循环流化床锅炉床温的预估滑模控制.pdf

第3 6 卷第5 期 动力 工 程 学报 V 0 1 3 6N o 5 2 0 1 6 年5 月 J o u r n a lo fC h in e s eS o cie t yo fP o w e rE n g in e e r in g M a y2 0 1 6 文章编号：1 6 7 4 7 6 0 7 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 3 6 5 0 7中图分类号：P 2 7 3 文献标志码：A学科分类号：4 7 0 2 0 循环流化床锅炉床温的预估滑模控制 朱红霞1 2，沈炯1 ，李益国1 ( 1 东南大学能源与环境学院，南京2 1 0 0 9 6 ；2 南京工程学院能源与动力工程学院，南京2 1 1 1 6 7 ) 摘要：针对大惯性、大滞后热工过程因负荷、煤种和环境条件的改变以及模型简化等带来的不确 定性，设计了一种便于运行人员理解和工程实现的预估滑模控制方案首先基于标称工况下辨识得 到的二阶加纯滞后( S O P D T ) 模型，构建一个无迟延输出预估模型，用于过程输出值的预测，然后通 过合理设计滑模函数和不确定上界自适应估计的滑模控制律，使得具有不确定性的闭环系统能在 任何外扰的作用下保持渐进稳定针对循环流化床锅炉床温对象的仿真实验结果表明：采用该预估 滑模控制方案的床温控制系统调节速度快、超调量小且具有很强的抗干扰能力 关键词：预估滑模控制；S O P D T 模型；不确定性；循环流化床；床温 P r e d ict iv eS lid in gM o d eC o n t r o lo nB e dT e m p e r a t u r eo fC F BB o ile r s Z H U H o n g x ia l，S H E NJ lo n 9 1 ，L 1Y ig u 0 1 ( 1 S ch o o lo fE n e r g ya n dE n v ir o n m e n t ，S o u t h e a s tU n iv e r s it y ，N a n j in g2 1 0 0 9 6 ，C h in a ；2 S ch o o lo f E n e r g ya n dP o w e rE n g in e e r in g ，N a n j in gI n s t it u t eo fT e ch n o lo g y ，N a n j in g2 111 6 7 ，C h in a ) A b s t r a ct ：T ot a ck let h eu n ce r t a in t ie sca u s e db yv a r ia t io n so flo a d ，co a la n de n v ir o n m e n t a lco n d it io n sa s w e lla sb ym o d e l s im p lif ica t io n ，ap r e d ict iv es lid in gm o d eco n t r o ls t r a t e g y ，w h ichise a s ilyu n d e r s t a n d a b le a n da p p lica b leinp r a ct ice ，w a sp r o p o s e df o rt h et h e r m a lp r o ce s s e sw it hla r g ein e r t iao rt im ed e la y F ir s t ly ， ap r e d ict iv em o d e lw it h o u to u t p u td e la yw a se s t a b lis h e dt oe s t im a t et h ep r o ce s so u t p u tb yu s in gas e co n d o r d e rp lu sd e a d t im e ( S O P D T ) m o d e lo b t a in e dinn o m in a l ca s e S e co n d ly ，ar e a s o n a b les