（控制理论与控制工程专业论文）船用汽轮机汽封压力控制及仿真研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：荔 日期：如形口年乡月少日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇 作者( 签字) ：老丸 导师( 签字) ： 日期：砂口年乡月夕日 劢响妙r 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 汽轮机的转动部件与静止部件之间不能紧密接触，必须保持一定的间隙 来防止相互摩擦而发生事故。由于间隙的存在，致使小部分蒸汽没有做功， 从各处间隙流入空气中，降低了汽轮机的工作效率，所以必须在转动部件和 静止部件之间设置汽封。汽封压力对汽轮机的工作效率有着很大影响，为了 提高汽轮机的工作效率，通常会采用汽封压力控制系统对汽封压力进行控制。 随着汽轮机技术的发展，人们对汽封压力控制系统的要求也越来越高。我国 某型船用汽轮机目前使用的汽封压力自动控制系统在使用过程中存在着许多 问题，需要对其进行改进，以提高汽轮机的工作效率。 论文以原汽封压力控制系统为研究对象，首先对其结构及工作原理进行 分析。由于原调节器和执行机构是以纯净水为工作介质的液压系统，根据控 制系统的特点以及各种液压系统建模方法的优缺点，采用“灰箱建模法建 立原控制系统的数学模型，结合所建模型利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 仿真 平台对系统初始压力小于额定压力、大于额定压力以及给稳定系统突然施加 偏差干扰信号三种情况进行仿真，得到各种情况的系统响应曲线和偏差曲线， 线分析原控制系统所存在的问题。由于系统存在着严重的时滞 的p i d 控制技术很难到达满意的效果，根据系统特点设计出模 控制器和模糊p i d 复合控制器对原汽封压力控制系统进行改 真工具仿真，得到仿真曲线。 原控制系统、模糊自适应p i d 控制系统以及模糊p i d 复合控制 线对三种控制系统的性能进行比较。从仿真曲线可以看出模糊 制系统以及模糊p i d 复合控制系统的性能和原控制系统相比得 ，模糊自适应p i d 控制系统的系统响应速度最快，调节时间最 小，抗干扰能力最强。所以从理论上分析，三种控制系统中模 控制系统的控制效果最好，系统采用模糊自适应p i d 控制最合 压力；控制系统；复合控制；建模：仿真 s t e a mr o t a t i o np a r t sa n ds t a t i cp a r t sc a l ln o tb ei nc l o s ec o n t a c t e d ，w em u s t m a i n t a i nac e r t a i ng a pt op r e v e n ta c c i d e n t s d u et oc l e a r a n c e ，r e s u l ta s m a l lp a r to f t h es t e 锄d o e sn o td ow o r k ，f l o wt ot h ea i rf r o mt h ec l e a r a n c e ，r e d u c e d t h e e f f i c i e n c yo fs t e a m s os t e a ms e a lm u s tb ep l a c e db e t w e e nt h er o t a t i n gp a r t sa n d s t a t i o n a r yp a r t s t h es t e a ms e a lp r e s s u r eh a sv e r yt r e m e n d o u si n f l u e n c et o t h e e f f i c i e n c yo ft h et u r b i n e i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h et u r b i n e ，u s u a l l y u s i n gt h es t e a ms e a lp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m f o rt h ec o n t r o lo fs t e a ms e a lp r e s s u r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et u r b i n et e c h n o l o g y ，t h er e q u e s t st ot h es t e a ms e a l p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m sp e r f o r m a n c ea r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r