非线性主汽温控制系统的串级控制器设计(附件)【字数：16838】
火电厂的生产流程中，主汽温控制是重要的环节之一，主汽温过高或者过低都会影响电厂的安全生产和经济运行，但是主汽温是一个非线性、大惯性和大迟滞的对象，传统控制对于主汽温存在多种扰动的情况下的控制品质并不能满足生产的基本要求。本文首先介绍主汽温的一般控制方法，并且就不同的方法分别指出它的利弊点，然后，针对主汽温的特点，利用串级控制系统，提出一种新的控制器的设计方法。首先是建立一个串级控制系统的数学模型，将副被控对象看做一个特殊的非线性系统---Lurie系统，研究副回路的稳定性问题，接着利用李雅普诺夫---雅克比矩阵法的相关理论证明设计出的控制系统稳定的充分条件，稳定前提下设计对应的串级控制器，最后，通过数值例子来对设计出的控制器进行举例分析，并通过Matlab进行仿真，分别对不同条件下的系统进行验证，证明系统的可行性与稳定性。关键字主汽温控制系统；串级控制；非线性；线性矩阵不等式；鲁棒性。
目录
第一章 绪论 1
1.1 论文的意义和选题背景 1
1.2 主汽温控制应用研究现状 1
1.2.1常规PID串级控制在主汽温控制方面的应用 1
1.2.2神经网络控制器在主汽温控制方面的应用 2
1.2.3遗传算法在主汽温控制方面的应用 2
1.2.4国外的主汽温控制的发展状况 2
1.3 本论文的研究内容 3
1.4 本论文的研究方法、步骤和措施等 3
第二章 蒸汽温度控制系统 4
2.1火电厂的生产过程 4
2.2主蒸汽温度控制对象 5
2.3蒸汽温度控制问题 5
2.4.串级系统设计和实施中的问题 5
2.5串级控制系统和单回路控制系统的区别 6
2.5.1.串级控制系统可有效地提高调节品质 7
2.5.2 调节器的选型和整定方法 8
2.5.3采用串级控制系统能提高控制效果的主要因素 9
2.6基于现代控制理论的主汽温控制方法 9
2.7主蒸汽温度控制难点分析 13
2.8串级控制系统的分析 13
第三章 串级控制系统的设计 18
3.1 系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
统数学建模 18
3.2 时系统控制器的设计 20
3.3 时系统控制器的设计 23
第四章 主汽温控制系统仿真验证 27
结论 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 论文的意义和选题背景
在现代发电厂的过热汽温系统中，主蒸汽温度过高，会对汽轮机和过热器造成损坏，威胁火电机组的安全运行；主蒸汽温度过低，会减小蒸汽的压力从而降低汽轮机的转速，从而减少热电厂的经济产出，不仅如此，这样还会使得汽轮机后几级的蒸汽温度升高，磨损汽轮机的叶片。因此，必须把主汽温控制在合适的温度范围内。火电在按照其给定功率运行时，规定主汽温不能超过它本身的额定最大值10℃，最少不能低于他额定值5℃，但影响主蒸汽温度变化的变量有很多，主要有锅炉本身的负荷能力，炉膛的超量空气的系数，燃烧器的运行过程和给定水的温度等，因为这些变量大多数是非线性不可控制的，所以使用传统的控制方法无法对系统的稳定性进行有效的控制。
传统的控制系统有单回路控制系统，单回路有结构简单、价格便宜，使用的材料少等很多的优点，但是因为锅炉汽温是一个大惯性、大滞后的对象，并且锅炉汽温控制存在着很多外在的扰动因素和负荷变化，单回路控制的控制效果很难满足要求很高的加热炉温度控制，因此单回路控制系统并不是最佳的选择，相比较而言，串级控制系统更加合适。串级控制系统比单回路控制系统多了一个控制变量的副回路，对于系统的动态性能和抗扰动能力有更高的提升，对于锅炉控制系统的安全性能也有很大的保障。、
本次毕业设计针对一类非线性主汽温控制系统，建立通过网络连接的系统数学模型，同时考虑系统的稳定性问题，由此设计相应的串级控制器。
本次工作任务主要针对串级控制器设计，掌握现代控制理论的基本内容；稳定性与李雅普诺夫雅克比矩阵法，状态反馈控制器的设计，同时，也要了解网络连接的串级控制的特点，并根据已有的文献，给出非线性主汽温串级控制系统的控制器存在的条件。
1.2 主汽温控制应用研究现状
1.2.1常规PID串级控制在主汽温控制方面的应用
