誰(shuí)能提供一下，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)不同負(fù)荷下，惰性區(qū)和導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)，最好是有原理框圖，和結(jié)構(gòu)圖。

【專(zhuān)家解說(shuō)】：">鍋爐過(guò)熱器和再熱器出口蒸汽溫度是單元機(jī)組運(yùn)行中必須保持在一定范圍的重要參數(shù)。隨著機(jī)組容量的增大，過(guò)熱器和再熱器管道也隨之加長(zhǎng)，這就使得其熱慣性和調(diào)節(jié)滯后都大大增加，從而造成汽溫控制系統(tǒng)投自動(dòng)困難，或被調(diào)參數(shù)的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)差。鍋爐過(guò)熱器是回收鍋爐煙氣能量的，使鍋爐出來(lái)的蒸汽可以獲得加熱，變?yōu)楦烧羝?，有利于提高鍋爐熱效率，也有利于蒸汽輪機(jī)避免水擊 回?zé)崞魇菑恼羝啓C(jī)的乏蒸汽中回收能量，加熱進(jìn)入鍋爐的循環(huán)水 此外還有回?zé)崞鳎梢詫⒏邏杭?jí)排出的蒸汽再熱，回收鍋爐的能量，這些裝置都是大型鍋爐蒸汽系統(tǒng)的輔助集熱裝置，都有利于提高鍋爐系統(tǒng)的能量效率，只不過(guò)過(guò)熱器、再熱器是回收煙氣能量，回?zé)崞魇腔厥照羝芰俊?

　　采用自適應(yīng)控制技術(shù)需要對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行辨識(shí)，目前通用的計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（ DCS ）中還沒(méi)有提供一套對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地系統(tǒng)辨識(shí)的軟件工具，其次在應(yīng)用領(lǐng)域真正能夠掌握和運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)的人才也很缺乏。DCS控制系統(tǒng)（DISTributed Control System，分散控制系統(tǒng)）是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過(guò)程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可提供窗口友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的通訊功能，是完成過(guò)程控制、過(guò)程管理的現(xiàn)代化設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用效果展示了該項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性。狀態(tài)觀測(cè)器根據(jù)系統(tǒng)的外部變量（輸入變量和輸出變量）的實(shí)測(cè)值得出狀態(tài)變量估計(jì)值的一類(lèi)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，也稱(chēng)為狀態(tài)重構(gòu)器。60年代初期，為了對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋或其他需要，D.G.呂恩伯格、R.W.巴斯和J.E.貝特朗等人提出狀態(tài)觀測(cè)器的概念和構(gòu)造方法，通過(guò)重構(gòu)的途徑解決了狀態(tài)的不能直接量測(cè)的問(wèn)題。狀態(tài)觀測(cè)器的出現(xiàn)，不但為狀態(tài)反饋的技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)際可能性，而且在控制工程的許多方面也得到了實(shí)際應(yīng)用，例如復(fù)制擾動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償?shù)?。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過(guò)程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。

　　2. 狀態(tài)反饋系統(tǒng)的基本概念及幾個(gè)主要結(jié)論

　　狀態(tài)反饋的基本特點(diǎn)是采用對(duì)狀態(tài)向量的線(xiàn)性反饋律來(lái)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于控制作用是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，可使控制效果得到很大地改善，從而比輸出反饋具有一系列更好的控制特性。

　　自動(dòng)控制原理指是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱(chēng)控制裝置或控制器），使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱(chēng)被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。控制系統(tǒng)的各種特性，或其各種品質(zhì)指標(biāo)，很大程度上是由系統(tǒng)的極點(diǎn)位置所決定的。而所謂極點(diǎn)配置問(wèn)題，就是通過(guò)反饋陣的選擇，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)，恰好處于所希望的一組極點(diǎn)的位置上。

　　極點(diǎn)配置定理回答了在怎樣的條件下，僅僅通過(guò)狀態(tài)反饋，就能任意配置極點(diǎn)的問(wèn)題。它可簡(jiǎn)述為：若動(dòng)態(tài)方程 可控，則利用狀態(tài)反饋式 可以任意配置閉環(huán)系統(tǒng)的特征值，若特征值中有復(fù)數(shù)，必共軛成對(duì)地出現(xiàn)。