t h e r e a r e m a n yp r o b l e m si nt h ec u r r e n t l yu s e ds t e a ms e a lp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo fo n e m o d e lm a r i n et u r b i n ed u r i n gi tb eu s e d ，a n di t n e e dt ob ei m p r o v e di no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h et u r b i n e t h i st h e s i st a k e st h eo r i 西n a ls t e a ms e a lp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e ma sr e s e a r c h o b j e c t f i r s t l y ，a n a l y s i si t s s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e ，t h ec o n t r o ls y s t e mu s ep u r e w a t e ra st h ew o r k i n gm e d i u m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o ls y s t e m s a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mm o d e l i n gm e t h o d s ， u s et h e “g r a yb o x m o d e l i n gm e t h o df o rm o d e l i n gt h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m a n d u s et h es i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r mo fm a t l a bf o rs i m u l a t i o n ，g e tt h es y s t e m r e s p o n s ec u r v ea n dd e v i a t i o n c u r v e so fa l lt h ec i r c u m s t a n c e s ，a n a l y s i st h e p r o b l e m so ft h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h e s ec u r v e b e c a u s eo ft h e t i m e d e l a vo ft h es y s t e m ，u s et h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sd i f f i c u l tt o r e a c hag o o dr e s u l t s o ，a c c o r d i n gt o t h e s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，af u z z y s e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e ra n d a f u z z y - p i dc o m p o u n dc o n t r o l l e rw e r ed e s i g n e dt o m a k ei m p r o v e m e n tt ot h es y s t e m a f t e rt h a t ，w eo b t a i nt h e s i m u l a t i o nc u r v e t h r o u g ht h es i m u l a t i o nt 0 0 1 f i n a l l v c o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et h r e es y s t e m sa c c o r d i n g t ot h e o r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m ，f u z z ys e l f - t u n i n g p i dc o n t r o ls y s t e ma n df u z z y 。