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資訊頻道 引 言
1，在火電廠控制中廣泛應(yīng)用的PID控制技術(shù)存在著一些問題，如：直接以e=v-y的方式產(chǎn)生原始誤差不太合理；沒有較好的方法取e 的微分信號(hào)de/dt；誤差、誤差的微分與誤差的積分的線性組合不一定是最好的組合方式；誤差的積分∫e反饋的引入有很多副作用，自抗擾控制技術(shù)就是針對(duì)PID控制技術(shù)的這些問題而產(chǎn)生的，所以，用自抗擾控制技術(shù)替代火電廠控制中的PID控制技術(shù)將會(huì)使控制精度和品質(zhì)提高[1]。
2，雖然系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)有了較大的提高，但是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)精確度依然差強(qiáng)人意，這就導(dǎo)致了一些基于數(shù)學(xué)模型的先進(jìn)控制算法在實(shí)際工程中無法使用 [2]，[3]。ADRC控制算法是基于誤差的算法，可以適用于各種控制系統(tǒng)，尤其是那些被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不精確甚至是未知的控制系統(tǒng)。
一、ADRC簡介
自抗擾控制技術(shù)是適應(yīng)數(shù)字控制技術(shù)時(shí)代的潮流，吸收現(xiàn)代控制理論成果并發(fā)揚(yáng)豐富PID思想精髓(基于誤差來消除誤差)的新技術(shù)。因此，凡是能用常規(guī)PID的場(chǎng)合，只要能夠數(shù)字化，采用自抗擾控制器就會(huì)使其控制品質(zhì)和控制精度有根本的提高。特別，在惡劣環(huán)境中要求實(shí)現(xiàn)高速高精度控制的場(chǎng)合，自抗擾控制技術(shù)更能顯出其優(yōu)越性。自抗擾控制技術(shù)已在國內(nèi)電力系統(tǒng)、精密機(jī)械加工車床、化工過程、現(xiàn)代武器系統(tǒng)等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在導(dǎo)彈控制預(yù)研項(xiàng)目中的應(yīng)用顯示出傳統(tǒng)控制方法無法比擬的效果。
自抗擾控制器在控制工程不同領(lǐng)域中的實(shí)物實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，它將以數(shù)字控制器的形式，必定能夠取代延續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)的經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，而進(jìn)入更高層次的"自抗擾控制器時(shí)代"。 自抗擾控制技術(shù)所需的被控對(duì)象信息是象對(duì)象階次、"力"的作用范圍、輸入輸出通道個(gè)數(shù)和聯(lián)結(jié)方式，信號(hào)延遲時(shí)間，特別是代表系統(tǒng)變化快慢的"時(shí)間尺度"等很容易拿得到且物理概念清晰的特征量。至于目前的按"線性非線性"、"時(shí)變時(shí)不變"、"單變量多變量"等傳統(tǒng)的系統(tǒng)分類法在"自抗擾控制技術(shù)"中已不再適用，而是"時(shí)間尺度"才是區(qū)別不同被控對(duì)象的新的標(biāo)準(zhǔn)，即"時(shí)間尺度"相當(dāng)?shù)谋豢貙?duì)象是可以用同樣的自抗擾控制器進(jìn)行控制的。"時(shí)間尺度"是描述被控對(duì)象的新的"特征量"。以這個(gè)特征量作為新的抽象被控對(duì)象的控制理論尚未展開，但自抗擾控制技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用，必將會(huì)推進(jìn)適應(yīng)自抗擾控制技術(shù)的新的控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展 [4]。
圖1.1為一個(gè)典型的二階ADRC結(jié)構(gòu)，它由跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）三部分組成，一個(gè)二階ADRC的結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，二階跟蹤微分器（TD）的作用是根據(jù)設(shè)定值和被控對(duì)象的承受能力，安排過渡過程和提取二階導(dǎo)數(shù)的跟蹤-微分器。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）的作用是一方面把系統(tǒng)的各階狀態(tài)變量估計(jì)出來，另一方面通過被擴(kuò)張的狀態(tài)變量對(duì)“未知擾動(dòng)”的“實(shí)時(shí)作用量”作出估計(jì)。非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）是通過選取適當(dāng)?shù)姆蔷€性函數(shù)來組合誤差信號(hào)，使得這種非線性組合比簡單的比例、積分、微分加權(quán)和組合控制信號(hào)能更好地抑制擾動(dòng)。
圖 1.1 二階ADRC構(gòu)
二、仿真平臺(tái)簡介