　　3. 運(yùn)用觀測(cè)器理論解決蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的狀態(tài)重構(gòu)問(wèn)題

　　對(duì)于完全能控的線(xiàn)性定常系統(tǒng)，可以通過(guò)線(xiàn)性狀態(tài)反饋任意配置極點(diǎn)，以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其在Ляпунов意義下是漸進(jìn)穩(wěn)定的，亦即是能鎮(zhèn)定的。但是，通常并不是全部狀態(tài)變量都能直接量測(cè)的，從而給狀態(tài)反饋的物理實(shí)現(xiàn)造成了障礙。

　　3.1 狀態(tài)觀測(cè)器的定義及其實(shí)現(xiàn)問(wèn)題

　　狀態(tài)觀測(cè)器有如下定義 : 設(shè)線(xiàn)性定常系統(tǒng) ∑ o ＝（ A ， B ， C ）的狀態(tài) X 是不能直接測(cè)量的， 稱(chēng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)∑ g 是∑ o 的一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器，如果

　?。?1 ）∑ g 以∑ o 的輸入 u 和輸出 y 作為輸入量；

　?。?2 ）∑ g 的輸出 W （ t ）滿(mǎn)足如下的等價(jià)性指標(biāo)

　　 （4）

　　觀測(cè)器的存在性：狀態(tài)觀測(cè)器存在的充分必要條件是∑ o 的不能觀測(cè)部分漸近穩(wěn)定。如果對(duì)給定的一個(gè)傳遞函數(shù)陣 W （ s ），能找到一個(gè)狀態(tài)方程（ A,B,C ）并使之成立

　　C （ sI - A ） - 1 B = W （ s ） （5） 則稱(chēng)（ A,B,C ）為具有傳遞特性 W （ s ）的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)就其本質(zhì)而言，是在狀態(tài)空間法的領(lǐng)域內(nèi)尋找一個(gè)假想結(jié)構(gòu)，使之與真實(shí)系統(tǒng)具有相同的傳遞特性。并不是任意給定的 W （ s ）都可找到其實(shí)現(xiàn)的，通常，它必須滿(mǎn)足物理可實(shí)現(xiàn)條件。

　　實(shí)現(xiàn)的不唯一性：與給定的 W （ s ）具有相同的傳遞特性的實(shí)現(xiàn)不是唯一的。對(duì)于給定的 W （ s ），一定存在一類(lèi)維數(shù)最低的實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為最小實(shí)現(xiàn)，它反映了具有給定傳遞函數(shù)特性 W （ s ）的假想結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)形式。最小實(shí)現(xiàn)也不是唯一的，但它們的維數(shù)必是相等的，且必是代數(shù)等價(jià)的。

　　3.2 鍋爐蒸汽溫度被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及其狀態(tài)觀測(cè)器的一種實(shí)現(xiàn)

　　鍋爐蒸汽溫度被控對(duì)象包括過(guò)熱器出口主蒸汽溫度和再熱器出口的再熱蒸汽溫度。集總參數(shù)模型則是將單相受熱管的介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)看成是均一的，并在空間位置上選定一個(gè)有代表性的點(diǎn)，就用這一點(diǎn)介質(zhì)的參數(shù)作為環(huán)節(jié)的集總參數(shù)。進(jìn)一步還可推斷出單相受熱管的多段集總參數(shù)模型，通常把整個(gè)管段均分成若干小段，每個(gè)分段內(nèi)集總參數(shù)的選擇要一致。因此每個(gè)分段模型的形式與整個(gè)管段模型的形式是相同的，整個(gè)管段的模型則由各個(gè)分段（設(shè)共有 n 段）模型串聯(lián)而成，也就是分段模型的 n 次冪。這時(shí)，對(duì)每個(gè)分段來(lái)說(shuō)，須將總熱流量、總金屬量、總?cè)莘e等分別除以分段數(shù) n 。關(guān)于進(jìn)出口溫度之間的傳遞函數(shù)。



