自动控制原理毕业设计论文

目录第一章引言 11.1 选题背景及意义 11.2 国内外发展水平及面临问题 11.3 课题研究内容 2第二章非线性PID控制器 42.1非线性理论 42.1.1非线性控制经典方法及不足 42.1.2非线性系统理论最新发展及问题 52.2跟踪微分器（TD） 62.2.1跟踪微分器数学表示式 72.2.2跟踪微分器数学模型搭建（simulink下实现） 82.2.3跟踪微分器仿真实现与分析 102.3非线性组合 132.3.1几个经典非线性组合 132.3.2非线性组合数学模型实现 142.3.3非线性组合simulink搭建及仿真实现 142.4非线性PID控制器 152.5、对非线性函数fal影响及假设 172.5.1对非线性函数fal影响 172.6对跟踪微分器影响 20第三章电厂主汽温控制系统方案 223.1火电厂主汽温常规控制方案 223.1.1串级调整系统 223.1.2仿真实例 233.2火电厂主汽温非线性PID控制方案 24第四章主汽温非线性控制仿真研究 264.1线性百分比与非线性百分比作用比较与分析 264.1.1参数设置 264.1.2仿真实现与结果分析 264.2线性积分与非线性积分作用比较与分析 274.2.1参数设置 274.2.2仿真实现与结果分析 274.3线性百分比微分与非线性百分比微分作用比较与分析 284.3.1参数设置 284.3.2仿真实现与结果分析 294.4线性PID与非线性PID作用比较与分析 304.4.1参数设置 304.4.2仿真实现与结果分析 304.5非线性PID抗干扰能力测试与分析 314.5.1PID抗干扰能力测试 314.5.2不含TD非线性PID抗干扰能力测试 324.5.3含TD非线性PID抗干扰能力测试 334.6非线性PID鲁棒性测试与分析 34第五章结论 375.1结论 375.2展望 37参考文件 39谢辞 40【摘要】电厂锅炉主汽温具备大延迟、大惯性、非线性等特点，传统PID控制极难取得满意控制品质，本文在线性PID基础上，引入跟踪微分器及非线性模块，结构出一个新型非线性PID控制器，进而提出了汽温非线性PID控制方案，对其进行仿真，并进行了抗干扰能力和鲁棒性测试。结果表明相比于线性PID，非线性PID具备愈加好地控制品质，而且具备较强抗干扰能力和鲁棒性。关键词：非线性PID控制器；电厂锅炉主汽温；使用Matlab仿真第一章引言选题背景及意义在轻工、化工等很多行业过程控制中，被控对象大都带有滞后特征，比如，热量、物料和信号等转移或转换需经过一定时间，这便造成了许多过程存在大滞后时间。不论控制作用怎样，在滞后时间阶段，控制作用对过程变量影响是不可测。更为主要是，时间滞后造成了过程变量输出不能快速地响应控制信号，这等于在这段时间内反馈作用失效，而反馈是自动控制所必须得到信息。过热蒸汽温度是锅炉运行质量主要指标之一，过热蒸汽温度或高或过低都会显著地影响电厂安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低，又会降低热效率并影响汽轮机安全经济运行。所以锅炉运行中保持过热蒸汽温度稳定性，对于降低设备损耗、确保整个热力网安全运行具备重大意义。然而，过热汽温控制对象具备时变、不确定性和非线性等复杂特征。过热器管道较长和蒸汽容积较大，当减温水流量发生改变时过热器出口蒸汽温度轻易出现较大拖延；负荷改变时，主蒸汽温度对象动态特征改变显著。另外，主蒸汽温度对象还具备分布参数和扰动变量多特点，这都给常规控制带来一定难度。PID控制方案是现在应用最广泛控制策略之一，但若用PID来控制具备显著时间滞后过程，则控制器输出在滞后时间内因为得不到适宜反馈信号保持增加，从而造成系统响应超调大甚至使系统失控。传统火电厂主汽温控制系统大多采取常规PID串级控制方案。不过模型参数不确定性以及在控制系统运行中出现环境改变、元件老化等问题，采取常规PID控制就极难取得满意控制品质。非线性PID控制器是在研究分析经典PID控制基础上，利用非线性机制，汲取经典PID思想精华，改进其“简单处理”缺点，结构出一个新型实用控制器。它采取非线性机制以提升控制系统性能目标。所以，本文提出将非线性PID控制器应用到火电厂主汽温控制系统中，仿真试验结果表明其控制品质因为常规PID控制。国内外发展水平及面临问题控制理论形成和发展，是从1932年乃奎斯特发表关于反馈放大器稳定性经典论文开始，到现在为止，已经经历了经典控制理论阶段和当代控制理论阶段。