lid in gf u n ct io n a n das lid in gm o d eco n t r o lla ww it ha d a p t iv e lye s t im a t e du n ce r t a inu p p e rb o u n dw e r ed e s ig n e dt oa s y m p t o t ica llys t a b iliz et h eclo s e d lo o ps y s t e mw it hu n ce r t a in t ie sa n dd is t u r b a n ce s O nt h eb a s isa b o v e ，n u m e r ica l s im u la t io n sw e r eco n d u ct e do nb e dt e m p e r a t u r eo facir cu la t in gf lu id iz e db e d ( C F B ) b o ile r R e s u lt ss h o w t h a tt h eco n t r o l s t r a t e g yp r o p o s e disf a s tinb e dt e m p e r a t u r er e g u la t io nw it hs m a llo v e r s h o o ta n ds t r o n ga n t i d is t u r b a n ce ca p a b ilit y K e yw o r d s ：p r e d ict iv es lid in gm o d eco n t r o l；S O P D Tm o d e l；u n ce r t a in t y ；cir cu la t in gf lu id iz e db e d ；b e d t e m p e r a t u r e 由于循环流化床( C F B ) 锅炉具有燃烧效率高、 燃料适应性广和低污染等优点1 | ，因而近年来在国 内外受到广泛重视，并得到迅速发展C F B 锅炉在 动态特性上不同于煤粉炉和重油炉，主要表现在锅 收稿日期：2 0 1 5 - 0 6 2 9 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 1 4 7 6 0 2 7 ) ；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 2 0 1 3 0 0 9 2 1 1 0 0 6 1 ) ；南京工程学 院青年基金资助项目( Q K J A 2 0 1 3 0 3 ) 作者简介：朱红霞( 1 9 8 0 一) ，女江苏南通人，副教授，博士研究生，研究方向为先进控制理论在热工过程中的应用 电话( T e l) ：1 3 5 1 2 5 3 5 2 5 6 ；E m a il：z h x ia n j it e d u cn 动力工程学报 第3 6 卷 炉燃烧室内流化层大容量的热平衡特性床层温度 是直接影响C F B 锅炉能否安全连续运行的重要控 制参数，为保证锅炉处于最佳燃烧条件，运行时床温 一般控制在8 5 0 9 5 0 ，此时炉内脱硫效率高且 N q 的生成量小目前，工程上C F B 锅炉床温控制 系统大多采用传统的P I D 控制方法；理论研究方 面，模糊控制 1 。2 、自抗扰控制 3 和预测控制 4 。5 等先 进控制方法已被应用到床温控制中 采用C F B 锅炉的机组一般均会直接参与调峰， 因而会频繁变负荷运行一些电厂在煤炭供应紧张 期间，其燃料来源多样化，导致煤质经常发生变化 运行工况的调整、煤质的变化、环境的改变以及控制 系统设计中对模型的简化和近似等，都不可避免地 给系统带来各种不确定性，而且这些不确定性还会 随着系统动态的演化而改变，从而严重影响控制系 统的实际性能应对不确定性的影响，一种可行的控 制策略是采用鲁棒控制，但目前采用较多的H 。鲁 棒控制等方法理论性较强，不利于运行人员的理解 和工程实现滑模控制( S M C ) 是一种特殊的鲁棒非 线性控制器，由于滑动模态可以进行设计且与对象 参数及扰动无关，所以S M C 具有响应快速、对参数 变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识和物理实现 简单等优点 6 。