　　這個(gè)公式含有近十個(gè)參數(shù)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用并不方便。它的意義在于提供了一個(gè)十分有用的概念，即可以把過(guò)熱器和再熱器等單相受熱管理解成由若干個(gè)分段所組成，各分段傳遞函數(shù)的形式相同，段數(shù) n 越大，每段傳遞函數(shù)表達(dá)式中的時(shí)間常數(shù)就成比例地減少。再熱器實(shí)質(zhì)上是一種把作過(guò)功的低壓蒸汽再進(jìn)行加熱并達(dá)到一定溫度的蒸汽過(guò)熱器，再熱器的作用進(jìn)一步提高了電廠循環(huán)的熱效率，并使汽輪機(jī)末級(jí)葉片的蒸汽溫度控制在允許的范圍內(nèi)。

　　實(shí)際工程問(wèn)題中往往把解析法和系統(tǒng)辨識(shí)方法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理的了解，初步推斷出系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，或估計(jì)出系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)形式，然后再用辨識(shí)方法確定模型中的參數(shù)。

　　圖 1 所示為過(guò)熱器的狀態(tài)觀測(cè)器，整個(gè)過(guò)熱器劃分為四段，對(duì)每一分段又可簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)，整個(gè)過(guò)熱器就是四階慣性環(huán)節(jié)。至于時(shí)間常數(shù) T 通常是單元機(jī)組負(fù)荷的函數(shù)，可作為狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)中的一個(gè)待定因變量，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)整定。



　　圖 1 過(guò)熱器的狀態(tài)觀測(cè)器及其狀態(tài)反饋示圖

　　為了更好地反映被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，故將過(guò)熱器的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)為“增量形式”，即將過(guò)熱器入口溫度偏差和出口溫度偏差引入狀態(tài)觀測(cè)器，這樣觀測(cè)到的狀態(tài)變量更明確地反映了溫度的變化方向，同時(shí)過(guò)熱器入口溫度偏差的引入使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器具有了預(yù)測(cè)控制的某些特點(diǎn)。為適應(yīng)過(guò)熱器參數(shù)的變化，入口溫度設(shè)定值，出口溫度設(shè)定值及時(shí)間常數(shù) T 均為鍋爐負(fù)荷的函數(shù)。

　　設(shè)過(guò)熱器導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為 ，惰性區(qū)傳遞函數(shù)為

　　則

狀態(tài)觀測(cè)器的反饋矩陣 Kc=[K c1 ， K c2 ， K c3 ， K c4 ] ；狀態(tài)反饋矩陣 K=[K 1 ， K 2 ， K 3 ， K 4 ， K 5 ] ，其中 K 1 為過(guò)熱器導(dǎo)前區(qū)的反饋增益。

　　惰性區(qū)傳遞函數(shù)的增益 K 2 可以查閱鍋爐的熱力計(jì)算書(shū)，取不同工況的平均值。而過(guò)熱器惰性區(qū)時(shí)間常數(shù) T 2 的辨識(shí)則可以利用狀態(tài)觀測(cè)器來(lái)完成。首先，令狀態(tài)反饋控制開(kāi)環(huán) , 狀態(tài)反饋矩陣 Kc=[0 ， 0 ， 0 ， 0] ；然后，調(diào)節(jié)觀測(cè)器時(shí)間常數(shù)，使觀測(cè)器輸出值和過(guò)熱器出口值的變化基本保持一致，此時(shí)的觀測(cè)器時(shí)間常數(shù)即可認(rèn)為是惰性區(qū)傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)。

　　4 狀態(tài)觀測(cè)器、狀態(tài)反饋控制與常規(guī) PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合的工程應(yīng)用實(shí)例

　　4.1 狀態(tài)反饋－ PID 控制的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　狀態(tài)反饋— PID 控制的原理框圖見(jiàn)圖 2 。