本次仿真實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)是由南京科遠(yuǎn)控制工程有限公司開發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的秦源15MW仿真系統(tǒng)，此平臺(tái)具較高的逼近度，所有的電廠參數(shù)的動(dòng)靜反應(yīng)均符合過程規(guī)律，所有自動(dòng)控制、連鎖保護(hù)均一比一地實(shí)現(xiàn)實(shí)際電廠控制系統(tǒng)功能。在本文所提到的仿真實(shí)驗(yàn)中，此仿真系統(tǒng)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型均是未知的。
圖2.1串級(jí)PID控制方框圖
圖2.2 ADRC控制方框圖
在傳統(tǒng)的火電廠控制中使用圖2.1所示的結(jié)構(gòu)，將圖2.1虛線內(nèi)的串級(jí)PID控制器用ADRC控制器取代，得到圖2.2中的結(jié)構(gòu)，在相同的工況下運(yùn)行，分別獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。原有的PID控制器使用串級(jí)控制的方式，內(nèi)環(huán)PID輔調(diào)是快速過程，外環(huán)PID主調(diào)是慢速過程，整個(gè)控制器需要3個(gè)輸入量（設(shè)定值、主調(diào)反饋、輔調(diào)反饋），而替換后的ADRC控制器只用到了2個(gè)輸入量（設(shè)定值、測(cè)量值），相對(duì)原控制器，結(jié)構(gòu)更加簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)更加簡便，如果投入實(shí)際生產(chǎn)，硬件的成本也會(huì)較之PID串級(jí)控制器有所降低。
三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與曲線圖說明
每次仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境都是載入已經(jīng)保存在教練員站內(nèi)的某一個(gè)具體的工況，在實(shí)驗(yàn)開始之后，所有環(huán)節(jié)均各自獨(dú)立地運(yùn)行，除了我們指定的某個(gè)環(huán)節(jié)是ADRC控制外，其他的環(huán)節(jié)均為PID控制，各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響，例如，給粉機(jī)由于某種原因?qū)е陆o粉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)定值，將會(huì)影響到燃燒環(huán)節(jié)，繼而間接影響到汽包主汽出口的溫度和壓力下降，就形成了主汽溫度控制環(huán)節(jié)中的一個(gè)外部擾動(dòng)。因此，此仿真系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)的接近度非常高，實(shí)際生產(chǎn)過程中可能遇到的擾動(dòng)，在這個(gè)仿真系統(tǒng)中都可以隨機(jī)地或是刻意地出現(xiàn)。
圖3.1
圖3.1是一個(gè)典型工況開始之后較短時(shí)間內(nèi)的記錄，在0-25秒這個(gè)時(shí)間段，即使控制律大幅上升，測(cè)量值卻在下降，因?yàn)檫@是工況剛剛開始的時(shí)候，控制律的作用還沒有完全發(fā)揮；過了前25秒，控制律開始起作用，可是控制律已經(jīng)錯(cuò)誤地上升了太多，導(dǎo)致測(cè)量值在25-180秒之間形成了一個(gè)很大的“超調(diào)”，在第200秒之后，這樣的情況才漸漸消失，我們稱這種由于工況起始時(shí)的控制律短時(shí)無效以及其帶來的后果為工況起始時(shí)的不確定狀態(tài)，在下文所提到的各個(gè)環(huán)節(jié)的仿真結(jié)果曲線圖中都可以觀察到這種現(xiàn)象。
圖3.2為本文提到的所有仿真實(shí)驗(yàn)的一個(gè)典型代表，橫軸表示時(shí)間，單位是秒（下文所有的曲線圖的橫坐標(biāo)均為時(shí)間，且單位都是秒），縱軸根據(jù)不同的仿真實(shí)驗(yàn)代表不同的物理量，一般表示的是測(cè)量值的大小，因?yàn)橛袝r(shí)控制律的大小和測(cè)量值的大小差別很大，例如某壓力控制環(huán)節(jié)，測(cè)量值變化范圍是-0.5~+0.5，而控制律是閥門的開度，范圍是0-100，為了能夠在一張曲線圖上清晰地展現(xiàn)出控制的效果，不得不將控制律的曲線作一定的線性壓縮。
圖3.2為一次完整的仿真實(shí)驗(yàn)的記錄，共800秒，前200秒為工況起始時(shí)不確定狀態(tài)，整個(gè)過程中引入了1次設(shè)定值擾動(dòng)，用來檢測(cè)控制的動(dòng)態(tài)特性。
圖 3.2
四、主汽溫度控制
實(shí)際電廠的主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)屬于調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)定值恒定（本文提到的仿真系統(tǒng)的主汽溫度設(shè)定值為490℃），本文介紹的實(shí)驗(yàn)為了充分考察ADRC的控制品質(zhì)，我們分別測(cè)取了設(shè)定值為490℃和520℃時(shí)的PID控制數(shù)據(jù)和ADRC控制數(shù)據(jù)，圖4.1為設(shè)定值是490℃時(shí)的PID控制曲線，圖4.2為設(shè)定值是520℃時(shí)的PID控制曲線。比較圖4.1與圖4.2，我們可以明顯地看出，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生較大變化時(shí)，PID控制的效果也發(fā)生了較大的變化，因?yàn)榇薖ID控制器的參數(shù)是針對(duì)設(shè)定值490℃而整定的，當(dāng)設(shè)定值變成520℃時(shí)，控制品質(zhì)就變壞，這說明PID控制器的參數(shù)魯棒性較差。