7 鉴于滑模控制在处理不确定性和抗 干扰方面的绝对优势，笔者针对C F B 锅炉床温等复 杂热工对象，从便于工程实际应用的角度出发，设计 了一种简单而新颖的预估滑模控制方案，并通过仿 真实验验证了其有效性 1 a m 锅炉床温被控对象的动态特性 C F B 锅炉运行过程中影响床温的因素很多，如 给煤量、一次风量、二次风量、石灰石量、排渣量和返 料量等目前，国内的C F B 锅炉主要通过给煤量和 一次风量进行床温调节仇韬 8 以金陵石化热电厂 的6 号炉( 2 2 0t h 循环流化床锅炉) 为试验对象，在 不同负荷和不同煤种情况下对其动态特性进行了分 析，并给出不同工况下的床温对象模型 给煤量一床温通道的传递函数( 未考虑给煤的传 输迟延) 为： 1 一o G 盯( s ) 一K B 万鲁 岂毛 ( 1 ) k 11 - B S ， 一次风量一床温通道的传递函数为： 1 G v r ( s ) = K F 万鲁 ； ( 2 ) L 11 _ F 5 ， 式中：K 。和K ，均为静态增益；r 。、T B 、r F 和T F 为 时间常数，均随运行工况的不同而变化 仇韬 8 通过相关性分析和不同工况下的仿真计 算，建立了式( 1 ) 和式( 2 ) 中的各参数与负荷和煤种 性能指数之间的关系，利用函数关系可以直接根据 负荷和煤质确定出当前工况下C F B 锅炉床温对象 的传递函数模型但其提供的模型未考虑燃料的传 输迟延若考虑传输迟延，给煤量一床温通道的动态 特性可表示为： 1 。 G B T ( s ) 一K B 万鲁 半西e r o 5 ( 3 ) L 11 - B 5 ， 式中：r o 为给煤量在传输环节的迟延时间，S 根据实 际经验，近似估计r o = 3 0S 表1 给出了C F B 锅炉在9 0 、8 0 和7 0 3 个不同负荷下分别采用大同烟煤、阳山无烟煤和兴 隆褐煤时床温的传递函数模型参数图1 给出了在 不同负荷和不同煤种下，给煤量阶跃扰动和一次风 量阶跃扰动下床温的动态响应特性 表I不同负荷下C F B 锅炉采用不同煤种时床温的传递 函数模型参数 T a b 1 M o d e l p a r a m e t e r sf o rb e dt e m p e r a t u r eo fC F Bb o ile r a td if f e r e n to p e r a t in gp o in t s ( a ) 给煤量阶跃增力( 1 ，) 一次J x I 量阶跃增加 图1 不同工况下C F B 锅炉床温的阶跃响应曲线 F ig 1S t e pr e s p o n s eo fb e dt e m p e r a t u r eo fC F Bb o ile ra t d if f e r e n to p e r a t in gp o in t s 从图1 可以看出，给煤量阶跃增加时，床温先下 降，再逐渐上升到新的平衡状态一次风量阶跃增加 第5 期朱红霞，等：循环流化床锅炉床温的预估滑模控制 时，床温在短时间内先上升，再逐渐下降到新的平衡 状态床温在初始阶段具有逆响应特性，这给控制系 统的设计带来困难而且负荷的变化会显著影响 C F B 锅炉床温的动态特性如低负荷时给煤量一床温 的静态增益高于高负荷时的静态增益，并且低负荷 时床温的动态响应时间比高负荷时稍长低负荷时 一次风量一床温的静态增益高于高负荷时的静态增 益，并且低负荷时床温的动态响应时间比高负荷时 要短此外，煤质的变化也会影响床温的动态特性， 如低位发热量较高的大同烟煤对应的给煤量一床温 静态增益要高于低位发热量较低的兴隆褐煤对应的 给煤量一床温静态增益 2基于S o P D T 模型的预估滑模控制 方案 传统滑模控制系统一般基于全状态反馈实现， 要求系统的状态向量信息是完全可测或可得的，这 在实际工业过程控制中往往很难满足，因此，这里考 虑直接利用系统的输出信息设计滑模面用于大惯 性、大迟延热工过程非线性调节的预估滑模控制方 案如图2 所示，其基本结构与传统S m it h 预估控制 系统类似，因而十分便于现场运行操作人员的理解 图2 中，y ( ) 为被控对象的实际输出值；，( ) 为Y ( ) 的设定值信号；“( ) 为控制量；硼( ) 为作用于被控对 象的扰动；y 。