p i d 哈尔滨一f ：稗大学硕十学何论文 肇c o m p o u n dc o n t r o ls y s t e m s s i m u l a t i o n c u r v e a c c o r d i n gt o t h ec u r v e ，t h e ， l 耄 蓬 卜 p e r f o r m a n c e so ft h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef u z z y p i d c o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mh a v eag r e a tp r o m o t i o nc o m p a r et ot h ep e r f o r m a n c eo f t h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m t h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o ls y s t e mh a st h e f a s t e s t s y s t e mr e s p o n s e ，s m a l l e s to v e r s h o o t ，m o s tp o w e r f u la n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t y s o ，t h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o ls y s t e mh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e i nt h e s et h r e ec o n t r o ls y s t e m sa n du s ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o ls y s t e mf o r s t e a mt u r b i n es t e a ms e a lp r e s s u r ec o n t r o lm o s ta p p r o p r i a t e k e yw o r d s ：s t e a ms e a lp r e s s u r e ；c o n t r o ls y s t e m ；c o m p o u n dc o n t r o l ；m o d e l i n g ； s i m u l a t i o n 哈尔滨t 稗大学硕十学1 寺：论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 本文研究的目的和意义1 1 3 国内外发展现状”2 1 3 1 国内外汽封压力控制技术发展现状2 1 3 2 国内外控制技术发展现状6 1 4 本文研究的主要内容8 第2 章pid 控制和模糊控制9 2 1p i d 控制技术”9 2 1 1p i d 控制的发展9 2 1 2 模拟p i d 控制1 0 2 1 3 数字p i d 控制一1 1 2 1 4p i d 控制参数整定1 3 2 1 5p i d 控制的局限性”1 4 2 2 模糊控制技术1 5 2 2 1 模糊控制的发展及优点1 5 2 2 2 模糊控制的数学基础1 6 2 2 3 模糊控制的设计方法1 8 2 2 4 模糊控制的局限性”1 9 2 3 模糊控制与p i d 的结合2 0 2 3 1 直接控制量型模糊p i d 控制器2 0 2 3 2 模糊自适应p i d 控制器2 1 2 3 3 混合型模糊p i d 控制器2 2 2 4 本章小结2 3 第3 章原汽封压力控制系统建模与仿真2 4 3 1 原汽封压力控制系统结构2 4 3 1 1 调节器结构“2 4 簟 1 毛 ， 。 哈尔滨。i ：稗人学硕十学f _ 奇：论文 3 1 2 执行机构结构2 5 3 1 3 调节机构结构”2 6 3 2 控制系统的工作原理2 6 3 3 原汽封压力控制系统建模2 7 3 3 1 建模的基本要求2 7 3 3 2 常用的建模方法2 8 3 3 3 采用“灰箱”建模法对系统建模2 9 3 4 原汽封压力控制系统仿真研究3 3 3 4 1 调节器仿真检验3 4 3 4 2 控制系统仿真”3 6 3 5 本章小结4 0 第4 章模糊自适应p id 控制设计与仿真掣4 1 4 1 模糊自适应p i d 控制设计4 1 4 1 1 系统总体结构设计“4 1 4 1 2 输入输出变量的选取与模糊化4 2 4 1 3 模糊变量隶属函数的确定4 3 4 1 4 模糊控制规则设计4 5 4 1 5 模糊推理”4 8 4 1 6 解模糊：4 9 4 2 模糊自适应p i d 控制系统仿真”5 1 4 2 1 输入输出的设置5 1 4 2 2 模糊控制规则的编写5 2 4 2 3 仿真结果及分析”5 3 4 3 本章小结5 7 第5 章模糊p ld 复合控制设计与仿真5 8 5 1 模糊p i d 