也在不斷的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，更加推動(dòng)了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可分為三個(gè)階段。</p><p>　　20世紀(jì)40年代之前，科學(xué)家的早期探索。主要有：我國(guó)北宋時(shí)期（1086~1089年）天文學(xué)家蘇頌、韓公廉建造的水運(yùn)儀象臺(tái)；1681年法國(guó)物理學(xué)家、發(fā)明家巴本（D.Papin）發(fā)明了用作安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器；1765年俄國(guó)人

17、普爾佐諾夫發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器；1788年，英國(guó)人瓦特在他發(fā)明的蒸汽機(jī)上使用了離心調(diào)速器，解決了蒸汽機(jī)的速度控制問題。</p><p>　　第一階段，20世紀(jì)40年代~60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期。</p><p>　　美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode（1938）以及Nyquist（1940）提出頻率響應(yīng)法；美國(guó)W.Evans提出根軌跡法，以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成

18、；多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括Ed.S.Smith的Automatic Control Engineering(1942),H.Bode的network analysis and feedback amplifier（1945）L.A.MacColl的fundamental theory of servomechanisms（1945）以及錢學(xué)森的《工程控制論》（1954）；在經(jīng)典控制理論時(shí)期，電力電子器件主要發(fā)展在分立元件

19、時(shí)期，二分立元件分為電子管時(shí)代（1905~1948）和晶體管時(shí)代（1948~1959）兩個(gè)階段；蘇聯(lián)東方-1號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人在地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始了（1961）。</p><p>　　第二階段，20世紀(jì)60年代~70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期。現(xiàn)代控制理論時(shí)期主要是電子器件的發(fā)展。</p><p>　　半控型器件：自從20世紀(jì)50年代，由美國(guó)通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管問

20、世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開端。此后，晶閘管的派生器件也越來越多，其中有快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、不對(duì)稱晶閘管等半導(dǎo)體元件；</p><p>　　全控型器件：隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及需求的發(fā)展，由早期的小功率低頻、半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的超大功率、高頻、全控型器件。因?yàn)槿匦推骷梢钥刂崎_通和管段，大大提高了開關(guān)控制的靈活性。自20世紀(jì)70年代以后可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）以及其相應(yīng)模塊相

21、繼實(shí)用化。</p><p>　　第三階段，20世紀(jì)70年代末至今，向著“大控制理論”和“智能控制”的方向發(fā)展。</p><p>　　蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月球表面軟著陸成功（1966），三年后美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員阿姆斯特朗送上月球；瑞典Karl.J.Astrom提出最小二乘辨識(shí)，解決了現(xiàn)行定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問題和定階方法（1967），六年后他又提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)

22、控制的基礎(chǔ)。1969年，美國(guó)的M.E.Menchart提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念，1981年加拿大G.Zames提出魯棒控制設(shè)計(jì)方法，同年，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功。</p><p>　　這一時(shí)期就器件而言主要是復(fù)合型器件的發(fā)展，主要是功能集成電路（PIC），就集成化而言，這一時(shí)期主要出現(xiàn)了超大規(guī)模的集成電路。1975年出現(xiàn)超大規(guī)模集成電路VLSJ，每片集成電子元件一萬個(gè)以上。而到現(xiàn)在每個(gè)晶體管的體積

23、變的越來越小，但是集成度卻越來越高。</p><p>　　在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)所起的作用越來越重要，無論在宇宙飛船、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)定位等尖端技術(shù)領(lǐng)域中，還是在機(jī)械制造工業(yè)、石油、化工、醫(yī)藥工業(yè)等的過程控制中，都有自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，并且它所取得的成果都是巨大的，因此，自動(dòng)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的重要組成部分。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的的突飛猛進(jìn)，對(duì)

24、工業(yè)的過程控制的要求也越來越高，不僅要求控制的精確性，更注重控制的魯棒性、實(shí)用性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和適應(yīng)能力。另外，需要控制的工業(yè)過程日趨復(fù)雜，工業(yè)過程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。這樣建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的古典和現(xiàn)代控制方法將面臨空前的挑戰(zhàn)，同時(shí)也給新控制方法的發(fā)展帶來良好的機(jī)遇。</p><p>　　1.1.1經(jīng)典控制理論的發(fā)展及基本內(nèi)容</p><

25、p>　　在20世紀(jì)30年代到40年代這段時(shí)期，奈奎斯特、伯德、維納等人的著作為自動(dòng)控制理論的初步形成奠定了基礎(chǔ)；第二次世界大戰(zhàn)以后，又經(jīng)過眾多學(xué)者的努力，在總結(jié)了以往的實(shí)踐和關(guān)于反饋理論、頻率響應(yīng)理論并加以發(fā)展的基礎(chǔ)上，形成了較為完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率法理論。1948年，W.R.Evans提出了根軌跡法，至此，自動(dòng)控制理論發(fā)展的第一階段基本完成。</p><p>　　由此可知，所謂經(jīng)典控制理論，就是建

