1、研究生课程（论文类）试卷2 0 13 / 2 0 14 学年第 1 学期课程名称： 发电设备中的控制技术 课程代码： 12000469 论文题目：模型参考自适应控制 学生姓名： 朱文明 专业学号： 137690567 学院： 光电信息与计算机工程学院 课程（论文）成绩：（ ）课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期：2014 年 1 月 13 日0课程（论文）题目：模型参考自适应控制1 引言长期的实践使人们认识到，火力发电厂热力系统中，水汽质量的好坏是影响热力设备（锅炉，汽轮机）安全，经济运行的重要因素之一。没有经过净化处理的天然水含有很多的杂质，这种水是不允许进入水汽循环系统的。为
2、了保证热力系统中的水汽质量，必须对天然水进行适当的净化处理和严格的监督水、汽系统中的水汽质量。水处理可以防止热力设备的腐蚀、结垢和集盐。PID 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点被广泛应用于工业控制系统，但现代工业控制系统越来越复杂，被控对象往往表现出时滞、非线性、时变性，控制要求越来越高，传统的 PID 控制器难以满足现代工业控制的需求。同样，对于蒸汽温度控制，传统的 PID 控制已经不适应了。在这种情况下，对应于控制对象的特性变化的调节控制参量的模型参考自适应控制系统与传统的 PID 控制系统相比，有很多的优点。本文详细论述了模型参考自适应的基本原理，以及模型参考自适应
3、与PID 的有机结合，最后通过 Matlab 仿真实例进行说明。2 EDI 水处理技术火力发电厂水处理工作，就是为了保证热力系统各个部分有良好的水汽品质，以防止热力设备的腐蚀、结垢、积盐。因此，在火力发电厂中，水处理工作对保证发电厂安全经济运行具有十分重要的意义。如果进入锅炉或其它热交换器中的水，含有杂质（特别是高价金属离子） ，经过一段时间运行后，在和水接触的受热面上，会生成一些固体附着物，这种现象称为结垢，这些固体附着物称为水垢。结垢对锅炉（或热交换器）的安全、经济运行有很大危害。这是因为水垢的导热性能比金属差几百倍，而这些水垢有极易在热负荷很高的锅炉炉管中生成。这时，会使结垢部位的金属管
4、壁温度过高，引起金属强度下降，这样在管内压力的作用下，就会发生管道局部变形、产生鼓包，甚至引起爆管等严重事故。结垢不紧影响设备的安全经济运行，而且还会大大影响设备的安全经济运行。列如，火力发电厂锅炉的受热面上结有 1mm 厚的水垢时，其燃料用量就比原来多消耗1.52.0，由于发电厂锅炉的容量一般都很大，每年使用的燃料量也很大，所以燃料的消耗率虽只有微小的增加，却会给国家造成巨额的经济损失。另外，在汽轮机凝1汽器内结垢会导致凝汽器真空度降低，从而使汽轮机的热效率和出力下降。加热器结垢会使水的加热温度达不到设计值，使整个热力系统的经济性降低。发电厂热力设备的金属经常和水接触，若水质不良，则会引起金
5、属的腐蚀。火力发电厂的给水管道、各种加热器、锅炉的省煤器、水冷壁、过热器和汽轮机凝汽器等，都会因水质不良而引起腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限，造成经济损失，同时，还由于金属的腐蚀产物转入水中，使给水中杂质增多，从而又加剧在高热负荷受热面上的结垢过程，而结成的垢转而又会促进锅炉炉管的腐蚀。水质不良会使锅炉不能产生高纯度的蒸汽，随蒸汽带出的杂质就会沉积在蒸汽通过的各个部位，如过热器，汽轮机，这种现象叫积盐。过热器内积盐会引起金属管壁过热、变形、鼓包甚至爆管，汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出力和效率，特别是高温，高压大容量机组，它的高压部分蒸汽流通的截面积很小，所以少量的积盐，也会增加蒸汽流
