（火电厂）状态反馈控制系统设计【字数：8354】
摘 要大容量，高参数，高效率作为火电机的发展放向，因此自控系统也变得越来越复杂，越来越精密。在热过程中，大多数热物体可以看做过程缓慢的时变系统。对于多变量的系统，多变的参数使得系统具有不确定性和强耦合性。这使得难以建立精确的数学模型，因此具有固定参数的PID控制器不能适应日益高的生产控制要求。作为现代控制理论的重要成果之一，状态观测器可以根据被控对象的模型，在系统运行过程中重构出新的状态变量，这使得在状态反馈控制中有了实际依据，能在高阶系统状态中进行测量。同时，由于主蒸汽温度控制系统具有较大的延迟和较大的惯性，因此难以通过传统的控制方法获得更好的控制效果。如果状态观察者可以重建其各种状态变量，则配置极点和状态反馈，那么实施控制显然是一种实用的控制解决方案。本文以火电机组汽温控制为研究对象。在研究状态反馈控制理论的基础上，建立三阶状态反馈控制模型，通过MATLAB软件对其动态特性和可靠性性能进行研究。通过实验结果证明，带有状态观测器的状态反馈系统比直接状态反馈的反馈系统图像更加稳定，图像更加平稳，稳定性更强，且具有较强的抗干扰能力。
Key words: state feedback control; state observer; steam temperature control of thermal power unit 目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究的内容 2
2. 基于状态反馈控制系统的理论基础 3
2.1 线性系统基本理论 3
2.2 状态反馈与极点配置 5
2.2.1 状态反馈的定义及其性质 5
2.2.2 极点配置 6
2.2.2.1 关于极点配置的方法 6
2.2.2.2 极点配置算法 6
2.2.2.3 系统镇定问题 6
2.3 状态观测器设计 6
2.3.1设计原因 6
2.3.2 设计思想 7
2.3.3 状态观测器存在的条件 7
2.3.4 基于全维观测器的状态反馈系统 7
2.4 应用举例 8
3. 大型 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
火电机组状态反馈控制系统设计 9
3.1 火电厂热工控制系统的组成和特点 9
3.2 火力发电厂的生产流程 9
3.3 基于状态反馈三阶控制系统设计 11
3.3.1 控制对象动态特性分析 11
3.3.2 系统动态特性仿真分析 12
3.3.3 基于状态反馈三阶控制系统建模 13
3.4 对单位负反馈控制系统PID参数整定 14
3.5 基于状态反馈控制系统的性能分析 15
3.5.1 含状态反馈系统与不含状态反馈系统对比 15
3.5.2 带有状态观测器反馈系统与直接状态反馈系统 17
3.5.3 可靠性分析 19
总结 22
参考文献 23
致谢 24
1.绪论
1.1研究背景
电力行业是衡量一个国家基础建设和发展潜力的重要产业。在进入21世纪后，我国的电厂数量急剧增加，为社会的经济发展贡献出了极大的力量。目前，火力发电技术已经被我国所掌握，但是仍然有一些技术难题需要进一步突破，比如在锅炉内部的环境控制。由于锅炉控制系统不能承受过高温度，如过热器出口温度超过600摄氏度后，金属管的强度就会大幅度被削弱，最终导致其他设备的连带损坏。因此，为了安全运行，过热器出口温度不允许高于额定温度50度。但是出口温度又不能过低，否则会降低效率引起煤炭浪费。
控制出口温度的核心器件是温度器，它测量得失主蒸汽温度，该参数又是一个难以测量，难以控制的重要参数。尤其是在大型机组中，控制难度成倍增加。
PID串级控制系统目前仍然是主蒸汽温度的主流控制法。PID的优点很多：如控制相应快，延迟低，动态性能好。但是对于大延迟或大惯性的系统时，性能却变得较差，控制效果不佳。在实际工作中，小惯性，小延迟的系统越来越少，而大惯性，高延迟的系统越来越成为主流。同时，主蒸汽温度的变化往往受到多种因素的影响，如燃料变化，水温变化等，从而增加了控制难度和精度。因此我们需要一个主气温的控制技术能够适应这种复杂控制环境。
