主蒸汽溫度控制策略仿真測(cè)試分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25602主蒸汽溫度控制策略仿真測(cè)試分析案例 149941.1主蒸汽溫度控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 1224891.2主蒸汽溫度單回路控制策略的仿真測(cè)試 2298901.2.140%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 2309541.2.260%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 3209161.2.380%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 4301451.2.490%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 591631.3主蒸汽溫度串級(jí)PID控制策略的仿真測(cè)試 668601.3.140%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 78601.3.260%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 7118131.3.380%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 8227281.3.490%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試 937331.4主蒸汽溫度Smith預(yù)估控制策略的仿真測(cè)試 10266201.1.1主蒸汽溫度Smith預(yù)估控制模型的搭建 10224161.1.2三種控制方案的仿真對(duì)比 12Matlab是一種功能十分強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件。它包含了多種工具包，如模糊控制、魯棒控制的現(xiàn)成算法運(yùn)行。同時(shí)它也含有多種函數(shù)運(yùn)算的庫(kù)函數(shù)，極大了方便了使用者，提高了變成效率。它的自身編程語(yǔ)言也是十分容易易學(xué)的，它還包含了Simulink仿真工具，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)或控制模型進(jìn)行仿真，對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用具有十分強(qiáng)大的輔助分析作用。本章將利用Matlab/Simulink軟件對(duì)第3章中提及的控制策略進(jìn)行仿真測(cè)試。首先先搭建了鍋爐系統(tǒng)中主蒸汽的控制對(duì)象模型，包含在不同負(fù)荷比例下的控制對(duì)象數(shù)學(xué)表達(dá)式。然后分別搭建了主蒸汽溫度的單回路控制仿真模型、串級(jí)PID控制的仿真模型以及含有Smith預(yù)估控制器的仿真模型。最后對(duì)比了在三種控制方案的優(yōu)劣。1.1主蒸汽溫度控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型根據(jù)前文的介紹可知，在對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行控制時(shí)，首先得到整個(gè)鍋爐中主蒸汽的數(shù)學(xué)模型作為被控對(duì)象，才能開(kāi)始制定具體的控制策略，所以為了獲得完整的數(shù)學(xué)模型，就必須獲得主蒸汽導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型。本文參考了文獻(xiàn)[22]中的數(shù)據(jù)，得到了如下的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的數(shù)學(xué)模型，整理如表4-1所示。表4-1導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)在不同負(fù)荷比例下的數(shù)學(xué)模型負(fù)荷導(dǎo)前區(qū)惰性區(qū)40%60%80%90%從表4-1中可以看出，導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的數(shù)學(xué)模型在不同的鍋爐負(fù)荷下是不同的。1.2主蒸汽溫度單回路控制策略的仿真測(cè)試1.2.140%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試根據(jù)圖3.3與3.4搭建了圖1.1所示的40%負(fù)荷比例下的控制模型。圖1.1中各部分的說(shuō)明如下[26]：階躍輸入：模擬溫度的參考值或改變輸入溫度；單級(jí)PID控制器：用以控制被控對(duì)象；導(dǎo)前區(qū)：40%比例下的導(dǎo)前區(qū)數(shù)學(xué)模型；惰性區(qū)：40%比例下的惰性區(qū)數(shù)學(xué)模型；波形顯示器：用以顯示輸入與輸出的波形；溫度變送器：將輸出結(jié)果反饋給輸入；減溫水?dāng)_動(dòng)：用以模擬減溫水處的擾動(dòng)；圖1.1Matlab/Simulink中溫度單回路PID控制仿真模型圖1.240%下的主蒸汽溫度仿真波形在本環(huán)節(jié)的仿真測(cè)試中，PID控制器的比例系數(shù)KP選擇1.48，積分系數(shù)KI選擇0.011，微分系數(shù)KD選擇38。仿真結(jié)果如圖1.2所示。在圖1.2中，橫軸代表時(shí)間，單位為秒，縱軸表示溫度，單位為攝氏度。一般而言主蒸汽的溫度參考約為540攝氏度，所以本文選擇該值作為輸出參考。紅色曲線(xiàn)為主蒸汽溫度的輸出結(jié)果，藍(lán)色曲線(xiàn)為輸入的參考值?？