现在在火电厂中，通常使用传统的PID控制方法对过热器加以控制，原因有PID参数含义明确，拥有适当的鲁棒性而且参数调整方便，所以PID控制一直占据着热工控制领域的很大一部分。主蒸汽温度串级PID控制系统中，要想实现“超前”调节，常常会以前馈的形式引入负荷信号、给水流信号和主蒸汽压力信号等到副调节器之中。但是常规PID控制器也存在着一些缺陷，当面对大迟延和大惯性等对象时，其控制效果会很不让人满意，例如这里的主汽温，因而现在也有不少学者开始研究其他的主汽温控制方式以更好地适应主汽温控制的需求。
1.2.2神经网络控制器在主汽温控制方面的应用
和传统的PID控制器相比，基于神经网络的自学习模糊PID控制器在控制效果上要好的多，并且在周围的工作环境发生变化时，大多数的控制器的控制品质都要降低，但是神经网络控制并不是。所以，2011年，由刘悦婷和赵小强撰写的《RBF_PID串级控制在加热炉温度系统中的应用研究》中发现，RBF神经网络算法具有良好的全局搜索寻优特性，可以任意精度逼近非线性函数，且操作方便，速度快，尤其是不需要建立精确的数学模型。结果表明，基于RBF的PID控制较传统的PID控制有较高的适应能力。
1.2.3遗传算法在主汽温控制方面的应用
在电厂的生产过程中，主蒸汽温度具有大迟延、时变和非线性的特点，针对这一情况，冯晓露在《智能控制在电厂主蒸汽温度控制系统的应用研究》中，在了解了主蒸汽温度的现场动态特性和被控对象特性之后，将现代控制理论中的状态观测器技术，用于实现主蒸汽温度的导前汽温的重构；通过神经网络技术进行主汽温前馈控制，该方法的准确性相比较而言要更高一些；设计出适用于过程控制的基于遗传算法机理的模糊控制器动态优化方法，解决了一般遗传算法实时性差的难题，实现了对电厂主蒸汽温度模糊控制系统中的模糊控制器的实时在线动态优化。
1.2.4国外的主汽温控制的发展状况
瑞士苏尔寿公司近年来研究出AV_6微机控制系统代替传统的AV_5模拟控制系统，AV_6采用状态变量软件模块和观测器软件模块对汽温进行状态变量控制，状态变量控制的优点是充分利用大滞后环节内部过程信息，但是缺点是调节时间过长并且调节量的变化很小，难以快速有效地对主汽温的变化做出反应。
综合国内外的发展状况，我们可以看出，尽管目前串级控制技术已经趋向于成熟，但是在精确控制方面，串级控制相较于模糊控制等技术仍显不足，因此，本次任务需要做的是利用MATLAB尽可能精确地通过实例整定出主副控制器的参数，得出结论。
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第一章 绪论 1
1.1 论文的意义和选题背景 1
1.2 主汽温控制应用研究现状 1
1.2.1常规PID串级控制在主汽温控制方面的应用 1
1.2.2神经网络控制器在主汽温控制方面的应用 2
1.2.3遗传算法在主汽温控制方面的应用 2
1.2.4国外的主汽温控制的发展状况 2
1.3 本论文的研究内容 3
1.4 本论文的研究方法、步骤和措施等 3
第二章 蒸汽温度控制系统 4
2.1火电厂的生产过程 4
2.2主蒸汽温度控制对象 5
2.3蒸汽温度控制问题 5
2.4.串级系统设计和实施中的问题 5
2.5串级控制系统和单回路控制系统的区别 6
2.5.1.串级控制系统可有效地提高调节品质 7
2.5.2 调节器的选型和整定方法 8
2.5.3采用串级控制系统能提高控制效果的主要因素 9
2.6基于现代控制理论的主汽温控制方法 9
2.7主蒸汽温度控制难点分析 13
2.8串级控制系统的分析 13
第三章 串级控制系统的设计 18
3.1 系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
统数学建模 18
3.2 时系统控制器的设计 20
3.3 时系统控制器的设计 23
第四章 主汽温控制系统仿真验证 27
结论 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 论文的意义和选题背景