自动控制理论伴随科学技术发展、被控对象种类增多和控制性能要求提升，不停发展和完善。经典控制理论是以反馈为基础、以传递函数为系统数学模型，研究单输入-单输出、线性定常系统分析与设计问题，主要用于工业控制以及第二次世界大战期间军用装备。经典控制理论基本分析与设计方法是根轨迹法和频率特征。20世纪60年代，伴随当代应用数学结果推出和电子计算机技术应用，为适用宇航技术发展，形成了以状态空间描述为基础当代控制理论，主要研究具备高性能、高精度多变量多参数线性系统最优控制问题。尽管线性理论不但在理论上完善，在各种国防和工业控制中也已成功地应用，不过伴随当代科学技术发展和当代工业对控制系统性能要求不停提升，线性反馈控制已经极难满足各种实际需要。大多数控制系统往往是非线性，采取近似线性模型即使能够更全方面、更轻易地分析系统各种性能，却极难刻画出系统非线性本质，所设计控制器也极难达成系统性能要求。线性系统动态特征已不足以解释许多常见实际非线性现象。早期非线性系统分析与设计没有本身理论体系，对非线性系统处理主要是采取将非线性特征分段线性化，然后使用线性控制理论分析与设计。20世纪90年代，伴伴随当代微分几何理论发展，对用建立在线性系统基础上分析和设计方法难以处理复杂系统和高质量控制问题研究有了突破性进展，形成了当代非线性系统控制理论，主要包含：经过利用李括号及微分同胚等基本工具研究了非线性系统状态、输入及输出变量间依赖关系，系统地建立了非线性控制系统能控、能观及能检测充分或必要条件，发展了全局状态精准线性化及输入-输出精准线性化设计方法、基于反馈无源化设计方法，以及Backstepping递归设计方法和Forwarding递归设计方法等。课题研究内容本文主要取非线性控制系统一个，对非线性PID进行了研究分析。主要是在线性PID基础上，利用非线性机制，汲取线性PID精华，结构出一个新型非线性PID控制器。详细改进方法为：1.首先将给定信号经过一个跟踪微分器进行预处理，之后再将其送入控制器中进行放大。2.针对经典PID控制中微分信号是因为采取超前网络近似实现所带来负面影响，在非线性PID控制中则对反馈信号使用一个跟踪微分器进行预处理，既可得到滤波输出，又可得到输出微分信号，用于结构误差微分以形成控制量。3.在经典PID控制中，误差信号百分比、微分和积分线性组合形成控制量未必是最好选择，而且这种线性配置有一定不足，所以经过恰当得使用非线性就能带来极大好处。而且计算机已经广泛地应用到控制领域，使得非线性特征实现变得愈加轻易。所以改进方法即为采取这三个信号一个非线性组合。4.对于可能出现积分饱和现象，引入非线性函数，智能化因子a范围取0~1、积分时间越长，积分项值越小。

第二章非线性PID控制器2.1非线性理论非线性控制系统研究几乎是与线性系统平行，并已经提出了许多详细方法。但总来说，因为非线性控制系统本身所包含现象十分复杂，这些方法都有其不足，不能成为分析和设计非线性控制箱系统通用方法。非线性控制系统理论研究现在还处于发展阶段，还有许多问题等候深入探讨。2.1.1非线性控制经典方法及不足非线性控制系统早期研究都是针对一些特殊、基本系统（如继电、饱和、死区等）而言，其代表性理论有以下几个。1.相平面法相平面法是由Poincare与1885年首先提出一个求解微分方程图解方法。这种方法实质是将系统动态过程在相平面内用运动轨线形式绘制成相平面图，然后依摄影平面图全局几何特征。来判断系统所固有动静态特征。该方法主要用奇点、极限环概念描述相平面几何特征，并将奇点和极限环分成几个类型，但该方法仅适适用于二阶及简单三阶系统。当代控制理论中状态空间分析能够看成是相平面分析方法推广，从相平面法还产生了当代控制理论中变结构控制。2.描述函数法描述函数法是英国P.J.Daniel教授与于1940年首次提出。描述函数法研究对象能够是任何阶次系统，其思想是用谐波分析方法。忽略因为对象非线性原因造成高次谐波成份，而仅使用一次谐波分量来近似描述其非线性特征。当系统中非线性元件用线性化描述函数代替以后，非线性系统就等效成一个线性系统，然后就可借用线性系统理论中频率响应法来对系统进行频域分析。描述函数法可用来近似研究非线性控制系统稳定性和自持震荡问题，还可用它对非线性控制系统进行综合。3.绝对稳定性理论绝对稳定性概念是由苏联学者鲁里叶与波斯特尼考夫提出，所研究对象是由一个线性步骤和一个非线性步骤组成闭环控制系统，而且非线性部分满足扇形条件。这两位学者利用二次型加非线性项积分作为李亚普诺夫函数，给出了判定非线性控制系统绝对稳定性判据条件。