基于 LMI 的锅炉蒸汽温度过程 状 态 反 馈 控 制 系 统 的 设 计 研 究

1、湘潭大学毕业论文湘潭大学毕业论文题题 目：目：基于基于 lmilmi 的锅炉蒸汽温度过程的锅炉蒸汽温度过程状态反馈控制系统的设计研究状态反馈控制系统的设计研究学学 院：院： 信息工程学院信息工程学院专专 业：业： 自动化自动化 学学 号：号： 20075504022007550402 姓姓 名：名： 李李 姿姿 指导教师：指导教师： 兰兰 永永 红红 完成日期：完成日期： 20112011 年年 5 5 月月 2湘湘 潭潭 大大 学学 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 基于 lmi 的锅炉蒸汽温度过程 状 态 反 馈 控 制 系 统 的 设 计 研 究 学号： 姓

2、名： 专业： 自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求一、主要内容及基本要求1、研究具有加性控制器增益摄动闭环系统的稳定性问题。 2、提出一种基于 lmi 凸优化的非脆弱状态反馈控制器设计方法，证明了控制器增益摄动时闭环系统稳定的充分必要条件 。 3、针对电站锅炉蒸汽温度应用单纯状态反馈控制存在的问题，提出确定期望极点的方法。 4、根据系统极点与系统动态性能关系的分析结果和主导极点理论，确定期望闭环极点的设计步骤。 5、基于重实极点的期望闭环极点的确定方法的实现。 3二、进度安排二、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研2011-022开题报告、制订设计方案2011-

3、033实验（设计）2011-044分析、调试等2011-045写出初稿2011-046修改，写出第二稿2011-057写出正式稿2011-058论文答辩2011-05三、应收集的资料及主要参考文献三、应收集的资料及主要参考文献1杨立洲超临界压力火力发电技术上海：上海交通大学出版社，19902张奕英，孙万云火电厂过程控制北京：中国电力出版社，20003fpde mellodynamic models for fossil fueled steam unit in power system sudiesieeetraason power system1991，6(2)：7537614华能大连电厂华

4、能大连电厂机组运行规程大连：华能大连电厂，19985丁轲轲，刘久斌，林青热工过程自动调节北京：水利电力山版社，19966刘吉臻协调控制给水全程控制北京：水利电力出版社，199547richard cdorf，robert h bishop，邹逢兴等 modern control system北京：高等教育出版社，20018李勤，徐二陋崧，何适生制粉系统为直吹制的锅炉过热汽温控制方法的研究中国电机工程学报 1992，1(6)：1l 一 139张品涛，王伟，曹方一种智能控制方法在 300mw 机组主汽温控制系统中的应用研究中国电机：l 程学报1999，3(8)：262910徐书崧，李勤，李玉华过热

5、汽温温度控制系统的：i!程设计方法中国电机工程学报 1992，1(10)：192l11fpde melio boiler models for system dynamic performance studiesieee trans on powersystem 1991，6(1)：66 7412厉隽怿，许晓呜，杨煜普基于神经网络的智能控制化工自动化及仪表1995，22(3)：53 5913张化光，陈来九，徐治皋一种模糊自校正控制器及其在单元机组汽温过程控制中的应用中国电机工程学报 1992，l(12)：151814雎刚，陈米九模糊预测控制及其在过热汽温控制中的应用中国电机工程学报1996，l

6、(3)：303315范永胜，徐治皋，陈米九基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究中国电机：i：程学报 1997，1(12)：374116张智过热汽温系统的自适应递阶模糊 pid 参数控制中国电机：i。程学报2001，9(6)：28 3117赵锡龄，焦云婷单神经元白适应控制 psd 在再热汽温控制中的应用中国电机：i程学报 200l，2(9)：3537518杨志远，陆会明，吕跃刚等650th 直流炉再热汽温的自适应预估控制中国电机工程学报 1993，4(9)：192319韩忠旭，张智状态观测器及状态反馈控制在皿临界锅炉蒸汽温度控制系统中的应用中国电机工程学报1999，11(5)

7、：26 3020韩忠旭，孙颖高阶惯性环节状态反馈极点配置的一种简易方法电网技术2001，7：1 7-1821johanssonl，koivo h ninverse nyqui st array technique in the design of a multivariablecontroller for a soiledfuel boilerintjoumal of contr01198440(6)：1077108822郑大钟，石纯一自动控制原理与系统北京：国防：】_=业出版社，198023史忠科，吴方向，王蓓，阮洪宁鲁棒控制理论北京：国防：业出版社，2003 124rwakernaak h