复合控制设计”5 8 5 1 1 系统总体结构5 8 5 1 2 模糊控制器的设计5 9 5 1 3 切换开关的设计6 0 5 2 模糊p i d 复合控制仿真6 l 可 崎 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 5 3 三种控制系统性能比较6 5 5 4 本章小结6 6 结论6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 4 致谤 7 5 ， i 峥 埘 广 毋 气、 哈尔演t 稃大学硕十学传论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着现代工业的发展，汽轮机的应用范围越来越广，人们对越汽轮机的 要求也越来越高。由于汽封压力控制系统是大型汽轮机和船用汽轮机的重要 组成部分，它的性能将直接影响到汽轮机的工作效率，因此，世界各国许多 专家都在致力于提高汽封压力控制系统性能的研究。 1 2 本文研究的目的和意义 汽轮机是一种以蒸汽为工作介质，将蒸汽的热能转换为机械能的旋转机 械。汽轮机的转动部件与静止部件之间不能紧密接触，必须保持一定的间隙 来保证汽轮机的安全运行，防止相互摩擦而发生事故。汽轮机处于不同工作 状况下汽缸内的压力是变化的，当汽缸内的蒸汽压力高于外部大气压力时， 由于间隙的存在，致使小部分蒸汽没有做功，从各处间隙流入空气中，降低 了汽轮机的工作效率。汽轮机中很大一部分损失来自于各处间隙的漏汽损失。 同时，在汽轮机的低压端，由于汽缸内的压力低于外部大气压，汽轮机转子 穿出汽缸之处会有大量空气进入汽缸，导致机组真空被破坏，并增大了抽汽 器的负荷。为了既能保证汽轮机的安全运行，又能减少各处间隙的泄漏蒸汽， 提高汽轮机的工作效率，就必须在转动部件和静止部件之间设置汽封。 汽封是汽轮机不可缺少的重要组成部分，汽轮机汽封的性能对汽轮机的 工作效率有很大影响1 1 1 。为了确保汽轮机在任何一种工作状况下，汽轮机的 汽封压力在都处于一个特定范围，以确保不会因为大量蒸汽泄漏而造成汽轮 机工作效率降低、能源浪费，也不会让外部冷空气进入汽轮机内部破坏机组 的真空，降低汽轮机的输出力，一般会设置汽封压力控制系统。汽封压力控 制系统是汽轮机控制中独立的控制回路，在汽轮机运行中发挥着重要的作用。 汽轮机汽封压力控制系统的性能对于船用汽轮机显得更为重要，如果汽 封压力控制系统性能不佳，会导致蒸汽泄露量加大，船只的续航能力降低。 当蒸汽泄露非常严重时，由于船舱内部空间较小，会使得舱内的空气温度升 高，湿度加大，进而影响电气设备绝缘导致电气设备短路。 我国某型船用汽轮机目前使用的汽封压力控制系统在使用过程中存在着 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 6许多问题，不但影响汽轮机的工作效率以及汽轮机的输出力，而且还造成能 源浪费。所以需要采用新的控制方式对汽封压力控制系统进行改进，提高汽 轮机的工作效率及船只的续航能力。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国内外汽封压力控制技术发展现状 由于汽轮机汽封压力控制系统对汽轮机汽封性能以及汽轮机的工作效率 有着很大的影响，各国的技术人员都在不断寻求新的、有效的控制方式对汽 封压力进行控制。目前国内外汽封压力控制方式非常多，下面对最主要的几 种作下简单介绍： 1 操作人员通过转动手轮改变阀门的大小来对汽封压力进行控制 这种控制方式属于人工调节，它的优点在于控制系统结构简单、故障率 低、设计比较容易、造价低、工作人员操作方便，根据实际压力与目标之间 的压力差就可以加以调节。它的缺点在于自动化程度比较低，需要一个专门 _的技术人员随时对压力进行手动调节，发展空间不大，逐渐被自动控制方式 峰 所取代。 _ 2 利用传感器、阀门及执行机构和动力装置构成自动控制系统对汽封压 力进行控制 这种控制方式的优点在于设计和制造相对容易，可以直接选用传感器、 阀、动力装置等通用部件和设备构成完整的控制系统，容易实现系统的自动 控制、远程控制以及系统状态显示等复杂功能；这种控制方式的缺点是构成 系统部件和设备较多，导致故障率偏高，整个系统占用空间较大，系统的安 装比较复杂。 日本川崎公司液化天然气运输船采用的汽轮机汽封压力控制系统是这种 控制方式的典型代表。它主要由平衡箱、压力调节器、配汽机构组成。平衡 箱与汽轮机汽封连接，压力调节器为一密封水箱，该水箱将平衡箱中的压力 ” 转换为电信号输入控制器，由控制器控制2 个气动阀的开闭，从而决定往平 衡箱中供汽或排汽。平衡箱中蒸汽压力在0 1 2 m p a 0 1 2 2m p a 范围内变化。 在实际使用过程中，由于汽封母管压力范围小，调节阀门必须非常灵敏，导 致经常出现阀门频繁开闭不稳定现象，时问长了使阀门损坏或降低使用寿命。 2 囱固 图1 1 液化天然气船汽封压力控制原理图 3 采用自密封汽封系统对汽封压力进行控制 这种控制方式的优点在于安全可靠、工况适应性较好、运行操作量小和 热耗低。