26、立在頻率法和根軌跡法基礎(chǔ)上的理論。</p><p>　　經(jīng)典控制理論以拉氏變換為數(shù)學(xué)工具，以單輸入－單輸出的線性定常系統(tǒng)為主要的研究對(duì)象。將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到復(fù)數(shù)域中，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并以此作為基礎(chǔ)在頻率域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。通常是采用反饋控制，構(gòu)成所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論具有明顯的局限性，突出的是難以有效地應(yīng)用于時(shí)變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的

27、特性。當(dāng)把這種理論推廣到更為復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)典控制理論就顯得無能為力了，這是因?yàn)樗囊韵聨讉€(gè)特點(diǎn)所決定：1、經(jīng)典控制理論只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對(duì)最簡(jiǎn)單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的；2、經(jīng)典控制理論采用試探法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用合適的、簡(jiǎn)單的、工程上易于實(shí)現(xiàn)的控制器，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。</p><p>　　1.1.2現(xiàn)代控制理論的發(fā)展及基本內(nèi)容</p><p&g

28、t;　　現(xiàn)代控制理論中首先得到透徹研究的是多輸入多輸出線性系統(tǒng)，其中特別重要的是對(duì)刻劃控制系統(tǒng)本質(zhì)的基本理論的建立，如可控性、可觀性、實(shí)現(xiàn)理論、典范型、分解理論等，使控制由一類工程設(shè)計(jì)方法提高為一門新的科學(xué)。同時(shí)為滿足從理論到應(yīng)用，在高水平上解決很多實(shí)際中所提出控制問題的需要，促使非線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、辯識(shí)與估計(jì)理論、卡爾曼濾波、魯棒控制等發(fā)展為成果豐富的獨(dú)立學(xué)科分支。</p><p>　　在50年代

29、蓬勃興起的航空航天技術(shù)的推動(dòng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的支持下，控制理論在1960年前后有了重大的突破和創(chuàng)新。在此期間，貝而曼提出尋求最優(yōu)控制的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。龐特里亞金證明了極大值原理，使得最優(yōu)控制理論特得到極大的發(fā)展?？ǘ到y(tǒng)地把狀態(tài)空間法引入到系統(tǒng)與控制理論中來，并提出了能控性、能觀測(cè)性的概念和新的濾波理論。這些就構(gòu)成了后來被稱為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展起點(diǎn)和基礎(chǔ)。</p><p>　　現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為

30、主要的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能。它分析和綜合的目標(biāo)是在揭示系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義下的最優(yōu)化。它的構(gòu)成帶有更高的仿生特點(diǎn)，即不限于單純的閉環(huán)，而擴(kuò)展為適應(yīng)環(huán)、學(xué)習(xí)環(huán)等。較之經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論的研究對(duì)象要廣泛得多，原則上講，它既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的，也可以是多變量的、非線性的

31、、時(shí)變的、離散的。</p><p>　　1.2基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷的設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來越高，規(guī)模日益擴(kuò)大，復(fù)雜性也日益提高。而工業(yè)過程特別是航空航天業(yè)、核工業(yè)和能源化工對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性和有效性提出了更高的要求。對(duì)于生產(chǎn)過程來說，為了更避免安全事故的發(fā)生從而引起整個(gè)生產(chǎn)的癱瘓，必須對(duì)系統(tǒng)的控制方法與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化

32、?；鹆Πl(fā)電機(jī)組控制的中心問題是：一方面要求機(jī)組出力隨著電網(wǎng)負(fù)荷的變化而變化；另一方面是在負(fù)荷變化時(shí)要保證機(jī)組的穩(wěn)定性，特別是保持機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)的波動(dòng)不超過運(yùn)行規(guī)程的限制。對(duì)于大型火力電廠鍋爐，過熱蒸汽的溫度是保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)。蒸汽溫度過高，會(huì)直接影響過熱器管道、汽輪機(jī)的折本的安全運(yùn)行；蒸汽溫度過低，則影響機(jī)組的熱效率。單元機(jī)組各級(jí)過熱蒸汽溫度控制的慣性時(shí)間常數(shù)和延遲時(shí)間都很大，且機(jī)組容量越大，過熱器管道越長(zhǎng)，慣性時(shí)間

33、和純延遲時(shí)間也越長(zhǎng)；另外，鍋爐動(dòng)態(tài)特性隨工況活干擾等因素變化而發(fā)生變化。采用常規(guī)的比例積分微分（PID）串級(jí)控制策略往往難以取得比較好的控制品質(zhì)。變參數(shù)控制、smith預(yù)估控制、模糊控制等策略，近年來得到了一些應(yīng)用，一定程度上可以有效的克服蒸汽溫度控制的大慣性、大延遲等特性，但以</p><p>　　本章首先介紹了控制理論的發(fā)展過程，著重介紹了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展與基本內(nèi)容，然后提出了基于狀態(tài)觀測(cè)器的

34、過熱蒸汽溫度控制與診斷的設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　第2章 電廠過熱蒸汽溫度控制的一般情況</p><p>　　2.1過熱蒸汽溫度對(duì)象的一般特性</p><p>　　過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度的鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點(diǎn)，蒸汽溫度過高會(huì)使過熱器管壁金屬?gòu)?qiáng)度降低，以致燒壞