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圖4.1
圖4.2
在相同的工況下，我們使用ADRC控制器分別以490℃和520℃為設(shè)定值進(jìn)行試驗(yàn)，我們首先以490℃為設(shè)定值整定一組ADRC參數(shù)，獲得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.3 所示，然后在參數(shù)不變的情況下，改變?cè)O(shè)定值為520℃進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4.4所示。比較兩圖，可以明顯地看出ADRC控制器的同一組參數(shù)對(duì)不同的設(shè)定值影響很小，即ADRC控制器的參數(shù)魯棒性較之PID控制器要優(yōu)秀很多。
圖4.3
圖4.4
圖4.5 單級(jí)PID
上文中我們已經(jīng)驗(yàn)證了單級(jí)的ADRC就可以達(dá)到甚至超過串級(jí)PID的控制效果，反過來，我們又作了一次實(shí)驗(yàn)，看看單級(jí)的PID究竟可以達(dá)到什么樣的效果，如圖4.5所示，單級(jí)PID的控制效果很差，從工況起始處開始經(jīng)過了約20分鐘才基本進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其間經(jīng)歷了多次大幅震蕩。
五、主給水控制
主給水調(diào)節(jié)控制的被控對(duì)象是汽包的水位，我們對(duì)主給水閥門進(jìn)行控制，液態(tài)水通過主給水閥門進(jìn)入汽包，在汽包的上部有一個(gè)主汽出口，液態(tài)水在汽包內(nèi)被加熱形成蒸汽后從主汽出口排出，流向減溫器。此控制系統(tǒng)依然是一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制的目的是使水位維持在設(shè)定的值上。由于工況中的不確定因素，導(dǎo)致主汽出口的排汽量時(shí)刻都在變化，
在進(jìn)行ADRC仿真實(shí)驗(yàn)之前，我們首先測(cè)量了一組串級(jí)PID控制器的仿真數(shù)據(jù)，取設(shè)定值為1（火電廠實(shí)際應(yīng)用中通常設(shè)定為1），仿真時(shí)間約為1200秒，結(jié)果如圖所示，從圖中我們可以明顯地看出串級(jí)PID控制器在這個(gè)控制環(huán)節(jié)的兩個(gè)特點(diǎn)：第一，控制精度較差。測(cè)量值始終在±50mm之間等幅振蕩，幾乎是臨界穩(wěn)定，如果有較大的擾動(dòng)就會(huì)發(fā)散；第二，控制律有時(shí)會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩，在實(shí)際應(yīng)用中，即使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）對(duì)輸入信號(hào)的高頻振蕩有一定的濾波能力，但是，像這樣的大幅高頻振蕩還是會(huì)影響其壽命。
圖5.1 主給水PID串級(jí)控制
對(duì)應(yīng)地，我們使用ADRC控制器在相同的工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定值為1mm，仿真時(shí)間約為1200秒，結(jié)果如圖5.2所示，控制品質(zhì)較之串級(jí)PID控制器大有改善。首先在控制精度方面，串級(jí)PID的控制精度約為±50mm，而ADRC控制器的控制精度為±0.5mm，幾乎提高了100倍；其次是控制律連續(xù)光滑，沒有毛刺和高頻振蕩，保證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命；最后是動(dòng)態(tài)特性，相同的工況下，ADRC控制器從工況起始時(shí)的不確定狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)只用了300秒左右。
在參數(shù)和工況不變的情況下，我們又以50mm為設(shè)定值作了一次仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5.3所示，其控制精度、動(dòng)態(tài)特性以及控制律的品質(zhì)依然優(yōu)秀，這又再次證實(shí)了ADRC控制器的參數(shù)魯棒性高，抗設(shè)定值擾動(dòng)性高。
圖5.2
圖5.3
ADRC控制器的最大特點(diǎn)是抗擾動(dòng)性能非常好，上文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)驗(yàn)證了ADRC控制器的抗設(shè)定值擾動(dòng)性，接下來的實(shí)驗(yàn)則是針對(duì)外部擾動(dòng)的，如圖所示，在工況開始400秒之后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在680秒左右手動(dòng)調(diào)節(jié)旁路閥門，將其打開約10%，相當(dāng)于給系統(tǒng)引入了一個(gè)外部擾動(dòng)，由于入水量增加，測(cè)量值突然上升，控制器及時(shí)估計(jì)出這個(gè)擾動(dòng)，通過補(bǔ)償，使控制律相應(yīng)減小，抵消了這個(gè)擾動(dòng)，經(jīng)過100秒左右，再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在960秒的時(shí)候，手動(dòng)關(guān)閉旁路閥門，相當(dāng)于再次引入一個(gè)外部擾動(dòng)，與上一次的擾動(dòng)方向相反，同樣地，ADRC控制器及時(shí)地補(bǔ)償了這個(gè)擾動(dòng)。