在此基础上，许多学者做了大量工作，提出了不少决定稳定性判据条件，其中最有影响是波波夫判据和圆判据，这两种判据方法都属于频率法，其特点是用频率特征曲线与某直线或圆关系来判定非线性系统稳定性。也有些人试图将单变量系统方法推广到多变量系统情况，可惜都不成功。4．李亚普诺夫稳定性理论李亚普诺夫稳定性理论是分析和研究非线性控制系统稳定性经典理论，现在仍被大家广泛采取。李亚普诺夫理论关键是结构一个李亚普诺夫函数，学者们已经提出了一些结构非线性系统李亚普诺夫函数方法：克拉索夫斯基法、变量梯度法等，但每种方法都有其一定针对性，还没有一个能适适用于各种情况统一结构方法。李亚普诺夫方法还可用来综合渐近稳定系统。2.1.2非线性系统理论最新发展及问题自20世纪80年代以来，非线性科学越来越受到人们重视，数学中非线性分析、非线性泛函，物理学中非线性动力，发展都很快速。与此同时，非线性系统理论也得到了蓬勃发展，有更多控制理论教授转入非线性系统研究，更多工程师力图用非线性系统理论结构控制器，取得了一定成就。主要有以下几个方面。1.微分几何方法用微分几何方法研究非线性系统是当代数学发展结果，并在进非线性系统研究中成为主流。它内容包含基本理论和反馈设计两大部分。基本理论部分讨论了非线性系统状态空间描述与非线性系统其余部分描述部分之间关系，证实了这几个描述在一定条件下是等价，而且研究了非线性系统能能控性、能观性等基本性质。2.微分代数方法1986年Isidori发觉了微分几何控制理论中一些病态问题，造成微分代数控制理论产生。微分代数控制理论从微分代数角度研究了非线性系统可逆性和动态反馈设计问题，该理论使用最主要概念是非线性系统秩p概念，并得出秩与非线性可逆关系；将动态扩展算法推广到非线性情形，处理了仿射非线性系统状态反馈解耦。3.变结构控制理论变结构控制严格地应称为具备滑动模态变结构控制，它是现在非线性控制系统比较普遍、较系统一个综合方法。结构变结构器关键是滑动模态设计，即切换函数选择算法。对于线性控制对象来说，滑动模态设计已经有较完善结果，对于一些非线性对象，也已提出了一些设计方法。变结构滑模控制实现起来比较简单，对外干扰有较强鲁棒性。变结构滑模控制即使有许多优点，但也存在一些不足之处，主要是会产生抖振。对于这个问题也已提出了一些消弱抖振方法，但并未完全处理。4.非线性控制系统镇静设计镇静一直是控制系统设计最基本问题，因为一切能够正常运行控制系统必要前提是稳定。经过系统能控性概念，线性系统镇静问题已经得到完全处理。因为非线性系统能控性和镇静之间关系是不显著，所以非线性系统镇静问题要复杂得多。Byrnes和Isidori应用中心流形理论，处理了一类最小相位系统局部光滑镇静问题。利用Lyapunov函数方法，Artstein研究了松弛反馈镇静问题，得到了局部镇静与光滑反馈、连续反馈及不连续反馈之间关系结论。Byrnes等用状态空间分解法，将仿射线非线性系统分解成线性和非线性两部分，得到了动态状态反馈全局镇静结果。也有些人用最优化方法，讨论了仿射非线性系统全局镇静问题。对于镇静必要条件，Brockett等人做了大量研究工作，从不一样角度得到了许多新条件。5神经网络方法神经网络提出已经有几十年了，它首先被用于处理模式识别等一类问题。因为Minsky和Papert著作Perceptron指出了当初存在问题，一度使这方面研究走入低谷。20世纪80年代，神经网络理论取得突破性进展，引发了控制理论界广泛关注。神经网络之所以对控制有吸引力，是因为它具备以下几个特点：（1）能迫近任意属于L2空间非线性函数。（2）它采取并行、分布式处理信息，有较强容错性。（3）便于大规模集成电路实现。（4）适适用于多信号融合，可同时综合定量和定性信号，对多输入多输出系统尤其方便。（5）可实现在线和离线学习，使之满足某种控制要求，灵活性大。6.混沌动力学方法混沌运动发觉，在科学界引发很大波动。因为混沌运动是非线性系统一个比较普遍运动，所以引发各个领域科学家们广泛兴趣，已经成为各个学科研究人员普遍关注前沿性课题。近几年来，国外在非线性动力学或非线性系统学主题下，出现可大量关于分叉、混沌研究文件，主要有Holms，Wiggins，Golubistsky等为代表关于全局分叉、同宿和异宿轨道分析、奇异和群论分析、分叉等解析方面研究，有以Hsu，Tongue等胞映射、插值胞映射等为代表数值方法研究。国内外许多著名学者早非线性震动系统、Hamilton系统及其摄动系统复杂运动分析、胞映射方法改进及符号动力学方面，也做了大量工作。