35、過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。一般規(guī)定過熱蒸汽的溫度上限不高于額定值的5℃。</p><p>　　如果過熱蒸汽溫度偏低，會(huì)降低發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率，據(jù)分析，氣溫每降低5℃，熱經(jīng)濟(jì)性將降低1%；而且氣溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增大，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。一般規(guī)定過熱蒸汽溫度下限不低于其額定值的10℃，通常大容量高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組都要求保持蒸汽溫度在540℃左右。隨著蒸汽壓力的提高，為了提高機(jī)組熱

36、循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，減小汽輪機(jī)末級(jí)葉片中蒸汽濕度，高參數(shù)機(jī)組一般采用中間再熱循環(huán)系統(tǒng)。將高壓缸出口蒸汽引入鍋爐，重新加熱至高溫，再引入中壓缸膨脹做功。一般再熱汽溫隨負(fù)荷變化較大，擋機(jī)組負(fù)荷降低30%時(shí)，再熱汽溫如不加以控制，鍋爐再熱器出口汽溫將降低28~35℃。所以大型機(jī)組必須對(duì)再熱汽溫進(jìn)行控制。</p><p>　　蒸汽從汽包出來后通過過熱器低溫段至減溫器，然后再到過熱器高溫段，最后至汽輪機(jī)。通常大型鍋爐都采用減

37、溫器減溫的方式控制過熱蒸汽的溫度。各種鍋爐結(jié)構(gòu)不同，過熱器的布置也不同，影響汽溫變化的因素很多，例如蒸汽負(fù)荷，煙氣溫度和流速，給水溫度，爐膛熱負(fù)荷，送風(fēng)量，給水母管壓力和減溫器水量。歸納起來主要為蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水三個(gè)方面。根據(jù)不同的調(diào)節(jié)機(jī)理，在實(shí)際應(yīng)用中可使用擺動(dòng)式燃燒器、煙氣擋板和多級(jí)彭水減溫等調(diào)節(jié)方式，在所有調(diào)節(jié)方式中，噴水減溫是最主要的手段，它具有調(diào)節(jié)方式靈活、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。</p>&l

38、t;p>　　2.2減溫水?dāng)_動(dòng)下過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　利用噴水減溫法改變過熱器入口的蒸汽溫度，一般將過熱器分為兩個(gè)區(qū)域：導(dǎo)前區(qū)和慣性區(qū)如圖2.1、2.2所示</p><p>　　圖2.1過熱器被控對(duì)象</p><p>　　圖2.2被控對(duì)象框圖</p><p>　　噴水?dāng)_動(dòng)是噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的基本擾動(dòng)。從噴水

39、減溫的工藝過程可知，該系統(tǒng)的輸入為噴水量，輸出為過熱蒸汽的溫度，對(duì)象具有分布參數(shù)特性，即館內(nèi)的蒸汽和管壁客觀視為多個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象，噴水量的變化必須通過這些單容對(duì)象，才能最終影響到過熱器出口的蒸汽溫度。在減溫水的擾動(dòng)下，減溫器出口過熱汽溫的響應(yīng)比過熱器出口汽溫的響應(yīng)更快，因此，在該系統(tǒng)中，以減溫器出口溫度作為導(dǎo)前信號(hào)構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將有效地改善控制系統(tǒng)的性能</p><p>　　減溫水?dāng)_動(dòng)時(shí)，導(dǎo)前汽

40、溫的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中K2是減溫水流量饒丁下導(dǎo)前汽溫的比例放大系數(shù)；T2是減溫水流量擾動(dòng)下導(dǎo)前汽溫對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；n2是階數(shù)。</p><p>　　在減溫水流向擾動(dòng)下，過熱蒸汽的溫度傳遞函數(shù)可表述為</p><p><b>　?。?-2）<

41、/b></p><p>　　上式中，K0為減溫水流量擾動(dòng)下的過熱蒸汽溫度的放大系數(shù)；T0為減溫水?dāng)_動(dòng)下過熱汽溫對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；n0為階數(shù)</p><p>　　對(duì)象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)則可表述為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　因?yàn)槎栊詤^(qū)的傳遞函數(shù)無法通過實(shí)驗(yàn)得出，所以需要通過由試驗(yàn)得

42、到的K2 、T2、n2、和K0 、T0 、n0來求得的，計(jì)算公式為</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，我們經(jīng)常將解析法和系統(tǒng)辨識(shí)法相結(jié)合，通過了解系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，先推斷出系統(tǒng)的模型，然后再用辨識(shí)法確定其參數(shù)。</p><p>　　2.3過熱蒸汽溫度控制的發(fā)展概況</p>&

43、lt;p>　　隨著生產(chǎn)的發(fā)展，設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來越高，除具有較高的溫度控制精度外，還希望控制系統(tǒng)的過程過度時(shí)間盡量短，最大偏差和超調(diào)量要小，擾動(dòng)作用后減幅振蕩的次數(shù)要盡量小，恒溫曲線要求盡可能平直，靜差要小。而作為溫度控制的對(duì)象大多數(shù)都具有較大的熱慣性，溫度控制系統(tǒng)具有非線性，時(shí)滯以及不確定性。由于控制對(duì)象的純滯后興致，常使系統(tǒng)在運(yùn)行中產(chǎn)生超調(diào)乃至振蕩。單純的依靠古典控制方法或現(xiàn)代控制理論都很難達(dá)到高質(zhì)量的控制效果。特別對(duì)于