　　圖 2. 狀態(tài)反饋— PID 控制的原理框圖

　　與傳統(tǒng)的 PID 控制相比，采用狀態(tài)反饋控制能方便的通過(guò)配置閉環(huán)極點(diǎn)的方法，改變系統(tǒng)的特性，達(dá)到提高控制精度的目的。這對(duì)控制具有遲延環(huán)節(jié)的工業(yè)對(duì)象來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一種較好的控制方案。但是，由于單相受熱管的動(dòng)態(tài)特性與熱流量有關(guān)，單靠狀態(tài)反饋配置極點(diǎn)還難以保證在不同的工況下使鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的指標(biāo)均達(dá)到理想的要求，而 PID 控制恰好具有魯棒性好和抗高頻干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，二者的優(yōu)勢(shì)可以互補(bǔ)。動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，輸出量與輸入量之間的關(guān)系稱(chēng)為動(dòng)態(tài)特性，可以用微分方程表示。　熱流量是一定面積的物體兩側(cè)存在溫差時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)由導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射方式通過(guò)該物體所傳遞的熱量。通過(guò)物體的熱流量與兩側(cè)溫度差成正比，與厚度成反比，并與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)。單位面積的熱流量為熱流通量。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱通過(guò)物體熱流通量不隨時(shí)間改變，其內(nèi)部不存在熱量的蓄積；不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱通過(guò)物體的熱流通量與內(nèi)部溫度分布隨時(shí)間而變化。

　　利用狀態(tài)反饋改善系統(tǒng)的閉環(huán)特性，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。這是控制的第一個(gè)層次。然后，將這個(gè)品質(zhì)比較好的廣義被控對(duì)象交由 PID 控制，改善系統(tǒng)的魯棒性，使系統(tǒng)的適應(yīng)性提高。這是控制的第二個(gè)層次。

　　4.2 狀態(tài)反饋－ PID 控制的仿真研究

　　設(shè) ， ，令觀測(cè)器為 ， Kc=[188.8458 ， 329.2705 ， 159.7069,22.8667] ， K=[0.06659 ， 3.6134 ， 4.8962 ， 2.9486 ， 0.6659]

　　第一級(jí)調(diào)節(jié)器參數(shù)為： K p =0.08 ， I=50s

　　第二級(jí)調(diào)節(jié)器參數(shù)為： K p =1.0 ， I=0.0s

　　4.2.1 狀態(tài)反饋－ PID 控制與 PID 串級(jí)控制系統(tǒng)的比較

　　PID 串級(jí)控制系統(tǒng)第一級(jí)調(diào)節(jié)器參數(shù)為： Kp=1 ， I=25s

　　第二級(jí)調(diào)節(jié)器參數(shù)為： Kp=1.0 ， I=0.0s

　　圖 3 是定值在發(fā)生單位階躍擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)。

　　由圖 3 可以看出，狀態(tài)反饋－ PID 控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的 PID 串級(jí)控制系統(tǒng)



　　圖 3 狀態(tài)反饋— PID 控制與 PID 串級(jí)控制的響應(yīng)特性比較

　　4.2.2 改變觀測(cè)器的時(shí)間常數(shù) T 0 （其它參 數(shù)不變）

　　令 T 0 =5 ， 8 ， 10 ， 15 時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)定值擾動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖 4 。由圖 4 可以看出在模型失配時(shí)，狀態(tài)反饋－ PID 控制系統(tǒng)的表現(xiàn)。當(dāng)觀測(cè)器的時(shí)間常數(shù) T0 小于惰性區(qū)時(shí)間常數(shù) T2 （10s） 時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)加快，但 T0 越小出現(xiàn)的超調(diào)越大。當(dāng) T0 大于 T2 時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)變慢。應(yīng)該注意到，當(dāng) T0 與 T2 相差較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)變差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可以令觀測(cè)器的時(shí)間常數(shù) T0 是負(fù)荷的函數(shù)，以適應(yīng)惰性區(qū)時(shí)間常數(shù) T2 的變化。



　　圖 4. 在不同的觀測(cè)器時(shí)間常數(shù)下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)

　　4.2.3 改變觀測(cè)器的增益 K0 （其它參數(shù)不變）

　　令 K0= 1.0 ， 1.1 ， 1.2 ， 1.5 時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)定值擾動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖 5 。由圖 5 可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì) K0 的變化不敏感；而實(shí)際系統(tǒng)的惰性區(qū)增益的變化范圍也基本在 1.1-1.5 之間。



　　圖 5. 在不同的觀測(cè)器增益下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)

