引 言
1，在火電廠控制中廣泛應用的PID控制技術存在著一些問題，如：直接以e=v-y的方式產(chǎn)生原始誤差不太合理；沒有較好的方法取e 的微分信號de/dt；誤差、誤差的微分與誤差的積分的線性組合不一定是最好的組合方式；誤差的積分∫e反饋的引入有很多副作用，自抗擾控制技術就是針對PID控制技術的這些問題而產(chǎn)生的，所以，用自抗擾控制技術替代火電廠控制中的PID控制技術將會使控制精度和品質(zhì)提高[1]。
2，雖然系統(tǒng)辨識技術有了較大的提高，但是在實際工業(yè)生產(chǎn)中，被控對象的數(shù)學模型的辨識精確度依然差強人意，這就導致了一些基于數(shù)學模型的先進控制算法在實際工程中無法使用 [2]，[3]。ADRC控制算法是基于誤差的算法，可以適用于各種控制系統(tǒng)，尤其是那些被控對象的數(shù)學模型不精確甚至是未知的控制系統(tǒng)。
一、ADRC簡介
自抗擾控制技術是適應數(shù)字控制技術時代的潮流，吸收現(xiàn)代控制理論成果并發(fā)揚豐富PID思想精髓(基于誤差來消除誤差)的新技術。因此，凡是能用常規(guī)PID的場合，只要能夠數(shù)字化，采用自抗擾控制器就會使其控制品質(zhì)和控制精度有根本的提高。特別，在惡劣環(huán)境中要求實現(xiàn)高速高精度控制的場合，自抗擾控制技術更能顯出其優(yōu)越性。自抗擾控制技術已在國內(nèi)電力系統(tǒng)、精密機械加工車床、化工過程、現(xiàn)代武器系統(tǒng)等領域得到推廣應用，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。在導彈控制預研項目中的應用顯示出傳統(tǒng)控制方法無法比擬的效果。
自抗擾控制器在控制工程不同領域中的實物實驗和現(xiàn)場應用效果表明，它將以數(shù)字控制器的形式，必定能夠取代延續(xù)了半個多世紀的經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，而進入更高層次的"自抗擾控制器時代"。 自抗擾控制技術所需的被控對象信息是象對象階次、"力"的作用范圍、輸入輸出通道個數(shù)和聯(lián)結方式，信號延遲時間，特別是代表系統(tǒng)變化快慢的"時間尺度"等很容易拿得到且物理概念清晰的特征量。至于目前的按"線性非線性"、"時變時不變"、"單變量多變量"等傳統(tǒng)的系統(tǒng)分類法在"自抗擾控制技術"中已不再適用，而是"時間尺度"才是區(qū)別不同被控對象的新的標準，即"時間尺度"相當?shù)谋豢貙ο笫强梢杂猛瑯拥淖钥箶_控制器進行控制的。"時間尺度"是描述被控對象的新的"特征量"。以這個特征量作為新的抽象被控對象的控制理論尚未展開，但自抗擾控制技術的廣泛推廣應用，必將會推進適應自抗擾控制技術的新的控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展 [4]。
圖1.1為一個典型的二階ADRC結構，它由跟蹤微分器（TD）、擴張狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）三部分組成，一個二階ADRC的結構如圖所示。其中，二階跟蹤微分器（TD）的作用是根據(jù)設定值和被控對象的承受能力，安排過渡過程和提取二階導數(shù)的跟蹤-微分器。擴張狀態(tài)觀測器（ESO）的作用是一方面把系統(tǒng)的各階狀態(tài)變量估計出來，另一方面通過被擴張的狀態(tài)變量對“未知擾動”的“實時作用量”作出估計。非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）是通過選取適當?shù)姆蔷€性函數(shù)來組合誤差信號，使得這種非線性組合比簡單的比例、積分、微分加權和組合控制信號能更好地抑制擾動。
圖 1.1 二階ADRC構
二、仿真平臺簡介