44、高精度溫度控制，如何快速、精確的將溫度控制在給定值一直是現(xiàn)在生產(chǎn)、生活面臨的重要課題之一。溫度控制不論是從控制算法還是控制算法在硬件上面的實(shí)現(xiàn)，都是隨著社會(huì)科技的發(fā)展而不斷進(jìn)步的。特別是近年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)被廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)和控制領(lǐng)域，使傳統(tǒng)的測(cè)控手段、方法與設(shè)備發(fā)生了根本性的變化。從普遍意義上講，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和人機(jī)對(duì)話功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、控制和現(xiàn)場(chǎng)分析，使測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和

45、實(shí)時(shí)性的水平顯著提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)全數(shù)字溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，并獲得了成功，有的還形成了系列產(chǎn)品。</p><p>　　對(duì)溫度的控制理論是自動(dòng)控制理論的一部分，近幾年P(guān)ID控制，模糊控制，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在溫度控制中的應(yīng)用都發(fā)展較快。</p><p>　　PID控制系統(tǒng)自出現(xiàn)以來，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)格便宜，在很多過程領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了滿意的控制。在過去長(zhǎng)期的應(yīng)用中，這種技術(shù)已經(jīng)非常成

46、熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)，其軟件系統(tǒng)靈活易修改完善的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。</p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶處理而構(gòu)成的信息處理方法。它用大量簡(jiǎn)單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射，自組織，自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模，該方法響應(yīng)速

47、度快，抗干擾能力強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在溫控系統(tǒng)中，將溫度的影響因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，隨實(shí)驗(yàn)與研究的進(jìn)行與深入，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定控制參數(shù)的目的。</p><p>　　模糊控制是基于模糊邏輯描述一個(gè)過程的控制算法，它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對(duì)

48、象。在實(shí)現(xiàn)溫度控制時(shí)，將溫控對(duì)象的偏差和偏差變化率及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。然后根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法。最后對(duì)溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的。模糊控制不需要裝置的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，非常容易應(yīng)用，并且模糊控制對(duì)

49、被控對(duì)象參數(shù)變化有強(qiáng)魯棒性，對(duì)控制系統(tǒng)干擾有較強(qiáng)抑制能力。</p><p>　　狀態(tài)反饋-PID控制是對(duì)過程內(nèi)部每一個(gè)容積的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與控制，其控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)被控制對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)特征加以確定，即對(duì)象是幾階的，狀態(tài)變量控制器也是幾階的。控制器同被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)上相適應(yīng)。還能使機(jī)組在擾動(dòng)工況下的汽溫動(dòng)態(tài)偏差大大減小，且減少了一級(jí)噴水減溫裝置，降低對(duì)過熱器蛇形管耐溫強(qiáng)度的要求，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，受到用戶歡迎。</p&g

50、t;<p>　　第3章 狀態(tài)反饋系統(tǒng)及極點(diǎn)配置</p><p>　　3.1狀態(tài)反饋系統(tǒng)的概念</p><p>　　與經(jīng)典控制理論一樣，現(xiàn)代控制系統(tǒng)中仍然主要采用反饋控制結(jié)構(gòu)，但不同的是經(jīng)典控制理論中主要采用輸出反饋，二現(xiàn)代控制理論中主要采用內(nèi)部狀態(tài)反饋。狀態(tài)反饋可以為系統(tǒng)控制提供更多的反饋信息，從而實(shí)現(xiàn)更有的控制。</p><p>　　把系統(tǒng)的輸出的變

51、量按照一定的比例關(guān)系反饋到系統(tǒng)的輸入段或者端稱為輸出反饋，如圖3.1，因?yàn)闋顟B(tài)變量不一定具有物理意義，所以狀態(tài)反饋往往不易實(shí)現(xiàn)；而輸出變量則具有明顯的物理意義，因此輸出反饋比較容易實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)內(nèi)容狀態(tài)變量乘以一定的反饋系數(shù)（矢量），然后反饋到系統(tǒng)輸入段與系統(tǒng)的參考輸入綜合，綜合而成的信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制,，如圖3.2所示，因?yàn)榭刂谱饔玫氖窍到y(tǒng)的函數(shù)，可使控制效果得到很大

52、的改善，就能得到比輸出反饋更好的一系列控制特性</p><p><b>　　圖3.1輸出反饋</b></p><p><b>　　圖3.2狀態(tài)反饋</b></p><p>　　對(duì)于狀態(tài)反饋，其中的線性狀反饋控制規(guī)律為</p><p><b>　　(3-1)</b></p&

53、gt;<p>　　式中，R是參考輸入，K為狀態(tài)反饋增益矩陣，對(duì)于單輸入單輸出系統(tǒng)</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　上式中，A、B、C分別為實(shí)常數(shù)矩陣，D為標(biāo)量，將式（3-1）帶入（3-2）,在一般情況下D為0，于是得到引入狀態(tài)反饋后閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程</p><p><b>　　（3-