　　改變狀態(tài)反饋矩陣 K （其它參數(shù)不變）

　　系統(tǒng)的設(shè)定值擾動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖 6 。

　　理論上講， T 0 ， K0 ， KC 和 K 的變化均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)位置的變化。但是，如果 T 0 和 K0 的變化范圍已知，就可以找到一蔟滿(mǎn)足設(shè)計(jì)期望的 KC 和 K 。由圖 4 ， 5 ， 6 ， 7 不難看出，狀態(tài)反饋－ PID 控制系統(tǒng)中參數(shù)的變化范圍是比較大的，而系統(tǒng)的控制指標(biāo)仍舊很好，說(shuō)明系統(tǒng)具有比較強(qiáng)的魯棒性。



　　圖 6. 在不同的狀態(tài)反饋矩陣下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)

　　4.3 狀態(tài)反饋－ PID 控制的工程應(yīng)用

　　陜西寶雞第二發(fā)電廠新建工程 1 號(hào) 300MW 單元機(jī)組，鍋爐為亞臨界、自然循環(huán)中間再熱汽包爐。主蒸汽溫度為三級(jí)噴水調(diào)節(jié)，其中二級(jí)和三級(jí)過(guò)熱器分為 A 、 B 兩側(cè)，再熱汽溫度以燃燒器擺動(dòng)火嘴調(diào)節(jié)為主，加微量噴水及事故工況噴水調(diào)節(jié)。燃燒器是使燃料和空氣以一定方式噴出混合（或混合噴出）燃燒的裝置統(tǒng)稱(chēng)。熱工控制系統(tǒng)硬件為引進(jìn)美國(guó)西屋公司的 WDPF-II 型分散控制系統(tǒng)，應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)組態(tài)以及工程服務(wù)由國(guó)電智深承擔(dān)。在機(jī)組 168 小時(shí)考核試運(yùn)期間，過(guò)（再）熱汽溫度控制系統(tǒng)一直處于連續(xù)的自動(dòng)控制狀態(tài)。計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，蒸汽溫度的偏差不超過(guò)± 2 ℃ 。圖 8 為三級(jí)過(guò)熱器 A 側(cè) 24 小時(shí)運(yùn)行曲線(xiàn)。

　　5 結(jié)論

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大滯后復(fù)雜對(duì)象的高質(zhì)量控制，本文將狀態(tài)反饋控制與 PID 控制相綜合，提出了狀態(tài)反饋 -PID 控制方案。對(duì)汽溫控制進(jìn)行的仿真研究和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明，本方案具有優(yōu)良的控制性能，并具有較強(qiáng)的魯棒性。

　　與其它現(xiàn)代控制方法相比，狀態(tài)反饋 -PID 控制的算法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，且容易理解，可直接利用 DCS 系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)控制算法實(shí)現(xiàn)，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　之二：基于自抗擾控制器的蒸汽溫度控制系統(tǒng)

　　1. 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

　　過(guò)熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許范圍之內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器使其管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。為了提高機(jī)組熱循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，減小汽輪機(jī)末級(jí)葉片中蒸汽濕度，而采用中間再熱循環(huán)系統(tǒng)。

　　大型鍋爐的過(guò)熱器一般布置在爐膛上部和高溫?zé)煹乐?，過(guò)熱器往往分成多段，中間設(shè)置噴水減溫器，減溫水由鍋爐給水系統(tǒng)提供。噴水減溫器按冷卻水噴入調(diào)溫水蒸氣的結(jié)構(gòu)不同，可分為文丘里式、旋渦式和多孔噴管式等型式。噴水減溫器一般布置在兩級(jí)過(guò)熱器之間。因噴水直接與水蒸氣混合，故對(duì)水質(zhì)要求較高。對(duì)給水品質(zhì)好的凝汽式電廠，可直接用給水作噴水。對(duì)給水品質(zhì)較差的中、高壓電廠，還可采用自制冷凝水的噴水減溫系統(tǒng)。其原理是將部分飽和水蒸氣用給水冷卻成冷凝水噴入減溫器中調(diào)溫。水的噴射依靠冷凝器和減溫器之間的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需專(zhuān)門(mén)的減溫水泵。噴水減溫器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)溫幅度大（可達(dá)50℃--65'C），調(diào)節(jié)溫度靈敏，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此，鍋爐中普遍采用。缺點(diǎn)為對(duì)噴水品質(zhì)要求高。