它的缺点是系统结构复杂，含有两套调压装置和喷水装置；由于是 高中压汽封的漏汽向低压汽封供汽，前者压力很高，当低压供汽压力适合时， 高中压缸汽封的漏汽压力升高可能引起汽封漏汽；汽封母管压力调节范围小， 而气动调节阀非常灵敏，经常频繁开闭，出现不稳定现象。 目前许多大型电站采用自密封汽封系统对汽封压力进行控制，它在机组 正常运行时，高、中压缸轴端汽封的漏汽经喷水减温后作为低压轴端汽封供 汽的汽轮机汽封系统。多余漏汽经溢流站溢流至低压加热器或凝汽器。在机 组启动或低负荷运行阶段，汽封供汽由外来蒸汽提供。自密封汽封系统从机 组启动到满负荷运行，全过程均能按机组汽封供汽要求自动进行切换，自密 封汽封系统所有调节阀由d c s 控制b 。 3 哈尔滨t 稗大学硕十学f 奇：论文 图1 2 自密封汽封系统结构 4 采用高度集成的机械液压设备对汽封压力进行控制 这种控制方式的优点在于整个系统由一台设备构成，系统集成度高，占 用空间很少，故障率低，安装比较容易。它的缺点是由于采用机械液压控制 方法，需要为控制系统设计、研制专用设备，并且对汽封压力实现远程控制、 状态显示较困难，不利于全船实现无人机舱，设备一旦出现故障很难维修。 在实际使用中经常出现调节装置过于敏感，频繁对汽封压力进行调节，出现 不稳定现象。 目前采用这种控制方式的控制器的工作介质分外水和液压油两种，使用 水为工作介质相对液压油而言，避免了液压油破裂、泄漏可能造成的火灾， 并且由于水本身对环境无污染，也避免了设备泄漏对环境的破坏。 某国产汽封压力控制系统采用液压油作为工作介质，该汽封压力控制系 统是由汽封压力调节器、平衡箱和配汽阀组成。配汽阀外壳上的两个垂直法 兰通过管道分别与废气总管和冷凝器相连。废气总管中的蒸汽通过配汽阀套 筒的上排孔口进入平衡箱，而平衡箱中的蒸汽又可以通过套筒的下排孔口进 入冷凝器。套筒的上、下排孔口的开启与否，以及开启的大小，由配汽阀的 滑套在套筒的位置决定。而配汽阀滑套的位置由汽封压力调节器根据平衡箱 中的蒸汽压力自动调节。 4 气 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 图1 3 工作介质为液压油的汽封压力调节装置 某进口汽封压力控制系统采用纯净水为工作介质。该控制系统由水压式 压力调节器、带节流器的旁通阀组件、平衡箱和配汽阀组成。 当汽封压力和额定压力不相等时，控制系统中的工作介质从水压式压力 调节器经带节流器的旁通阀组件进入伺服机的上腔体或下腔体，使伺服机的 活塞上升或下降。并通过杠杆把运动传给配汽阀的阀杆，从而控制配汽阀开 口大小。 。 r k 图1 4 工作介质为纯净水的汽封压力调节装置 5 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 1 3 2 国内外控制技术发展现状 控制理论的发展历经了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三 个阶段。其中p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，以其结构简单、稳 定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一p 1 。 国际上一些文章陈述了当前工业控制的状况：日本电子测量仪表制造协 会的一份调查报告表明9 0 以上的控制回路是采用p i d 控制策略。王伟等在 p i d 整定方法综述中也提到在全世界过程控制中用的8 4 仍是纯p i d 控制器， 若改进型包括在内则超过9 0 。一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型 的造纸厂一般有2 千多个控制回路，其中9 7 以上是p i 控制。由此可见，在 实际生产过程控制中，p i d 控制最为常用。 对于具有线性特性的被控对象，调试好p i d 控制器的三个参数后，便可 投入生产运行。但传统的p i d 控制适用于能够建立精确数学模型的确定性控 制系统，对于那些具有高度非线性，时变不确定性和大时滞对象，难以确立 精确数学模型的系统，应用常规p i d 控制器难以实现有效控制。在实际工业 过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高阶非线性、时变、纯滞后等 特点。在噪声、负载扰动和其他一些环境条件变化的影响下，过程参数甚至 模型结构均会发生变化，采用传统p i d 控制器，难以获得满意的控制效果。 当参数变化超过一定的范围时，系统性能就会明显变差，致使p i d 控制难以 发挥作用。 基于以上原因，智能控制在近几十年得到了快速发展。智能控制是控制 发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制， 目前智能控制的主要形式有以下几种： ( 1 ) 以模糊系统理论为基础的模糊控制。模糊控制是以模糊集合、模糊 语言变量、模糊推理为其理论基础，以先验知识和专家经验作为控制规则。 