( ) 为标称模型的输出；Y 。( t ) 为预估模 型的输出；多( + r l) 为修正后的过程输出预测值； 为滑模函数值其设计思路为：首先在标称工况下辨 识得到被控对象的二阶加纯滞后( S e co n d o r d e r P lu sD e a d t im e ，S O P D T ) 模型，根据S O P D T 模型 构建一个无迟延输出预估模型，并根据Y ( t ) 与标称 模型输出Y 。( t ) 的误差来对过程输出预测值Yr ( ) 进行实时修正，从而提高过程输出的预测精度；然后 通过合理设计滑模函数和滑模控制律，使得具有不 确定性的闭环系统在任何外扰作用下都能保持渐进 稳定 图2基于S O P D T 模型的预估滑模控制方案 F ig 2 P r e d ict iv es lid in gm o d eco n t r o ls t r a t e g yb a s e do n S O P D Tm o d e l 2 1基于S o P D T 模型的预估模型 工程上，通常用一阶加纯滞后( F ir s t o r d e rP lu s D e a d t im e ，F O P D T ) 模型或二阶加纯滞后( S O P D T ) 模型描述被控对象的动态特性相比于F O P D T 模 型，S O P D T 模型具有更广泛的适用性，采用S O P D T 模型近似逼近高阶对象得到的精度通常很高， 足以满足生产过程中控制器设计对模型精度的要 求，因此，笔者基于S O P D T 模型设计滑模控制器 假定在标称工况下辨识得到被控对象的S O P D T 传递函数模型为： G m 一两耳翕而e 一一再去百e ( 4 ) 式中：K 、T 、 和r 分别为稳态增益、自然振荡周期、阻 尼系数和过程的迟延时间；n 。一1 r ，a 。一2 r T ，b 。一 K T 2 对应的二阶微分方程为： 歹。( ) + a 2 岁。( ) + n 1 Y 。( ) 一b 1 “( t r ) ( 5 ) 式中：U 和Y 。分别表示标称模型的输入和输出 将迟延时间r 从式( 5 ) 中移除，可得无迟延预估 模型： 歹f ( ) + a2 多I ( f ) + a lY f ( ) 一b l“( ) ( 6 ) 式中：Y ，( ) 为利用无迟延模型得到的超前一个迟延 时间段r ( 即+ r 时刻) 的输出估计值 为了能够在有建模误差和未测干扰时提高预测 的准确性，实际应用时可通过式( 7 ) 对过程输出预测 值进行修正 多( t + rl) 一y ( ) 一y 。( ) + y f ( z ) ( 7 ) 式中：多( + r I ) 为基于t 时刻的信息得到的+ r 时刻 的过程输出预测值；y ( f ) 为t 时刻实际的过程输出 2 2 滑模控制器设计 一般的热工调节问题，要求被控对象的被控变 量y ( ) 能够跟踪其期望的设定值信号r ( ) ，并能抑 制各种干扰对系统输出的影响因而，控制器设计的 目的是使实际输出能够跟踪其设定值或维持在其设 定值附近，使得误差趋近于零 考虑一个不确定模型： 多f ( f ) + a2 岁f ( f ) + a lY f ( ) 一b l“( ) + d ( ) ( 8 ) 式中：d ( ) 为被控过程总的不确定性，包括参数不确 定性和外部干扰假定d ( t ) 是有界的，ld ( t ) I p ， p O 为不确定性的上界值 首先，选择滑模函数( t g 称切换函数) 为： 5 ( ) 一A e ( ) + i( t )( 9 ) 式中：P ( ) 一r ( ) 一yr ( f ) ；A 为滑模系数 因滑模面上s ( ) 一o ，则由式( 9 ) 可得到滑模运 动方程： 叠( ) 一一A e ( )( 1 0 ) 合理选择滑模系数A 可确保滑动模态渐进稳定 动力 工 程学报 第3 6 卷 且具有良好的动态品质这里只需令2 0 就可将式 ( 1 0 ) 的特征值配置在左半平面，从而保证理想滑动 模态的渐进稳定，误差e ( ) 及其变化率j ( f ) 将以指 数衰减率趋向于零，其衰减的速率可以通过A 值来 调整 选择好滑模面后，接下来需要设计控制律，以保 证满足滑动模态存在条件S ( f ) j ( f ) 0 ；声为不确定性上界1 0 的估计值 滑模控制律甜( t ) 由2 部分组成，第1 项U 。