圖5.4
六、其它環(huán)節(jié)
在下文中，將會(huì)較為簡略地介紹幾個(gè)控制環(huán)節(jié)的ADRC仿真結(jié)果，作為對(duì)上文的補(bǔ)充說明。
6.1 爐膛引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)
圖6.1
這個(gè)環(huán)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是8個(gè)電機(jī)，被控對(duì)象是爐膛的壓力值，目的是使用由電機(jī)帶動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)將爐膛內(nèi)的氣體向外抽，使得爐膛內(nèi)的壓力達(dá)到某個(gè)特定的壓力，這個(gè)壓力要比大氣壓力低，因此稱為爐膛負(fù)壓力。
壓力調(diào)節(jié)的難度較大，控制精度普遍較低。通常使用串級(jí)PID控制器能達(dá)到的效果僅僅是保持爐膛內(nèi)的壓力為負(fù)值，如果壓力一旦為正值，爐膛內(nèi)的氣體將會(huì)混合著煤粉向外噴去。圖6.1是使用ADRC控制器的效果曲線，控制精度±8Pa以內(nèi)，并且能夠跟隨設(shè)定值的變化。
6.2 燃燒調(diào)節(jié)
燃燒調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)比較特殊，因?yàn)檫@個(gè)控制環(huán)節(jié)的設(shè)定值是個(gè)隨時(shí)改變的值，取決于多個(gè)物理量的變化；同時(shí)，這個(gè)環(huán)節(jié)又是整個(gè)火電廠控制中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的控制精度在很大程度上決定了火電廠的經(jīng)濟(jì)效益：如果溫度太低，就不能夠產(chǎn)生足夠的、達(dá)到溫度要求的蒸汽，如果溫度太高，就會(huì)浪費(fèi)大量的燃料，長期下來將會(huì)是一筆非常大的開銷。
圖6.2
6.3 軸封調(diào)節(jié)
軸封系統(tǒng)的主要功能是向汽輪機(jī)、給水泵小汽輪機(jī)的軸封和主汽閥、調(diào)節(jié)閥的閥桿汽封供送密封蒸汽，使軸的兩端壓力保持平衡，防止沿軸的泄漏。
6.4 氧量調(diào)節(jié)
爐內(nèi)燃燒是鍋爐機(jī)組安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，鍋爐氧量在鍋爐運(yùn)行中非常重要，而且是對(duì)爐內(nèi)過程影響非常復(fù)雜的參數(shù)。氧量調(diào)節(jié)的目的是使實(shí)測(cè)氧量盡量與設(shè)定的最佳氧量一致，以保證運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益。
圖6.3 軸封調(diào)節(jié)
圖6.4 氧量調(diào)節(jié)
圖6.5 給泵液偶調(diào)節(jié)
6.5 給泵液偶調(diào)節(jié)
液力偶合器的泵輪將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油的動(dòng)能和勢(shì)能，而渦輪則將油的動(dòng)能和勢(shì)能又轉(zhuǎn)變成輸出軸的機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)能量的柔性傳遞。只要改變轉(zhuǎn)動(dòng)外殼腔內(nèi)導(dǎo)流管的位置，就能改變偶合器中的充油度，也就可以在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的條件下實(shí)現(xiàn)工作機(jī)的無級(jí)調(diào)速。
七、結(jié)論
本文在火電廠仿真試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)ADRC進(jìn)行了仿真研究，大量的仿真數(shù)據(jù)表明ADRC非常適用于火電廠控制，對(duì)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)有很好的借鑒作用。
經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，如果要整定出一組較為合適的PID控制器的參數(shù)是比較困難的，尤其是本文中提到的串級(jí)PID控制，這需要控制器的操作者（設(shè)計(jì)者）具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)控制器和被控對(duì)象較深入地了解，達(dá)到這兩個(gè)條件，才可以大概地估算出PID控制器參數(shù)的范圍，然后通過大量的試探，漸漸逼近最佳值。而ADRC控制器的參數(shù)整定相比之下就容易得多，只需要操作者（設(shè)計(jì)者）在數(shù)量級(jí)尺度上試探出參數(shù)b0的取值，其他的參數(shù)就很容易被試探出。整定好的參數(shù)除b0外，均可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，且對(duì)控制品質(zhì)沒有較大影響。
文章來源：《東方自動(dòng)化》發(fā)表時(shí)間:2010-4-16
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)