状态观测器理论可以根据被控参数（主蒸汽温度）重构出状态变量，从而使得高阶系统无法直接测量的问题迎刃而解。在延迟大，惯性大的环境中，通过状态观测器重构各状态变量，在引入反馈控制，使得系统达到良好的控制效果。
控制理论是现代控制技术的核心，是该技术发展的基石，更是推动社会发展的有力推动力。人类进入工业化以来，控制理论在实践的推动下得到了飞速的发展。从最初的单一控制系统，发展到如今的多输入多输出的控制系统，从线性系统发展到非线性系统；从时不变系统发展到时变系统等。随着数字计算机以及数学的发展，新的控制方案层出不穷，为现代工业控制提供了有力工具。
1.2国内外研究现状
分散控制系统（DCS）是火电厂的系统控制主流控制法，在近些年的水平得到了迅速提高，目前DCS已经完成了从传统到现代的发展，多功能，多放向，一体化的发展。目前火电发电系统的自动化控制由控制、报警、检测、与保护四部分组成。因此，火电发电系统由如下几个系统组成:
数据采集
机炉协调控制
顺序控制
锅炉炉膛安全监视
汽机旁路控制，汽机电液控制等
目前我国火电厂热工自动化的现状为:
DCS控制系统的广泛推广
我国电厂目前主流依然采用DCS控制，其中很多较为先进的电厂从德国、美国、日本等发达国家引入DCS控制系统。同时，我国自主研制的DCS控制系统也成为了目前市场上的重要竞争力量，如中科院的EDPF新产品，也有如新华等公司与国外进行联合开发，更有老厂在原有的国外DCS系统上进行改造。
控制策略发展的相对落后
PID控制策略是现代DCS控制中的重要操作，PID有两大优点：
理论发展时间长，操作技术成熟，发展出相当多的算例。
具有很强的鲁棒性，因此对系统模型的依赖程度低，不需要过多的预设条件。
然而，传统的PID控制并不能完全适应于越来越复杂的系统，在很多大惯性，大延迟的系统中，传统PID系统并不能取得良好的控制效果。因此研究能适应现代控制系统的算法成为了目前该领域亟待解决的问题。
1.3本文研究的内容
以大型火电机组控制要求为依据，火电机组汽温控制为研究对象，在研究状态反馈控制理论的基础上，按照发电厂控制系统设计的原则、步骤和方法，完成基于状态反馈控制系统设计及性能分析，将该基于状态反馈控制系统设计内容分以下几个部分：
（1）基于状态反馈三阶控制系统设计
Key words: state feedback control; state observer; steam temperature control of thermal power unit 目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究的内容 2
2. 基于状态反馈控制系统的理论基础 3
2.1 线性系统基本理论 3
2.2 状态反馈与极点配置 5
2.2.1 状态反馈的定义及其性质 5
2.2.2 极点配置 6
2.2.2.1 关于极点配置的方法 6
2.2.2.2 极点配置算法 6
2.2.2.3 系统镇定问题 6
2.3 状态观测器设计 6
2.3.1设计原因 6
2.3.2 设计思想 7
2.3.3 状态观测器存在的条件 7
2.3.4 基于全维观测器的状态反馈系统 7
2.4 应用举例 8
3. 大型 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
火电机组状态反馈控制系统设计 9
3.1 火电厂热工控制系统的组成和特点 9
3.2 火力发电厂的生产流程 9
3.3 基于状态反馈三阶控制系统设计 11
3.3.1 控制对象动态特性分析 11
3.3.2 系统动态特性仿真分析 12
3.3.3 基于状态反馈三阶控制系统建模 13
3.4 对单位负反馈控制系统PID参数整定 14