8、 minimax frequency domain performance and robustness optimization oflinear feedback systems ieee trans auto contr 1985，30(10)：994100425刘健江，李政，倪维斗，叶敏，张法文，李培植基于 ho。理论的状态变量控制在主蒸汽温度控制中的应用动力工程学报 2000，20(3)：374026章臣樾锅炉动态特性及其数学模型北京：水利电力出版社，199627陈来九热工过程自动调节原理和应用北京：水利电力出版社，198228段广仁线性系统理论哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996

9、29程卫国，冯峰，姚东等matlab 应用指南人民邮电出版社，199930解学书，钟宜生 h。控制理论北京：清华大学山版社，1994631zames g feedback and optimal sensitivity：model reference，transformations，multiplicative seminorms，and aroximate inverses ieee transactions on automatic contr011981，26(2)：289：30132rhargonekar p h。optimal control with state feedback

10、ieee trans automaticcontrol 1988，32(3)：78678833doyle jc，k zhou，k glover mixed h2 and ha performance objectives：optimal contr01ieeetrans ac 1994，39(8)：1575-158734doyle j，glover k，khargonekar p，et al statespace solution to standard hand h2control problemjieee transaction on automatic control 1989，34(8

11、)：83184235sampei m，mi ta t and nakamich n an algebraic approach to houtput feedback controlproblems syst contrlett199014：13 2436上海艾莫生控制公司 ovation 控制系统应用手册上海：上海艾莫生控制公司，200337华能大连电厂，上海西屋电气控制公司华能大连电厂#1、2 机组 dc8 改造方案大连：华能大连电厂，20037湘湘 潭潭 大大 学学毕业论文（设计）评阅表毕业论文（设计）评阅表学号 姓名 专业 毕业论文题目： 基于 lmi 的锅炉蒸汽过程状态反馈控制系统的

12、设计研究 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，

13、综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价评阅人： 2011 年 5 月 日8湘湘 潭潭 大大 学学 毕业论文（设计）鉴定意见毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 姓名： 专业： 毕业论文（设计说明书） 页图 表 张论文（设计）题目： 基于 lmi 的锅炉蒸汽过程状态反馈控制系统的设计研究 内容提要： 1、研究具有加性控制器增益摄动闭环系统的稳定性问题。2、提出一种基于 lmi 凸优化的非脆弱状态反馈控制器设计方法，证明了控制器增益摄动时闭环系统稳定的充分必要条件3、针对电站锅炉蒸汽温度应用单纯状态反馈控制存在的问题，提出确定期望极点的方法。4、根据系统极点与系统动

14、态性能关系的分析结果和主导极点理论，确定期望闭环极点的设计步骤。5、基于重实极点的期望闭环极点的确定方法的实现。6、采用 simulink 试验系统进行状态反馈控制的鲁棒性试验。9指导教师评语指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日10目目 录录第一章 绪 论 .131.1 论文的背景.131.1.1 锅炉温度控制的主要问题.131.1.2 温度控制系统被控对象的动态特性.141.1.3 matlab 简介.151.2 课题的国内外研究现状.161.3 选题的意义.19第二章 锅炉蒸汽温度过程状态反馈控制系统的设计研究 .20

15、2.1 引 言 .202.2 蒸汽温度过程的状态可控性和可观性.212.3 状态反馈控制系统设计.212.3.1 基于主导极点的期望闭环极点的确定方法.222.4 仿真试验及结果分析.222.4.1 被控过程动态特性试验.232.4.2 期望闭环极点确定试验.232.4.3 状态反馈控制性能试验.24第三章 基于 lmi 方法的非脆弱控制器设计.253.1 引 言 .253.2 研究对象.253.3 研究理论.273.3 研究算例.28第四章 全文总结 .29参 考 文 献 .31致 谢 .35 11 基于基于 lmi 的锅炉蒸汽过程状态的锅炉蒸汽过程状态反馈控制系统的设计研究反馈控制系统的设

16、计研究摘摘 要要： 近年来，锅炉蒸汽过程状态反馈控制系统的控制问题备受关注，取得了一系列重要成果，但是仍然有许多工作需要深入研究，相关的理论需要改进，已有的结果也亟待创造性地运用。研究具有加性控制器增益摄动闭环系统的稳定性问题，提出一种基于lmi凸优化的非脆弱状态反馈控制器设计方法，证明了控制器增益摄动时闭环系统稳定的充分必要条件，给出了具有非脆弱性控制器的设计形式和求解方法。仿真结果表明，应用该方法设计的控制器是非脆弱的，对控制器增益摄动具有很强的鲁棒性，响应速度与控制效果明显优于常规控制器。对于电站锅炉蒸汽温度采用状态反馈控制策略远优于传统的pid控制。与纯pid串级控制相比，控制品质有明

