1、<p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p>　　基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度控制與診斷系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　-----控制部分</b></p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級

2、電氣工程及其自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b>

3、;</p><p>　　目前，世界各國制造的大容量、高參數鍋爐過熱蒸汽溫度大多控制在540℃上下。為保證汽輪機的安全、經濟運行，在規(guī)定條件下，對過熱蒸汽溫度的控制提出了較高的要求，即要將過熱蒸汽溫度的暫時偏差不允許超過額定值的±10℃，長期偏差不允許超過額定值的±5℃，這個要求對于控制系統(tǒng)來說是非常高的。對于大型火力電廠鍋爐，過熱蒸汽的溫度是保證機組安全、經濟運行的一個重要參數。蒸汽溫度過高，

4、會直接影響過熱器管道、汽輪機的安全運行；蒸汽溫度過低，則影響機組的熱效率。對于如此高的控制要求，傳統(tǒng)的控制方式是無法達到的。</p><p>　　當前世界上應用最廣泛的溫度控制系統(tǒng)是PID控制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中，80%以上的控制器是PID控制器。本文提出狀態(tài)反饋—PID過熱蒸汽溫度控制方法，針對具有大延遲純滯后的主汽溫對象，外回路采用PID控制器，將狀態(tài)反饋應用于內回路，通過合理的配置狀態(tài)觀測器的極點位置，能

5、改善被控對象的動態(tài)特性，獲得比較滿意的控制效果。本文中，討論了現代電廠過熱蒸汽控制的一般情況，對提出的狀態(tài)反饋-PID控制方法進行了仿真。論文中總結了系統(tǒng)設計中的極點配置原則，同時，仿真結果也表明這種方法能有效的完成主汽溫的控制功能，且簡化了系統(tǒng)的設計。</p><p>　　關鍵詞：狀態(tài)觀測器；過熱蒸汽溫度控制；極點配置；狀態(tài)反饋-PID</p><p><b>　　Abstra

6、ct</b></p><p>　　At present，many countries have made the boiler that have big capacity and high parameter which reheat steam temperature have controlled in 540℃。Under specified conditions，to ensure the

7、safe and economic of the steam turbine，reheat steam temperature have higher requirement，we should make the reheat steam temperature deviation will not allow for more than ±10℃，for long-term deviation will not allow

8、more than ±5℃，this is a very high requirement to control system。For large boiler coal-fired power pl</p><p>　　The most widely used temperature control system in the world today is still PID control syst

9、em. In the control of the industrial processes, over 80% of the controller is PID controller. We design a feedback-PID controller，Based on a big delay pure lagging behind the main steam temperature object，The outer loop

10、 PID controller and will state feedback application within circuits，Through the rational disposition of state observer pole locations，can improve the dynamic characteristics of the control</p><p>　　Keywords：

11、state observer；reheat steam temperature control；pole assignment；state feedback-PID</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p>　　1.1 控制理論的發(fā)展1</p&g

12、t;<p>　　1.1.1經典控制理論的發(fā)展及基本內容2</p><p>　　1.1.2現代控制理論的發(fā)展及基本內容2</p><p>　　1.2基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度控制與診斷的設計任務3</p><p>　　第2章 電廠過熱蒸汽溫度控制的一般情況4</p><p>　　2.1過熱蒸汽溫度對象的一般特性4</

13、p><p>　　2.2減溫水擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性4</p><p>　　2.3過熱蒸汽溫度控制的發(fā)展概況6</p><p>　　第3章 狀態(tài)反饋系統(tǒng)及極點配置8</p><p>　　3.1狀態(tài)反饋系統(tǒng)的概念8</p><p>　　3.2狀態(tài)反饋極點配置及算法9</p><p>　　第4

14、章 基于狀態(tài)觀測器的過熱蒸汽溫度控制與診斷的設計11</p><p>　　4.1狀態(tài)觀測器的設計要求11</p><p>　　4.2狀態(tài)反饋蒸汽溫度控制器的設計12</p><p>　　4.2.1 極點位置選取的一般原則12</p><p>　　4.2.2 數學模型的建立13</p><p>　　第5章 控制

15、系統(tǒng)的仿真研究15</p><p>　　總結錯誤!未定義書簽。</p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1 控制理論的發(fā)展</p>

16、;<p>　　隨著生產的發(fā)展，控制技術也在不斷的發(fā)展，尤其是計算機的更新?lián)Q代，更加推動了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可分為三個階段。</p><p>　　20世紀40年代之前，科學家的早期探索。主要有：我國北宋時期（1086~1089年）天文學家蘇頌、韓公廉建造的水運儀象臺；1681年法國物理學家、發(fā)明家巴本（D.Papin）發(fā)明了用作安全調節(jié)裝置的鍋爐壓力調節(jié)器；1765年俄國人

17、普爾佐諾夫發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調節(jié)器；1788年，英國人瓦特在他發(fā)明的蒸汽機上使用了離心調速器，解決了蒸汽機的速度控制問題。</p><p>　　第一階段，20世紀40年代~60年代，稱為“經典控制理論”時期。</p><p>　　美國貝爾實驗室的H.Bode（1938）以及Nyquist（1940）提出頻率響應法；美國W.Evans提出根軌跡法，以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經典控制研究工作完成

18、；多本有關經典控制的經典名著相繼出版，包括Ed.S.Smith的Automatic Control Engineering(1942),H.Bode的network analysis and feedback amplifier（1945）L.A.MacColl的fundamental theory of servomechanisms（1945）以及錢學森的《工程控制論》（1954）；在經典控制理論時期，電力電子器件主要發(fā)展在分立元件