　　影響過(guò)熱器出口汽溫的因素很多，主要是以下三種擾動(dòng)。

　　A. 蒸汽流量擾動(dòng)

　　B. 煙氣側(cè)傳熱量的擾動(dòng)

　　C. 減溫噴水量擾動(dòng)

　　其中 1 和 2 的擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)似，因?yàn)閮烧叩臄_動(dòng)是沿整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，響應(yīng)具有自平衡特性，而且慣性和遲延都比較小。

　　對(duì)于第 3 種擾動(dòng)考慮到使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，目前大多采用噴水量作為調(diào)節(jié)量，因此噴水量擾動(dòng)就是基本擾動(dòng)。

　　2 、通常的汽溫控制系統(tǒng)

　　通常采用兩種方法對(duì)汽溫系統(tǒng)進(jìn)行控制即帶有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙信號(hào)汽溫控制系統(tǒng)和汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)，另外還可以增加相位補(bǔ)償回路或前饋控制回路，提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

　　3 、自抗擾控制器介紹

　　自抗擾控制器自PID控制器演變過(guò)來(lái)，采取了PID誤差反饋控制的核心理念。傳統(tǒng)PID控制直接引取輸出于參考輸入做差作為控制信號(hào)，導(dǎo)致出現(xiàn)響應(yīng)快速性與超調(diào)性的矛盾出現(xiàn)。自抗擾控制器主要由三部分組成：跟蹤微分器（tracking differentiator），擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器 （extended state observer） 和非線(xiàn)性狀態(tài)誤差反饋控制律（nonlinear state error feedback law）。跟蹤微分器的作用是安排過(guò)渡過(guò)程，給出合理的控制信號(hào)，解決了響應(yīng)速度與超調(diào)性之間的矛盾。擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器用來(lái)解決模型未知部分和外部未知擾動(dòng)綜合對(duì)控制對(duì)象的影響。雖然叫做擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器，但與普通的狀態(tài)觀測(cè)器不同。擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)展的狀態(tài)量來(lái)跟蹤模型未知部分和外部未知擾動(dòng)的影響。然后給出控制量補(bǔ)償這些擾動(dòng)。將控制對(duì)象變?yōu)槠胀ǖ姆e分串聯(lián)型控制對(duì)象。設(shè)計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器的目的就是觀測(cè)擴(kuò)展出來(lái)的狀態(tài)變量，用來(lái)估計(jì)未知擾動(dòng)和控制對(duì)象未建模部分，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的反饋線(xiàn)性化，將控制對(duì)象變?yōu)榉e分串聯(lián)型。非線(xiàn)性誤差反饋控制律給出被控對(duì)象的控制策略。

　　自抗擾控制器 （ADRC） 基本結(jié)構(gòu)是由如下三種功能組合而成 :

　　用一個(gè)跟蹤微分器 （TD） 來(lái)安排過(guò)渡過(guò)程并提取其微分信號(hào)；

　　用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 （ESO） 來(lái)估計(jì)對(duì)象的狀態(tài)變量和未知擾動(dòng)的實(shí)時(shí)作用量；

　　安排的過(guò)渡過(guò)程與對(duì)象狀態(tài)估計(jì)量之間誤差的適當(dāng)非線(xiàn)性組合和未知擾動(dòng)估計(jì)量的補(bǔ)償來(lái)生成控制信號(hào)。

　　下面以二階 ADRC 為例：

　?。?） 跟蹤微分器

　　跟蹤微分器是這樣的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)：對(duì)它輸入一個(gè)信號(hào) , 它給出這個(gè)信號(hào)的跟蹤信號(hào) 及其微分信號(hào) . 是安排的過(guò)渡過(guò)程 , 而 是這個(gè)過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào) . 跟蹤微分器的動(dòng)態(tài)方程為



