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频道本月排行自抗扰控制器在温控系统中的实用化研究及应用--《山东大学》2008年硕士论文
自抗扰控制器在温控系统中的实用化研究及应用
【摘要】：
经过数十年的发展,PID控制算法因结构简单、鲁棒性好、可靠性高,成为最广泛、最通用的控制策略之一。然而,实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等因素,应用经典线性PID控制器难以达到满意的控制效果,而自抗扰控制器(ADRC)对工业中非线性对象具有更高的控制性能,但是因为参数调节理论的不完善,影响其实际应用。
本文在此背景下,针对非线性PID控制、自抗扰控制以及Smith预估器和前馈控制展开研究。为了提高控制器的稳定性和鲁棒性,设计了ADRC-Smith预估控制器和前馈ADRC控制器,将其应用于大时滞温度控制系统,并在此基础上设计了吹塑机控制系统解决方案,通过大量的理论研究、仿真和实验,实现了良好的控制效果。论文的主要工作有:
1.研究了自抗扰技术和温度控制的现状以及温度控制的特点。
2.研究了ADRC的发展史,深入了解ADRC的原理与优点。ADRC在控制非线性对象时比PID具有更好的控制性能,但是参数调节理论不完善,阻碍了其广泛应用。
3.通过MATLAB仿真,得到ADRC参数之间的内在规律,通过将ADRC的参数统一到一个时间因子上,达到简化调节参数个数的目的,从而降低调试难度,同时,在无时滞温控实验平台上进行实验,验证了参数调节规律的可行性。
4.自抗扰控制器在大时滞温控上的应用,以前文献一般将时滞环节等效成一阶惯性环节,这样就要求增加ADRC的阶次,增加了调节参数个数,在参数调节理论不完善的情况下无疑是增加了调试难度。本文将ADRC分别与Smith预估器和前馈控制器相结合,设计了ADRC-Smith预估控制器和前馈ADRC控制器来解决具有大时滞控制问题。这两类新控制器的优点是不增加ADRC的阶次,是解决不确定大时滞被控对象的新途径,也是ADRC控制器实际应用上的一次创新。
5.在可编程计算机控制器(PCC)搭建的大时滞温控实验平台上进行实验,将前馈ADRC控制器和贝加莱专用温度控制器PIDXH的控制效果进行比较,实验结果表明前馈ADRC控制器在稳定性、鲁棒性等方面都优于PIDXH控制器。
6.研究了吹塑机控制系统解决方案,并在吹塑机上实验前馈ADRC控制器,得到了良好的控制效果,进一步验证了算法的可行性。
【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：TP273【目录】：
ABSTRACT10-12
第一章 绪论12-16
1.1 自抗扰控制技术的发展12-13
1.2 自抗扰控制技术的现状13-14
1.3 温控的发展现状14-15
1.4 本文的主要研究内容15-16
第二章 自抗扰控制技术16-26
2.1 非线性PID控制器16-20
2.1.1 跟踪微分器17-19
2.1.2 非线性组合19-20
2.2 自抗扰控制器20-25
2.2.1 反馈线性化21
2.2.2 扩张状态观测器21-23
2.2.3 自抗扰控制器结构23-25
2.3 本章小结25-26
第三章 ADRC-SMITH预估控制器和前馈ADRC控制器设计26-46
3.1 温控系统模型26-28
3.2 ADRC-Smith预估控制器28-33
3.2.1 Smith预估器原理28-29
3.2.2 ADRC-Smith预估控制器原理29
3.2.3 MATLAB仿真分析29-33
3.3 前馈ADRC控制器33-34
3.4 参数整定规律34-37
3.5 实验结果37-45
3.5.1 无时滞温控实验37-40
3.5.2 大时滞温控实验40-45
3.6 本章小结45-46
第四章 前馈ADRC控制器在挤出吹塑机中的应用46-60
4.1 贝加莱控制系统简介46-52
4.1.1 PCC硬件系统46-48
4.1.2 PCC软件系统48-50
4.1.3 贝加莱温控专用模块PIDXH50-52
4.2 挤出吹塑机工艺52-54
4.2.1 概述52
4.2.2 挤出吹塑机原理及组成52-54
4.3 贝加莱两层双工位挤吹机控制系统解决方案54-57
4.3.1 硬件配置54-55
4.3.2 软件实现55-57
4.4 前馈ADRC控制器调试结果57-58
4.5 本章小结58-60
第五章 总结与展望60-62
附录162-63
附录263-69
附录369-78
参考文献78-82
攻读学位期间发表(录用)论文目录84-85