2.2跟踪微分器（TD）跟踪微分器TD是这么一个动态系统：对于输入信号V(t),它将输出两个信号x1和x2，其中x1是跟踪V(t)，而，从而把x2作为V(t)“近似微分”。由跟踪器得到微分信号是输入信号广义导数一个光滑迫近。因为对于任意给定连续、不连续信号，TD能够给出连续、无超调跟踪信号。所以把跟踪微分器引入到经典PID控制器中，即克服了经典PID控制因为没有对给定信号进行预处理而给系统带来额无须要结构上干扰，有克服了经典PID误差信号微分失真。利用TDPID控制器结构图如图2.1所表示。图2.1利用TDPID控制器2.2.1跟踪微分器数学表示式二阶跟踪微分器方程为(2.1)为了防止在原点附近颤振，将符号函数改为饱和函数就得到有效二阶跟踪微分器：（2.2）其中，TD滤波器离散化公式如式（2.3）所表示：(2.3)其中：x1用于跟踪输入信号v，x2用于跟踪v二阶导数，r是决定跟踪快慢参数，r越大，x1越能更加快地跟踪信号v；h是数值积分步长。是以下非线性函数：其中2.2.2跟踪微分器数学模型搭建（simulink下实现）在Matlab环境下，能够经过两种方式来实现跟踪微分器功效：一个是经过编写s函数，也就是编程方式来实现；另外一个就是在simulink仿真下，经过各个功效模块搭建来实现。在本设计中，采取后者。跟踪微分器数学表示式如式(3.2)所表示，下面即展示利用simulink模块分步实现跟踪微分器各个功效。对于函数，其搭建simulink模块为图2.2所表示：图2.2sat()函数功效模块其中ln1为输入，Out1为输出，并用了几个功效模块：Abs1为取绝对值；Sign为符号函数；Divide1为乘除函数；Switch为选择函数（当输入值绝对值大于限值时上路接通；当输入值绝对值小于限值是，下路接通）。所以，设限值为，当>时，=；当<时，=，至此，就能够实现此函数功效了。在此基础上，就能够实现公式（2.2）功效了，如图2.3所表示：图2.3subsystem子系统模块图中子系统Subsystem1所封装内容即图2.2所表示内容即函数。Subsystem输入由三部分组成：、、，其中ln1为输入信号；从上路接入信号为；从下路接入信号为。三路信号和作为Subsystem输入信号，输出信号进入乘除器，作为被除数，除数为-R。乘除器输出信号进入一个积分器就得到了，再经过一个积分器就得到信号。再把信号引出，经一个乘除器与其绝对值相乘，再除以2R，就可得到。所以整个TD模型就已经搭建好了，如图2.4所表示

图2.4TD实现把图2.3封装子系统为Subsystem，如上图所表示，ln1为输入端，Out1和Out2为输出端。Out1端输出跟踪输入信号，Out2端输出为输入近似微分。2.2.3跟踪微分器仿真实现与分析（1）前面已述，微分跟踪是这么一个动态系统：对于输入信号V(t),它将输出两个信号x1和x2，其中x1是跟踪V(t)，而，从而把x2作为V(t)“近似微分”。由跟踪器得到微分信号是输入信号广义导数一个光滑迫近。给系统加一个正弦信号，幅值为2，频率为1rad/s。输入正弦函数图形如图2.5所表示：图2.5输入正弦图形输出x1和x2分别如图2.6和2.7所表示：图2.6x1输出图形图2.7x2输出图形分析以上三图：比较图2.5和图2.6能够发觉，两图基本完全是一致，说明输出x1能够很好地跟踪输入信号，观察图2.7，刚开始有较大波动，随即稳定了，正是图2.5微分信号，所以，能很好实现微分器功效。（2）跟踪微分器还具备一定滤波作用，下面我们对其进行仿真验证。在原信号上加入噪声0.1rands(1)干扰，其波形如图2.8所表示：2.8加噪声输入信号经过TD跟踪微分器后，其输出波形如图2.9所表示：2.9滤波后输出波形所以，比较以上两图能够发觉，经过TD后，原波形噪申显著降低了很多，并能继续跟踪源信号，说明TD具备很好滤波功效。2.3非线性组合2.3.1几个经典非线性组合选取合理非线性函数,PID非线性组合方式有以下几个：（1）称为非线性误差PID控制律，其结构如图2.10所表示。图2.10非线性误差PID控制规律结构图（2）称为非线性PID控制律，其结构如图2.11所表示，其中虚线部分可称为非线性组合。图2.11非线性PID控制规律结构图2.3.2非线性组合数学模型实现（2.4）其中是决定非线性度参数,其取值范围为0~1；表征线性区间大小参数。