( t ) 为令j ( f ) 一0 时根据标称系统对应的式( 6 ) 得到的 等价控制量，第2 项“。( t ) 为用于克服系统不确定 性的切换( 滑模监督) 控制量 滑模控制器设计一般需要知道不确定性的上 界，但这些上界值实际上难以得到为此，使用自适 应技术来对不确定性上界进行估计，式( 1 2 ) 为不确 定性上界估计值的自适应更新律 1 万一三IS ( t ) l ( 1 2 ) 7 式中：y 为自适应增益，y 0 当选用式( 9 ) 所示的滑模函数，将滑模控制律式 ( 1 1 ) 作用于不确定模型式( 8 ) 时，闭环系统能够渐进 稳定证明如下： 选择如下的非负李亚普诺夫L y a p u n o v 函数 1 V 一 s 2 ( ) 4 - 即2 ( 1 3 ) 厶 式中：0 一b - p ，为不确定性上界的估计误差 对滑模函数式( 9 ) 求微分并代人控制律式( 1 1 ) ， 可得： ；( f ) = 2 tF ( f ) + 孑( ) 一A 产( f ) 一岁f ( ) + ( ) 一 妨( f ) 一A i( f ) 一多f ( ) + ( ) 一 一n 1 M ( f ) 一 a 2 多f ( ) + 6 1 “( ) + d ( ) ) = A 产( f ) 一多f ( ) + 尹( ) + n ly f ( f ) + 口2 歹f ( ) - - b l 6 r 1 ( A ，( f ) + ( ) + a 1y f ( f ) + ( a 2 一A ) 歹f ( t ) ) + U N 一 d ( ) ) 一一( a + 占) s ig n ( s ) 一d ( f ) ( 1 4 ) 且可知万一石，因而进一步有 V s ( ) j ( f ) + y 声声一一口l s ( ) l一声ls ( ) l s ( ) d ( f ) + y ( 扫一1 0 ) ，一一口ls ( ) l一西Is ( ) I s ( ) d ( ) + ( b - p ) 1s ( ) l一一口ls ( f ) I p ls I ( 1 + 等姘) 刊m ) I ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 中，若5 ( t ) 0 ，则V o 当设定值信号r ( t ) 阶跃变化时，其微分运算 ，：( ) 及 ( ) 会带来微分冲击输出信号，使执行器大 幅度动作，导致Y ( t ) 产生很大超调，所以一些工业 控制器只对测量到的y ( t ) 进行微分运算但若完全 取消设定值的微分信号会使控制系统的快速跟踪能 力大大减弱为了既能避免过程出现急剧变化的输 入和输出，又能兼顾到系统的快速跟踪能力，工程实 际中通常对设定值信号进行平滑滤波处理，得到新 的参考轨迹： y ，( f ) 一( 1 一口，) y ，( z T ，) + 口，r ( ) ( 1 7 ) 式中：口，为滤波系数，0 口。 1 ；T 。为采样周期；参 考输出y ，( f ) 的初值Y ，( 0 ) 一y ( O ) 热工过程被控量的设定值信号一般为恒定值， 或按一定规律平稳变化的信号，多数情况下 ( ) 0 ，因此可简化滑模控制律式( 1 1 ) ，令尹( ) 一0 同时 考虑到对过程输出预测值的修正，用式( 7 ) 中计算得 到的多( + r I ) 代替式( 1 1 ) 中的yr ( t ) ，可得到如下 利于工程实现的滑模控制律： “( r ) = h il A 歹，( f ) + 口1 多( + r I f ) + ( n 2 一A ) 歹( + r I ) + b T l( 口+ 声) s a t ( ；p ) ( 1 8 ) 其中滑模函数 ；一y ，( ) 一多( + r I ) + 歹，( t ) 一歹( + r If ) ， 第5 期朱红霞，等：循环流化床锅炉床温的预估滑模控制 歹( f + r l) 一岁f ( ) 若被控对象具有参数不确定性和外部干扰，可 以用下面的不确定模型表示： 歹( ) + ( 乜2 + A a 2 ) 歹( ) + ( 口l+ A a l) y ( ) 一 ( 6 l+ 6 1 ) “( f f ) + 硼( )( 1 9 ) 式中：A a 。