学位论文评阅及答辩情况表85
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火电厂主蒸汽温度控制中的自抗扰控制器仿真研究
[导读] 　　摘要：针对火电厂主蒸汽温度控制系统的大滞后、大惯性以及 动态特性随工况变化的不确定性等特点，设计出一种自抗扰控制器(ADRC)，并给出了该控制器的参数整定方案。在电站STAR-90仿真平台上对ADRC 和PID 2个控制系统分别进行了主蒸汽温度控制系统的升负荷、加10%扰动和快速降负荷试。
　　传统PID以其结构简单、参数调节方便的特点在中得到广泛应用。然而，当系统对象的参数变化范围较大或非线性效应显著时，传统PID 则存在以下问题：(1)参数输入量不可微且不连续，因输出的检测量存在噪声污染，使得误差信号不可微，且应用受到限制;(2)采用线性组合方式常会引起系 统快速性与超调量间的矛盾。
　　对此，韩京清等人于1998年提出了ADRC，其利用非线性结构从根本上消除PID的上述缺陷。自抗扰控制技术是一种不依赖系统模型的新技术，它结合特殊的非线性反馈结构，可实时估计并补偿系统在运行中受到的各种外、内扰对系统的总扰动。大量试验证明，该的适应性和鲁棒性很强，而且在特定 对象范围具有通用性。
　　控制系统是维持过热器出口蒸汽温度在允许在范围之内，保护过热器使其管壁温度不超过允许的工作温度。可看作多容分布参数的受控制对象(其动态特性可用多容惯性环节表示)，它具有明显的滞后性，且会随机组负荷变化而变化。针对控制系统的数学模型具有大迟延、多扰动、参数不确定等特点，本文以控制系统的自抗扰控制为例，对自抗扰的参数整定问题进行讨论。
　　一、ADRC
　　1.1 结构
　　ADRC包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性反馈控制规律NLSEF等，其中TD，ESO和NLSEF均由特殊形式的非线性结构组成。高阶 ADRC的参数众多难以调节，因此实际应用中多采用低阶ADRC，本文以二阶为例简介自抗扰控制算法。二阶ADRC的结构如图1所示。
　　ADRC通过TD为信号输入安排过渡过程，得到光滑的输入信号，并提取其微分信号。利用ESO对对象进行估计，不仅能够得到各个状态变量的估计值，而且能 够得到对象的扰动估计。取TD的输出与ESO的状态变量估计误差(状态变量误差)，其非线性反馈与ESO对未知作用力估计的补偿量构成控制量。ADRC的 补偿分量并不区分内扰和外扰，而是直接检测并补偿它们对系统的总扰动。
　　1.2 组成
　　以二阶不确定被控对象
　　为例，介绍典型的二阶ADRC算法。式中：f(x1,x2&(t),t) 完全未知; u是被控对象的输入信号;y是被控对象的输出信号。
　　1.2.1 TD
　　二阶TD的微分方程：
　　式中，h0为滤波因子;fst(v1,v2, v(t), r,h0)为非线性函数，其表达式见文献[1]。对于给定的输入信号v, 经TD后生成两路分别是给定信号v的跟踪信号v1和给定信号v的微分信号v2。对于任意给定的连续/不连续 信号v, TD均可给出连续、无超调的跟踪信号，其跟踪速度与参数r的值成正比。TD不仅可以对给定信号逐一安排过渡过程，还可以从不可微信号或含有噪声的信号中合 理地提取连续可微的信号[6]。
　　1.2.2 ESO
　　三阶ESO的微分方程：
　　其中，u是被控对象的输入信号;y是被控对象的输出信号。u,y均为ESO的输入信号。z1,z2为 状态估计信号;z3为ESO的输出信号是对总干扰量的估计信号。选取合理的参数&01，&02， 和&03, ESO就能给出估计信号。
　　1.2.3 NLSEF
　　由TD产生的跟踪信号v1和微分信号v2与ESO给出的状态估计信号z1, z2得到2个误差量：
　　选取适当的非线性函数，根据这2个误差量e1, e2求 出u0：
　　u0=&1fal(e1, a1，&)+&fal(e1, a2, &) (6)
　　式(6)即NLSEF。根据ESO给出的干扰估计信号z3和 被控对象的已知部分，既可得出控制量u:
　　二、控制系统的自抗扰控制方案
　　2.1 的动态特性
　　大型的过热器布置在锅炉的水平烟道中，分为若干段控制，在各段之间设置喷水减温机构(图2)。
　　运行中，影响的因素很多，其中控制通道中影响的主要因素是蒸汽流量D(负荷)、减温喷水流量W和烟气热量Q。W为控制量，通过各级W 来控制;D和Q等为扰动。该调解通道的惯性和纯滞后最大，其对的传递函数可用高阶惯性环节来表示：
　　式中&为过热器出口温度;n&3。