17、显提高。但是，组合控制方案、蒸汽温度状态反馈控制器和状态观测器的设计方法 所采用的都是极点配置方法(分为负实重极点和左半平面任意极点2类配置)，而对于极点具体配置没有给出答案，且状态反馈控制器设计未考虑稳态性能要求。另外，采用状态反馈控制与p1d串级控制组合的控制方案使得极点配置设计较复杂，需考虑对控制系统内回路中pi控制器传递函数。关键词关键词：电站锅炉；蒸汽温度；状态反馈；极点配置；控制非脆弱性，控制器增益摄动，线性矩阵不等式12abstract：in recent years, much attention was made on study in state feedback cont

18、rol system for steam temperature process in boilers. a greatly many of important achievements were made by scholars. however, further researches must be done, related theories need to be improved, and existing results are necessary to be used creatively as well. study in the additive controller gain

19、 variation of the stability of closed-loop system, proposed a design method for an optimized non-fragile controller based on linear matrix inequality (lmi). it proved that it is a sufficient and necessary condition for the existence of non-fragile controller based on linear matrix inequality (lmi).

20、meanwhile, it provided a solution and design method for the problem presented above.the simulation results indicated that it is non-fragile and robust for norm-bounded controller gain variations by using lmi method. further, the results showed that the controller has many advantages over other conve

21、ntional controllers. for boiler steam temperature using the state feedback control strategy is far superior to the traditional pid control. with the pure pid cascade control, compared to control quality was obviously improved. however, combinatorial control scheme, steam temperature state feedback c

22、ontroller and state observer design method is adopted by the pole assignment algorithm (divided into negative real heavy poles and arbitrary pole 2 class left plane, but for poles configuration) specific configuration unanswered, and state feedback controller design does not consider steady-state pe

23、rformance requirements. in addition, using the state feedback control and p1d cascade control combination of control scheme makes the poles design is relatively complicated, to control system should be taken into consideration in the loop pi controller within the transfer function.13keywordskeywords

24、: power station boiler; steam temperature; state feedback; poles; control the vulnerability, controller gain perturbation, linear matrix inequality14第一章第一章 绪绪 论论1.1 论文的背景论文的背景1.1.1 锅炉温度控制的主要问题锅炉温度控制的主要问题 锅炉蒸汽温度是影响电厂安全和经济的重要参数。维持稳定的汽温是保证机组安全和经济运行所必需的。蒸汽温度过高会使金属作用应力下降，使锅炉受热面及蒸汽管道金属蠕变加快，影响使用寿命，威胁机组的安全运

25、行；蒸汽温度降低则会影响机组的循环热效率。据计算，过热器在超蒸汽温度10-20下长期运行，其寿命会缩短一半以上；而蒸汽温度每降低10。c，会使循环热效率相应降低05，煤耗增加2。因此锅炉蒸汽温度控制系统是提高电厂机组热效率、电厂经济效益、保证机组安全运行不可缺少的控制环节。 锅炉过热器蒸汽温度是电厂生产运行中主要控制参数之一，过热器出口蒸汽温度在单元机组运行中还必须保持在一定范围内。过热蒸汽温度在运行中是否稳定，与锅炉机组的安全、经济运行有着密切关系。主蒸汽温度(锅炉过热器蒸汽温度)一般可看作多容分布参数受控对象(其动态特性描述一般可用多容惯性环节来表示)，从其动态特性可看出该对象具有明显的滞

26、后特性。原因主要有口四：(1)锅炉燃烧工况不稳定(如燃料量的变化、煤种的变化、风煤比的波动、减温水量的自发性扰动等)，还有烟气侧扰动频繁且扰动量较大，影响主蒸汽温度变化较快。(2)过热器是具有分布参数的控制对象，管道长度和蒸汽容积较大，当减温水流量发生变化时过热器温度的变化有较大的延迟。(3)外部扰动(如主蒸汽流量波动、主蒸汽压力波动、汽水分离器水位波动、蒸汽吹灰投入等)变化频繁且扰动量较大，致使主蒸汽温度长期不稳定。(4)由于参数整定不当引起一、二级喷水量不匹配，使得喷水量内扰较大，造成主汽温在外扰较小时，仍离设定值较大。因此，针对上述情况设计的主蒸汽温度控制系统，既要求对烟气侧扰动及负荷波

27、动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求对减温水内扰(如一、15二级喷水量不匹配)，有较强的抑制能力，从而使系统有足够稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行安全性。1.1.2 温度控制系统被控对象的动态特性温度控制系统被控对象的动态特性对于温度控制系统，主蒸汽温度一般可看作多容分布参数受控对象，其动态特性描述一般可用多容惯性环节来表示，动态特性实验(阶跃扰动)结果显示了该对象具有明显滞后特性。过热蒸汽汽温过程一般可用多容惯性环节来表示，本文从换热器的基本方程出发，阐述了如何应用理论解析法建立作为锅炉工质侧基本环节的集中受热面的动态数学模型，分别给出了单相受热管焓通道的分布参数动态数学模型