、A a ：和A b 。为系统参数不确定部分；叫( ) 为外部干扰 若已知系统参数不确定性的粗略估计幽。、应。 和6 ，以及控制信号的硬约束条件lU ( t ) l 云，可 以预先给出一个初始的不确定性上界估计值占( O ) ： 声( o ) 一I 五。ly ( o ) I + I a 。I1 歹( o ) l+ I 6 。I 云+ w ( O ) l ( 2 0 ) 然后利用自适应律式( 1 2 ) 不断进行更新若对被控 对象的不确定性无任何先验知识，则可令占( O ) 一0 预估滑模控制器包含4 个参数：a 、卢、A 和y 口与 闭环系统的性能相关，a 越大，系统的响应越快，但 此时控制作用较大引人参数口是为了消除输人的 抖振，通常口的选择是为了权衡控制精度和输入抖 振程度滑模函数中系数A 的取值会影响滑模运动 轨迹，从而进一步影响系统的性能自适应增益y 用 于调整不确定性上界估计值的收敛速率 2 4 推广应用于非最小相位过程 对于非最小相位系统，其阶跃响应会出现负调， 这对实施控制非常不利，如何在克服负调的同时抑 制超调并缩短过渡时间是一个控制难题笔者通过 对辨识模型进行简单处理，将预估滑模控制方案直 接推广应用于控制非最小相位过程 假定对非最小相位过程进行辨识后得到如下 S O P D T 模型： G 。( s ) 一 警牛e n ( 2 1 ) S 十a 2S 十口1 式中：b z b 。 0 ，因为非最小相位过程具有不稳定零 点( 即右半复平面零点) 非最小相位模型式( 2 1 ) 可近似转化为标准的无 零点S O P D T 模型： 一 厶 G 。( s ) 一下_ L _ 一e 一小e q h ( 2 2 ) 5 十口2S 十口1 根据式( 2 1 ) 中的分子部分b ：s + b ，利用指数函 数的一阶泰勒级数式( 2 3 ) 可近似得到等价迟延时间 r 。 - - b 2 b 1 e x p ( 一r 。q 5 ) 1 一r 。q 5 ( 2 3 ) 因此，前面基于无零点S O P D T 模型的预估滑 模控制方法就可以直接处理非最小相位过程虽然 等价迟延时间方法会带来额外的建模误差，但这种 增加的模型不确定性可以很容易地通过适当提高不 确定性上界初始估计值和自适应技术来解决 3 C F B 锅炉床温的预估滑模控制仿 真研究 将所提出的预估滑模控制( P r e d ict iv eS lid in g M o d eC o n t r o l，P S M C ) 方法应用于C F B 锅炉给煤 量一床温通道的床温控制为便于对比，文中利用另 外2 种具有较强鲁棒性的控制方法，即C a m a ch o 等 9 1 提出的基于内模的滑模控制方法( I M S M C r ) 和M o r a r i等 1 叩提出的基于内模思想整定的P I D 控 制方法( I M C P I D ) ，也分别设计了相应的床温控制 系统表2 列出了3 种不同控制系统在9 0 负荷下 采用大同烟煤的给煤量一床温模型作为标称模型而 设计的控制器参数取值 表23 种不同控制系统的控制器参数 T a b 2C o n t r o lle rp a r a m e t e r so ft h r e ed if f e r e n t co n t r o l s y s t e m s 试验1 ：床温设定值跟踪 假定9 0 负荷下床温设定值从8 8 7 阶跃升 高5K ，图3 所示为应用不同控制方法时床温响应 曲线和控制器输出( 即给煤变化量) 曲线从图3 可 以看出，采用P S M C 方法能获得更小的超调量和更 短的调节时间，控制效果明显优于I M S M C r 方法 和I M C P I D 方法在控制器参数不变的情况下，图 4 给出了在8 0 负荷下床温设定值从8 7 3 阶跃升 高5K 时的控制效果，由于负荷变化后床温模型与 实际对象特性不匹配，3 种控制系统的性能均有所 下降，但P S M C 方法的性能仍优于其他方法 试验2 ：抗阶跃外扰 假设由于一次风、二次风配比、石灰石量、排渣 量或返料量等因素的影响导致床温在t 一5m in 时 偏离其设定值2K 