其基本思想是用机器模拟人对系统的控制，就是在被控对象的模糊模型的基 础上运用模糊控制器近似推理等手段，实现系统控制卜1 。模糊控制不需要建 立精确的数学模型，对非线性、时变以及时滞系统的控制效果比较好。但它 本质上属于比例微分控制，由于没有积分环节，消除系统稳态误差的能力比 较差，在理论上讲模糊控制总会是存在静差，模糊控制器设计中通常会对控 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 制规则条数和控制精度采取折中处理，所以很难达到很高的控制精度。 ( 2 ) 基于脑模型的神经元网络控制。神经网络是由多个简单的处理单元 彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统，该系统通过对连续或间断式 的输入作状态响应而进行信息处理。虽然每个神经元的结构和功能十分简单， 但由大量神经元构成的网络系统的行为确实丰富多彩和十分复杂例。神经网 络具有并行计算、分布存储、可变结构、高度容错、非线性运算、自我 组织、自学习等特性，这些特性是人们长期追求和期望的系统特性。它 在智能控制的参数、结构或环境的自适应、自组织、自学习等控制方面 具有独特的能力。神经网络可以和模糊逻辑一样适用于任意复杂的对象控 制。但神经元网络也有一定缺陷，主要是学习速度较慢，容易收敛到局部最 小点，控制的稳定性等也还需要进一步深入探讨一。 ( 3 ) 基于知识工程的专家控制系统。专家系统就是一种在相关领域中 具有专家水平解题能力的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的 经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能解决的 困难问题。它具有两个要素：一是知识，分为数据级、知识级、和控制级 三个层次。二是推理，它是专家系统的“思维”机构，模拟领域专家的 思维过程，求解领域内的现实问题7 1 。专家系统也有一定缺点，如果知识 库中没有所需的信息时，也就无能为力了，用专家系统所构成的专家控制， 无论是专家控制系统还是专家控制器，其相对工程费用较高，而且还涉 及自动地获取知识困难、无自学能力、知识面太窄等问题。所以专家控 制的实际应用相对比较少。 ( 4 ) 最优控制。最优控制是使控制系统的性能指标实现最优化的基本 条件和综合方法。它可以概括为：对一个受控的动力学系统或运动过程， 从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由 某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。 ( 5 ) 各种方法的综合集成。针对一些被控对象，往往不能从上面所述的 各种方法中选取一种来满意地解决实际问题。其中也要考虑传统的基于部分 数学模型的控制方法。例如模糊控制可与传统控制相结合来解决精度问题， 与专家控制相结合解决动态品质问题。神经元网络用于控制，不仅能处理精 确知识，也能处理模糊信息，由此而产生模糊神经元控制。按照智能控制的 7 人 哈尔滨下祥大学硕十学何论文 递阶原则，最上层智能程度最高，可采用思维推理方法，如逻辑推理和直觉 推理等；中间层次智能程度较低，可用模糊控制的方法，将最高层推理的定性 知识转换给下一级可接受的定量知识；低层控制级可利用所有的常规控制方 法嘲。 1 4 本文研究的主要内容 在查阅国内外相关文献和了解当前这一领域研究状况与控制方法发展趋 势的基础上，本文以某型船用汽轮机汽封压力控制系统为研究对象，主要内 容有以下几个方面： 1 针对原有控制系统的结构以及工作原理进行分析，根据控制系统的特 点选择“灰箱 建模方法进行数学模型的建立，并利用m a t l a b 软件中的 s i m u l i n k 仿真工具对系统初始压力小于额定压力、大于额定压力以及给稳定 系统突然施加偏差干扰信号三种情况进行仿真，根据仿真曲线分析原有控制 系统所存在的问题以及产生问题的原因。 2 根据系统特点选取模糊自适应p i d 控制和模糊p i d 复合控制两种控 制方式分别对原汽封压力控制系统进行改进，并利用s i m u l i n k 仿真工具对新 的控制系统进行仿真，根据仿真曲线分析新控制系统的动态特性和静态特性。 3 结合原控制系统、模糊自适应p i d 控制系统以及模糊p i d 复合控制 系统的仿真曲线，对三种控制系统的性能进行对比。 8 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 第2 章p i d 控制和模糊控制 由于本文后面采用模糊自适应p i d 控制和模糊p i d 复合控制两种方法对 原控制系统进行改进，下面分别介绍p i d 控制和模糊控制各自的原理和特点 以及目前p i d 控制和模糊控制之间的结合技术。 2 1p i d 控制技术 偏差的比例、积分、和微分通过线性组合构成控制量对被控对象进行控 制，这样的控制方法称为p i d 控制。p i d 控制本身是一种基于对“过去”、 “现在和“将来”信息估计的简单但却有效的控制算测川。