28、和单相受热管焓一温通道的集总参数动态数学模型。分布参数模型的传递函数都具有超越函数的形式，十分复杂且又仅适用于在某一稳态点附近做小幅度变化的情况。集总参数模型则是将单相受热管的介质状态参数看成是均一的，并在空间位置上选定一个有代表性的点，就用这一点介质的参数作为环节的集总参数。进一步还可推断出单相受热管的多段集总参数模型，通常把整个管段均分成若干小段，每个分段内集总参数的选择要一致。因此，每个分段模型的形式与整个管段模型的形式是相同的，整个管段的模型则由各个分段(设共有rl段)模型串联而成，也就是分段模型的r1次幂。这时，对每个分段来说，须将总热流量、总金属量、总容积等分别除以分段数n。下式是

29、用出口参数作为集总参数，并考虑介质密度的变化时，单相受热管的多段集总参数模型关于进出口温度之间的传递函数口j：njjpnpdnjjpddjjdprscmdnqcvsctqvcmcdtqtqscmtqcdsw200202000000012tt)(这个公式提供了一个十分有用的概念，即可以把过热器和再热器等单相受热管理解成由若干个分段所组成，各分段传递函数的形式相同，段数rl越大，每段传递函数表达式中的时间常数就成比例地减少。当采用喷水减温来调节过16热汽温时，整个过热器划分为n段，对每一分段可简化为一阶惯性环节，整个过热器就是n阶惯性环节。同理，再热蒸汽汽温的被控对象也是高阶大惯性环节。1.1.3

30、 matlab 简介简介matlab.以矩阵运算为基础，把计算可视化程序设计融合到了一个交互的工作环境中，可实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。simulink是matlab所提供的用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具。matlab60与以前的matlab版本的最大区别就是增加了电力系统模块库(power system blockset)，能快速而准确地对电路及电力系统进行仿真。随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大。在这种情况下，许多大型的电力科研实验很难进行。一是实际的

31、条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。考虑这两种情况，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分重要，目前比较常用的电力系统仿真工具有以下几种：(1)邦纳维尔电力局开发的bpa程序和emtp程序；(2)曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的pscademtdc程序；(3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件netomac；(4)中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序psasp；(5)mathworks公司开发的科学与工程计算软件matlab。1990年math works软件公司为matlab提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具simulink。作为对m

32、atlab语言运算环境的扩展，在保持matlab的一般性能基础上，simulink又增加了许多功能。它与matlab及其工具箱结合使用，可以完全对连续系统、离散系统、连续和离散混合系统的动态性能进行仿真与分析。simulink与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。simulink提供了8个子模型库：continuous(持续环节)、discrete(离散系统)、function&tables(函数及图表)、math(数学计算)、nonlinear(非线形环节)、signals&system(信号及系统)、sink(输出方式)、source(输入源)。在以

33、上每个子模型库中还包含有相应的功能模块，如source子模块中包含有sinewave(正弦波)、pulse generator(脉冲信号)、step(阶跃信号)等，sink子17模块中包含有scope(示波器)、toworkspace(传送到工作空间)、xygraph(xy图表)等。simulink提供了动态系统建模、分析和仿真的交互环境，能够实现交互建模、交互仿真，并允许用户扩展仿真环境等功能。simulink的专用模型库(blocksets)提供了一些专用元件集，使得simulink的功能进一步扩展。1.2 课题的国内外研究现状课题的国内外研究现状 主蒸汽温度控制系统中汽温控制中遇到的困难

34、是主蒸汽温度具有非线性、大时延、分布参数和扰动因数较多的特点。这样的特性，使得常规pid控制方式难以达到理想的控制效果。国内外专家及学者一直在致力于这方面的研究并应用各种方法来解决此问题。(1)常规串级控制。早期研究中，主要采用常规的蒸汽温度控制策略，即pid结合中间反馈或导前微分。本文采用的是具有中间反馈的多路串级控制系统，并应用了最佳极点配置的设计方法来解决这个问题。本文采用串级控制和导前汽温微分控制。之后采用的是一种直线逼近的工程整定法，对过热蒸汽温度进行控制。(2)智能控制系统。智能控制理论是新兴发展的一种控制理论，它模拟人的智能对复杂确定性系统进行有效的控制。它包括神经控制、模糊控制

35、和专家控制。智能控制在热工自动控制中也得到了应用，并且经过许多年的研究在不断的发展和完善。主要有：应用模糊自校正控制器来控制汽温，克服了火电机组汽温过程的动态特性随着运行工况的变化而变化的缺点。通过模糊预测控制来解决对大滞后复杂过程的高质量控制的问题，将模糊控制与预测控制相结合，克服了常规模糊控制方法存在的控制后果不能及时反馈的不足，又具有现代控制理论中的预测控制方法所没有的算法简单，易于实现的优点。在对某超临界600mw直流锅炉高温过热器动态特性进行机理分析的基础上，研究了锅炉主要工况参数(压力p、温度t、流量d)对过热汽温过程动态特性(或模型参数)的影响，提出了一种新颖的自适应模糊汽温控制