6、通的阻力，使汽轮机出力下降。当汽轮机内积盐严重时，还会使推力轴承负荷增大，隔板弯曲，造成事故停机。RO 反渗透设备采用当代最先进、节能有效的膜分离技术，反渗透设备其原理是在高于溶液渗透压的作用下，使其他物质不能透过半透膜而将其它物质和水分离开来。反渗透膜的膜孔径非常小，因此反渗透设备能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等，反渗透设备可以生产纯水、高纯水，以满足不同行业、不同需求的用户。当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的
7、压力达到某一数值时，水通过膜的净流量等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，上述现象就是水的反渗透(RO)处理的基本原理。EDI 膜堆是由夹在两个电极之间一定对数的单元组成。在每个单元内有两类不同的室：待除盐的淡水室和收集所除去杂质离子的浓水室。淡水室中用混匀的阳、阴离子交换树脂填满，这些树脂位於两个膜之间：只允许阳离子透过的阳离子交换膜及只允许阴离子透过的阴离子交换膜。树脂床利用加在室两端的直流电进行连续地再生，电压使进水中的水分子分解成 H+及 OH-，水中的这些离子受相应电极的吸引，穿过阳、阴离子交换树脂向所对应
8、膜的方向迁移，当这些离子透过交换膜进入浓室后， H +和 OH-结合成水。这种 H+和 OH-的产生及迁移正是树脂得以实现连续再生的机理。 当进水中的 Na+及 CI-等杂质离子吸咐到相应的离子交换树脂上时，这些杂质离子就会发生象普通混床内一样的离子交换反应，并相应地置换出 H+及 OH-。一旦在离子交换树脂内的杂质离子也加入到 2H+及 OH-向交换膜方向的迁移，这些离子将连续地穿过树脂直至透过交换膜而进入浓水室。这些杂质离子由於相邻隔室交换膜的阻挡作用而不能向对应电极的方向进一步地迁移，因此杂质离子得以集中到浓水室中，然后可将这种含有杂质离子的浓水排出膜堆。EDI（electrodeion
9、ization）技术是一种新的纯水和超纯水制备技术。该技术将电渗析技术和离子交换技术相融合，通过阴、阳离子交换膜对阴、阳离子的选择性透过作用与离子交换树脂对离子的交换作用，在直流电场的作用下实现离子的定向迁移，从而完成水的深度除盐，水质可达 15M.cm 以上。在进行除盐的同时，水电离解产生的氢离子和氢氧根离子对离子交换树脂进行再生，因此不需酸碱化学再生而能连续制取超纯水。它具有技术先进、操作简便和优异的环保特性，是纯水制备技术的绿色革命。1、出水水质具有最佳的稳定度。2、能连续生产出符合用户要求的超纯水。3、模块化生产，并可实现 PLC 全自动控制。4、不需酸碱再生，无污水排放。5、不会因再
10、生而停机。EDI 是传统离子交换混床工艺的最佳取代技术。EDI 的出现是水处理技术的一次革命性的进步，标志着水处理工业全面跨入绿色产业的行列。它把传统的电渗析技术和离子交换技术有机地结合起来，连续制取高品质纯水，但无需使用酸碱，彻底摆脱了酸碱消耗、化学废液污染等的问题，从而真正实现了清洁生产。3 简单模型参考自适应介绍所谓自适应控制是对于系统无法预知的变化，能自动地不断使系统保持所希望的状态。因此，一个自适应控制系统，应能在其运行过程中，通过不断地测取系统的输入、状态、输出或性能参数，逐渐地了解和掌握对象，然后根据所获得的过程信息，按一定的设计方法，作出控制决策去修正控制器的结构，参数或控制作
11、用，以便在某种意义下，使控制效果达到最优或近似更优。目前比较成熟的自适应控制可分为两大类：模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control）和自校正控制（Self-Turning） 。自适应控制系统应该包括下列三个基本功能：第一，辩识被控对象的结构和参数或性能指标的变化，以便精确地建立被控对象的数学模型，或当前的实际性能指标。第二，综合出一种控制策略或控制律，以便确保被控系统达到期望的性能指标。第三，自动地修正控制器的参数，以保证所综合出的控制策略在被控对象上得到实现。模型参考自适应控制系统对控制系统的要求，并不象具有被控对象在线辨识的自适应控制系统那样以一