2.3.3非线性组合simulink搭建及仿真实现在simulink下对非线性函数fal()搭建模型如图2.12和2.13所表示：图2.12非线性系统图2.12是封装子系统后整体模型，为了研究方便，输入为斜坡函数，其子系统封装内容如图2.13所表示：图2.13子系统内部结构分析图2.13：主要有以下几个功效模块：step为阶跃输入；abs为取绝对值；Product为乘法模块；Divide为除法模块；Sign为符号函数模块；MathFunction为指数模块；Switch为开关选择模块。ln1为输入，首先看中路，取绝对值后进入Switch模块，与Switch限值δ比较大小，当其大于δ时输入信号进入上路，小于δ时输入信号进入下路。对上路分析：输入信号进入上路后又分成两路，一路进入Sign模块变为符号函数，另一路取绝对值后再进入MathFunction模块，最终两路信号相乘。对下路进行分析：首先看MathFunction模块，它有两路输入：一路是δ，另一路是1-α。此模块输出进入Divide模块，作为除数，被除数输入。2.4非线性PID控制器图2.14非线性PID控制器结构图经过合理地选取非线性函数、利用跟踪微分器实现对给定信号预处理和对给定信号微分信号提取，能够结构出如图2.14所表示非线性PID控制器。非线性PID包含两个跟踪微分器（TD），一个对系统参考输入安排理想过渡过程并提取参考输入信号微分信号；另一个跟踪微分器尽可能地复原系统输出及其微分信号。非线性PID算法以下：(2.5)(2.6)(2.7)适当选取非线性组合和跟踪微分器中参数，非线性PID控制器对对象不确定性具备极好适应性及对本身参数具备较强鲁棒性。2.5、对非线性函数fal影响及假设非线性函数数学表示式如式2.4所表示，为误差大小，即输入量；决定非线性度参数，其取值范围是0~1；表征线性区间大小参数。2.5.1对非线性函数fal影响设计如图2.15所表示试验系统。各非线性步骤子系统（Subsystem1﹑Subsystem2﹑Subsystem3﹑Subsystem4﹑Subsystem5）中取值分别为0﹑0.25﹑0.5﹑0.75﹑1。在=0.012不变情况下，给各非线性步骤加入初始值为0，斜率为1斜坡信号。其输出响应如图2.16所表示。图2.15取值不一样时试验系统图2.16运行结果比较运行结果分析：在保持不变情况下，值越小，曲线非线性程度越大，非线性效果就越显著，当为0时，输出曲线为阶跃信号，伴随增大，曲线越来越靠近线性，当为1时，输出曲线就变为线性函数了。而且在能够看出在1s之前，同一时刻，值越大，其输出值越小，全部曲线在1s时刻相交，1s之后，值越大，其输出值越大。2.5.2对非线性函数fal影响设计如图2.17所表示试验系统。子系统Subsystem1~7取值分别为：0.0000012、0.00012、0.012、1.2、120、1、10，=0.5不变。给各非线性步骤加入初始值为0，斜率为3斜坡信号。输出响应如图2.18所表示。图2.17取值不一样时试验系统图2.18运行结果输出比较分析：当δ=0.0000012、0.00012、0.012、1.2时输出曲线基本是重合，在100s时候输出基本能够达成17左右，展现较显著地非线性曲线，我们能够从非线性函数数学表示式来分析：当δ取值较小时候，输入在很短时间内可实现，所以输出为=，展现如上所表示曲线。当δ=120时候，能够发觉曲线在t=40s时候会出现转折，此现象不难分析：输入是斜率为3斜坡信号，当初间达成40s时候，输入变为120，而这一点恰好是转折点，在这之前，=，在这点之后，，=所以会展现如图所表示曲线。当δ=1时，曲线基本呈线性关系，且其输出很小，当t=100s时，对应输出为2.75，因为δ取值较大，所以前段时间=。当δ=100时，对应输出值更小，当t=100s时，其对应输出为0.9，一样，δ取值很大，所以很长一段时间内=。所以，在实际应用中δ取值不能过大，通常情况下，δ最大不能超出个位数。2.6对跟踪微分器影响微分跟踪器结构如式2.2所表示:共含有两个参数R和,其中R>0是任意给定，只要R足够大就能够。所以主要就是取值了，下面我们就经过仿真试验来找出取值最好范围。（2.8）经过查询关于资料，有一篇文章取值0.6075，在此基础上，我对对跟踪微分器影响进行研究，分别取0.006075、0.06075、0.6075、6.075、60.75、607.5，并输入带噪声正弦信号，进行仿真，输出结果如图2.19所表示：图2.19运行结果输出比较经过图2.19我们不难看出，在较小情况下，即为0.006075、0.06075、0.6075时，TD输出基本相同，能很好消除噪声并能跟踪源信号；当增大到6.075时，输出波形稍微变形，但基本还能跟踪源信号；继续增大，为60.75时，波形变形较为严重，已不能跟踪源信号了；当增大到607.5时，输出已经完全变形了。所以，综上，取值不能过大，应最少取到小数点后一位。