19、時期，二分立元件分為電子管時代（1905~1948）和晶體管時代（1948~1959）兩個階段；蘇聯(lián)東方-1號飛船載著加加林進入人在地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了（1961）。</p><p>　　第二階段，20世紀60年代~70年代，稱為“現代控制理論”時期?，F代控制理論時期主要是電子器件的發(fā)展。</p><p>　　半控型器件：自從20世紀50年代，由美國通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管問

20、世，標志著電力電子技術的開端。此后，晶閘管的派生器件也越來越多，其中有快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等半導體元件；</p><p>　　全控型器件：隨著關鍵技術的突破以及需求的發(fā)展，由早期的小功率低頻、半控型器件發(fā)展到了現在的超大功率、高頻、全控型器件。因為全控型器件可以控制開通和管段，大大提高了開關控制的靈活性。自20世紀70年代以后可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）以及其相應模塊相

21、繼實用化。</p><p>　　第三階段，20世紀70年代末至今，向著“大控制理論”和“智能控制”的方向發(fā)展。</p><p>　　蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，首次在月球表面軟著陸成功（1966），三年后美國“阿波羅”11號把宇航員阿姆斯特朗送上月球；瑞典Karl.J.Astrom提出最小二乘辨識，解決了現行定常系統(tǒng)參數估計問題和定階方法（1967），六年后他又提出了自啟調節(jié)器，建立自適應

22、控制的基礎。1969年，美國的M.E.Menchart提出計算機集成制造的概念，1981年加拿大G.Zames提出魯棒控制設計方法，同年，美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功。</p><p>　　這一時期就器件而言主要是復合型器件的發(fā)展，主要是功能集成電路（PIC），就集成化而言，這一時期主要出現了超大規(guī)模的集成電路。1975年出現超大規(guī)模集成電路VLSJ，每片集成電子元件一萬個以上。而到現在每個晶體管的體積

23、變的越來越小，但是集成度卻越來越高。</p><p>　　在科學技術飛速發(fā)展的今天，自動控制技術所起的作用越來越重要，無論在宇宙飛船、導彈制導、雷達定位等尖端技術領域中，還是在機械制造工業(yè)、石油、化工、醫(yī)藥工業(yè)等的過程控制中，都有自動控制技術的應用，并且它所取得的成果都是巨大的，因此，自動控制技術已成為現代社會生活中不可缺少的重要組成部分。</p><p>　　隨著科學技術的的突飛猛進，對

24、工業(yè)的過程控制的要求也越來越高，不僅要求控制的精確性，更注重控制的魯棒性、實用性、容錯性以及對控制參數的自適應和適應能力。另外，需要控制的工業(yè)過程日趨復雜，工業(yè)過程嚴重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數學模型精確描述。這樣建立在數學模型基礎上的古典和現代控制方法將面臨空前的挑戰(zhàn)，同時也給新控制方法的發(fā)展帶來良好的機遇。</p><p>　　1.1.1經典控制理論的發(fā)展及基本內容</p><

25、p>　　在20世紀30年代到40年代這段時期，奈奎斯特、伯德、維納等人的著作為自動控制理論的初步形成奠定了基礎；第二次世界大戰(zhàn)以后，又經過眾多學者的努力，在總結了以往的實踐和關于反饋理論、頻率響應理論并加以發(fā)展的基礎上，形成了較為完整的自動控制系統(tǒng)設計的頻率法理論。1948年，W.R.Evans提出了根軌跡法，至此，自動控制理論發(fā)展的第一階段基本完成。</p><p>　　由此可知，所謂經典控制理論，就是建

26、立在頻率法和根軌跡法基礎上的理論。</p><p>　　經典控制理論以拉氏變換為數學工具，以單輸入－單輸出的線性定常系統(tǒng)為主要的研究對象。將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到復數域中，得到系統(tǒng)的傳遞函數，并以此作為基礎在頻率域中對系統(tǒng)進行分析和設計，確定控制器的結構和參數。通常是采用反饋控制，構成所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)。經典控制理論具有明顯的局限性，突出的是難以有效地應用于時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的

27、特性。當把這種理論推廣到更為復雜的系統(tǒng)時，經典控制理論就顯得無能為力了，這是因為它的以下幾個特點所決定：1、經典控制理論只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對最簡單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的；2、經典控制理論采用試探法設計系統(tǒng)。即根據經驗選用合適的、簡單的、工程上易于實現的控制器，然后對系統(tǒng)進行分析，直至找到滿意的結果為止。</p><p>　　1.1.2現代控制理論的發(fā)展及基本內容</p><p&g

28、t;　　現代控制理論中首先得到透徹研究的是多輸入多輸出線性系統(tǒng)，其中特別重要的是對刻劃控制系統(tǒng)本質的基本理論的建立，如可控性、可觀性、實現理論、典范型、分解理論等，使控制由一類工程設計方法提高為一門新的科學。同時為滿足從理論到應用，在高水平上解決很多實際中所提出控制問題的需要，促使非線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、自適應控制、辯識與估計理論、卡爾曼濾波、魯棒控制等發(fā)展為成果豐富的獨立學科分支。</p><p>　　在50年代