本次仿真實驗的平臺是由南京科遠控制工程有限公司開發(fā)的具有國際先進水平的秦源15MW仿真系統(tǒng)，此平臺具較高的逼近度，所有的電廠參數(shù)的動靜反應均符合過程規(guī)律，所有自動控制、連鎖保護均一比一地實現(xiàn)實際電廠控制系統(tǒng)功能。在本文所提到的仿真實驗中，此仿真系統(tǒng)的各個控制環(huán)節(jié)的被控對象的數(shù)學模型均是未知的。
圖2.1串級PID控制方框圖
圖2.2 ADRC控制方框圖
在傳統(tǒng)的火電廠控制中使用圖2.1所示的結構，將圖2.1虛線內(nèi)的串級PID控制器用ADRC控制器取代，得到圖2.2中的結構，在相同的工況下運行，分別獲取實驗數(shù)據(jù)進行比較。原有的PID控制器使用串級控制的方式，內(nèi)環(huán)PID輔調(diào)是快速過程，外環(huán)PID主調(diào)是慢速過程，整個控制器需要3個輸入量（設定值、主調(diào)反饋、輔調(diào)反饋），而替換后的ADRC控制器只用到了2個輸入量（設定值、測量值），相對原控制器，結構更加簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)更加簡便，如果投入實際生產(chǎn)，硬件的成本也會較之PID串級控制器有所降低。
三、實驗數(shù)據(jù)與曲線圖說明
每次仿真實驗的環(huán)境都是載入已經(jīng)保存在教練員站內(nèi)的某一個具體的工況，在實驗開始之后，所有環(huán)節(jié)均各自獨立地運行，除了我們指定的某個環(huán)節(jié)是ADRC控制外，其他的環(huán)節(jié)均為PID控制，各個環(huán)節(jié)相互影響，例如，給粉機由于某種原因?qū)е陆o粉量遠遠低于設定值，將會影響到燃燒環(huán)節(jié)，繼而間接影響到汽包主汽出口的溫度和壓力下降，就形成了主汽溫度控制環(huán)節(jié)中的一個外部擾動。因此，此仿真系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的接近度非常高，實際生產(chǎn)過程中可能遇到的擾動，在這個仿真系統(tǒng)中都可以隨機地或是刻意地出現(xiàn)。
圖3.1
圖3.1是一個典型工況開始之后較短時間內(nèi)的記錄，在0-25秒這個時間段，即使控制律大幅上升，測量值卻在下降，因為這是工況剛剛開始的時候，控制律的作用還沒有完全發(fā)揮；過了前25秒，控制律開始起作用，可是控制律已經(jīng)錯誤地上升了太多，導致測量值在25-180秒之間形成了一個很大的“超調(diào)”，在第200秒之后，這樣的情況才漸漸消失，我們稱這種由于工況起始時的控制律短時無效以及其帶來的后果為工況起始時的不確定狀態(tài)，在下文所提到的各個環(huán)節(jié)的仿真結果曲線圖中都可以觀察到這種現(xiàn)象。
圖3.2為本文提到的所有仿真實驗的一個典型代表，橫軸表示時間，單位是秒（下文所有的曲線圖的橫坐標均為時間，且單位都是秒），縱軸根據(jù)不同的仿真實驗代表不同的物理量，一般表示的是測量值的大小，因為有時控制律的大小和測量值的大小差別很大，例如某壓力控制環(huán)節(jié)，測量值變化范圍是-0.5~+0.5，而控制律是閥門的開度，范圍是0-100，為了能夠在一張曲線圖上清晰地展現(xiàn)出控制的效果，不得不將控制律的曲線作一定的線性壓縮。
圖3.2為一次完整的仿真實驗的記錄，共800秒，前200秒為工況起始時不確定狀態(tài)，整個過程中引入了1次設定值擾動，用來檢測控制的動態(tài)特性。
圖 3.2
四、主汽溫度控制
實際電廠的主汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)屬于調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設定值恒定（本文提到的仿真系統(tǒng)的主汽溫度設定值為490℃），本文介紹的實驗為了充分考察ADRC的控制品質(zhì)，我們分別測取了設定值為490℃和520℃時的PID控制數(shù)據(jù)和ADRC控制數(shù)據(jù)，圖4.1為設定值是490℃時的PID控制曲線，圖4.2為設定值是520℃時的PID控制曲線。比較圖4.1與圖4.2，我們可以明顯地看出，當設定值發(fā)生較大變化時，PID控制的效果也發(fā)生了較大的變化，因為此PID控制器的參數(shù)是針對設定值490℃而整定的，當設定值變成520℃時，控制品質(zhì)就變壞，這說明PID控制器的參數(shù)魯棒性較差。