　　由于过热器出口汽温是全厂工质温度的上限，也是金属壁温的上限，允许的变化范围很小，且干扰因素多，对象特性呈非线性，这使得控制系统尤为复杂。
　　2.2 控制方案
　　自抗扰控制技术需在STAR-90平台上实现。对的各个部分进行离散化计算，其离散化后的计算形式为：
　　(1)安排过渡过程，v0为 设定值，TD的离散化形式为：
　　首先用C++语言编写自抗扰控制技术功能算法模块(非线性函数FAL, FST的模块，二阶TD模块，NLSEF模块和三阶ESO模块)，然后通过这些模块搭接成ADRC(图3)。
　　三、控制系统ADRC的参数整定
　　在ADRC结构确定的情况下，其控制性能主要取决于参数的选取。为此，通过大量试验，给出了如下参数整定原则。
　　(1)TD的参数 TD中FST模块的参数r可以根据对过渡过程的要求来确定，r 越大，安排的过渡过程越短。参数h 为采样时间，凡是涉及到采样时间的模块，h 相同，可以根据STAR-90平台模块的执行速率计算得到。
　　(2)ESO的参数 3个FAL函数中的参数&取值为0
　　(3)NLSEF的参数由于ESO对扰动的估计和补偿作用，在扰动幅值不是很大、变化不是很剧烈的情况下，完全可以实现精确补偿，所以在假设扰动为零的情况下，可对NLSEF的参数KP和Kd进行初始值设定。NLSEF的参数整定原则如下(假设扰动为 零):l)FAL函数中参数占的选取可参考ESO中参数&的选取，参数a的选取依照&p:&d=1：2的比 例进行调整;2)参数Kp和Kd的调整与传统PID的比例系数和微分系数调整关系相似。对NLSEF参数的 进一步整定只是在一定范围内改善控制性能，因而可作微调使用;3)参数Kp和Kd确定后，再对参数b0进 行调整。系统的迟延大时，b0值越大。
　　可以根据以上原则对参数进行粗调或者数量级的选择，实际运行参数需要在此基础上反复试验后才能确定。
　　四、效果对比
　　试验对象为潮州电厂600MW超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压凝汽式汽轮发电机组。对该机组过热器(A、B两侧)在STAR-90平 台上分别进行 PID和ADRC升负荷、加10%扰动和快速降负荷试验。
　　(1)升负荷试验 从400MW升至600MW，速率为10MW/min，机组运行30min的曲线如图4、图5所示。
　　对比2 种的曲线，PID的最高为570.128℃，最低为556.080℃，变化幅度为14.148℃。ADRC的 最高为569.803℃，最低为561.646℃，变化幅度为8.157℃。使用ADRC的变化幅度明显小于PID的温度变化。升 负荷试验的结果表明，ADRC控制方案明显优于PID 控制方案。
　　(2)增加10%的扰动 对A、B两侧二级过热器的入口温度增加10%的扰动，机组运行40min的曲线如图6、图7所示。
　　由图6、图7可以看出，在给二级过热器入口温度加上10%的扰动后，PID控制系统恢复到稳定状态的时间约为30min, ADRC控制系统恢复到稳定状态的时间约为5min 。因此，ADRC控制系统比PID控制系统具有更强的抗干扰性。
　　(3)ADRC快速降负荷试验试验所用的600MW超临界机组共有2台引风机运行，其中的1台跳闸，机组运行30min曲线如图8所示。
　　由图 8 可以看出，当机组快速降负荷时， ADRC 切换自动运行状态，能够继续自动控制机组的运行。
　　对ADRC和PID 2个控制系统的比较后发现，ADRC的控制效果优于PID，尤其是在10%扰动试验中，ADRC的抗于扰能力很强。并且快速降负荷试验表明，在 机组运行时快速降负荷的情况下，ADRC控&
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技术领域本发明属于高精度的跟踪控制技术领域，具体涉及一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法。背景技术高精度、快响应一直以来都是跟踪控制系统所追求的目标。在大多数精密伺服控制系统中，普遍采用多级反馈来提高系统的响应精度以及响应时间。PID控制器因其结构相对简单，概念易于理解且不依赖于数学模型，广泛用于电流、速度、位置甚至加速度环中。不确定系统控制是控制科学中的核心问题，围绕这一问题，涌现出大量的控制方法，从长盛不衰的PID控制到现代的自适应控制、鲁棒控制、变结构控制、基于扰动观测器的控制，以及不变性原理和非线性输出调节理论等等。但是，已有的许多不确定系统控制方法或针对参数不确定性，或针对有界的不确定动态，或针对有界或动态模型已知的外界输人扰动，而自抗扰控制(ADRC)思想则允许系统中的不确定性可以既含有内部非线性时变动态模型(不预先要求有界)，又含有外部的不连续扰动。