29、蓬勃興起的航空航天技術的推動和計算機技術飛速發(fā)展的支持下，控制理論在1960年前后有了重大的突破和創(chuàng)新。在此期間，貝而曼提出尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃法。龐特里亞金證明了極大值原理，使得最優(yōu)控制理論特得到極大的發(fā)展?？ǘ到y(tǒng)地把狀態(tài)空間法引入到系統(tǒng)與控制理論中來，并提出了能控性、能觀測性的概念和新的濾波理論。這些就構成了后來被稱為現代控制理論的發(fā)展起點和基礎。</p><p>　　現代控制理論以線性代數和微分方程為

30、主要的數學工具，以狀態(tài)空間法為基礎，分析與設計控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質上是一種時域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和揭示了系統(tǒng)的內部狀態(tài)和性能。它分析和綜合的目標是在揭示系統(tǒng)內在規(guī)律的基礎上，實現系統(tǒng)在一定意義下的最優(yōu)化。它的構成帶有更高的仿生特點，即不限于單純的閉環(huán)，而擴展為適應環(huán)、學習環(huán)等。較之經典控制理論，現代控制理論的研究對象要廣泛得多，原則上講，它既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的，也可以是多變量的、非線性的

31、、時變的、離散的。</p><p>　　1.2基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度控制與診斷的設計任務</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，系統(tǒng)的自動化程度越來越高，規(guī)模日益擴大，復雜性也日益提高。而工業(yè)過程特別是航空航天業(yè)、核工業(yè)和能源化工對系統(tǒng)的安全性、可靠性和有效性提出了更高的要求。對于生產過程來說，為了更避免安全事故的發(fā)生從而引起整個生產的癱瘓，必須對系統(tǒng)的控制方法與故障診斷系統(tǒng)進一步優(yōu)化

32、?；鹆Πl(fā)電機組控制的中心問題是：一方面要求機組出力隨著電網負荷的變化而變化；另一方面是在負荷變化時要保證機組的穩(wěn)定性，特別是保持機組的各項參數的波動不超過運行規(guī)程的限制。對于大型火力電廠鍋爐，過熱蒸汽的溫度是保證機組安全、經濟運行的一個重要參數。蒸汽溫度過高，會直接影響過熱器管道、汽輪機的折本的安全運行；蒸汽溫度過低，則影響機組的熱效率。單元機組各級過熱蒸汽溫度控制的慣性時間常數和延遲時間都很大，且機組容量越大，過熱器管道越長，慣性時間

33、和純延遲時間也越長；另外，鍋爐動態(tài)特性隨工況活干擾等因素變化而發(fā)生變化。采用常規(guī)的比例積分微分（PID）串級控制策略往往難以取得比較好的控制品質。變參數控制、smith預估控制、模糊控制等策略，近年來得到了一些應用，一定程度上可以有效的克服蒸汽溫度控制的大慣性、大延遲等特性，但以</p><p>　　本章首先介紹了控制理論的發(fā)展過程，著重介紹了經典控制理論和現代控制理論的發(fā)展與基本內容，然后提出了基于狀態(tài)觀測器的

34、過熱蒸汽溫度控制與診斷的設計任務。</p><p>　　第2章 電廠過熱蒸汽溫度控制的一般情況</p><p>　　2.1過熱蒸汽溫度對象的一般特性</p><p>　　過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度的鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點，蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度降低，以致燒壞

35、過熱器的高溫段，嚴重影響安全。一般規(guī)定過熱蒸汽的溫度上限不高于額定值的5℃。</p><p>　　如果過熱蒸汽溫度偏低，會降低發(fā)電機組能量轉換效率，據分析，氣溫每降低5℃，熱經濟性將降低1%；而且氣溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽濕度增大，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定過熱蒸汽溫度下限不低于其額定值的10℃，通常大容量高參數火力發(fā)電機組都要求保持蒸汽溫度在540℃左右。隨著蒸汽壓力的提高，為了提高機組熱

36、循環(huán)系統(tǒng)的經濟性，減小汽輪機末級葉片中蒸汽濕度，高參數機組一般采用中間再熱循環(huán)系統(tǒng)。將高壓缸出口蒸汽引入鍋爐，重新加熱至高溫，再引入中壓缸膨脹做功。一般再熱汽溫隨負荷變化較大，擋機組負荷降低30%時，再熱汽溫如不加以控制，鍋爐再熱器出口汽溫將降低28~35℃。所以大型機組必須對再熱汽溫進行控制。</p><p>　　蒸汽從汽包出來后通過過熱器低溫段至減溫器，然后再到過熱器高溫段，最后至汽輪機。通常大型鍋爐都采用減

37、溫器減溫的方式控制過熱蒸汽的溫度。各種鍋爐結構不同，過熱器的布置也不同，影響汽溫變化的因素很多，例如蒸汽負荷，煙氣溫度和流速，給水溫度，爐膛熱負荷，送風量，給水母管壓力和減溫器水量。歸納起來主要為蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水三個方面。根據不同的調節(jié)機理，在實際應用中可使用擺動式燃燒器、煙氣擋板和多級彭水減溫等調節(jié)方式，在所有調節(jié)方式中，噴水減溫是最主要的手段，它具有調節(jié)方式靈活、設備相對簡單、易于控制等優(yōu)點。</p>&l

38、t;p>　　2.2減溫水擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性</p><p>　　利用噴水減溫法改變過熱器入口的蒸汽溫度，一般將過熱器分為兩個區(qū)域：導前區(qū)和慣性區(qū)如圖2.1、2.2所示</p><p>　　圖2.1過熱器被控對象</p><p>　　圖2.2被控對象框圖</p><p>　　噴水擾動是噴水減溫過熱蒸汽溫度調節(jié)系統(tǒng)中的基本擾動。從噴水