　　其中 , 為如下方式定義的非線(xiàn)性函數(shù)：

　??；

　　；

　??；

　??；

　　；

　??；

　　當(dāng) 為控制目標(biāo) - 設(shè)定值時(shí)， 給出 0 到設(shè)定值的無(wú)超調(diào)的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，而 是此過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)。過(guò)渡過(guò)程的快慢就取決于參數(shù) 的選取， 大，過(guò)渡過(guò)程快， 小，過(guò)渡過(guò)程慢。

　?。?）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器

　　擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 （ESO） 的動(dòng)態(tài)方程為



　　其中 , 非線(xiàn)性函數(shù) 為



　　是對(duì)象的輸入 , 是對(duì)象的輸出 , 它們都是 ESO 的輸入量 . 變量 將估計(jì)出產(chǎn)生信號(hào) 的對(duì)象的狀態(tài)變量 , 而 將估計(jì)出產(chǎn)生信號(hào) 的對(duì)象的模型作用 （ 內(nèi)擾 ） 和外擾作用的實(shí)時(shí)總和作用 . 是 ESO 的可調(diào)參數(shù) . 調(diào)好了參數(shù) , 這個(gè) ESO 能給出很滿(mǎn)意的估計(jì)結(jié)果 . 這是獨(dú)立于產(chǎn)生信號(hào) 的對(duì)象模型和外擾作用的觀測(cè)器 .

　?。?） 控制信號(hào)的生成

　　控制信號(hào) 將由安排的過(guò)渡過(guò)程 、 ESO 給出的估計(jì) 共同生成。

　　設(shè)對(duì)象描述為



　　把系統(tǒng)的輸入 和輸出 一同輸入到 ESO 中， ESO 的 分別估計(jì)出對(duì)象的 ， 及 。

　　現(xiàn)在把控制量 分解成兩個(gè)分量：

　　并把控制分量 取成

　　那么被控對(duì)象近似地變成

　　-- 純粹的積分器串聯(lián)形對(duì)象

　　把對(duì)象的“內(nèi)擾”和“外擾”作用全部補(bǔ)償?shù)袅?. 這是 ADRC 具有抗擾能力的根本原因 .

　　至于控制量的另一分量 的構(gòu)造方法如下：

　　由安排的過(guò)渡過(guò)程 與 ESO 給出的狀態(tài)估計(jì) 來(lái)形成兩個(gè)誤差量

　??；

　　然后用誤差 和 的適當(dāng)非線(xiàn)性函數(shù) 來(lái)產(chǎn)生 ，具體可取



　　一般 , . 如果 , 那么這種反饋符合“小誤差大增益 , 大誤差小增益”的規(guī)律。

　?。?）自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)

　　自抗擾控制器的方塊圖 （Block Diagram of ADRC） 為

　　ADRC 的結(jié)構(gòu)圖



　?。?） 自抗擾控制器的特點(diǎn)與應(yīng)用前景

　　自抗擾控制器是由過(guò)渡過(guò)程安排、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、擾動(dòng)補(bǔ)償、狀態(tài)誤差的非線(xiàn)性反饋等特殊形式非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)所組成 .

　　自抗擾控制器能夠自動(dòng)檢測(cè)并補(bǔ)償對(duì)象的 " 內(nèi)擾 （ 模型 ）" 和 " 外擾 " 作用，從而在各種惡劣環(huán)境之下也能保證很高的控制精度。利用自抗擾控制器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以把系統(tǒng)中的許多不同因素歸類(lèi)為對(duì)系統(tǒng)的這種，或那種“擾動(dòng)”，然后用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器來(lái)分別進(jìn)行估計(jì)、補(bǔ)償。動(dòng)檢測(cè)就是在測(cè)量和檢驗(yàn)過(guò)程中完全不需要或僅需要很少的人工干預(yù)而自動(dòng)進(jìn)行并完成的。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)可以提高自動(dòng)化水平和程度，減少人為干擾因素和人為差錯(cuò)，可以提高生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的可靠性及運(yùn)行效率。自動(dòng)檢測(cè)的任務(wù)主要有兩種，一是將被測(cè)參數(shù)直接測(cè)量并顯示出來(lái)，以告訴人們或其他系統(tǒng)有關(guān)被測(cè)對(duì)象的變化情況，即通常而言的自動(dòng)檢測(cè)或自動(dòng)測(cè)試；二是用作自動(dòng)控制系統(tǒng)的前端系統(tǒng)，以便根據(jù)參數(shù)的變化情況做出相應(yīng)的控制決策，實(shí)施自動(dòng)控制。