梢钥闯?，主蒸汽溫度在經(jīng)過(guò)一定的調(diào)節(jié)時(shí)間后能夠達(dá)到參考值。1.2.260%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試由表4-1可知，負(fù)荷比例變化后，被控對(duì)象，即主蒸汽溫度的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的數(shù)學(xué)模型會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)表4-1改變圖1.1的仿真模型，如圖1.3所示。圖1.360%負(fù)荷比例下的單回路控制仿真模型PID控制參數(shù)與1.2.1中的控制參數(shù)一致。此時(shí)的仿真結(jié)果如圖1.4所示。圖1.460%下的主蒸汽溫度仿真波形從圖1.4可以看出，此時(shí)的主蒸汽溫度仿真結(jié)果在相同的控制參數(shù)下相比于40%負(fù)荷比例下的仿真結(jié)果（見(jiàn)圖1.2）的超調(diào)量變大，阻尼變小了，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差了。1.2.380%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試根據(jù)表4-1改變圖1.1的仿真模型，如圖1.5所示。圖1.580%負(fù)荷比例下的單回路控制仿真模型PID控制參數(shù)與1.2.1中的控制參數(shù)一致。此時(shí)的仿真結(jié)果如圖1.6所示。圖1.680%下的主蒸汽溫度仿真波形從圖1.6可以看出，在控制參數(shù)保持不變的情況下，80%負(fù)荷比例下的主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量進(jìn)一步增大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，也出現(xiàn)了較常時(shí)間的震蕩過(guò)程，這對(duì)主蒸汽溫度是十分不利的。1.2.490%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試根據(jù)表4-1改變圖1.1的仿真模型，如圖1.7所示。圖1.790%負(fù)荷比例下的單回路控制仿真模型PID控制參數(shù)與1.2.1中的控制參數(shù)一致。此時(shí)的仿真結(jié)果如圖1.8所示。圖1.890%下的主蒸汽溫度仿真波形從圖1.8可以看出，在控制參數(shù)保持不變的情況下，90%負(fù)荷比例下的主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)了十分明顯的震蕩過(guò)程，且時(shí)間較長(zhǎng)，超調(diào)量也是比較大，所以在這種情況下就需要調(diào)整了控制參數(shù)，而單回路的控制是無(wú)法在預(yù)測(cè)負(fù)荷比例的情況下自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)的，所以單回路的控制方案也就看出了此時(shí)的缺陷。1.3主蒸汽溫度串級(jí)PID控制策略的仿真測(cè)試 上一小節(jié)中對(duì)不同負(fù)荷比例下的單回路的主蒸汽控制方案進(jìn)行了仿真測(cè)試，本小節(jié)中將根據(jù)圖3.5所示的串級(jí)PID控制結(jié)構(gòu)搭建仿真控制模型，測(cè)試在串級(jí)PID控制下主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果。 在Matlab/Simulink中搭建的仿真控制模型如圖1.9所示。其中各部分的含義如下所述：副P(pán)ID控制器：在主PID控制器后的輔助PID控制器；副溫度變送器：將惰性區(qū)前的溫度傳遞給副P(pán)ID控制器。其他部分與單回路的仿真控制模型中的說(shuō)明一致，此處不再贅述。圖1.9主蒸汽溫度串級(jí)PID控制模型（40%負(fù)荷比例）1.3.140%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試在本環(huán)節(jié)的仿真測(cè)試中，主PID控制器的比例系數(shù)KP選擇1.48，積分系數(shù)KI選擇0.011，微分系數(shù)KD選擇38，副P(pán)ID控制器僅投入了比例控制器，其中參數(shù)KP=0.9，副P(pán)ID控制器的KI與KD參數(shù)均為0。仿真結(jié)果如圖1.10所示?？梢钥闯觯啾葐位芈返目刂品桨?，串級(jí)PID控制下的主蒸汽溫度響應(yīng)曲線(xiàn)可以十分平滑的過(guò)度到穩(wěn)態(tài)，無(wú)超調(diào)量，且調(diào)節(jié)時(shí)間也十分理想。圖1.1040%下的主蒸汽溫度仿真波形1.3.260%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試當(dāng)負(fù)荷比例改變后，根據(jù)表4-1改變圖1.9的仿真模型，如圖1.11所示。圖1.1160%負(fù)荷比例下的串級(jí)PID控制仿真模型PID控制參數(shù)與1.3.1中的控制參數(shù)一致，此時(shí)的仿真結(jié)果如圖1.12所示。圖1.1260%下的主蒸汽溫度仿真波形從圖1.12可以看出，相比1.3.1節(jié)的40%時(shí)的仿真結(jié)果，此時(shí)主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仍然沒(méi)有超調(diào)量的發(fā)生，而且此時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間也要縮短了一些，動(dòng)態(tài)性能可以理解為變好了。