54、3）</b></p><p>　　3.2狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置及算法</p><p>　　動(dòng)力說的各種特性或者各種品質(zhì)指標(biāo)，在很大程度上是由系統(tǒng)的極點(diǎn)位置決定的，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)是在s平面上設(shè)計(jì)一組系統(tǒng)所希望的極點(diǎn)。</p><p>　　所謂極點(diǎn)配置問題，就是通過反饋矩陣的選擇，是系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)，即閉環(huán)特征方程的特征值恰好處于所希望的一組極點(diǎn)位置

55、上，由于希望的極點(diǎn)具有一定的任意性，因此極點(diǎn)的配置也具有一定的任意性。</p><p>　　狀態(tài)反饋和輸出反饋都能對(duì)系統(tǒng)機(jī)型極點(diǎn)配置，且一般認(rèn)為用簡(jiǎn)單的比例反饋就能使問題得到解決。極點(diǎn)配置就是通過選擇一個(gè)狀態(tài)反饋矩陣，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)處于期望的位置上，在狀態(tài)空間中，極點(diǎn)任意配置的充分必要條件是系統(tǒng)必須完全狀態(tài)可控。</p><p>　　極點(diǎn)配置的方法如下所述：如果系統(tǒng)是完全可控的，那么可選

56、擇期望設(shè)置的極點(diǎn)，然后以這些極點(diǎn)作為閉環(huán)極點(diǎn)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用狀態(tài)觀測(cè)器反饋全部或者部分狀態(tài)變量，使所有的閉環(huán)極點(diǎn)均落在個(gè)期望位置上，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這種設(shè)置期望閉環(huán)極點(diǎn)的方法就稱為極點(diǎn)配置方法。</p><p>　　在極點(diǎn)配置方法中，為使全部的閉環(huán)極點(diǎn)位于期望的位置，需要反饋全部的狀態(tài)變量。但在實(shí)際系統(tǒng)中，不可能測(cè)量到全部的狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，利用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)未知的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)是十分必要的。<

57、/p><p>　　設(shè)給定的線性定常系統(tǒng)為</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中，X為n維狀態(tài)向量；U為p維狀態(tài)向量；A和B為相應(yīng)維數(shù)的常數(shù)陣。若給定n個(gè)反饋性能的期望閉環(huán)極點(diǎn)為</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　

58、　則極點(diǎn)配置的設(shè)計(jì)問題就是確定一個(gè)p*n的狀態(tài)反饋增益矩陣K，使?fàn)顟B(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)為式（3-5），即</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　其中表示的特征值。</b></p><p>　　單輸入單輸出系統(tǒng)的極點(diǎn)配置</p><p>　　對(duì)于單輸入單輸出的n階

59、系統(tǒng)，其反饋增益矩陣K是一行向量，僅包含n個(gè)元素，可由n個(gè)極點(diǎn)唯一確定，反饋增益矩陣K由期望的閉環(huán)極點(diǎn)確定，二期望的閉環(huán)極點(diǎn)根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求決定，如對(duì)相應(yīng)速度、阻尼比、貸款等要求。</p><p>　　多輸入多輸出系統(tǒng)的極點(diǎn)配置</p><p>　　對(duì)于多輸入多輸出系統(tǒng)的極點(diǎn)配置，有多種算法可以確定狀態(tài)反饋增益矩陣，但與但輸入單輸出系統(tǒng)相比，則要復(fù)雜的多。在多變量系統(tǒng)中，狀態(tài)反饋增益

60、矩陣K不是唯一的，如果要確定唯一的極點(diǎn)，則必須附加其他條件，但從工程應(yīng)用角度來說，希望K的各個(gè)元素盡可能小。</p><p>　　多輸入多輸出系統(tǒng)Σ（A,B）極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)步驟如下所述。</p><p>　　將能控矩陣對(duì){A,B}轉(zhuǎn)化成某種規(guī)范型。</p><p>　　將給定的期望閉環(huán)極點(diǎn)按規(guī)范型計(jì)算它們的特征多項(xiàng)式。</p><p>　　

61、求取規(guī)范型的狀態(tài)反饋增益陣K。</p><p><b>　　極點(diǎn)配置的注意問題</b></p><p>　　使用極點(diǎn)配置方法時(shí)，要注意下述問題：系統(tǒng)完全狀態(tài)可控是求解的充分必要條件；應(yīng)把閉環(huán)系統(tǒng)的期望特性轉(zhuǎn)化為極點(diǎn)位置；理論上選擇反饋增益可是系統(tǒng)任意加快時(shí)間相應(yīng)。加大反饋增益可提高系統(tǒng)的頻帶、加快系統(tǒng)的響應(yīng)，但過大的反饋增益，在有一定誤差信號(hào)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)無限增

62、大，這在工程上是無法實(shí)現(xiàn)的，因此必須考慮到反饋增益物理實(shí)現(xiàn)的可能性；當(dāng)系統(tǒng)階次較高時(shí)，可用ackerman公式，通過計(jì)算機(jī)求解。</p><p>　　第4章 基于狀態(tài)觀測(cè)器的過熱蒸汽溫度控制與診斷的設(shè)計(jì)</p><p>　　過熱蒸汽溫度是一個(gè)高階對(duì)象，對(duì)于高階端詳，常規(guī)的PID反饋控制很難獲得滿意的控制品質(zhì)，因?yàn)镻ID控制的特點(diǎn)是無論被控對(duì)象模型結(jié)構(gòu)特征如何，控制模型是固定不變的。狀態(tài)反饋