图5 和图6 分别给出了9 0 和 7 0 负荷下不同床温控制系统的抗外扰效果由图5 和图6 可知，在模型与对象匹配的情况下，P S M C 方 法具有很强的抗外扰能力，能在短时间内抑制住床温 的波动且动态偏差小；在模型与对象不匹配的情况 下，虽然控制性能有所下降，但仍能进行有效控制 试验3 ：抗给煤量扰动 动力 工 程学报第3 6 卷 8 9 5 j ：_ P s M c 一1 M s M c + I M c P I D 藏匿二二 摹6 囊： 捌0 O O01 52 02 5 t m in ( b ) 图3 标称工况下设定值跟踪响应曲线 F ig 3R e s p o n s ecu r v e so fs e t p o in tt r a ck in ginn o m in a lca s y 赠 长 摹6 赢4 暴2 型0 ，m in O)1 52 02 5 | f m ia ( b ) 图4模型不匹配情况下设定值跟踪响应曲线 F ig 4R e s p o n s ecu r v e so fs e t p o in tt r a ck in ginm is m a t ch ca s eo fm o d e l 8 8 8 u8 8 7 诗8 8 6 伥8 8 5 8 8 4 鋈2 塞- 剿0 n ：萨M C M S M C r M C P I D， P S 一I 一 I 001 52 02 53 0 l r a in ( a ) 01 52 02 53 0 m ln ( I ) ) 图5 标称工况下受阶跃外扰时的响应曲线 F ig 5R e s p o n s ecu r v e sw it he x t e r n a ld is t u r b a n ceinn o m in a lca s e 假定给煤量发生自发性扰动，在t 一1 0m in 时 突然增加0 5 图7 和图8 分别给出了9 0 和 7 0 负荷下床温控制系统的抗内扰性能由图7 和 图8 可知，在模型与对象匹配的情况下，P S M C 方法 具有很强的抗内扰能力，能在很短时间内抑制床温 的波动且动态偏差小；在模型与对象不匹配的情况 下，虽然控制性能有所下降，但仍能进行有效控制 试验4 ：抗煤质扰动 ，、8 5 6 P s M c j ：一o M S M c。 1 M cP 1 D 骢h ： 瓮乒k 一 0O1 52 02 53 0 “m in ( a ) 驯陵P S M C 乒M SMCr M CP I Dr 一一I I 01 52 0 l r a in ( b ) 图6 模型不匹配情况下受阶跃外扰时的响应曲线 F ig 6R e s p o n s ecu r v e sw it he x t e r n a l d is t u r b a n ceinm is m a t ch ca s eo fm o d e l p 赠 伥 t m in 蘸匪= ：二二二! 二 051 01 52 02 53 03 54 04 55 0 t r a in ( b ) 图7 标称工况下给煤量阶跃扰动时的响应曲线 F ig 7R e s p o n s ecu r v e sw it hs t e pf u e l d is t u r b a n ceinn o m in a lca s e 芝0 冀一- 捌一2 f m in 051 015 2 02 53 03 54 04 55 0 t m in ( h ) 图8 模型不匹配情况下给煤量阶跃扰动时的响应曲线 F ig 8R e s p o n s ecu r v e sw it hs t e pf u e l d is t u r b a n ceinm is m a t ch ca s eo fm o d e l 假定9 0 负荷下床温稳定在其相对设定值1 上，对应控制量相对值为0 2 6 88 ，在= 5m in 时煤 种由原来的大同烟煤变化为阳山无烟煤，煤质变化 导致床温偏离其设定值3 种控制系统的控制效果 如图9 所示，在P S M C 方法的控制作用下床温能够 快速地恢复到原来的设定值图1 0 给出了7 0 负 荷下煤种发生变化时的控制效果，由于7 0 负荷下 O2 n肼 ，a O u 。