39、減溫的工藝過程可知，該系統(tǒng)的輸入為噴水量，輸出為過熱蒸汽的溫度，對象具有分布參數特性，即館內的蒸汽和管壁客觀視為多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象，噴水量的變化必須通過這些單容對象，才能最終影響到過熱器出口的蒸汽溫度。在減溫水的擾動下，減溫器出口過熱汽溫的響應比過熱器出口汽溫的響應更快，因此，在該系統(tǒng)中，以減溫器出口溫度作為導前信號構成串級調節(jié)系統(tǒng)，將有效地改善控制系統(tǒng)的性能</p><p>　　減溫水擾動時，導前汽

40、溫的傳遞函數為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中K2是減溫水流量饒丁下導前汽溫的比例放大系數；T2是減溫水流量擾動下導前汽溫對象的時間常數；n2是階數。</p><p>　　在減溫水流向擾動下，過熱蒸汽的溫度傳遞函數可表述為</p><p><b>　?。?-2）<

41、/b></p><p>　　上式中，K0為減溫水流量擾動下的過熱蒸汽溫度的放大系數；T0為減溫水擾動下過熱汽溫對象的時間常數；n0為階數</p><p>　　對象惰性區(qū)的傳遞函數則可表述為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　因為惰性區(qū)的傳遞函數無法通過實驗得出，所以需要通過由試驗得

42、到的K2 、T2、n2、和K0 、T0 、n0來求得的，計算公式為</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　在實際應用中，我們經常將解析法和系統(tǒng)辨識法相結合，通過了解系統(tǒng)的基本結構與工作原理，先推斷出系統(tǒng)的模型，然后再用辨識法確定其參數。</p><p>　　2.3過熱蒸汽溫度控制的發(fā)展概況</p>&

43、lt;p>　　隨著生產的發(fā)展，設備對溫度的控制要求越來越高，除具有較高的溫度控制精度外，還希望控制系統(tǒng)的過程過度時間盡量短，最大偏差和超調量要小，擾動作用后減幅振蕩的次數要盡量小，恒溫曲線要求盡可能平直，靜差要小。而作為溫度控制的對象大多數都具有較大的熱慣性，溫度控制系統(tǒng)具有非線性，時滯以及不確定性。由于控制對象的純滯后興致，常使系統(tǒng)在運行中產生超調乃至振蕩。單純的依靠古典控制方法或現代控制理論都很難達到高質量的控制效果。特別對于

44、高精度溫度控制，如何快速、精確的將溫度控制在給定值一直是現在生產、生活面臨的重要課題之一。溫度控制不論是從控制算法還是控制算法在硬件上面的實現，都是隨著社會科技的發(fā)展而不斷進步的。特別是近年來，隨著計算機應用技術的不斷發(fā)展和完善，計算機被廣泛地應用于檢測和控制領域，使傳統(tǒng)的測控手段、方法與設備發(fā)生了根本性的變化。從普遍意義上講，利用計算機強大的數據處理和人機對話功能，實現對各種參數的實時測量、控制和現場分析，使測試系統(tǒng)的自動化、智能化和

45、實時性的水平顯著提高。國內外對全數字溫度控制系統(tǒng)進行了大量的研究和開發(fā)，并獲得了成功，有的還形成了系列產品。</p><p>　　對溫度的控制理論是自動控制理論的一部分，近幾年PID控制，模糊控制，以及神經網絡在溫度控制中的應用都發(fā)展較快。</p><p>　　PID控制系統(tǒng)自出現以來，由于其結構簡單、實用、價格便宜，在很多過程領域中實現了滿意的控制。在過去長期的應用中，這種技術已經非常成

46、熟。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，采用計算機實現PID控制時，其軟件系統(tǒng)靈活易修改完善的優(yōu)點得以發(fā)揮，是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟，應用最廣泛的一種調節(jié)器。</p><p>　　人工神經網絡是一種采用數理模型的方法模擬生物神經細胞結構及對信息的記憶處理而構成的信息處理方法。它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各種復雜網絡。人工神經網絡以其高度的非線性映射，自組織，自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模，該方法響應速

47、度快，抗干擾能力強，算法簡單，且易于用硬件和軟件實現。在溫控系統(tǒng)中，將溫度的影響因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質以及被加熱物體溫度等作為網絡的輸入，以實驗數據作為樣本，在微機上反復迭代，隨實驗與研究的進行與深入，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網絡權值，達到自整定控制參數的目的。</p><p>　　模糊控制是基于模糊邏輯描述一個過程的控制算法，它適用于控制不易取得精確數學模型和數學模型不確定或經常變化的對

48、象。在實現溫度控制時，將溫控對象的偏差和偏差變化率及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。然后根據控制查詢表，形成模糊算法。最后對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經過數學處理輸入計算機中，計算機根據模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成精確量去驅動執(zhí)行機構，調整輸入，達到調節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的。模糊控制不需要裝置的精確模型，僅依賴于操作人員的經驗和直觀判斷，非常容易應用，并且模糊控制對