36、系统。它通过对汽温动态特性进行机理分析，了解了：蒸气流量对模型参数的影响最为明显，压力次之，温度影响最小。并通过机理建18模方法，计算出有限个不同工况下的对象传递函数，并以此为基础，在一定性能指标下整定出控制器参数，然后以模糊规则的形式来描述工况参数与控制器参数之间的关系，并采用模糊推理方法来求出任意工况下的控制器参数值，此为粗调，在模糊粗调机制的基础上引入模糊微调机制，即：根据被控变量的实际输出值与设定值的偏差(e)及偏差变化(be)，进一步调整控制器参数，指导实际的控制品质达到或接近预定的控制品质为止。根据对锅炉动态特性影响较大的工况参数，提出了一种新的分层递阶模糊控制方法。该算法根据e(

37、误差)及。(误差变化)，对动态过程中的pid控制参数进行实时调解，从而使控制系统获得理想的性能指标。同时，根据目标参数和操作参数的变化，基于操作人员对实际过程的分析和模糊控制规则的非线性映射，建立规划策略，从而获得pid参数的模糊调整。采用前馈一串级反馈复合控制系统，基于神经网络的控制器能通过自身学习过程，了解系统的结构、参数、不确定性和非线性，并相应改变其控制参数，强鲁棒性的特性，克服了常规pid调节器在变工况情况下，控制参数不易在线调整，在实际工业生产过程中存在着不确定因素(变结构，变参数，时变和非线性)，难以建立受控对象精确数学模型的缺点。(3)自适应控制。提出了一种离散时滞系统自适应预

38、估控制算法，并应用于650t直流炉再热汽温预估控制算法，在变工况运行过程中将再热汽温控制在-5的偏差之内。但是采用自适应控制技术需要对被控对象的动态特性进行辨识，目前通用的计算机分散控制系统(dcs)中还没有提供一套对被控对象进行实时动态的系统辨识的软件工具，其次在应用领域真e能够掌握和运用自适应控制技术的人员也很缺乏。(4)状态反馈和状态观测器。提出了将状态反馈和状态观测器理论与传统的控制相结合的方法。与传统的pid控制相比，采用状态反馈控制能方便地通过配置闭环极点的方法，改变系统的特性，达到提高控制精度的目的。这对控制具有迟延环节的工业对象来说，无疑是一种较好的控制方案。但是，由于单相受热

39、管的动态特性与热流量有关，单靠状态反馈配置极点还难以保证在不同的工况下使锅炉蒸汽温度控制系统的指标均达到理想的要求，而pid控制恰好具有鲁棒性好和抗高频干扰能力强的优19点，二者的优势可以互补。采用此方法，既克服了pid对大滞后对象控制效果不理想的缺点，同时又具有在目前的dcs系统中易于实现的优点。利用状态反馈改善系统的闭环特性，提高系统响应速度，这是控制的第一个层次；将这个品质比较好的广义被控对象交由pid控制，改善系统的鲁棒性，使系统的适应性提高，这是控制的第二个层次。对于大量具有迟延环节的工业对象而言，采用这种状态反馈一pid控制比传统的pid串级控制和仅仅由状态反馈控制都将更有效。提出

40、了一种状态反馈极点配置的简单方法，当被控对象为高阶惯性环节时，运用代数学中普遍应用的二项式定理，将高阶惯性环节的状态反馈极点配置问题的矩阵运算转换成代数运算，从而简化了状态反馈极点配置问题的求解过程。文中以过热器出口温度调节系统为背景，研究了高阶惯性环节的状态反馈极点配置问题，给出的方法简单实用，且具有明确的工程物理意义。给出了高阶二次环节状态反馈极点配置的一种代数分析方法，因为中给出的锅炉蒸汽温度被控对象的动态特性是属于高阶二次环节的，对于问题的研究有很大的意义。1.3 选题的意义选题的意义传统的经典控制方法和现代控制理论是基于被控对象的数学模型，对被控对象进行时域或频域分析，从而设计出针对

41、该对象的控制器。一旦控制对象的参数发生变化或者对象特性发生改变，原有的状态方程则不能精确描述对象特性，而建立在这一状态方程基础上的控制器自然就失去了应有的控制品质。在实际工业控制中，各种工业生产过程、生产设备以及其它众多的被控对象，其动态特性一般都难以用精确的数学模型来描述。有时即使能获得被控对象得精确数学模型，但由于过于复杂，使得难以对其进行有效的控制性能分析和综合，因此必须进行适当的简化。另一方面，随着生产过程中工作条件和环境的变化，控制系统中元器件的老化或损坏，被控对象本身的特性也会随之发生变化。所有这些因素使得描述被控对象的数学模型和实际对象之间不可避免地具有误差。因此，在工程实践中，