自抗扰控制器从其设计思想的出现到现在已经经历了二十多年的曲折发展过程，早期的工作主要集中在对经典PID控制器的改进上，其发展速度一直比较缓慢，自从1998韩京清老师对改进后的非线性PID控制器命名为“自抗扰控制器”以后，越来越多的人被其独特的控制思想以及卓越的控制品质所吸引，并积极致力于尖端科技领域的应用。近年来，自抗扰控制由于其不需要关注系统的模型及扰动的特性而受到设计者更为广泛的关注，无论是在理论上还是在使用方面都已经取得了优异的成绩。目前被广泛研究的串级控制方法很多，如PI-PI控制、状态变量PID串级控制系统等方法，但是随着控制品质要求的提高，常规PID串级控制系统已达不到令人满意的效果。本发明采用线性自抗扰结构，将其运用于速度环，并将常规PID运用于位置环，构成了PID-ADRC串级控制回路。此外，本发明在自抗扰的控制律方面作了改进，即将速度环自抗扰的控制律设计为PID控制器。本发明所提出的控制方法降低了位置跟踪误差，提高了系统跟踪精度。发明内容针对精密伺服控制系统中，位置换向时存在较大的换向误差的问题，本发明采用线性自抗扰控制结构，并将自抗扰的控制律作了改进，将改进的自抗扰控制用于速度环，常规PID控制用于位置环，提出了一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法。实验结果表明，改进后的串级自抗扰减小了位置跟踪误差，提高了控制系统的跟踪精度。本发明采用的技术方案为：一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其特征在于：速度环采用改进的自抗扰控制器，位置环采用常规PID控制器，其具体步骤如下：步骤(1)：搭建速度环自抗扰控制器闭环回路；步骤(2)：设计自抗扰的扩张状态观测器：采用三阶线性自抗扰控制结构，并将扩张状态观测器估计出的总扰动加入控制器中，以此来补偿系统受到的非线性扰动；步骤(3)：对于速度反馈信号，处理方式如下：方式1.如果在系统中装有速度传感器，则将传感器采回的速度信号直接送入ESO；方式2.如果在系统中仅装有位置传感器，则将传感器采回的位置信号的微分作为速度信号送入ESO；步骤(4)：控制律的设计：将自抗扰的控制律设计为PID控制器；步骤(5)：对于速度环自抗扰控制输入信号的处理：将位置环控制器的输出作为速度环控制器的输入信号；步骤(6)：搭建位置环PID控制闭环回路；步骤(7)：对于位置反馈信号，处理方式如下：由于系统中装有位置传感器，则传感器采回的位置信号即为反馈信号；步骤(8)：对于位置环PID控制输入信号的处理：选择输入信号为θref＝0.3°sin(πt)，其中，θref为输入信号，t为时间。进一步的，步骤(3)中微分信号的处理，还可以用预测控制方法或卡尔曼滤波控制方法。进一步的，步骤(4)中速度环控制律的设计，除了所述的PID控制器，还可以采用PI控制器、P控制器或自适应控制器。进一步的，步骤(8)中输入信号的选择，可以选择其它正弦信号。本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)本发明相对于传统的串级PID控制，明显减小了位置换向误差，消除了误差尖峰。(2)本发明相对于未改进的自抗扰与PID的串级控制，减小了位置跟踪误差，无论是误差绝对值的最大值，还是误差的均方差都有一定程度的减小。(3)本发明同非线性自抗扰控制相比，该发明方法调试简单，所需要整定的参数不多，解决了非线性自抗扰控制参数众多，调试复杂的问题，进一步推广了自抗扰控制技术的应用。附图说明图1为改进的自抗扰与PID的串级控制结构图；图2为实验系统结构图，其中，1为电机，2为负载，3为测速计；图3为常规PID-PID串级控制位置跟踪误差图；图4为常规PID-ADRC串级控制位置跟踪误差图；图5为常规PID与改进的ADRC串级控制位置跟踪误差图。具体实施方式以下结合附图，具体说明本发明的实施方式。本发明一种改进的自抗扰与PID的串级控制方法，其具体实现步骤如下：步骤(1)：搭建速度环自抗扰控制器闭环回路。本发明所用的跟踪实验平台如图2所示，由电机1、负载2、连接轴、测速计3，编码器等组成。速度信号由测速机采回，位置信号θl由编码器采回。步骤(2)：设计自抗扰的扩张状态观测器：采用三阶线性自抗扰控制结构，并将扩张状态观测器估计出的总扰动加入控制器中，以此来补偿系统受到的非线性扰动，提高系统精度。自抗扰ESO，具体形式如下：
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