63、控制的特點(diǎn)是，對(duì)生產(chǎn)過程內(nèi)部每一個(gè)容積的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，其模型結(jié)構(gòu)是根據(jù)被控制對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)特征加以確定的，對(duì)象是幾階，狀態(tài)反饋及控制器就是幾階的，控制器同被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)上相適應(yīng)，這是狀態(tài)反饋控制器的基本特點(diǎn)之一，也是優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器的主要方面。在運(yùn)行方面，簡(jiǎn)單的PID串級(jí)控制在負(fù)荷變化的情況下，很難保證汽溫在容許值范圍內(nèi)，特別是在劇烈的擾動(dòng)情況中，控制系統(tǒng)無法投入自動(dòng)運(yùn)行。為確保安全，許多電廠只能降低汽溫的運(yùn)行值，對(duì)機(jī)組的熱效

64、率影響很大。如果過熱蒸汽溫度采用狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，就可以使機(jī)組在擾動(dòng)情況下的汽溫動(dòng)態(tài)偏差大大減小，這不僅能保證鍋爐過熱汽溫在額定值左右，不超過容許范圍，而且根據(jù)現(xiàn)行過熱汽溫的最大容許值的標(biāo)準(zhǔn)，過熱蒸汽溫度的運(yùn)行值可以適當(dāng)?shù)奶岣?，機(jī)組熱效率提高，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。在制造方面，采用兩級(jí)減溫裝置的鍋爐，按常規(guī)通常采用兩段分段PID型串級(jí)控制系統(tǒng)，而采用狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)后，可以只采用一級(jí)噴水</p><p>　　4

65、.1狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　對(duì)于完全能控的線性定常系統(tǒng)，通過狀態(tài)反饋配置期望的極點(diǎn)，使閉環(huán)系統(tǒng)具有期望要求的動(dòng)態(tài)特性。但在實(shí)際系統(tǒng)中，并不是所有狀態(tài)變量都是可觀測(cè)的，為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制律，必須對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行測(cè)量，因此要設(shè)法利用已知的信息，通過一個(gè)模型來對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，為了解決這類問題，提出了狀態(tài)重構(gòu)問題</p><p>　　重構(gòu)狀態(tài)就是在系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)不能得到的情況

66、下構(gòu)造系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)可直接測(cè)量的輸入變量u和輸出變量y重新構(gòu)造一個(gè)狀態(tài)使之在一定的指標(biāo)下和系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)等價(jià)，即。</p><p>　　如果系統(tǒng)可觀測(cè)，從可測(cè)量u和y中把間接重構(gòu)出來時(shí)可能的，這種必要性與可能性正是狀態(tài)觀測(cè)器理論的出發(fā)點(diǎn)。</p><p>　　設(shè)線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)x是不能直接測(cè)量的，如果動(dòng)態(tài)系統(tǒng)Σ1以Σ0的輸入u和y作為它的輸入量，Σ1的輸出滿足如下等價(jià)性指標(biāo)</p

67、><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　則稱動(dòng)態(tài)系統(tǒng)Σ1為Σ0的狀態(tài)觀測(cè)器。</p><p>　　一、狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)原則</p><p>　　觀測(cè)器Σ1以原系統(tǒng)Σ0的輸入和輸出作為其輸入。</p><p>　　為了滿足等價(jià)性指標(biāo)，原系統(tǒng)Σ0應(yīng)當(dāng)是完全可觀測(cè)的，或者X中不能觀測(cè)部

68、分是漸進(jìn)穩(wěn)定的。</p><p>　　Σ1的輸出應(yīng)有足夠快的速度逼近，這就要求Σ1有足夠的頻帶。</p><p>　　Σ1應(yīng)有較高的抗干擾性，這就要求Σ1有較窄的頻帶，顯然觀測(cè)器的快速性和抗干擾性是矛盾的，只能折中的嫁衣選擇。</p><p>　　Σ1在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單，具有盡可能低的維數(shù)。</p><p>　　二、狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)步驟&

69、lt;/p><p>　　① 判斷系統(tǒng)的可控性，只有系統(tǒng)是可控的，設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器才有意義。</p><p>　?、?判斷系統(tǒng)的可觀性，只有系統(tǒng)是可觀的，才能從系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)估計(jì)狀態(tài)。</p><p>　?、?確定系統(tǒng)的極點(diǎn)，若根據(jù)控制要求給定極點(diǎn)，則分別確定狀態(tài)反饋增益矩陣和狀態(tài)觀測(cè)器增益矩陣K。</p><p>　?、?設(shè)計(jì)數(shù)字補(bǔ)償器，系統(tǒng)中的估

70、計(jì)狀態(tài)和輸出序列兩部分均由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，將兩部分功能組合成一個(gè)數(shù)字補(bǔ)償器算式，以便在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.2狀態(tài)反饋蒸汽溫度控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　狀態(tài)反饋-PID控制原理框圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1狀態(tài)反饋-PID控制原理圖</p><p>　　與傳統(tǒng)的PID控制相比，采用狀態(tài)反饋通過配置閉環(huán)