在工业过程控 制中，p i d 控制是历史最悠久，生命力最强的控制方式，并以其独特的优点 成为最常用的控制方法。尽管自1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出， 特别是后来智能控制的出现，对p i d 控制带来巨大威胁，但p i d 控制器以其 能够满足实际控制的应用需求和具备应用实现的条件等优点，仍被广泛应用 于各种工业过程控制中n 。目前全世界工业过程控制中约8 4 仍采用纯p i d 控制器，若加上改进型则超过9 0 。 2 1 1p i d 控制的发展 p i d 控制器有着悠久的历史，在十七世纪中叶至二十世纪二十年代，由 于机器工业的发展，对控制提出了要求，反馈的方法首先被提出，在研究气 动和电动记录仪的基础上发现了比例和积分作用，形成了p 和p l 控制器。仪 表工业的重心是使p i d 控制技术能跟上工业技术的最新发展，在二十世纪三 十年代晚期泰勒仪器公司发现了微分作用，这个发现具有十分重要的意义， 它能对系统的动态性能进行调节，把微分作用与先期提出的比例和积分作用 组合在一起成为我们今天所熟知的p i d 控制。微分控制的加入也标志着p i d 控制成为一种标准结构，它以结构简单、可靠性高、鲁棒性能好、算法简单 和稳定性好等特点，成为工业过程控制中最常用的控制方法。 1 9 4 2 年，z i e l g e r 和n i c h o l s 等人用实验的方法分别研究了比例、积分和 微分这三部分在控制中的作用，提出了p i d 控制器参数整定的问题，随后有 许多公司和专家投入到这方面的研究。后来新控制技术的发展要求更精确的 9 哈尔滨下稃人。硕十学位论文 p i d 控制，从而刺激了p i d 控制参数整定技术的发展，并取得很多成果。如 最优控p i d 制、预估p i d 控制、自适应p i d 控制、自校正p i d 控制、模糊 p i d 控制、神经网络p i d 控制、非线性p i d 控制等高级控制策略来调整p i d 参数。 近几十年来p i d 控制得到了快速发展，从电气控制到电子控制再到数字 控制，p i d 控制器的体积也再逐渐变小，但性能却在不断提高。现代控制技 术的发展对于p i d 控制技术的发展起了很大的推动作用。一方面各种新的控 制思想不断被应用于p i d 控制器的设计之中，另一方面是使用新的控制思想 设计出具有l a i d 结构的新控制器，p i d 控制技术被注入了新的活力1 1 。 p i d 控制在工业控制中的应用范围非常广泛，对于不同的控制对象，选 择的控制器也往往不同。在目前工业过程控制中，p i d 控制主要分为模拟p i d 控制和数字p i d 控制，下面分别介绍两种p i d 控制的原理及特点。 2 1 2 模拟p i d 控制 模拟p i d 控制系统原理如图2 1 所示： 图2 1 模拟p i d 控制系统原理图 模拟p i d 控制器是一种线性控制器，它把给定值，与系统实际输出值 y ( f ) 构成的偏差p ( f ) 作为其输入，即： e ( f ) = ，( f ) 一y ( f )( 2 1 ) 将偏差e ( f ) 的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量“o ) ，对被控对 象进行控制。其控制量的表达式为： 喇嵋h 拶+ l 警l ( 2 - 2 ) 式中：k 。比例系数 l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 z 积分时间常数 瓦微分时间常数 p i d 控制中三个控制参数的选择非常重要，控制效果的好坏在很大程度 上取决于系统的控制参数的选择。比例环节能够及时成比例地反映控制系统 的偏差信号，系统一旦产生偏差，控制器就立即产生调节作用来减少系统偏 差；积分环节的引入主要用于消除系统稳态误差，积分作用的强弱和积分时 间常数z 有密切关系，积分时间常数互越大，积分环节产生的作用就越弱， 反之则越强。微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作 用。微分环节的引入能够改善闭环系统的动态响应速度以及稳定性，它能够 反映系统偏差变化趋势，在偏差变太大之前，给系统引入一个修正信号，从 而加快系统的响应速度，减小调节时间，改善系统的动态性能。 2 1 3 数字p i d 控制 模拟p i d 控制器的输入输出变量均为模拟量，如压力、流量、电压、电 流等。随着科学技术和计算机技术的飞速发展，用计算机组成数字p i d 控制 系统，它可以实现控制策略及p i d 参数的改变，这是模拟p i d 控制器所无法 实现的n 2 1 。当使用计算机实现对被控对象的控制时，控制器的输入输出为数 字离散量。所以必须先将常规p i d 控制规律的连续形式变成离散形式，然后 利用计算机编程实现。目前实际工业过程控制应用中大多数采用了数字p i d 控制器。