42、采用基于精确数学模型的现代控制理论方法所设计的控制系统往往难以具有所期望的性能，甚至连系统的稳定性都难以得到保证。非脆弱控制理论结合系统模型参数不确定性和外部扰动不确定性的考虑，研究系统的非脆弱20性能分析和综合问题，弥补了现代控制理论需要对象精确数学模型的缺陷，使得系统的分析和综合方法更加有效、实用。状态观测器能够对被控对象的状态进行观测，状态反馈的加入使得被控对象的控制动态性能增加，但同时可能影响系统的稳定性能。汽温度调节的任务是维持过热器出口蒸汽温度为给定值，保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。通常高参数机组在运行中严格控制主汽温度，使它的偏差在定范围内，一般都要求主汽温度在5

43、40左右的范围内。传统的温度调节方式是在逻辑中采用pid串级(或引入导前微分信号)控制，用以调节减温水喷射量。但实践中，特别是在变工况或异常情况下，这种方法往往过调或欠调，跟踪性能不佳，动态性能及稳定性能较差。本文设计非过程控制器和状态反馈结合的方法，用状态反馈改善系统的动态特性。这样既考虑了系统的动态性能又考虑了系统的不稳定性对控制的影响，应用于过热汽温度调节中有较好的品质特性。21第二章第二章 锅炉蒸汽温度过程状态锅炉蒸汽温度过程状态 反馈控制系统的设计研究反馈控制系统的设计研究2.1 引引 言言 对于电站锅炉蒸汽温度采用状态反馈控制策略远优于传统的pid控制。神头第二电厂、宝鸡第二电厂、

44、南京热电厂和巴陵石化公司的锅炉蒸汽温度均采用以pid串级控制为主，状态反馈控制为辅的组合控制方案 ，与纯pid串级控制相比，控制品质有明显提高。但是，组合控制方案、蒸汽温度状态反馈控制器和状态观测器的设计方法 所采用的都是极点配置方法(分为负实重极点和左半平面任意极点2类配置)，而对于极点具体配置没有给出答案，且状态反馈控制器设计未考虑稳态性能要求。另外，采用状态反馈控制与p1d串级控制组合的控制方案使得极点配置设计较复杂，需考虑对控制系统内回路中pi控制器传递函数。对此，本文研究单纯状态反馈控制策略在电站锅炉蒸汽温度控制的应用。2.2 蒸汽温度过程的状态可控性和可观性蒸汽温度过程的状态可控性

45、和可观性典型的过热蒸汽温度控制过程的数学模型为 ： （1）024( )1.589 2.45( )( )(1 14 ) (1 15.8 )sg sw sss式中，为过热器出口温度； w为喷水减温水流量。若采用状态反馈控制方法控制蒸汽温度，则其必须具有状态可控性。因此，式(1)应转换为状态方程： （2） ( )( )( )( )( )x tax tbu ty tcx t式中：为状态向量；为被控过程的输入变量，即；为被控过( )x t( )u t( )w t( )y t22程的输出变量，即。( ) t 2.3 状态反馈控制系统设计状态反馈控制系统设计设被控过程的输入量为： （3）kxrkur式中：r

46、是参考输入；k 为状态反馈增益矩阵；kr为设定值跟踪增益。状态反馈闭环控制系统的动态方程为： （4）()rxabk xbk rycx式中 y 为系统输出变量(过热器出口蒸汽温度)。 对于蒸汽温度状态反馈控制系统，k是一个具有6个元素的行向量。根据状态反馈极点配置定理，状态反馈控制系统的极点可在 k 确定后任意配置。采用matlab软件的 acker (a，b，p)函数计算k 的ackermann算法公式为： （5）1001( )kup a式中，u 为可控性矩阵；p(a)为期望特征多项式矩阵。2.3.1 基于主导极点的期望闭环极点的确定方法基于主导极点的期望闭环极点的确定方法根据系统极点与系统动

47、态性能关系的分析结果和主导极点理论，确定期望闭环极点的设计步骤为：(1)确定闭环控制系统希望达到的性能要求。(2)根据超调量和调整时间可导出计算阻尼系21100%pe3snt数和自然振荡频率的公式为：n21()1lnp （6） 3nst（7）23(3)计算系统主导极点： （8）21,21nnsj 式中，j为数学中复数的虚部。(4)计算系统非主导极点，如设计其负实部值远大于主导极点的值： (9)3,4,5,6ns 式中取大于5的系数，以满足主导极点的成立条件。2.4 仿真试验及结果分析仿真试验及结果分析 为了实现锅炉蒸汽温度状态反馈控制，进行被控过程动态特性、期望闭环极点确定、状态反馈控制性能和