49、被控對象參數變化有強魯棒性，對控制系統(tǒng)干擾有較強抑制能力。</p><p>　　狀態(tài)反饋-PID控制是對過程內部每一個容積的狀態(tài)進行檢測與控制，其控制結構是根據被控制對象的模型結構特征加以確定，即對象是幾階的，狀態(tài)變量控制器也是幾階的?？刂破魍豢貙ο蟮慕Y構上相適應。還能使機組在擾動工況下的汽溫動態(tài)偏差大大減小，且減少了一級噴水減溫裝置，降低對過熱器蛇形管耐溫強度的要求，簡化了系統(tǒng)，受到用戶歡迎。</p&g

50、t;<p>　　第3章 狀態(tài)反饋系統(tǒng)及極點配置</p><p>　　3.1狀態(tài)反饋系統(tǒng)的概念</p><p>　　與經典控制理論一樣，現代控制系統(tǒng)中仍然主要采用反饋控制結構，但不同的是經典控制理論中主要采用輸出反饋，二現代控制理論中主要采用內部狀態(tài)反饋。狀態(tài)反饋可以為系統(tǒng)控制提供更多的反饋信息，從而實現更有的控制。</p><p>　　把系統(tǒng)的輸出的變

51、量按照一定的比例關系反饋到系統(tǒng)的輸入段或者端稱為輸出反饋，如圖3.1，因為狀態(tài)變量不一定具有物理意義，所以狀態(tài)反饋往往不易實現；而輸出變量則具有明顯的物理意義，因此輸出反饋比較容易實現。</p><p>　　狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)內容狀態(tài)變量乘以一定的反饋系數（矢量），然后反饋到系統(tǒng)輸入段與系統(tǒng)的參考輸入綜合，綜合而成的信號作為系統(tǒng)的輸入對系統(tǒng)實施控制,，如圖3.2所示，因為控制作用的是系統(tǒng)的函數，可使控制效果得到很大

52、的改善，就能得到比輸出反饋更好的一系列控制特性</p><p><b>　　圖3.1輸出反饋</b></p><p><b>　　圖3.2狀態(tài)反饋</b></p><p>　　對于狀態(tài)反饋，其中的線性狀反饋控制規(guī)律為</p><p><b>　　(3-1)</b></p&

53、gt;<p>　　式中，R是參考輸入，K為狀態(tài)反饋增益矩陣，對于單輸入單輸出系統(tǒng)</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　上式中，A、B、C分別為實常數矩陣，D為標量，將式（3-1）帶入（3-2）,在一般情況下D為0，于是得到引入狀態(tài)反饋后閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)方程</p><p><b>　?。?-

54、3）</b></p><p>　　3.2狀態(tài)反饋極點配置及算法</p><p>　　動力說的各種特性或者各種品質指標，在很大程度上是由系統(tǒng)的極點位置決定的，因此系統(tǒng)設計的一個重要目標是在s平面上設計一組系統(tǒng)所希望的極點。</p><p>　　所謂極點配置問題，就是通過反饋矩陣的選擇，是系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的極點，即閉環(huán)特征方程的特征值恰好處于所希望的一組極點位置

55、上，由于希望的極點具有一定的任意性，因此極點的配置也具有一定的任意性。</p><p>　　狀態(tài)反饋和輸出反饋都能對系統(tǒng)機型極點配置，且一般認為用簡單的比例反饋就能使問題得到解決。極點配置就是通過選擇一個狀態(tài)反饋矩陣，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點處于期望的位置上，在狀態(tài)空間中，極點任意配置的充分必要條件是系統(tǒng)必須完全狀態(tài)可控。</p><p>　　極點配置的方法如下所述：如果系統(tǒng)是完全可控的，那么可選

56、擇期望設置的極點，然后以這些極點作為閉環(huán)極點來設計系統(tǒng)，利用狀態(tài)觀測器反饋全部或者部分狀態(tài)變量，使所有的閉環(huán)極點均落在個期望位置上，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這種設置期望閉環(huán)極點的方法就稱為極點配置方法。</p><p>　　在極點配置方法中，為使全部的閉環(huán)極點位于期望的位置，需要反饋全部的狀態(tài)變量。但在實際系統(tǒng)中，不可能測量到全部的狀態(tài)，為了實現狀態(tài)反饋，利用狀態(tài)觀測器對未知的狀態(tài)變量進行估計是十分必要的。<

57、/p><p>　　設給定的線性定常系統(tǒng)為</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中，X為n維狀態(tài)向量；U為p維狀態(tài)向量；A和B為相應維數的常數陣。若給定n個反饋性能的期望閉環(huán)極點為</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　

58、　則極點配置的設計問題就是確定一個p*n的狀態(tài)反饋增益矩陣K，使狀態(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的極點為式（3-5），即</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　其中表示的特征值。</b></p><p>　　單輸入單輸出系統(tǒng)的極點配置</p><p>　　對于單輸入單輸出的n階

59、系統(tǒng)，其反饋增益矩陣K是一行向量，僅包含n個元素，可由n個極點唯一確定，反饋增益矩陣K由期望的閉環(huán)極點確定，二期望的閉環(huán)極點根據閉環(huán)系統(tǒng)的設計要求決定，如對相應速度、阻尼比、貸款等要求。</p><p>　　多輸入多輸出系統(tǒng)的極點配置</p><p>　　對于多輸入多輸出系統(tǒng)的極點配置，有多種算法可以確定狀態(tài)反饋增益矩陣，但與但輸入單輸出系統(tǒng)相比，則要復雜的多。在多變量系統(tǒng)中，狀態(tài)反饋增益