第三章电厂主汽温控制系统方案3.1火电厂主汽温常规控制方案3.1.1串级调整系统单回路反馈调整系统是工业生产过程中普遍应用一个自动调整系统，在电厂热工过程自动调整中应用得也很广泛。但在电厂主要热工过程，比如蒸汽锅炉自动调整中，因为对运行安全和经济性有较高要求，单回路反馈系统往往不能满足生产上要求。在单回路反馈系统中，只有当被调量偏离给定值时调整器才发生动作，假如调整器动作后到调整对象被调量发生反应延迟和惯性较大，那么调整器动作就不能及时、有效地阻止被调量深入改变，因而在调整过程中就会出现较大地动态偏差。另外，在单回路反馈系统中，调整器整定参数是与调整对象动态特征关于，对于延迟和惯性较大地调整对象，调整器必须迟缓地动作才能确保系统有必要稳定裕量，这么也会增加调整过程中被调量动态偏差。所以对于延迟和惯性较大调整对象，为了有效限制被调量动态偏差，必须对单回路反馈系统进行改进。有两种改进路径：当被调量发生改变扰动一经发生，调整器应及早发生动作，不要等到被调量发生改变后才动作。这就要求取得一些比被调量提前反应扰动辅助信号。调整器接收这些提前信号而及早动作，无疑能够有效限制被调量动态偏差。改进调整作用下对象动态特征，使被调量一发生改变，调整器就能够较快地动作（在确保系统必要稳定性裕量前提下），这么也能起降低动态偏差作用。依照这些构想组成系统，在电厂热工过程自动调整中惯用到有串级调整系统（以及与串级调整系统类似采取导前微分信号系统）和前馈-反馈调整系统【7】，本设计中就是采取串级调整系统。串级调整系统结构方框图如图3.1所表示。调整系统任务依然是使被调量y等于给定值（决定于r），对象调整结构和执行器仍只有一个，但在系统应用了两个调整单元，还增加了一个中间测点测值作为辅助被调量。串级调整系统比单回路反馈系统多了一个调整单元和一个测量单元。在图3.1所表示调整系统中，当被调量y偏离给定值时，调整单元2发出校正信号，这个信号送入调整单元1作为辅助被调量给定值；当不等于给定值时，调整单元1发出调整动作信号，推进执行器和调整机构动作，以使被调量y恢复至等于给定值。在这个系统中，因为两个调整器串联作用来使被调量y恢复到等于给定值，故称为串级调整系统。图3.1串级调整系统结构框图在串级调整系统中有两个闭合回路：由调整单元1、执行器、调整对象1和测量单元1组成闭合回路称为内回路或副回路，其中调整单元1称为副调整器；调整对象是整个调整对象一部分，称为调整对象导前区。另一个闭合回路由调整单元2、内回路、调整对象2和测量单元2组成，称为外回路或主回路。其中调整单元2称为主调整器；调整对象2为整个调整对象另一部分，常称为调整对象惰性区。从图3.1.1中能够看出，假如扰动发生在内回路中(如图中)，则辅助被调量比被调量y改变得早，在被调量y还未发生改变时内回路就因为改变而起调整作用。这么显然能够较及时地消除扰动影响，而使被调量y改变较小。假如扰动发生在内回路之外（如图中），那么只有当被调量y开始改变后调整系统才动作，这时串级调整系统调整效果就不如前一个情况下那样显著。不过，即使在这种情况下，串级调整系统调整效果还是能够比单回路反馈系统有所改进。3.1.2仿真实例火电厂主汽温对象具备大延迟、大惯性和时变等特征，在调整过程中可能出现较大偏差以及不稳定性。过热器管道较长和蒸汽容积较大，当减温水流量发生改变时过热器出口蒸汽温度轻易出现较大延迟；负荷改变时，主蒸汽温度对象动态特征改变显著。另外，主蒸汽温度对象还具备分布参数和扰动变量多特点。图3.2主汽温控制系统结构图针对某火电厂主汽温控制系统进行仿真研究，其结构如图3.2所表示。其中减温水流量干扰；、分别为主汽温、导前区气温；为该主汽温对象导前区传递函数（时间常数单位：s）：(3.1)为主调整区传递函数（时间常数单位：s）为：(3.2)现在，多数电厂采取图3.2形式串级控制方案，在主汽温串级控制系统中，内回路任务是尽快消除减温水自发性扰动和其余进入内回路各种扰动，对主汽温稳定起粗调作用；外回路任务是保持主汽温等于给定值。3.2火电厂主汽温非线性PID控制方案结合火电厂主汽温对象具备大延迟、大惯性和时变等特征，提出了主汽温控制系统非线性PID串级控制方案，由图3.3所表示，内回路采取P控制器；外回路采取非线性PID控制器。