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圖4.1
圖4.2
在相同的工況下，我們使用ADRC控制器分別以490℃和520℃為設定值進行試驗，我們首先以490℃為設定值整定一組ADRC參數(shù)，獲得仿真實驗結果如圖4.3 所示，然后在參數(shù)不變的情況下，改變設定值為520℃進行仿真，結果如圖4.4所示。比較兩圖，可以明顯地看出ADRC控制器的同一組參數(shù)對不同的設定值影響很小，即ADRC控制器的參數(shù)魯棒性較之PID控制器要優(yōu)秀很多。
圖4.3
圖4.4
圖4.5 單級PID
上文中我們已經(jīng)驗證了單級的ADRC就可以達到甚至超過串級PID的控制效果，反過來，我們又作了一次實驗，看看單級的PID究竟可以達到什么樣的效果，如圖4.5所示，單級PID的控制效果很差，從工況起始處開始經(jīng)過了約20分鐘才基本進入穩(wěn)態(tài)，其間經(jīng)歷了多次大幅震蕩。
五、主給水控制
主給水調(diào)節(jié)控制的被控對象是汽包的水位，我們對主給水閥門進行控制，液態(tài)水通過主給水閥門進入汽包，在汽包的上部有一個主汽出口，液態(tài)水在汽包內(nèi)被加熱形成蒸汽后從主汽出口排出，流向減溫器。此控制系統(tǒng)依然是一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制的目的是使水位維持在設定的值上。由于工況中的不確定因素，導致主汽出口的排汽量時刻都在變化，
在進行ADRC仿真實驗之前，我們首先測量了一組串級PID控制器的仿真數(shù)據(jù)，取設定值為1（火電廠實際應用中通常設定為1），仿真時間約為1200秒，結果如圖所示，從圖中我們可以明顯地看出串級PID控制器在這個控制環(huán)節(jié)的兩個特點：第一，控制精度較差。測量值始終在±50mm之間等幅振蕩，幾乎是臨界穩(wěn)定，如果有較大的擾動就會發(fā)散；第二，控制律有時會出現(xiàn)高頻振蕩，在實際應用中，即使執(zhí)行機構（電機）對輸入信號的高頻振蕩有一定的濾波能力，但是，像這樣的大幅高頻振蕩還是會影響其壽命。
圖5.1 主給水PID串級控制
對應地，我們使用ADRC控制器在相同的工況下進行仿真實驗，設定值為1mm，仿真時間約為1200秒，結果如圖5.2所示，控制品質(zhì)較之串級PID控制器大有改善。首先在控制精度方面，串級PID的控制精度約為±50mm，而ADRC控制器的控制精度為±0.5mm，幾乎提高了100倍；其次是控制律連續(xù)光滑，沒有毛刺和高頻振蕩，保證了執(zhí)行機構的壽命；最后是動態(tài)特性，相同的工況下，ADRC控制器從工況起始時的不確定狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)只用了300秒左右。
在參數(shù)和工況不變的情況下，我們又以50mm為設定值作了一次仿真實驗，結果如圖5.3所示，其控制精度、動態(tài)特性以及控制律的品質(zhì)依然優(yōu)秀，這又再次證實了ADRC控制器的參數(shù)魯棒性高，抗設定值擾動性高。
圖5.2
圖5.3
ADRC控制器的最大特點是抗擾動性能非常好，上文中的實驗結果已經(jīng)驗證了ADRC控制器的抗設定值擾動性，接下來的實驗則是針對外部擾動的，如圖所示，在工況開始400秒之后，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，在680秒左右手動調(diào)節(jié)旁路閥門，將其打開約10%，相當于給系統(tǒng)引入了一個外部擾動，由于入水量增加，測量值突然上升，控制器及時估計出這個擾動，通過補償，使控制律相應減小，抵消了這個擾動，經(jīng)過100秒左右，再次進入穩(wěn)態(tài)。在960秒的時候，手動關閉旁路閥門，相當于再次引入一個外部擾動，與上一次的擾動方向相反，同樣地，ADRC控制器及時地補償了這個擾動。