与模拟p i d 控制器相比，数字p i d 控制器由于采用计算机程序进行 控制，因此具有较好的灵活性，容易克服模拟p i d 控制中所存在的问题，并 且经修正可以得到更完善的数字p i d 算法。数字p i d 控制算法一般可分为位 置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。下面分别对两种方法的原理及特 点进行介绍。 ( 1 ) 位置式p i d 控制算法 计算机控制属于采样控制，模拟p i d 控制中的积分和微分项不能直接应 用，需要进行离散化处理。当采样周期相当短时，以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，用求和代替积分，用增量代替微分，即做如下近似变换： 哈尔滨一i ：稗大学硕十学忙论文 i i i l l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i t k t 船肛丁荟k 叫r ) 一荟k 刚) ( 2 - 3 ) d e ( t ) 。，e ( k t ) - e ( k - 1 ) t 。，e ( k ) - e ( k - 1 ) a r ttt 式中：k 采样序号k = o ，1 ，2 ， 丁采样周期 上述离散化过程中，采样周期丁必须足够短，才能保证有一足够的精度。 将e ( k t ) 简化表示成e ( 尼) 等，即省去z 。将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，可得离散 的p i d 表达式为： 比( 七) = k p 【e ( 七) + 号囊e ( j ) + l 墅型垡半 ( 2 4 ) 式中：u ( k 1 第k 次采样时刻的输出值 e ( 七) 第k 次采样时刻的输入偏差值 e ( k d 第k 一1 次采样时刻的输入偏差值 用k iak p 争，k d i i d 代入式( 2 - 4 ) 篌j t ： | l i _ l u ( k ) tk ，p ) + k ；罗e ( j ) + k “ ) 一g 一1 ) 】 ( 2 5 ) 硒 由于采用控制器的控制量u ( k ) 直接去控制执行机构，控制量u ( k ) 的值和 执行机构的位置是一一对应的，所以式( 2 4 ) 或( 2 5 ) 称为位置式p i d 控制算法。 位置式p i d 控制算法有它自身的缺点：由于控制量是全量输出，它的每 次输出都与系统过去的状态有关，计算时需要对系统误差进行累加，计算量 非常大。并且控制器的输出u ( k ) 和执行机构的位置是一一对应的，控制器出 现故障时会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况在工业过程控制中是 不允许发生的n3 1 。基于以上位置式p i d 控制算法的缺点，人们对控制算法进 行了改进，产生了增量式p i d 控制算法。 ( 2 ) 增量式p i d 控制算法 增量式p i d 控制算法指控制器的输出为控制量的增量l ( 尼) 。当控制系 统执行机构需要的是控制量的增量时，应采用增量式p i d 控制。根据递推原 理可得： 1 2 哈尔滨- i - 程大学硕十学何论文 t j “( 七一1 ) = k 。e ( 七一1 ) + k ie e ( j ) + k d 【e ( 七- 1 ) - e ( k 一2 ) 】 ( 2 - 6 ) 同 用( 2 5 ) 式减去( 2 6 ) 式可得增量式p i d 控制算法： a u ( k ) = k e ) 一e - 1 ) 】+ k ，e ( 七) + k 。p ) 一勉( 七一1 ) 一e 一2 ) 】 ( 2 7 ) 用t i e ( k ) = e ( k ) 一e ( k 一1 ) 代入式( 2 7 ) 得到 a u ( k ) = k 。a e ( k ) + k f e ( k ) + k d 【a e ( k ) 一a e ( k 一1 ) 】( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 被称为增量式p i d 控制算法。 增量式控制虽然只是在位置式p i d 控制算法的基础上作了一点改进，却 带来了不少优点： 1 当计算机发生故障时，由于执行装置具有信号的锁存作用，故能保持 原值，只变动增量值。 2 位置式算法由于积分项可能使增量超过执行机构的线性区，产生积分 饱和，引起非线性，而增量式算法可使积分饱和得到改善，超调量减小，过 渡过程时间缩短，系统的动态性能有所提高。 3 算式中不需要累加，当存在计算误差时，对输出的影响比较小，且容 易通过加权处理获得较好的控制效果。 4 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的 方法去除，对系统安全运行有利。 但增量式控制算法也有其不足之处：存在稳态误差，积分截断效应大等。 尽管如此，在实际工业过程控制中，增量式p i d 控制算法仍比位置式的使用 广泛得多卅。 2 1 4p i d 控制参数整定 p i d 控制器参数整定是指在控制器