71、極點(diǎn)的方法，能更方便的改變系統(tǒng)的特性，達(dá)到提高控制精度的目的，這種特性，對(duì)于具有大慣性，高延遲的蒸汽溫度對(duì)象來說，無疑是一種較好的控制方案。但由于單項(xiàng)受熱管道的動(dòng)態(tài)特性與熱流量有關(guān)，單靠狀態(tài)反饋配置極點(diǎn)還難以保證在不同的情況下使鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到理想的要求，而PID控制器具有魯棒性和抗高頻干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合狀態(tài)反饋和PID兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鍋爐主汽溫系統(tǒng)的狀態(tài)反饋-PID控制器</p><p>　　

72、4.2.1 極點(diǎn)位置選取的一般原則</p><p>　　在選擇反饋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)矩陣特征值的問題上，沒有唯一的和普遍最優(yōu)的適用法則。因?yàn)榉答佅到y(tǒng)自身的情況復(fù)雜多變，并且控制系統(tǒng)的控制性能、響應(yīng)速度和魯棒性的要求也是相互制約、矛盾的。因此不可能存在一個(gè)對(duì)所有的系統(tǒng)和所有的設(shè)計(jì)要求都滿足的選擇法則，也不可能不經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試就一次找出最合理的極點(diǎn)位置。狀態(tài)反饋矩陣K是建立在以使干擾引起的誤差快速減小到零為目的的原則上的，矩陣K

73、并不是唯一的，它取決于期望極點(diǎn)所處的位置，而閉環(huán)極點(diǎn)又決定著系統(tǒng)響應(yīng)速度。期望閉環(huán)極點(diǎn)的位置就是特征方程反映的誤差矢量的響應(yīng)速度和對(duì)干擾及噪聲反應(yīng)的靈敏度，即如果提高誤差響應(yīng)速度，則系統(tǒng)受干擾和噪聲的影響程度就會(huì)增加。而且還要考慮到實(shí)際系統(tǒng)控制器輸出有限的原因。綜上所述，極點(diǎn)位置選取是要考慮許多因素的，沒有特定的最優(yōu)配置，只有通過調(diào)試來選取一個(gè)較合適的位置。</p><p>　　極點(diǎn)位置越靠左負(fù)實(shí)部絕對(duì)值就越大，

74、系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的速度也就越快。如果反饋控制系統(tǒng)的極點(diǎn)離開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)越遠(yuǎn)，那么配置這些反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)所需要的反饋控制的增益也越大，而反饋控制的增益越大，有些反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)趨向不穩(wěn)定的可能性也越大，而且受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性區(qū)域限制，在現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用中，是不能達(dá)到這種理想的控制效果的。此外，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)過渡頻繁的動(dòng)作，也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不良影響。因此配置極點(diǎn)不是把被控對(duì)象的極點(diǎn)配置得離虛軸越遠(yuǎn)越好。其實(shí)反饋控制的增益越大，所消耗的控制能量、產(chǎn)生

75、的輸入擾動(dòng)、發(fā)生故障的可能性也越大。說明高性能的系統(tǒng)往往帶有高靈敏性的缺點(diǎn)。重復(fù)特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量一般是廣義特征向量，而廣義特征向量會(huì)使對(duì)應(yīng)的特征值對(duì)所在矩陣的參數(shù)變化有很大的敏感性，并會(huì)使系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)不平穩(wěn)。所以要盡量避免重復(fù)特征值，甚至要避免緊密的聚集的特征值。系統(tǒng)模型在實(shí)際運(yùn)行中總會(huì)有參數(shù)變化，存在誤差，按有誤差的模型參數(shù)來配置極點(diǎn)，而這時(shí)的極點(diǎn)會(huì)很集中，也會(huì)使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。在單變量控制系統(tǒng)中，一些最佳性能指標(biāo)都要求控制系統(tǒng)

76、的極點(diǎn)具有相近的絕對(duì)值并且是均勻分布的。所以，選擇特征值并不是很簡(jiǎn)單很方便的，它需要經(jīng)</p><p>　　4.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)中的過熱器總體上可以看成是一個(gè)多容的慣性環(huán)節(jié)。假設(shè)將過熱器分為一個(gè)個(gè)單容環(huán)節(jié)的部分，把它的出口溫度作為狀態(tài)變量，參與出口蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。一電廠的主蒸汽溫度控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為：</p><p><

77、;b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　慣性區(qū)的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　按照下圖選擇蒸汽溫度系

78、統(tǒng)的狀態(tài)變量，并將上述傳遞函數(shù)寫成狀態(tài)空間表達(dá)式：</p><p>　　圖4.2主蒸汽溫度系統(tǒng)狀態(tài)分布圖</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（4-6）</b></p><p>　　令 （4-7）</p&

79、gt;<p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)的仿真研究</p><p>　　所謂仿真，就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法。為使仿真的結(jié)果能被實(shí)際證實(shí)真實(shí)可靠，仿真所遵循的基本原則是相似原理，包括幾何相似、環(huán)境相似和性能相似。</p><p>　　系統(tǒng)仿真是近