60、矩陣K不是唯一的，如果要確定唯一的極點，則必須附加其他條件，但從工程應用角度來說，希望K的各個元素盡可能小。</p><p>　　多輸入多輸出系統(tǒng)Σ（A,B）極點配置方法設計步驟如下所述。</p><p>　　將能控矩陣對{A,B}轉化成某種規(guī)范型。</p><p>　　將給定的期望閉環(huán)極點按規(guī)范型計算它們的特征多項式。</p><p>　　

61、求取規(guī)范型的狀態(tài)反饋增益陣K。</p><p><b>　　極點配置的注意問題</b></p><p>　　使用極點配置方法時，要注意下述問題：系統(tǒng)完全狀態(tài)可控是求解的充分必要條件；應把閉環(huán)系統(tǒng)的期望特性轉化為極點位置；理論上選擇反饋增益可是系統(tǒng)任意加快時間相應。加大反饋增益可提高系統(tǒng)的頻帶、加快系統(tǒng)的響應，但過大的反饋增益，在有一定誤差信號時，將會導致控制信號無限增

62、大，這在工程上是無法實現的，因此必須考慮到反饋增益物理實現的可能性；當系統(tǒng)階次較高時，可用ackerman公式，通過計算機求解。</p><p>　　第4章 基于狀態(tài)觀測器的過熱蒸汽溫度控制與診斷的設計</p><p>　　過熱蒸汽溫度是一個高階對象，對于高階端詳，常規(guī)的PID反饋控制很難獲得滿意的控制品質，因為PID控制的特點是無論被控對象模型結構特征如何，控制模型是固定不變的。狀態(tài)反饋

63、控制的特點是，對生產過程內部每一個容積的狀態(tài)進行監(jiān)測與控制，其模型結構是根據被控制對象的模型結構特征加以確定的，對象是幾階，狀態(tài)反饋及控制器就是幾階的，控制器同被控對象的結構上相適應，這是狀態(tài)反饋控制器的基本特點之一，也是優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器的主要方面。在運行方面，簡單的PID串級控制在負荷變化的情況下，很難保證汽溫在容許值范圍內，特別是在劇烈的擾動情況中，控制系統(tǒng)無法投入自動運行。為確保安全，許多電廠只能降低汽溫的運行值，對機組的熱效

64、率影響很大。如果過熱蒸汽溫度采用狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，就可以使機組在擾動情況下的汽溫動態(tài)偏差大大減小，這不僅能保證鍋爐過熱汽溫在額定值左右，不超過容許范圍，而且根據現行過熱汽溫的最大容許值的標準，過熱蒸汽溫度的運行值可以適當的提高，機組熱效率提高，其經濟效益是相當可觀的。在制造方面，采用兩級減溫裝置的鍋爐，按常規(guī)通常采用兩段分段PID型串級控制系統(tǒng)，而采用狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)后，可以只采用一級噴水</p><p>　　4

65、.1狀態(tài)觀測器的設計要求</p><p>　　對于完全能控的線性定常系統(tǒng)，通過狀態(tài)反饋配置期望的極點，使閉環(huán)系統(tǒng)具有期望要求的動態(tài)特性。但在實際系統(tǒng)中，并不是所有狀態(tài)變量都是可觀測的，為了實現狀態(tài)反饋控制律，必須對狀態(tài)變量進行測量，因此要設法利用已知的信息，通過一個模型來對狀態(tài)變量進行估計，為了解決這類問題，提出了狀態(tài)重構問題</p><p>　　重構狀態(tài)就是在系統(tǒng)的實際狀態(tài)不能得到的情況

66、下構造系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)可直接測量的輸入變量u和輸出變量y重新構造一個狀態(tài)使之在一定的指標下和系統(tǒng)的真實狀態(tài)等價，即。</p><p>　　如果系統(tǒng)可觀測，從可測量u和y中把間接重構出來時可能的，這種必要性與可能性正是狀態(tài)觀測器理論的出發(fā)點。</p><p>　　設線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)x是不能直接測量的，如果動態(tài)系統(tǒng)Σ1以Σ0的輸入u和y作為它的輸入量，Σ1的輸出滿足如下等價性指標</p

67、><p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　則稱動態(tài)系統(tǒng)Σ1為Σ0的狀態(tài)觀測器。</p><p>　　一、狀態(tài)觀測器的設計原則</p><p>　　觀測器Σ1以原系統(tǒng)Σ0的輸入和輸出作為其輸入。</p><p>　　為了滿足等價性指標，原系統(tǒng)Σ0應當是完全可觀測的，或者X中不能觀測部

68、分是漸進穩(wěn)定的。</p><p>　　Σ1的輸出應有足夠快的速度逼近，這就要求Σ1有足夠的頻帶。</p><p>　　Σ1應有較高的抗干擾性，這就要求Σ1有較窄的頻帶，顯然觀測器的快速性和抗干擾性是矛盾的，只能折中的嫁衣選擇。</p><p>　　Σ1在結構上應盡可能的簡單，具有盡可能低的維數。</p><p>　　二、狀態(tài)觀測器的設計步驟&

69、lt;/p><p>　?、?判斷系統(tǒng)的可控性，只有系統(tǒng)是可控的，設計狀態(tài)觀測器才有意義。</p><p>　?、?判斷系統(tǒng)的可觀性，只有系統(tǒng)是可觀的，才能從系統(tǒng)的測量信號估計狀態(tài)。</p><p>　?、?確定系統(tǒng)的極點，若根據控制要求給定極點，則分別確定狀態(tài)反饋增益矩陣和狀態(tài)觀測器增益矩陣K。</p><p>　　④ 設計數字補償器，系統(tǒng)中的估

