開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷（控制部分）

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

溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)，一般是指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到并滿足工藝的要求。溫度控制廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如：機(jī)械、生產(chǎn)制造等行業(yè)。另外，溫度控制在家電、汽車、材料、電力電子、生物醫(yī)藥等方面也有廣泛應(yīng)用。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來越高，除具有較高的溫度控制精度外，還希望控制系統(tǒng)的過程過度時(shí)間盡量短，最大偏差和超調(diào)量要小，擾動(dòng)作用后減幅振蕩的次數(shù)要盡量小，恒溫曲線要求盡可能平直，靜差要小。而作為溫度控制的對(duì)象大多數(shù)都具有較大的熱慣性，溫度控制系統(tǒng)具有非線性，時(shí)滯以及不確定性。由于控制對(duì)象的純滯后興致，常使系統(tǒng)在運(yùn)行中產(chǎn)生超調(diào)乃至振蕩。單純的依靠古典控制方法或現(xiàn)代控制理論都很難達(dá)到高質(zhì)量的控制效果。特別對(duì)于高精度溫度控制，如何快速、精確的將溫度控制在給定值一直是現(xiàn)在生產(chǎn)、生活面臨的重要課題之一。溫度控制不論是從控制算法還是控制算法在硬件上面的實(shí)現(xiàn)，都是隨著社會(huì)科技的發(fā)展而不斷進(jìn)步的。特別是近年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)被廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)和控制領(lǐng)域，使傳統(tǒng)的測(cè)控手段、方法與設(shè)備發(fā)生了根本性的變化。從普遍意義上講，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和人機(jī)對(duì)話功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、控制和現(xiàn)場(chǎng)分析，使測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)性的水平顯著提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)全數(shù)字溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，并獲得了成功，有的還形成了系列產(chǎn)品。

對(duì)溫度的控制理論是自動(dòng)控制理論的一部分，近幾年P(guān)ID控制，模糊控制，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在溫度控制中的應(yīng)用都發(fā)展較快。

PID控制系統(tǒng)自出現(xiàn)以來，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)格便宜，在很多過程領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了滿意的控制。在過去長(zhǎng)期的應(yīng)用中，這種技術(shù)已經(jīng)非常成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)，其軟件系統(tǒng)靈活易修改完善的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶處理而構(gòu)成的信息處理方法。它用大量簡(jiǎn)單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射，自組織，自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模，該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在溫控系統(tǒng)中，將溫度的影響因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，隨實(shí)驗(yàn)與研究的進(jìn)行與深入，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定控制參數(shù)的目的。

模糊控制是基于模糊邏輯描述一個(gè)過程的控制算法，它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對(duì)象。在實(shí)現(xiàn)溫度控制時(shí)，將溫控對(duì)象的偏差和偏差變化率及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。然后根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法。最后對(duì)溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的。模糊控制不需要裝置的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，非常容易應(yīng)用，并且模糊控制對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化有強(qiáng)魯棒性，對(duì)控制系統(tǒng)干擾有較強(qiáng)抑制能力。

目前國(guó)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況

由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況

溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于

世紀(jì)

80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID

控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。

目前，應(yīng)用最廣泛的溫度控制系統(tǒng)依然是PID控制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中，90%以上的控制系統(tǒng)回路具有

PID

結(jié)構(gòu)。在目前的溫度控制領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛，即使在科技發(fā)達(dá)的日本，PID

在其溫度控制應(yīng)用中仍然占

80%的比例。溫度

PID

調(diào)節(jié)器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)而言，合理地設(shè)置這三個(gè)參數(shù)，可取得較好的控制效果。

本課題以現(xiàn)代火電廠發(fā)電機(jī)的蒸汽溫度控制為模型，重點(diǎn)研究基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性以及控制精度。研究蒸汽溫度控制系統(tǒng)，順應(yīng)數(shù)字化時(shí)代控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流，對(duì)于節(jié)約能源、降低成本、提高安全性和可靠性以及促進(jìn)對(duì)蒸汽溫度控制和診斷系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

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(cè)器的蒸汽溫度控制與診斷的發(fā)展情況

（2）熟悉基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制系統(tǒng)的情況，提出新的控制方案

（3）進(jìn)行基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制系統(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)的基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制技術(shù)

（2）分析相關(guān)的基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制技術(shù)

（3）基于狀態(tài)觀測(cè)器的蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(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(duì)該技術(shù)的研究成果和最新的動(dòng)態(tài)。然后通過對(duì)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(shí)。在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)與指導(dǎo)老師探討，對(duì)不了解的問題及時(shí)向老師請(qǐng)教。

四、參考文獻(xiàn)

[1]王耀南.智能控制系統(tǒng)一模糊邏輯·專家控制·神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[M].湖南：湖南大學(xué)出版社.1997

[2]翟少磊.基于狀態(tài)反饋的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,12[1]:71~74

[3]韓忠旭,呂秀紅,韓

莉.過熱蒸汽溫度狀態(tài)觀測(cè)器的魯棒性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003,23[4]:177~180

[4]韓啟銀，楊錦.自抗擾控制器在火電廠主蒸汽溫度控制中的仿真研究[J].廣東電力，2007,20[9]:20~24

[5]胡曉倩，張蓮，楊菁.過熱汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)與反饋極點(diǎn)的配置[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,17[1]:41~44

[6]王印松，李遵基，劉宇平，張志剛，蔡金柱.狀態(tài)觀測(cè)器主汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].華北電力學(xué)院院報(bào)，1994,10[2]:104~108

[7]王秋，王濤，丁寅磊，基于狀態(tài)反饋的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)月仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009,16[1]:138~141

[8]韓忠旭，張智.狀態(tài)觀測(cè)器及狀態(tài)反饋控制在亞臨界鍋爐蒸汽溫度控制系中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)學(xué)報(bào),1999,19[11]:76~80

[9]韓忠旭.鍋爐過熱器動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)分析及其狀態(tài)觀測(cè)器的魯棒性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)

[10]楊鳳艷.雙向拉伸機(jī)保溫腔溫度控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué).2006

[11]張弈英，孫萬云.火電廠過程控制[M].北京：中國(guó)電力出版社.2000.