圖5.4
六、其它環(huán)節(jié)
在下文中，將會較為簡略地介紹幾個控制環(huán)節(jié)的ADRC仿真結果，作為對上文的補充說明。
6.1 爐膛引風負壓調(diào)節(jié)
圖6.1
這個環(huán)節(jié)的執(zhí)行機構是8個電機，被控對象是爐膛的壓力值，目的是使用由電機帶動的鼓風機將爐膛內(nèi)的氣體向外抽，使得爐膛內(nèi)的壓力達到某個特定的壓力，這個壓力要比大氣壓力低，因此稱為爐膛負壓力。
壓力調(diào)節(jié)的難度較大，控制精度普遍較低。通常使用串級PID控制器能達到的效果僅僅是保持爐膛內(nèi)的壓力為負值，如果壓力一旦為正值，爐膛內(nèi)的氣體將會混合著煤粉向外噴去。圖6.1是使用ADRC控制器的效果曲線，控制精度±8Pa以內(nèi)，并且能夠跟隨設定值的變化。
6.2 燃燒調(diào)節(jié)
燃燒調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)比較特殊，因為這個控制環(huán)節(jié)的設定值是個隨時改變的值，取決于多個物理量的變化；同時，這個環(huán)節(jié)又是整個火電廠控制中最重要的一個環(huán)節(jié)，它的控制精度在很大程度上決定了火電廠的經(jīng)濟效益：如果溫度太低，就不能夠產(chǎn)生足夠的、達到溫度要求的蒸汽，如果溫度太高，就會浪費大量的燃料，長期下來將會是一筆非常大的開銷。
圖6.2
6.3 軸封調(diào)節(jié)
軸封系統(tǒng)的主要功能是向汽輪機、給水泵小汽輪機的軸封和主汽閥、調(diào)節(jié)閥的閥桿汽封供送密封蒸汽，使軸的兩端壓力保持平衡，防止沿軸的泄漏。
6.4 氧量調(diào)節(jié)
爐內(nèi)燃燒是鍋爐機組安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的重要基礎，鍋爐氧量在鍋爐運行中非常重要，而且是對爐內(nèi)過程影響非常復雜的參數(shù)。氧量調(diào)節(jié)的目的是使實測氧量盡量與設定的最佳氧量一致，以保證運行安全和經(jīng)濟效益。
圖6.3 軸封調(diào)節(jié)
圖6.4 氧量調(diào)節(jié)
圖6.5 給泵液偶調(diào)節(jié)
6.5 給泵液偶調(diào)節(jié)
液力偶合器的泵輪將原動機的機械能轉(zhuǎn)變成油的動能和勢能，而渦輪則將油的動能和勢能又轉(zhuǎn)變成輸出軸的機械能，從而實現(xiàn)能量的柔性傳遞。只要改變轉(zhuǎn)動外殼腔內(nèi)導流管的位置，就能改變偶合器中的充油度，也就可以在原動機轉(zhuǎn)速不變的條件下實現(xiàn)工作機的無級調(diào)速。
七、結論
本文在火電廠仿真試驗平臺上對ADRC進行了仿真研究，大量的仿真數(shù)據(jù)表明ADRC非常適用于火電廠控制，對實際的工業(yè)生產(chǎn)有很好的借鑒作用。
經(jīng)過大量的實驗，我們發(fā)現(xiàn)，如果要整定出一組較為合適的PID控制器的參數(shù)是比較困難的，尤其是本文中提到的串級PID控制，這需要控制器的操作者（設計者）具有豐富的經(jīng)驗，以及對控制器和被控對象較深入地了解，達到這兩個條件，才可以大概地估算出PID控制器參數(shù)的范圍，然后通過大量的試探，漸漸逼近最佳值。而ADRC控制器的參數(shù)整定相比之下就容易得多，只需要操作者（設計者）在數(shù)量級尺度上試探出參數(shù)b0的取值，其他的參數(shù)就很容易被試探出。整定好的參數(shù)除b0外，均可以在相當大的范圍內(nèi)變化，且對控制品質(zhì)沒有較大影響。
文章來源：《東方自動化》發(fā)表時間:2010-4-16