70、計狀態(tài)和輸出序列兩部分均由計算機實現，將兩部分功能組合成一個數字補償器算式，以便在計算機上實現。</p><p>　　4.2狀態(tài)反饋蒸汽溫度控制器的設計</p><p>　　狀態(tài)反饋-PID控制原理框圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1狀態(tài)反饋-PID控制原理圖</p><p>　　與傳統(tǒng)的PID控制相比，采用狀態(tài)反饋通過配置閉環(huán)

71、極點的方法，能更方便的改變系統(tǒng)的特性，達到提高控制精度的目的，這種特性，對于具有大慣性，高延遲的蒸汽溫度對象來說，無疑是一種較好的控制方案。但由于單項受熱管道的動態(tài)特性與熱流量有關，單靠狀態(tài)反饋配置極點還難以保證在不同的情況下使鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的指標達到理想的要求，而PID控制器具有魯棒性和抗高頻干擾能力強的優(yōu)點，結合狀態(tài)反饋和PID兩者的優(yōu)點，設計了鍋爐主汽溫系統(tǒng)的狀態(tài)反饋-PID控制器</p><p>　　

72、4.2.1 極點位置選取的一般原則</p><p>　　在選擇反饋系統(tǒng)動態(tài)矩陣特征值的問題上，沒有唯一的和普遍最優(yōu)的適用法則。因為反饋系統(tǒng)自身的情況復雜多變，并且控制系統(tǒng)的控制性能、響應速度和魯棒性的要求也是相互制約、矛盾的。因此不可能存在一個對所有的系統(tǒng)和所有的設計要求都滿足的選擇法則，也不可能不經過實驗調試就一次找出最合理的極點位置。狀態(tài)反饋矩陣K是建立在以使干擾引起的誤差快速減小到零為目的的原則上的，矩陣K

73、并不是唯一的，它取決于期望極點所處的位置，而閉環(huán)極點又決定著系統(tǒng)響應速度。期望閉環(huán)極點的位置就是特征方程反映的誤差矢量的響應速度和對干擾及噪聲反應的靈敏度，即如果提高誤差響應速度，則系統(tǒng)受干擾和噪聲的影響程度就會增加。而且還要考慮到實際系統(tǒng)控制器輸出有限的原因。綜上所述，極點位置選取是要考慮許多因素的，沒有特定的最優(yōu)配置，只有通過調試來選取一個較合適的位置。</p><p>　　極點位置越靠左負實部絕對值就越大，

74、系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)響應的速度也就越快。如果反饋控制系統(tǒng)的極點離開環(huán)傳遞函數的極點越遠，那么配置這些反饋系統(tǒng)的極點所需要的反饋控制的增益也越大，而反饋控制的增益越大，有些反饋系統(tǒng)的極點趨向不穩(wěn)定的可能性也越大，而且受執(zhí)行機構的線性區(qū)域限制，在現場控制應用中，是不能達到這種理想的控制效果的。此外，如果執(zhí)行機構過渡頻繁的動作，也會對設備產生不良影響。因此配置極點不是把被控對象的極點配置得離虛軸越遠越好。其實反饋控制的增益越大，所消耗的控制能量、產生

75、的輸入擾動、發(fā)生故障的可能性也越大。說明高性能的系統(tǒng)往往帶有高靈敏性的缺點。重復特征值所對應的特征向量一般是廣義特征向量，而廣義特征向量會使對應的特征值對所在矩陣的參數變化有很大的敏感性，并會使系統(tǒng)的暫態(tài)響應不平穩(wěn)。所以要盡量避免重復特征值，甚至要避免緊密的聚集的特征值。系統(tǒng)模型在實際運行中總會有參數變化，存在誤差，按有誤差的模型參數來配置極點，而這時的極點會很集中，也會使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。在單變量控制系統(tǒng)中，一些最佳性能指標都要求控制系統(tǒng)

76、的極點具有相近的絕對值并且是均勻分布的。所以，選擇特征值并不是很簡單很方便的，它需要經</p><p>　　4.2.2 數學模型的建立</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)中的過熱器總體上可以看成是一個多容的慣性環(huán)節(jié)。假設將過熱器分為一個個單容環(huán)節(jié)的部分，把它的出口溫度作為狀態(tài)變量，參與出口蒸汽溫度的調節(jié)。一電廠的主蒸汽溫度控制對象的傳遞函數為：</p><p><

77、;b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，導前區(qū)的傳遞函數為：</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　慣性區(qū)的傳遞函數為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　按照下圖選擇蒸汽溫度系

78、統(tǒng)的狀態(tài)變量，并將上述傳遞函數寫成狀態(tài)空間表達式：</p><p>　　圖4.2主蒸汽溫度系統(tǒng)狀態(tài)分布圖</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（4-6）</b></p><p>　　令 （4-7）</p&

79、gt;<p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)的仿真研究</p><p>　　所謂仿真，就是用模型（物理模型或數學模型）代替實際系統(tǒng)，進行試驗和研究的一種方法。為使仿真的結果能被實際證實真實可靠，仿真所遵循的基本原則是相似原理，包括幾何相似、環(huán)境相似和性能相似。</p><p>　　系統(tǒng)仿真是近

