基于无模型自适应控制的主汽温控制方案设计

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摘要：无模型控制律的基本算法就是由泛模型式的辨识算法和基本控制算法在线交互进行而组成。经过迭代计算得到值以后，即可以应用控制律式进行系统反馈控制。电站汽温控制随着机组负荷的多变出现了控制对象的模型也在不断变化，将无模型自适应控制用于机组的主汽温控制提高了机组控制水平。

关键词：无模型自适应；主汽温；APC

中图分类号：O141文献标识码： A

概述

自20世纪80年代以来，DCS及现在兴起的FCS(现场总线控制系统)逐渐取代了盘装控制器的地位。DCS引进我国后的近20年的实践，使人们逐渐发现，应用的结果与原来购置DCS的希望目标相差甚远。在炼油、化工、电力等行业，除一些简单装置外，用DCS实现优化控制的为数甚少。人们企图用某些先进控制算来解决这些问题。但又遇到了另一个问题：即先进控制律的设计，必须要求建立系统可用的数学模型或完备的知识库和推理模式。实践证明，因为人员的技术水平和熟练程度的限制；硬件的计算能力的限制；算法可实现程度限制使得以上问题变得困难。

自适应控制器的设计首先要建立系统的数学模型。就是说自适应控制器的设计必须依赖一个结构确定的模型，这就限制了这种自适应性的适用范围。无模型控制器的设计，打破了参数自适应的限制，实现了结构自适应，它的设计是以泛模型为基础的。

引入泛模型的目的，是为了避免在自适应控制器设计前的建模过程。泛模型也应该在反馈过程中得到校正，所以它是与无模型控制律的基本形式同时存在。

1.无模型自适应控制器的一般形式

无模型控制律的一般形式由下述算法组成：

1）满足方程：

（1）

2）控制律算法（2）

其中：u(k一1)是P维输人向量；k是离散时间；y(k一1)是真实系统S相应于控制量u(k一2)的一维输出(假定系统时滞是1) ；是系统输出目标值；为适当常数，它的作用是避免当太小而使由算法得到的的某些分量非常大；为补偿系数，称为控制参数；G(・)是一个适当的函数，它表示控制律的功能组合部分，功能组合部分是由一系列控制功能元经适当组合而成，所谓控制功能元是指表示一种控制功能的算法公式，而且：={Yo，Y(k一1)，Y(k一2)，⋯ ，Y(k一n,)}， ；n、m是适当的非负整数；表示可能时变的功能组合系数向量，它由在线自适应辨识算法来确定 。()是 的估计值， ()满足方程(1)。

2.无模型自适应控制规律的设计方法

首先分析无模型控制律的基本形式：

1）满足方程：

（3）

2）控制律算法

（4）

通过第一部分的无模型控制律的一般算法分析可以看出，按照式（2）的控制律进行控制运算时稳定可行的，只要能够准确预报式（4）中的未知变量就可以了，以下将对其基本形式【式（4）】的参数预测方法进行设计。

可以设计一个准则函数

（5）

式中：是加权系数，式中第二项的引入是为了限制控制输入的变化，并且他具备克服稳态误差的功能。

令（6）

整理（6）可以得到

（7）

上式为无模型自适应控制算法，从上面的无模型自适应控制方案中，可以看出控制律根据系统的输入输出数据进行运算。控制算法实际上只有一个在线调整的参数，那就是系统的伪偏导数。

2.1伪偏导数的估计算法

伪偏导数的估计算法运用如下准则函数：

（8）

式中：表示系统的真实输出，式（8）中由于加入了，从而有效的限制了时变参数的变化。式中只考虑了第K个采样时刻，故此准则函数推到得出的参数估计算法对事变参数有很好的跟踪能力。运用与控制律算法相似的极小化方法就可以得出如下的伪偏导数估计算法：

（9）

2.2伪偏导数控制算法实现框图

从图1中看出在控制过程中实际只有一个需要在线调整的参数，就是系统的伪偏导数。与传统的自适应控制方法对比，这种自适应方法在线需要调整的参数相对较少，控制过程中计算量较小容易在DCS中实现。

图（1）：自适应简易算法框图

3.主汽温控制方案中的应用

在串级主汽温控制系统中, 由于导前区和惰性区动态特性不同, 所以可以根据主汽温对象的特点选择不同的控制器。导前区可以看成是快速随动系统, 副回路的主要任务是消除喷水扰动, 可选用抗干扰能力比较强、调节快速的PID调节器；在惰性区存在大滞后、非线性、蒸汽流量对模型参数变化影响比较大。而MFAC良好的参数自适应，对该类对象有很好的控制能力。把这两种方法结合起来设计了过热汽温控制模型。如图（2）所示。

图（2）控制框图

在某电厂实际投运后具体效果如下图（3）所示，以9MW/min速率505MW连续降至390MW，又立即升至470MW，再立即降至420MW再热汽温（左、右平均温度）最大控制偏差仅为+4/-9℃ 。

图（3）实际投运效果

4．结论

本文将无模型自适应控制原理与常规控制相结合组成串级控制策略, 应用到具有迟延、时变和不确定等特性的火电厂主汽温控制系统中。由实际投运结果可知, 该串级系统具有良好的鲁棒性和自适应性, 控制品质优于由PID组成的串级控制系统。但以后应在调节时间方面进一步对无模型控制器进行改进。

参考文献:

3、沈永良;王德进.无模型控制器的设计与实现[J];黑龙江大学学报自然科学版;1998,15（2）；41-43.

4、韩志刚;无模型控制器理论与应用的发展[J];自动化技术与应用;2004年23（2）：1-6.

5、王国玉，韩璞;PFC-PID串级控制在主汽温控制系统中的应用研究[J];中国电机工程学报;2002年.

6、赵文杰,金秀章,刘吉臻;时滞工业对象的一种建模及控制方法[J];华北电力大学学报;2002年3期.

作者简介： 顾博宇：(1982年10月)，男，河北省电力建设第一工程公司 调试队长期从事热工自动化调试工作。