開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度控制與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（診斷部分）

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

鍋爐是發(fā)電廠中實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)也是能源消耗的主要設(shè)備。對鍋爐生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的控制，不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，改善操作人員的工作環(huán)境和條件，而且可以提高鍋爐的燃燒效率，達(dá)到節(jié)約能源的目的。為此，鍋爐節(jié)能控制一直被列為我國控制領(lǐng)域一個(gè)重要的推廣應(yīng)用項(xiàng)目。鍋爐系統(tǒng)是由制粉、給水、蒸汽過熱、燃燒等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的母系統(tǒng)，而蒸汽過熱系統(tǒng)則是鍋主蒸汽溫度控制直接影響到火電廠的熱效率和設(shè)備的安全運(yùn)行，因此，主蒸汽溫度控制系統(tǒng)是全廠的重要控制系統(tǒng)之一。

目前，蒸汽溫度控制方法繁多，大致可以分為以下方法：

1．串級控制方法：串級控制系統(tǒng)采用兩個(gè)檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，他把前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)串級控制系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。在工業(yè)上常常用來克服被控過程較大的容量滯后，在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后較大，尤其當(dāng)被控對象是溫度時(shí)，控制要求較高，利用串級控制系統(tǒng)的二次回路可以改善過程動(dòng)態(tài)特性，來解決單回路控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求的問題。

2．PID控制方法：在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器誕生到現(xiàn)在已經(jīng)將近有70年的歷史了，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，它的應(yīng)用很廣泛，因此它成為了工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不是完全被我們掌握，或者我們在設(shè)計(jì)時(shí)找不到精確的數(shù)學(xué)模型的時(shí)候，或者控制理論的其他技術(shù)難以采用的時(shí)候，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須要依照經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，也就是說當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或者不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用PID控制技術(shù)。

3.人工智能控制與自適應(yīng)系統(tǒng)：自適應(yīng)控制系統(tǒng)，能在系統(tǒng)和環(huán)境的信息不完備的情況下改變自身特性來保持工作效果的控制系統(tǒng)，信息不完善表現(xiàn)在系統(tǒng)和環(huán)境的特性或其變化規(guī)律的不確定性。自適應(yīng)系統(tǒng)中采用有目的性的搜索方法，通過對環(huán)境的觀察和對已有條件的分析，在采集和加工信息的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)和改進(jìn)以減小不確定性，從而模仿人的設(shè)計(jì)過程，自動(dòng)地調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，來達(dá)到改善控制效果的目的。適應(yīng)性是生物機(jī)體的基本特性之一，無論生物個(gè)體還是整個(gè)物種，都是依靠適應(yīng)性才能在長期進(jìn)化的過程中形成相對較完善的控制功能。我認(rèn)為自適應(yīng)控制系統(tǒng)和人工智能控制有一定的相似點(diǎn)，所以放在一起討論，人工智能控制是一種新生的控制方法，它是通過專家系統(tǒng)積累的知識在環(huán)境和信息不完備的情況下能相對只能的控制被控對象，它和自適應(yīng)系統(tǒng)一樣都需要通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制，它通過計(jì)算機(jī)來控制一些工業(yè)生產(chǎn)把人從一些相對較危險(xiǎn)或工作條件較差的工作環(huán)境中解脫出來。

目前，大型機(jī)組的主蒸汽溫度控制主要采用串級控制這種方案。所要控制的主蒸汽溫度就是過熱器的出口汽溫?，F(xiàn)今，廣泛采用的控制方式是應(yīng)用噴水來控制這個(gè)出口汽溫。對于噴水減溫這種控制方式，噴水量擾動(dòng)就是基本擾動(dòng)了。在基本擾動(dòng)下主蒸汽溫度有較大的容積遲延，而減溫器出口蒸汽溫度卻有明顯的導(dǎo)前作用。所以根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾；副回路應(yīng)具備超前控制作用。因此，構(gòu)造的串級控制系統(tǒng)以減溫器出口汽溫為副參數(shù)，以過熱器出口的主蒸汽溫度為主參數(shù)。鍋爐爐系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分，控制鍋爐蒸汽溫度的意義：蒸汽溫度過高將危及鍋爐過熱器和汽輪機(jī)的安全,蒸汽溫度過低會降低發(fā)電廠循環(huán)效率，并使汽輪機(jī)排汽濕度增大，影響安全運(yùn)行。因此，蒸汽溫度必須嚴(yán)加控制，電站鍋爐的過熱汽溫的允許波動(dòng)范圍為額定汽溫的正負(fù)5度內(nèi)。在溫度控制方面鍋爐過熱器和再熱器出口蒸汽溫度是單元機(jī)組運(yùn)行中必須保證在一定范圍的重要參數(shù)。隨著機(jī)組容量的增大，過熱器和再熱器管道也隨之加長，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。為此人們作了許多有益的嘗試，如采用自適應(yīng)控制可將一臺亞臨界汽包爐的主蒸汽溫度偏差控制在4

℃

左右；如提出了一種離散時(shí)滯系統(tǒng)自適應(yīng)預(yù)估控制算法，并應(yīng)用于一臺

650t/h

直流爐再熱汽溫的控制，在變工況運(yùn)行過程中將再熱汽溫控制在±

℃的偏差之內(nèi)。

但是現(xiàn)實(shí)是采用自適應(yīng)控制技術(shù)需要對被控對象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行辨識，目前通用的計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS）中還沒有提供一套對被控對象進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地系統(tǒng)辨識的軟件工具，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。

鑒于此，人們研究了另外一種控制方案，該方案將現(xiàn)代控制論中狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器理論與傳統(tǒng)的PID

控制相結(jié)合，既克服了

PID

對大滯后對象控制效果不理想的缺點(diǎn)，同時(shí)又具有在目前的DCS

系統(tǒng)中易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。雖然在設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器時(shí)同樣需要掌握被控對象的有關(guān)知識，但它并不一定要求確切地知道對象模型的定量的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)辨識這一難點(diǎn)問題作了一定程度的簡化處理。

本課題是基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度控制和檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此將采用上述的將現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器理論和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。它能具有克服PID控制系統(tǒng)對大滯后被控對象控制效果差的缺點(diǎn)也能具有在目前DCS系統(tǒng)中易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。并且它不需要確切的知道對象模型的定量和數(shù)據(jù)，能降低建模的時(shí)候遇到的困難。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

（1）查找相關(guān)資料，熟悉現(xiàn)有的基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度檢測與控制系統(tǒng)的發(fā)展情況。

（2）熟悉鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的情況，提出新的控制方案。

（3）進(jìn)行基于狀態(tài)觀測器的蒸汽溫度控制與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（4）總結(jié)得出結(jié)論。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

(1)了解傳統(tǒng)的鍋爐蒸汽溫度控制技術(shù)。

(2)分析相關(guān)的蒸汽溫度控制的技術(shù)。

(3)基于狀態(tài)觀測器的蒸汽控制和診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(4)分析控制效果。

(5)總結(jié)得出結(jié)論。

措施：圖書館查找相關(guān)的書籍、期刊、雜志等，通過上網(wǎng)尋找相關(guān)的一些資料，查看當(dāng)代對該技術(shù)的研究成果和最新的動(dòng)態(tài)。通過對這些資料的學(xué)習(xí)和研究進(jìn)一步的熟悉和理解設(shè)計(jì)所需的相關(guān)知識。在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)與指導(dǎo)老師探討，對不了解的問題及時(shí)向老師請教。

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