48、状态反馈控制的鲁棒性4种仿真试验。采用matlab软件建立了 simulink 模型。 2.4.1 被控过程动态特性试验被控过程动态特性试验 根据式(1)的传递函数，使用matlab软件的step(num，den)函数进行被控过程的阶跃响应试验，阶跃响应曲线如图1所示。由图1可见，该过程的增益接近4，时间常数约为100 s，纯迟延时间为20 s，一个阶跃响应过渡过程达220 s，说明被控过程为一个大惯性、纯延时动态过程。24 2.4.2 期望闭环极点确定试验期望闭环极点确定试验为了确定合适的期望闭环极点，应进行多次的极点计算和状态反馈仿真试验：利用上述的期望闭环极点确定方法来确定期望闭环极点；

49、采用ackermann函数计算k和求出g1(s)、g。1(s)；由式(15)计算k 。使用step(hum，den)函数进行闭环控制系统的阶跃响应试验。由于被控过程的纯迟延时间为20 s，设-30s；设超调量为10%。stp采用基于主导极点的期望闭环极点确定方法得出的状态反馈控制响应曲线见图2。试验结果为：10%,-30s，稍大于设定值。pst25 2.4.3 状态反馈控制性能试验状态反馈控制性能试验 利用动态仿真系统simulink平台搭建锅炉蒸汽温度状态反馈simulink试验系统。在matlab 71版本软件中，不能将simulink模块库的状态方程模块直接用于状态反馈控制系统，因此图5

50、中状态方程模块的输出为状态量22。在图5中，将输出矩阵c设计在增益模块1中；将k设计在增益模块2中。26第三章第三章 基于基于 lmi 方法的非脆弱控制器设计方法的非脆弱控制器设计3.1 引引 言言非脆弱控制的目标是对于给定被控对象寻找非脆弱反馈控制器，保证控制器的参数在其所允许的增益摄动范围之内变化时，闭环系统稳定且满足要求的性能指标。而鲁棒控制理论研究目标是在对象模型所允许的变化范围内变化时，寻找反馈控制器使得闭环系统稳定且满足给定的性能指标4 。因此鲁棒控制的前提条件是控制器必须是准确可实现的，然而实际应用时由于控制器数字实现时受到诸多因素的影响，这就要求所设计的控制器增益系数必须能够容

51、忍一定程度的摄动。lhkeel等n 通过研究指出传统的最优控制和鲁棒控制器设计方法，都可能会得到非常脆弱的控制器，即控制器增益系数发生微小的偏移，将有可能导致闭环系统的稳定性被破坏和性能下降。同样由于任何一个性能指标均不能满足一个控制系统的所有性能要求，控制器参数的微小变化将会引起其他性能的恶化。这就要求所设计的控制器增益系数应有足够的调节余度以满足不同的性能要求，即要求所设计的控制器应具有一定的非脆弱性。本章通过对 lyapunov 稳定性理论深人研究，结合线性矩阵不等式求解凸优化问题的方法，提出了一种基于 lmi 的非脆弱控制器设计方法，证明了具有增益摄动的控制器存在的充分必要条件，给出了

52、使闭环系统渐进稳定问题的解。3.2 研究对象研究对象连续线性时不变系统状态空间描述： （1）( )( )( )( )( )x tax tbu ty tcx t其中，是系统状态；是控制输入向量；是系统输出，nrtxmrtuqrtya，b，c是适当维数的常数系统矩阵，且( a，b)是完全可控制的。27非脆弱控制器设计就是设计状态反馈控制器： （2） txkktu其中：k 为设计的状态反馈控制器，为控制器的加性增益摄动；且有k；e，f为具有合适维数的已知实矩阵；(f)为lebasgue可测阵且ftek满足，使得闭环系统： ittt (3)tcxtytxkkbatx 是渐进稳定的，并且满足一定的性能指

53、标。引理 1 ：(矩阵不确定性引理)：设为e，f具有适当维数的常系数矩阵， 为满足 ，则必存在常数 0，使得t ittt成立。ffeeetfftettttt1引理 2 ： (schur补引理)对于给定的对称矩阵 ，其中 22211211sssss,是非奇异可逆阵，有以下3个条件是等价的：11s22s1) 0 ;s2）0, 0 ;11s12-111t1222sss-s3）0, 0，取正定二次型函数作为lyapunov函数，即是)(vtx280 tqxtxtxt)(v 使得是负定的)(vtx0，存在正数 0，o正定对称实矩12阵 qo，yo，使得下列线性矩阵不等式成立，且状态反馈控制器-1yqk