80、幾十年發(fā)展起來的一門綜合性技術(shù)科學(xué)，尤其為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)提空了先進(jìn)的手段。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和研究已成為從事控制領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員所必須掌握的一門技術(shù)，仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程及非工程領(lǐng)域，并取得了極大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　Matlab軟件的誕生，使控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題變的簡(jiǎn)單。它為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真提高了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。目前matlab軟件已成

81、為控制領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與計(jì)算工具，因此，此次仿真應(yīng)用matlab進(jìn)行。</p><p>　　針對(duì)傳遞函數(shù)為式（4-2）（4-3）的系統(tǒng)，進(jìn)行PID串級(jí)控制和狀態(tài)反饋-PID控制這兩種控制方式下的設(shè)計(jì)。</p><p>　　在保證觀測(cè)器穩(wěn)定的前提下，選擇系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿足：①調(diào)節(jié)時(shí)間Ts≤200S，②超調(diào)量δ%≤5%。根據(jù)自動(dòng)控制原理中的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間與機(jī)電的關(guān)系可以計(jì)算出觀測(cè)器極點(diǎn)的范

82、圍。</p><p>　　狀態(tài)反饋-PID控制方式中，根據(jù)極點(diǎn)配置原則，將觀測(cè)器極點(diǎn)配置到[-0.2+0.05i -0.2-0.05i -0.145 -0.04]，系統(tǒng)極點(diǎn)配置到[-0.085+0.01i -0.085-0.01i -0.1 -0.12]，觀測(cè)器增益為H=[-0.2541 0.1963 0.7510 0.3517]，狀態(tài)反饋控制極點(diǎn)為K=[0.2750 0.2750 0.239

83、6 0.0709]。其中外回路PID控制器的參數(shù)為P=3.0、I=0.113；內(nèi)回路PID控制器參數(shù)為P=0.3。</p><p>　　串級(jí)PID控制方式中，外回路PID控制器的參數(shù)為P=1.1、I=0.035，內(nèi)回路PID控制器的參數(shù)為P=0.3。</p><p>　　1.給定540℃時(shí)，狀態(tài)反饋-PID控制方式與串級(jí)PID控制方式的效果對(duì)比</p><p>　

84、　圖5.1給定輸入仿真圖</p><p>　　圖5.2給定輸入540℃時(shí)的控制效果</p><p>　　從圖4.4可以看出，在給定輸入條件下，狀態(tài)反饋-PID控制方式比串級(jí)PID控制方式具有更快的響應(yīng)速度，同時(shí)，最大超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間也縮短了。</p><p>　　2.在300秒時(shí)加入10%噴水?dāng)_動(dòng)時(shí)，狀態(tài)反饋-PID控制方式與串級(jí)PID控制方式的比較</p&g

85、t;<p>　　圖5.3噴水?dāng)_動(dòng)10%仿真圖</p><p>　　圖5.4噴水?dāng)_動(dòng)10%時(shí)的控制效果</p><p>　　由圖4.6我們可以看出，相對(duì)于串級(jí)PID控制，狀態(tài)反饋-PID控制方式不僅響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，而且對(duì)于擾動(dòng)，狀態(tài)反饋-PID控制方式的抑制能力更強(qiáng)。</p><p>　　本章首先進(jìn)行了狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)，使它滿足狀態(tài)反饋控制的需要

86、，根據(jù)過熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了了狀態(tài)反饋-PID控制器并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：在狀態(tài)反饋-PID控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間為180秒，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，最大超調(diào)量</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　在300秒時(shí)加入一個(gè)10%的噴水?dāng)_動(dòng)的情況下，系統(tǒng)能在450秒時(shí)重新到達(dá)穩(wěn)定，且短時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的暫態(tài)偏差不超過系統(tǒng)額定值的&#

87、177;10℃，到達(dá)穩(wěn)定后，系統(tǒng)的性能能很好的保持。擾動(dòng)后，系統(tǒng)的減幅振蕩次數(shù)只有一次，且靜態(tài)曲線基本平直。</p><p>　　有此可知，狀態(tài)反饋-PID控制器能在不影響控制精度的情況下，提高大延遲系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，且能夠提高系統(tǒng)的控制性能，對(duì)于擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>

88、　　忙忙碌碌了半年，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也終于告一段落，matlab仿真也基本達(dá)到了預(yù)期的效果，從開始到結(jié)束，每一步對(duì)我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)。這段時(shí)間里，通過這篇論文使我對(duì)現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用有了更深入的了解，掌握了狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測(cè)器極點(diǎn)的配置方法，將狀態(tài)反饋和PID控制相結(jié)合，針對(duì)具有大延遲的電廠過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了狀態(tài)反饋-PID控制方案，通過查看相關(guān)資料，使自己腦海中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩的論文一步步完善起來，每

89、一次改進(jìn)，都是我學(xué)習(xí)的收獲，最后的仿真結(jié)果證明了該方案的可行性。</p><p>　　雖然我的論文不是很成熟，還有不足之處，但論文中的每一個(gè)段落，都是我的勞動(dòng)。當(dāng)看著自己的仿真能成功運(yùn)行，感到莫大的欣慰和滿足。</p><p>　　這次論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終生受益，我認(rèn)為要認(rèn)認(rèn)真真的去做一件事，是一個(gè)人走向成功的唯一途徑。</p><p><b>　　[參考

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