12、个指标函数来表示，而是通过一个模型的输出（状态）来表达，即这个模型的输出就是控制系统理想的响应（状态） ，因此这个模型称做参考模型。控制系统在运行中，总是力求使被控过程的动态特性与参考模型的动态特性一致。3263014s2180s图 1 模型参考自适应框图模型参考自适应控制基本思想是在控制器 控制对象组成的闭合回路外，再建立一个参考模型和自适应机构组成的附加调节回路。设计特点是参考模型完成系统的性能指标要求，即对系统性能指标要求完全通过参考模型来表述，参考模型的输出就是系统的理想输出。当运行过程中对象的参数或特性变化时，误差进入自适应机构，经过由自适应规律决定的运算，产生适当的调整作用，改变控
13、制器的参数，使被控过程的动态特性（输出）与参考模型一致。当误差为零时，自适应调整过程停止，控制器参数就整定完毕。 以下这个简单的模型参考自适应，就是 为理想模型，实际模型为进行调节的一个模型参考自适应过程。他的 Matlab 模型及其输出曲线如下图： 对我的等我44 模型参考自适应在锅炉主蒸汽温度控制中的应用传统 PID 在锅炉主蒸汽温度控制中存在以下不足。第一，连接控制量和操作量的多个控制环会通过锅炉的过程产生相互干扰。第二，锅炉过程中的动态特性随着负荷的大小变化而变化。第三，不易利用燃料的种类、燃烧器点火的位置来调节锅炉的动态特性。在这种状况之下，对应于控制对象的特性变化的调节控制参量的模
14、型参考自适应控制系统与传统的 PID 控制系统相比，有很多的优点。以下要介绍的系统对于锅炉的常规稳定运行时的负荷变化，以接受在蒸汽温度设定值的容许范围内的偏差为目标，处理所谓的调节器问题，但也设想对蒸汽压力变化时的蒸汽温度进行控制，采用了直接型即模型参考自适应控制方式。主蒸汽过热器由于时间常数相当长，从过热器的出口温度决定在过热器中预测热交换量的过热器入口的蒸汽温度，通过在过热器入口的蒸汽里混合给水从而控制过热器入口的蒸汽温度，最终实现了控制过热器出口的蒸汽温度为规定值的串级控制方式。在高压缸中做完功的蒸汽被送入再热器，再次进行加热作为再热蒸汽被送入中压缸中。再热蒸汽的控制是通过调节燃烧气体的
15、再循环量而实现控制的。此过程存在以下三个问题。第一，再循环燃烧气体是在主过热器与再热过热器两者当中进行热量交换的，所以如果为了控制再热蒸汽的温度而调节燃烧气体的再循环量，这样就会影响住蒸汽的温度，发生干涉现象。第二，主过热器入口的蒸汽温度如果改变了的话，在主过热器里的由燃烧气体到蒸汽的热交换率就会改变，燃烧气体的5温度就会改变，从而引起对再热蒸汽的干涉。第三，由通过过热器中的蒸汽量的变化与被称为蓄热的现象可知，从燃烧气体向蒸汽的热交换的特性会发生变化。蒸汽温度控制系统是由主热蒸汽与再热蒸汽构成的，但因为 MRACS 的构思方法对于两者都是相同的，现在就对主蒸汽系统中的应用进行说明。MRACS
16、与传统的控制系统并列构成，并用补偿传统的控制输出形式建立工作的PID，MRACS 混合系统。混合系统拥有以下几个优点。第一，利用 PID 提高设备的线性特征从而使控制设计简单。第二，能够避免当 MRACS 出现异常时产生的风险。第三，在 MRACS 单独工作时控制的初始条件设定困难。MRACS 是作为把设计者对设备的控制期望作为参考模型应运而生的。自适应控制器的输出的信号为了使该参考模型的输出中设备输出成为一体来决定。换言之，为了使参考模型的输出成为结合了自适应控制器与设备的控制系统的动态特性一致而合成自适应控制器的输出值。因此，这种控制方式是根据只能使用自适应控制器内可以测得的可变参量的参量
17、调整机构在线自动调节的。5 模型参考自适应控制在 Matlab 中的具体实现Matlab 语言是目前国际上流行的一种仿真工具语言，它拥有强大的矩阵分析和运算功能。建模仿真可视化功能 SIMULINK 作为 MATLAB 五大通用功能之一，是基于MATLAB 语言环境下实现动态系统建模、仿真的一个集成环境，有着模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。同时需要注意的是，利用计算机对系统进行仿真、分析、研究的关键在于仿真模型的构建。模型的准确与否将直接影响仿真结果的可靠性。这个控制用到的是 Simulink 的功能。首先在熟悉锅炉主蒸汽温度的理想模型和实际