　　自抗擾控制器的算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而且其參數(shù)適應(yīng)范圍廣，是一種理想的實(shí)用數(shù)字控制器。

　　自抗擾控制器具有如下優(yōu)特點(diǎn)：

　　A. 獨(dú)立于對(duì)象數(shù)學(xué)模型的固定結(jié)構(gòu)；

　　B. 能實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)超調(diào)、無(wú)靜差控制；

　　C. 被調(diào)參數(shù)物理意義明確，易整定參數(shù)；

　　D. 算法簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制的理想數(shù)字控制器；

　　E. 無(wú)需量測(cè)外擾而能消除其影響；

　　F. 不用區(qū)分線(xiàn)性、非線(xiàn)性，時(shí)變、時(shí)不變對(duì)象；

　　G. 對(duì)象模型已知更好，未知也無(wú)妨；

　　H. 易實(shí)現(xiàn)大時(shí)滯對(duì)象控制；

　　I. 解耦控制特別簡(jiǎn)單；所謂解耦控制系統(tǒng)，就是采用某種結(jié)構(gòu)，尋找合適的控制規(guī)律來(lái)消除系統(tǒng)種各控制回路之間的相互耦合關(guān)系，使每一個(gè)輸入只控制相應(yīng)的一個(gè)輸出，每一個(gè)輸出又只受到一個(gè)控制的作用。 解耦控制是一個(gè)既古老又極富生命力的話(huà)題，不確定性是工程實(shí)際中普遍存在的棘手現(xiàn)象。解耦控制是多變量系統(tǒng)控制的有效手段。

　　目前，絕大部分工業(yè)控制器都以數(shù)字控制器形式出現(xiàn)，舊的模擬式控制器也被數(shù)字式控制器所取代。數(shù)字控制器，Digital Controller ，電子控制器的一類(lèi)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，一般與系統(tǒng)中反饋部分的元件、設(shè)備相連，該系統(tǒng)中的其他部分可能是數(shù)字的也可能是模擬的。數(shù)字控制器通常是利用計(jì)算機(jī)軟件編程，完成特定的控制算法。通常數(shù)字控制器應(yīng)具備： A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、一個(gè)完成輸入信號(hào)到輸出信號(hào)換算的程序。

　　自抗擾控制器為適應(yīng)這個(gè)新時(shí)代的要求而誕生，它將以更高的效率和精度去替代過(guò)程控制中廣泛采用的 PID 和現(xiàn)行各種形式“先進(jìn)控制器”。

　　自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，對(duì)不同類(lèi)型對(duì)象 ，只需調(diào)整相應(yīng)參數(shù)就可實(shí)用 .

　　自抗擾控制器已在機(jī)械人的高速、高精度控制；力學(xué)持久機(jī)群控；爐溫控制；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制；磁懸浮浮距控制；四液壓缸協(xié)調(diào)控制；傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)控制；異步電機(jī)變頻調(diào)速控制；高速高精度加工車(chē)床控制等不同裝置的實(shí)物實(shí)驗(yàn)中均取得了很理想的控制效果。

　　在過(guò)程控制領(lǐng)域，一種新型的非線(xiàn)性數(shù)字控制器 -- “自抗擾控制器”以更好的控制能力和更高的控制精度，將會(huì)取代 PID 而發(fā)揮它應(yīng)有的作用。

　　4 、利用自抗擾控制器的汽溫控制系統(tǒng)

　　汽溫控制對(duì)象一般為減溫器和過(guò)熱器，減溫器可看成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，過(guò)熱器通常是 4-6 階慣性環(huán)節(jié)。通常我們可以將對(duì)象簡(jiǎn)化為一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)加遲延的控制對(duì)象，我們可以利用二階（或三階） ADRC 來(lái)控制。如上圖，被控對(duì)象就是過(guò)熱器和減溫器對(duì)象。將其控制思想于 DCS 常規(guī)算法于自定義算法相結(jié)合，取得了較好的控制效果。