1.3.380%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試根據(jù)表4-1改變圖1.9的仿真模型，如圖1.13所示。圖1.1380%負(fù)荷比例下的串級(jí)PID控制仿真模型PID控制參數(shù)與1.3.1中的控制參數(shù)一致，此時(shí)的仿真結(jié)果如圖1.14所示。圖1.1480%下的主蒸汽溫度仿真波形從圖1.14可以看出，在控制參數(shù)保持不變的情況下，80%負(fù)荷比例下的主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步的略微縮短了，動(dòng)態(tài)性能沒(méi)有出現(xiàn)像單回路控制那樣的變壞。1.3.490%負(fù)荷比例下的仿真測(cè)試根據(jù)表4-1改變圖1.9的仿真模型，如圖1.15所示。圖1.1590%負(fù)荷比例下的串級(jí)PID控制仿真模型PID控制參數(shù)與1.3.1中的控制參數(shù)一致。此時(shí)的仿真結(jié)果如圖1.16所示。從圖1.16可以看出，此時(shí)的主蒸汽溫度的調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步縮短，但是相比在其他負(fù)荷比例下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形出現(xiàn)了超調(diào)的現(xiàn)象，有可能時(shí)阻尼過(guò)小造成的。圖1.1690%下的主蒸汽溫度仿真波形1.4主蒸汽溫度Smith預(yù)估控制策略的仿真測(cè)試本小節(jié)將對(duì)含Smith預(yù)估控制的PID控制策略進(jìn)行仿真測(cè)試，同樣，首先搭建Smith預(yù)估控制的仿真模型。由于Smith控制需要對(duì)導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變換，變換成不含滯后環(huán)節(jié)的部分以及含時(shí)滯環(huán)節(jié)的組合形式，此處參考文獻(xiàn)[23]中的鍋爐模型搭建Smith預(yù)估控制模型。1.1.1主蒸汽溫度Smith預(yù)估控制模型的搭建文獻(xiàn)[23]利用Matlab/Simulink軟件包對(duì)主蒸汽的實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，采用了最小二乘法的辨識(shí)方法，建立了導(dǎo)前區(qū)與惰性區(qū)的傳遞函數(shù)模型。該模型中包含了慣性環(huán)節(jié)與時(shí)滯環(huán)節(jié)，如下式所示：導(dǎo)前區(qū)：(1.1)惰性區(qū)：(1.2)公式1.1與1.2中的時(shí)滯參數(shù)分別為11s和47s。含Smith預(yù)估控制器的基本控制結(jié)構(gòu)如圖1.17所示。圖1.17含Smith預(yù)估控制器的基本控制結(jié)構(gòu)在該控制結(jié)構(gòu)中，控制對(duì)象為G(s)e-τs，Smith預(yù)估控制的表達(dá)為Gpre(s)(1-e-τpres)，GPID(s)為控制器，為了實(shí)現(xiàn)消除時(shí)滯環(huán)節(jié)的影響，Smith預(yù)估控制器應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：(1.3)此時(shí)則可以認(rèn)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)僅為一般的滯后環(huán)節(jié)，認(rèn)為是一般的調(diào)節(jié)產(chǎn)生的延時(shí)，加入Smith預(yù)估補(bǔ)償器后的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(1.4)在Matlab/Simulink里搭建含Smith預(yù)估控制器的仿真模型，如圖1.18所示。圖1.18含Smith預(yù)估控制器的仿真模型 在圖1.18中包含主PID控制、副P(pán)ID控制器，導(dǎo)前區(qū)與惰性區(qū)均等效成了一個(gè)傳遞函數(shù)與時(shí)滯環(huán)節(jié)的組合形式，Smith預(yù)估控制器按照式4-13進(jìn)行整定。主PID控制器的PID比例系數(shù)KP取1.3，積分系數(shù)KI取0.015，微分系數(shù)KD取0，副P(pán)ID控制器的比例系數(shù)KP取1，積分系數(shù)KI取0.01。仿真結(jié)果如圖1.19所示。從圖1.19可以看出，加入了Smith預(yù)估控制器的主蒸汽溫度仿真波形能夠較快的跟蹤上溫度參考值，且在調(diào)節(jié)過(guò)程中沒(méi)有超調(diào)量。圖1.19含Smith預(yù)估控制器的仿真主蒸汽溫度仿真結(jié)果1.1.2三種控制方案的仿真對(duì)比圖1.20三種控制方案聯(lián)合對(duì)比仿真模型為了更加直觀地體現(xiàn)主蒸汽溫度在單回路控制方案、串級(jí)PID控制方案以及加入含Smith預(yù)估控制器的三種控制方案下的區(qū)別，本文在Matlab/Simulink中搭建了三種控制方案的聯(lián)合對(duì)比模型，通過(guò)在相同條件的仿真結(jié)果對(duì)比，來(lái)比較三種方案的好壞。仿真的模型如圖1.20所示。對(duì)比中單回路控制的PID控制器比例系數(shù)KP取1.3，積分系數(shù)KI取0.015，微分系數(shù)KD取50；串級(jí)PID控制與含Smith預(yù)估控制器的串級(jí)PID控制的主PID控制器比例系數(shù)KP取1.3，積分系數(shù)KI取0.015，微分系數(shù)KD取50，副P(pán)ID控制器的比例系數(shù)KP取3，積分系數(shù)KI取0.01，微分系數(shù)KD取0。在t=3000s處加入了減溫水的擾動(dòng)，仿真結(jié)果如圖1.21所示。圖