3.5 基于状态反馈控制系统的性能分析 15
3.5.1 含状态反馈系统与不含状态反馈系统对比 15
3.5.2 带有状态观测器反馈系统与直接状态反馈系统 17
3.5.3 可靠性分析 19
总结 22
参考文献 23
致谢 24
1.绪论
1.1研究背景
电力行业是衡量一个国家基础建设和发展潜力的重要产业。在进入21世纪后，我国的电厂数量急剧增加，为社会的经济发展贡献出了极大的力量。目前，火力发电技术已经被我国所掌握，但是仍然有一些技术难题需要进一步突破，比如在锅炉内部的环境控制。由于锅炉控制系统不能承受过高温度，如过热器出口温度超过600摄氏度后，金属管的强度就会大幅度被削弱，最终导致其他设备的连带损坏。因此，为了安全运行，过热器出口温度不允许高于额定温度50度。但是出口温度又不能过低，否则会降低效率引起煤炭浪费。
控制出口温度的核心器件是温度器，它测量得失主蒸汽温度，该参数又是一个难以测量，难以控制的重要参数。尤其是在大型机组中，控制难度成倍增加。
PID串级控制系统目前仍然是主蒸汽温度的主流控制法。PID的优点很多：如控制相应快，延迟低，动态性能好。但是对于大延迟或大惯性的系统时，性能却变得较差，控制效果不佳。在实际工作中，小惯性，小延迟的系统越来越少，而大惯性，高延迟的系统越来越成为主流。同时，主蒸汽温度的变化往往受到多种因素的影响，如燃料变化，水温变化等，从而增加了控制难度和精度。因此我们需要一个主气温的控制技术能够适应这种复杂控制环境。
状态观测器理论可以根据被控参数（主蒸汽温度）重构出状态变量，从而使得高阶系统无法直接测量的问题迎刃而解。在延迟大，惯性大的环境中，通过状态观测器重构各状态变量，在引入反馈控制，使得系统达到良好的控制效果。
控制理论是现代控制技术的核心，是该技术发展的基石，更是推动社会发展的有力推动力。人类进入工业化以来，控制理论在实践的推动下得到了飞速的发展。从最初的单一控制系统，发展到如今的多输入多输出的控制系统，从线性系统发展到非线性系统；从时不变系统发展到时变系统等。随着数字计算机以及数学的发展，新的控制方案层出不穷，为现代工业控制提供了有力工具。
1.2国内外研究现状
分散控制系统（DCS）是火电厂的系统控制主流控制法，在近些年的水平得到了迅速提高，目前DCS已经完成了从传统到现代的发展，多功能，多放向，一体化的发展。目前火电发电系统的自动化控制由控制、报警、检测、与保护四部分组成。因此，火电发电系统由如下几个系统组成:
数据采集
机炉协调控制
顺序控制
锅炉炉膛安全监视
汽机旁路控制，汽机电液控制等
目前我国火电厂热工自动化的现状为:
DCS控制系统的广泛推广
我国电厂目前主流依然采用DCS控制，其中很多较为先进的电厂从德国、美国、日本等发达国家引入DCS控制系统。同时，我国自主研制的DCS控制系统也成为了目前市场上的重要竞争力量，如中科院的EDPF新产品，也有如新华等公司与国外进行联合开发，更有老厂在原有的国外DCS系统上进行改造。
控制策略发展的相对落后
PID控制策略是现代DCS控制中的重要操作，PID有两大优点：
理论发展时间长，操作技术成熟，发展出相当多的算例。
具有很强的鲁棒性，因此对系统模型的依赖程度低，不需要过多的预设条件。
然而，传统的PID控制并不能完全适应于越来越复杂的系统，在很多大惯性，大延迟的系统中，传统PID系统并不能取得良好的控制效果。因此研究能适应现代控制系统的算法成为了目前该领域亟待解决的问题。
1.3本文研究的内容
以大型火电机组控制要求为依据，火电机组汽温控制为研究对象，在研究状态反馈控制理论的基础上，按照发电厂控制系统设计的原则、步骤和方法，完成基于状态反馈控制系统设计及性能分析，将该基于状态反馈控制系统设计内容分以下几个部分：
（1）基于状态反馈三阶控制系统设计
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