赠长 第5 期朱红霞，等：循环流化床锅炉床温的预估滑模控制 3 7 1 采用阳山无烟煤时床温动态特性与9 0 负荷下采 用大同烟煤时的特性差异较大，因而3 种控制系统 的控制效果均有所下降，但总体上P S M C 方法的性 能仍优于其他2 种控制方法 通过上述4 个仿真实验可以看出，笔者提出的 P S M C 方法具有良好的设定值跟踪性能和抗干扰能 力以及强鲁棒性 删】 靛1 蓦。 长0 酬 磊 靶 霞 罂 3 5 3 0 2 5 051 01 52 02 53 03 54 0 t r a in ( b ) 图99 0 负荷下煤质变化时的响应曲线 F ig 9R e s p o n s ecu r v e sw it hv a r ie dco a lp a r a m e t e r sa t9 0 lo a d “ 罂1 0 赠0 9 长0 8 蚓 掰 靛 罂 3 0 2 5 2 0 1 5 051 01 52 02 53 03 54 0 t im in ( 1 】) 图1 07 0 负荷下煤质变化时的响应曲线 F ig 1 0R e s p o n s ecu r v e sw it hv a r ie dco a lp a r a m e t e r sa t7 0 lo a d 4 结论 针对循环流化床锅炉床温等具有大惯性、大滞 后的复杂热工对象因负荷、煤种、环境条件改变以及 模型简化等带来的不确定性问题，设计了一种简单 而新颖的基于S O P D T 模型的预估滑模控制方案 它基于辨识得到的标称S O P D T 模型，构建无迟延 预估模型用于过程输出预测，并通过合理设计滑模 函数和不确定上界自适应估计的滑模控制律，使得 具有不确定性的闭环系统能在任何外扰下保持渐进 稳定该预估滑模控制方法还可扩展应用于具有逆 反应过程的非最小相位系统针对循环流化床锅炉 床温对象设计了相应的预估滑模控制系统，仿真结 果表明：采用P S M C 方法的效果明显优于基于内模 原理设计的一般滑模控制器和P I D 控制器，具有良 好的负荷适应性及抗各种不确定性和干扰的能力 参考文献： 1 于希宁，王慧，王东风，等模糊控制在循环流化床锅 炉床温控制中的应用E J 3 华北电力大学学报，2 0 0 5 ， 3 2 ( 3 ) ：4 3 4 6 Y UX in in g ，W A N GH u i，W A N GD o n g f e n g ，e ta 1 A p p lica t io no ff u z z y P I D co n t r o l a lg o r it h min b e d t e m p e r a t u r eco n t r o lo fcir cu la t in gf lu id iz e db e db o ile r J - I J o u r n a lo fN o r t hC h in aE le ct r icP o w e rU n iv e r s i t y ，2 0 0 5 ，3 2 ( 3 ) ：4 3 4 6 2 马宝萍，司凤琪，徐治皋，等基于遗传算法的循环流 化床锅炉床温模糊控制系统E J 3 中国电机工程学报， 2 0 0 1 ，2 1 ( 1 1 ) ：6 9 - 7 3 M A B a o p in g ，S IF e n g q i，X UZ h ig a o ，e ta 1 G e n e t ic- b a s e df u z z yb e dt e m p e r a t u r eco n t r o ls y s t e mo fcir cu la t in gf lu id iz e db e db o ile r J P r o ce e d in g so ft h e C S E E ，2 0 0 1 ，2 1 ( 1 1 ) ：6 9 7 3 3 林永君，管志敏，彭钢，等基于自抗扰控制的循环流 化床锅炉床温系统的研究E J 3 热能动力工程。2 0 1 0 ， 2 5 ( 5 ) ：5 1 4 5 1 6 L I NY o n g j u n ，G U A NZ h im in ，P E N GG a n g ，e ta 1 S t u d yo ft h eb e dt e m p e r a t u r es y s t e mf o racir cu l