在现代发电厂的过热汽温系统中，主蒸汽温度过高，会对汽轮机和过热器造成损坏，威胁火电机组的安全运行；主蒸汽温度过低，会减小蒸汽的压力从而降低汽轮机的转速，从而减少热电厂的经济产出，不仅如此，这样还会使得汽轮机后几级的蒸汽温度升高，磨损汽轮机的叶片。因此，必须把主汽温控制在合适的温度范围内。火电在按照其给定功率运行时，规定主汽温不能超过它本身的额定最大值10℃，最少不能低于他额定值5℃，但影响主蒸汽温度变化的变量有很多，主要有锅炉本身的负荷能力，炉膛的超量空气的系数，燃烧器的运行过程和给定水的温度等，因为这些变量大多数是非线性不可控制的，所以使用传统的控制方法无法对系统的稳定性进行有效的控制。
传统的控制系统有单回路控制系统，单回路有结构简单、价格便宜，使用的材料少等很多的优点，但是因为锅炉汽温是一个大惯性、大滞后的对象，并且锅炉汽温控制存在着很多外在的扰动因素和负荷变化，单回路控制的控制效果很难满足要求很高的加热炉温度控制，因此单回路控制系统并不是最佳的选择，相比较而言，串级控制系统更加合适。串级控制系统比单回路控制系统多了一个控制变量的副回路，对于系统的动态性能和抗扰动能力有更高的提升，对于锅炉控制系统的安全性能也有很大的保障。、
本次毕业设计针对一类非线性主汽温控制系统，建立通过网络连接的系统数学模型，同时考虑系统的稳定性问题，由此设计相应的串级控制器。
本次工作任务主要针对串级控制器设计，掌握现代控制理论的基本内容；稳定性与李雅普诺夫雅克比矩阵法，状态反馈控制器的设计，同时，也要了解网络连接的串级控制的特点，并根据已有的文献，给出非线性主汽温串级控制系统的控制器存在的条件。
1.2 主汽温控制应用研究现状
1.2.1常规PID串级控制在主汽温控制方面的应用
现在在火电厂中，通常使用传统的PID控制方法对过热器加以控制，原因有PID参数含义明确，拥有适当的鲁棒性而且参数调整方便，所以PID控制一直占据着热工控制领域的很大一部分。主蒸汽温度串级PID控制系统中，要想实现“超前”调节，常常会以前馈的形式引入负荷信号、给水流信号和主蒸汽压力信号等到副调节器之中。但是常规PID控制器也存在着一些缺陷，当面对大迟延和大惯性等对象时，其控制效果会很不让人满意，例如这里的主汽温，因而现在也有不少学者开始研究其他的主汽温控制方式以更好地适应主汽温控制的需求。
1.2.2神经网络控制器在主汽温控制方面的应用
和传统的PID控制器相比，基于神经网络的自学习模糊PID控制器在控制效果上要好的多，并且在周围的工作环境发生变化时，大多数的控制器的控制品质都要降低，但是神经网络控制并不是。所以，2011年，由刘悦婷和赵小强撰写的《RBF_PID串级控制在加热炉温度系统中的应用研究》中发现，RBF神经网络算法具有良好的全局搜索寻优特性，可以任意精度逼近非线性函数，且操作方便，速度快，尤其是不需要建立精确的数学模型。结果表明，基于RBF的PID控制较传统的PID控制有较高的适应能力。
1.2.3遗传算法在主汽温控制方面的应用
在电厂的生产过程中，主蒸汽温度具有大迟延、时变和非线性的特点，针对这一情况，冯晓露在《智能控制在电厂主蒸汽温度控制系统的应用研究》中，在了解了主蒸汽温度的现场动态特性和被控对象特性之后，将现代控制理论中的状态观测器技术，用于实现主蒸汽温度的导前汽温的重构；通过神经网络技术进行主汽温前馈控制，该方法的准确性相比较而言要更高一些；设计出适用于过程控制的基于遗传算法机理的模糊控制器动态优化方法，解决了一般遗传算法实时性差的难题，实现了对电厂主蒸汽温度模糊控制系统中的模糊控制器的实时在线动态优化。
1.2.4国外的主汽温控制的发展状况
瑞士苏尔寿公司近年来研究出AV_6微机控制系统代替传统的AV_5模拟控制系统，AV_6采用状态变量软件模块和观测器软件模块对汽温进行状态变量控制，状态变量控制的优点是充分利用大滞后环节内部过程信息，但是缺点是调节时间过长并且调节量的变化很小，难以快速有效地对主汽温的变化做出反应。
综合国内外的发展状况，我们可以看出，尽管目前串级控制技术已经趋向于成熟，但是在精确控制方面，串级控制相较于模糊控制等技术仍显不足，因此，本次任务需要做的是利用MATLAB尽可能精确地通过实例整定出主副控制器的参数，得出结论。
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