80、幾十年發(fā)展起來的一門綜合性技術科學，尤其為自動化控制系統(tǒng)的分析、設計提空了先進的手段。隨著計算機的廣泛應用，利用計算機進行仿真實驗和研究已成為從事控制領域研究的工程技術人員所必須掌握的一門技術，仿真技術已廣泛應用于工程及非工程領域，并取得了極大的社會及經濟效益。</p><p>　　Matlab軟件的誕生，使控制系統(tǒng)的分析和設計問題變的簡單。它為控制系統(tǒng)的設計與仿真提高了一個強有力的工具。目前matlab軟件已成

81、為控制領域的標準設計與計算工具，因此，此次仿真應用matlab進行。</p><p>　　針對傳遞函數為式（4-2）（4-3）的系統(tǒng)，進行PID串級控制和狀態(tài)反饋-PID控制這兩種控制方式下的設計。</p><p>　　在保證觀測器穩(wěn)定的前提下，選擇系統(tǒng)的動態(tài)性能指標滿足：①調節(jié)時間Ts≤200S，②超調量δ%≤5%。根據自動控制原理中的超調量、調節(jié)時間與機電的關系可以計算出觀測器極點的范

82、圍。</p><p>　　狀態(tài)反饋-PID控制方式中，根據極點配置原則，將觀測器極點配置到[-0.2+0.05i -0.2-0.05i -0.145 -0.04]，系統(tǒng)極點配置到[-0.085+0.01i -0.085-0.01i -0.1 -0.12]，觀測器增益為H=[-0.2541 0.1963 0.7510 0.3517]，狀態(tài)反饋控制極點為K=[0.2750 0.2750 0.239

83、6 0.0709]。其中外回路PID控制器的參數為P=3.0、I=0.113；內回路PID控制器參數為P=0.3。</p><p>　　串級PID控制方式中，外回路PID控制器的參數為P=1.1、I=0.035，內回路PID控制器的參數為P=0.3。</p><p>　　1.給定540℃時，狀態(tài)反饋-PID控制方式與串級PID控制方式的效果對比</p><p>　

84、　圖5.1給定輸入仿真圖</p><p>　　圖5.2給定輸入540℃時的控制效果</p><p>　　從圖4.4可以看出，在給定輸入條件下，狀態(tài)反饋-PID控制方式比串級PID控制方式具有更快的響應速度，同時，最大超調量和調節(jié)時間也縮短了。</p><p>　　2.在300秒時加入10%噴水擾動時，狀態(tài)反饋-PID控制方式與串級PID控制方式的比較</p&g

85、t;<p>　　圖5.3噴水擾動10%仿真圖</p><p>　　圖5.4噴水擾動10%時的控制效果</p><p>　　由圖4.6我們可以看出，相對于串級PID控制，狀態(tài)反饋-PID控制方式不僅響應速度快，調節(jié)時間短，而且對于擾動，狀態(tài)反饋-PID控制方式的抑制能力更強。</p><p>　　本章首先進行了狀態(tài)觀測器的設計，使它滿足狀態(tài)反饋控制的需要

86、，根據過熱蒸汽溫度的特點，設計了了狀態(tài)反饋-PID控制器并進行了仿真，仿真結果表明：在狀態(tài)反饋-PID控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)到達穩(wěn)定的時間為180秒，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，最大超調量</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　在300秒時加入一個10%的噴水擾動的情況下，系統(tǒng)能在450秒時重新到達穩(wěn)定，且短時間內，系統(tǒng)的暫態(tài)偏差不超過系統(tǒng)額定值的&#

87、177;10℃，到達穩(wěn)定后，系統(tǒng)的性能能很好的保持。擾動后，系統(tǒng)的減幅振蕩次數只有一次，且靜態(tài)曲線基本平直。</p><p>　　有此可知，狀態(tài)反饋-PID控制器能在不影響控制精度的情況下，提高大延遲系統(tǒng)的響應時間，且能夠提高系統(tǒng)的控制性能，對于擾動具有較強的克服能力，簡化了系統(tǒng)設計。</p><p><b>　　總結</b></p><p>

88、　　忙忙碌碌了半年，我的畢業(yè)設計也終于告一段落，matlab仿真也基本達到了預期的效果，從開始到結束，每一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)。這段時間里，通過這篇論文使我對現代控制理論的發(fā)展和應用有了更深入的了解，掌握了狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器極點的配置方法，將狀態(tài)反饋和PID控制相結合，針對具有大延遲的電廠過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計了狀態(tài)反饋-PID控制方案，通過查看相關資料，使自己腦海中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩的論文一步步完善起來，每

89、一次改進，都是我學習的收獲，最后的仿真結果證明了該方案的可行性。</p><p>　　雖然我的論文不是很成熟，還有不足之處，但論文中的每一個段落，都是我的勞動。當看著自己的仿真能成功運行，感到莫大的欣慰和滿足。</p><p>　　這次論文的經歷也會使我終生受益，我認為要認認真真的去做一件事，是一個人走向成功的唯一途徑。</p><p><b>　　[參考

90、文獻]</b></p><p>　　[1]張玉鐸，王滿稼. 熱工自動控制系統(tǒng)[M].北京：水利電力出版社.1985.</p><p>　　[2]翟少磊. 基于狀態(tài)反饋的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計[J].安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報,2007,12[1]:71~74</p><p>　　[3]王萬良. 人工智能及應用[M].北京：高等教育出版社.2008.&

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