图3.3非线性PID串级控制系统结构图非线性PID控制器结构如图3.4所表示：非线性控制器由两个跟踪微分器(TD)和一个非线性组合组成。其中,一个TD对系统参考输入安排理想过渡过程并提取参考输入信号微分信号(为理想过渡过程，即跟踪输入信号；为微分信号)；另一个TD跟踪微分器尽可能地复原系统输出y(t)及其微分信号；再依照和y(t)产生跟踪信号和微分信号分别产生百分比偏差信号和微分偏差信号，百分比偏差信号经积分结构器产生积分偏差信号。利用非线性组合依照这三个偏差信号组成非线性PID控制器输出控制量。图3.4非线性PID控制器结构图

第四章主汽温非线性控制仿真研究以下采取分块隔离，逐一试验分析方法，进行了几个方面研究：（1）线性百分比与非线性百分比作用效果。（2）线性积分与非线性积分作用效果。（3）线性百分比微分与非线性百分比微分作用效果。（4）线性PID与非线性PID作用效果。（5）非线性PID抗干扰能力测试与分析。（6）非线性PID鲁棒性测试与分析。4.1线性百分比与非线性百分比作用比较与分析4.1.1参数设置非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=22.76；外回路P控制器主要可调参数：=0.5，=0.012，=0.16.线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=15.64；外回路P控制器主要可调参数：=0.62.4.1.2仿真实现与结果分析图4.1百分比作用下仿真模型搭建仿真试验系统如图4.1所表示，仿真试验结果如图4.2所表示：图4.2百分比作用下仿真试验响应曲线从图4.2能够看出，在相同设定值下，非线性PID调整时间为t=200s，比线性PID稳定时间少110s；非线性PID最大值为0.69，超调量为0.9，比线性PID少1.2，另外非线性PID波动较小，较为稳定。所以，总而言之，非线性PID具备愈加好控制效果。4.2线性积分与非线性积分作用比较与分析4.2.1参数设置非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=22.76；外回路I控制器主要可调参数：=0.5，=20,=0.0035.线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=15.64；外回路I控制器主要可调参数：=0.005.4.2.2仿真实现与结果分析仿真试验系统如图4.3所表示，仿真试验结果如图4.4所表示。图4.3积分作用下系统模型搭建模型搭建完成，进行仿真，结果如图4.4所表示：4.4积分作用下仿真试验响应曲线从图4.4中我们能够看出，非线性PID在响应时间上比线性PID稍慢，相差30多秒。不过非线性PID基本上无超调，而且稳定时间较线性PID小，在t=350s时候已进入稳定了，而线性PID则要在t=460s时才进入稳定。4.3线性百分比微分与非线性百分比微分作用比较与分析4.3.1参数设置非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=22.76；外回路PD控制器主要可调参数：=1，=0.85，=1；=0.16，=0.5，=0.012线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=15.64；外回路PD控制器主要可调参数：=0.62.4.3.2仿真实现与结果分析仿真试验系统如图4.5所表示，仿真试验结果如图4.6所表示。图4.5百分比、微分系统模型搭建图4.6百分比、微分仿真试验响应曲线从图4.6能够看出，非线性PID反应时间相比于线性PID来说，稍微慢了一点，不过不论在超调量还是在响应时间上非线性PID都显著优于线性PID，非线性PID稳定时间t=180s，而线性PID则是t=310s，快了130s；非线性PID峰值约为0.67，超调量为0.07，而线性PID峰值为0.81，超调量为0.14，所以非线性PID具备愈加好地控制效果。4.4线性PID与非线性PID作用比较与分析4.4.1参数设置非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=22.76；外回路PID控制器主要可调参数：=1，=0.85，=1；=0.16，=0.5，=0.012;=0.0035,=0.5,=10.