54、0 （5）q定理2：2：系统(1)存在状态反馈控制器(2)的充分必要条件是，对于给定的常数 0，存在正数 0正定对称实矩阵 q0， y0，使得下列线性矩阵不等1式成立，且状态反馈控制器-1yqk (6)iyibybqaaqttt0029 0 (7)q3.3 研究算例研究算例30第四章第四章 全文总结全文总结主蒸汽温度是影响机组安全、稳定、经济运行的重要参数，过热汽温度控制是机组运行中的主要环节，在过热蒸汽中喷射减温水是电厂运行中蒸汽温度调节的常规方式。本文对火电厂中过热汽温的特点进行了分析，说明了它是一个存在许多干扰、大惯性、大延迟的复杂环节。蒸汽温度控制系统中非线性、大时延、分布参数和扰动因

55、素较多的系统特性，使得常规pid控制方式难以达到理想的控制效果。本文提出了一种新的过热汽温度控制方案，即采用状态反馈方法控制，通过系统仿真，达到了较理想的控制品质。得到以下结论：(1)由于常规的pid控制具有适应性强、调整方便的特点，目前在大多数电厂广泛采甩，但pid调节器存在超调和迟滞的弊端。且响应速度很慢，无法满足现代电厂生产过程精益要求。(2)克服了pid调节中的超调和调节时间过长的弊端，使调节系统更为稳定，控制特性更为灵敏。(3)根据过热汽温对象的大迟延的特性，引入状态观测器反馈，对系统内部扰动能够有效抑制，大大改观了调节精度，使得被控对象的动态控制特性有了进一步改善。本课题采用状态反

56、馈方法，用状态反馈改善系统的动态特性，用鲁棒控制器保证最终的系统输出，既考虑了系统的动态性能，又考虑了系统的不稳定性对控制的影响。使用这种控制器可以克服温度控制对象的时变性和随机性干扰，降低设备惯性带来的时滞，改善系统的控制品质，保证系统输出温度值维持在预定期望。由于过热器中的惰性区是一个大惯性、大延迟、多干扰的复杂环节，本文设计了状态观测器对其进行状态观测，并利用其状态设计状态反馈改善系统的控制动态特性。在火电厂中过热汽温的控制是为了使它稳定在设计指标。本文利用h。鲁棒控制理论设计了鲁棒控制器使得过热汽温能很好的克服各种干扰稳定在设计值。最后本文并利用matlab软件进行了仿真试验，结果表明

57、，当对象的参数变31化时，仍能得到较好的调节品质。在本文的研究过程中，还有以下几点有待于完善和进一步研究：（1）非脆弱控制理论是近十多来发展起来的理论，具有较高的先进性，但也在不断发展和完善中，在传统的电力生产企业中并没有完全普及和应用。文中设计的对过热汽温度控制的方案，仍需进一步探索和验证。(2)本文是将控制问题转化为lmi来求解的，而在得到lmi的约束关系时，用到了一些矩阵不等式，即有能量的损耗，因此如何减少这些能耗，也是今后研究工作的难点和重点。32参参 考考 文文 献献1杨立洲超临界压力火力发电技术上海：上海交通大学出版社，19902张奕英，孙万云火电厂过程控制北京：中国电力出版社，2

58、0003fpde mellodynamic models for fossil fueled steam unit in power system sudiesieeetraason power sytem1991，6(2)：7537614华能大连电厂华能大连电厂机组运行规程大连：华能大连电厂，19985丁轲轲，刘久斌，林青热工过程自动调节北京：水利电力山版社，19966刘吉臻协调控制给水全程控制北京：水利电力出版社，19957richard cdorf，robert h bishop，邹逢兴等modern control system北京：高等教育出版社，20018李勤，徐二陋崧，何适生制粉

59、系统为直吹制的锅炉过热汽温控制方法的研究中国电机工程学报1992，1(6)：1l一139张品涛，王伟，曹方一种智能控制方法在300mw机组主汽温控制系统中的应用研究中国电机：l程学报1999，3(8)：262910徐书崧，李勤，李玉华过热汽温温度控制系统的：i!程设计方法中国33电机工程学报1992，1(10)：192l11fpde melio boiler models for system dynamic performance studiesieee trans on powersystem 1991，6(1)：66 7412厉隽怿，许晓呜，杨煜普基于神经网络的智能控制化工自动化及仪表1995，22(3)：53 5913张化光，陈来九，徐治皋一种模糊自校正控制器及其在单元机组汽温过程控制中的应用中国电机工程学报1992，l(12)：151814雎刚，陈米九模糊预测控制及其在过热汽温控制中的应用中国电机工程学报1996，l(3)：303315范永胜，徐治皋，陈米九基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究中国电机：i：程学报1997，1(12)：374116张智过热汽温系统的自适应递阶模糊pid参数控制中