18、模型的前提下，计算出理想模型和实际模型的传递函数。这个是第一步的。如果在这两者之间不存在反馈，那么在同一个输入的前提下，输出是有差异的。是相近但不重合的。这个就是我们调节的目的。我们的目的是让实际输出无限接近于理想模型。我们将同一时间实际模型与理想模型的差值作为参考量。直到这个参考量为零时，即调节完美的完成。当差值为一的时候，实际模型与理想模型也就相等了，因此模型参考自适应系统也称之为可逆系统（输入和输出间的传递函数为 1 的系统）。通过计算6得到 20134sS为锅炉主蒸汽温度的理想模型。 2158340sS为锅炉主蒸汽温度的实际模型。很明显，两者是不相等的。然后我们两理想模型和实际模型的差
19、值，理想模型的输入值以及实际模型的输入值三者作为反馈量对两者进行调节。使得理想模型与实际模型无限接近。在反馈量进行调节时就与常规的 PID 控制调节无异了。首先检查系统接线，确定系统为负反馈系统。在输出不振荡的时候，增大比例增益，减小积分时间常数，增大微分时间常数。一般步骤为 a.确定比例增益 P 确定比例增益 P 时，首先去掉 PID 的积分项和微分项，一般是令 Ti=0、Td=0，使 PID 为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的 60%70%，由 0 逐渐加大比例增益 P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益 P 逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定 PID
20、 的比例增益 P 为当前值的 60%70%。比例增益 P 调试完成。b.确定积分时间常数 Ti 比例增益 P 确定后，设定一个较大的积分时间常数 Ti 的初值，然后逐渐减小 Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大 Ti，直至系统振荡消失。记录此时的 Ti，设定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150%180%。积分时间常数 Ti 调试完成。c.确定积分时间常数 Td 积分时间常数 Td 一般不用设定，为 0 即可。若要设定，与确定 P 和 Ti 的方法相同，取不振荡时的 30%。d.系统空载、带载联调，再对 PID 参数进行微调，直至满足要求。就这样按照以上步骤对模型参考自适
21、应系统行进调节，最后调出了我认为超调量比较小的控制系统。Matlab 模型及其输出图形如下图：7在初期接触 Matlab 的时候还不懂的导入实际的数据。先用简单的阶跃信号，标准正弦信号对控制系统进行模拟调试。调试结果表明，此模型参考自适应对缓慢的变化自适应程度很高，对与突变或者说波动较大的曲线的适应程度会稍微低一些。在突变处或者说波动较大的地方，模型参考自适应会产生一些较大的偏离，并且偏离的斜率较大，这个在实际的生产实践中是不被允许的。这将造成产品质量的下降。在发电过程中就8是直接影响到电能的质量，这种突然的变化对汽轮机也会带来不小的冲击，加剧汽轮机的损坏，尤其是对其中叶片的损坏。另外这种突然的变化也会影响电网的稳定性，对电网产生扰动。总之，这种突变是不科学的。但是总结锅炉主蒸汽的温度发现，锅炉主蒸汽温度为满足符合的不同而改变，他的变化永远是缓慢的上升，缓慢的下降，并在一个定值的附近波动。这也就说输入量是不存在突然变化的，那么此模型参考自适应控制也就不会造成大的偏离。相反是自适应程度较高的控制。在稳定的情况下，这种控制还是有效可行的。最后加入负荷输入的模型及其输出特性如下图：