线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=15.64；外回路PID控制器主要可调参数：=0.62,=1,=0.05.4.4.2仿真实现与结果分析仿真试验系统如图4.7所表示，仿真试验结果如图4.8所表示。图4.7系统模型搭建图4.8仿真试验响应曲线从图4.8能够看出，非线性PID响应时间比线性PID响应时间稍慢，不过线性PID波动较大，且不稳定，而非线性PID曲线较为稳定、平滑，它稳定是时间相比于线性PID而言，是很短，t=400s，比线性PID稳定时间t=1200s快了400s，说明非线性PID控制方案比线性PID控制方案具备愈加好地控制效果。4.5非线性PID抗干扰能力测试与分析4.5.1PID抗干扰能力测试线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=15.64；外回路PID控制器主要可调参数：=0.62,=1,=0.05.在t=1300s时加入扰动信号，其结果如图4.9所表示：图4.9在t=1300s时加入扰动输入曲线从图4.9能够看出，在t=1300s时，就会有扰动出现，以后输出波形一直上下波动，且幅值较大，所以说线性PID抗干扰能力较差。4.5.2不含TD非线性PID抗干扰能力测试非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=22.76；外回路PID控制器主要可调参数：=1，=0.85，=1；=0.16，=0.5，=0.012;=0.0035,=0.5,=10.在t=500s时加入扰动信号，如图4.10所表示：图4.10不含TD非线性PID结构图在t=500s时加入扰动信号后其输出曲线如图4.11所表示：4.11在t=500s时加入扰动输出由图4.11可知，在t=500s时加入扰动，系统输出会有波动出现，不过波动幅度较线性PID有显著降低，所以，不含TD非线性PID有一定滤波效果及抗干扰能力。4.5.3含TD非线性PID抗干扰能力测试非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：=22.76；外回路PID控制器主要可调参数：=1，=0.85，=1；=0.16，=0.5，=0.012;=0.0035,=0.5,=10.在t=400s时加入扰动信号，如图4.12所表示：图4.12带有TD非线性PID结构图加入扰动后输出结果如图4.13所表示：图4.13在t=400s时加入扰动时输出分析图4.13，我们能够看出，在t=500s时给非线性系统加入扰动后，其输出图形基本不受影响，波动很小，相比与线性PID和不含TD非线性PID都有显著滤波性能。说明含TD非线性PID控制系统具备很强抗干扰能力。4.6非线性PID鲁棒性测试与分析控制系统鲁棒性是指控制系统在某种类型扰动下，包含本身模型扰动下，系统某个性能指标保持不变能力。对于实际工程系统，人们最关心问题是一个控制系统当其模型参数发生大幅度改变或其结构发生改变时能否仍保持渐近稳定，这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰动下系统品质指标依然保持在某个许可范围内，这称为品质鲁棒性。为了测试比较PID和非线性PID鲁棒性，尝试改变被控对象模型参数来观察系统输出响应。(1)将主调整区传递函数改为，得到输出曲线如图4.14和图4.15所表示。由图4.14可知，当改变模型参数后，PID系统发散，不稳定了。说明PID鲁棒性能较差。而由图4.15可知，在改变系统模型参数后，非线性PID输出曲线依然是稳定。即使有超调量了，不过超调较小，在能够接收范围内；调整时间有所加长，不过在t=650s时候也能够达成稳定了。图4.14线性PID鲁棒性测试结果输出图4.15非线性PID鲁棒性测试结果输出(2)将主调整区传递函数改为，得到输出曲线如图4.16和4.17所表示。由图4.16可知，当传递函数分母改变后，线性PID输出就变为发散了，不稳定了。而由图6.17可知，系统参数改变后非线性PID输出依然是稳定，只是在前段时间稍微有点波动，随即就比较平滑了，而且无超调，稳定时间稍微延长一些，由原来t=400s变为t=700s，是在能够允许范围内，所以，我们能够得知，相比于线性PID，非线性PID具备很强鲁棒性。图4.16线性PID鲁棒性测试结果输出图4.15非线性PI