內(nèi)模解耦控制及其在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

吳鋮炫

摘要：伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)效發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中開(kāi)始出現(xiàn)了大批容量極大的火電機(jī)組，而控制熱工系統(tǒng)的要求也隨之不斷提高。目前在生產(chǎn)火電機(jī)組當(dāng)中最常使用的控制方法便是PID控制法，但其對(duì)于控制對(duì)象具有一定的要求，如果控制對(duì)象的特性相對(duì)比較復(fù)雜，則PID控制法將很難充分發(fā)揮自身效用。因此本文將通過(guò)結(jié)合內(nèi)?？刂坪湍嫦蚪怦畹牡乃枷?，對(duì)應(yīng)用在熱工系統(tǒng)當(dāng)中的內(nèi)模解耦控制進(jìn)行簡(jiǎn)要分析研究。

關(guān)鍵詞：內(nèi)模解耦控制；熱工系統(tǒng)；逆向解耦

引言：

在現(xiàn)階段我國(guó)火電機(jī)組的熱工系統(tǒng)當(dāng)中主要包括給水和燃燒系統(tǒng)、汽溫系統(tǒng)、機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)等在內(nèi)的若干系統(tǒng)，而不同的系統(tǒng)在控制過(guò)程中也有著截然不同的控制要求，加之熱工控制對(duì)象通常具有較強(qiáng)的耦合，以及大延遲和慣性等特征，因此也在很大程度上增加了熱工系統(tǒng)的有效控制難度。為此，本文將通過(guò)立足內(nèi)模解耦控制的角度，通過(guò)對(duì)其在熱工系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探究，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員提供相應(yīng)參考。

一、逆向解耦與內(nèi)?？刂频暮?jiǎn)要概述

（一）逆向解耦

在常規(guī)的串聯(lián)解耦方法當(dāng)中，即可高度概括解耦器的設(shè)計(jì)。在這一公式當(dāng)中，G（s）和GV（s）代表著被控對(duì)象傳遞函數(shù)矩陣和解耦控制器矩陣。而Q（s）則代表著經(jīng)過(guò)解耦之后的期望矩陣[1]。而通過(guò)前饋不變性的原理則可以直接將解耦控制器劃分成直接和反饋通道，下圖展示的就是多變量系統(tǒng)在解耦之后的具體結(jié)構(gòu)：

圖1 多變量系統(tǒng)在解耦之后的結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)根據(jù)逆向解耦控制原理我們可以得知，與此同時(shí)，而在這一公式當(dāng)中實(shí)際控制量，而在完成解耦之后虛擬控制量則為，被控量為。逆向解耦最大的特點(diǎn)在于其無(wú)需對(duì)對(duì)象矩陣的逆進(jìn)行求解便可以有效實(shí)現(xiàn)解耦。

（二）內(nèi)?？刂?/p>

內(nèi)?？刂剖巧蟼€(gè)世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的一種控制方法，其立足于模型以及動(dòng)態(tài)矩陣控制算法，建立在對(duì)象模型基礎(chǔ)之上而形成的控制算法之一。其本身結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單并具有較強(qiáng)的實(shí)用性和魯棒性，能夠獲得相對(duì)較優(yōu)的控制效果。其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中實(shí)際過(guò)程對(duì)象及其數(shù)學(xué)模型分別為G（s）和Gm（s），內(nèi)?？刂破骷捌淇刂屏枯敵鰟t分別為GIMC（s）和u（s）。在控制系統(tǒng)當(dāng)中，輸入信號(hào)則是r（s）而干擾信號(hào)則為d（s）。y（s）作為系統(tǒng)過(guò)程輸出，同ym（s）即模型輸出的偏差反饋信號(hào)則用e（s）表示。

圖2 內(nèi)?？刂剖疽鈭D

二、內(nèi)模解耦控制在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）多變量系統(tǒng)內(nèi)模PID控制

如果分別用GIMC（s）和Gc（s）代表內(nèi)?？刂破饕约暗刃Х答伩刂破鳎瑒t二者之間存在的關(guān)系。在過(guò)程模型具有較高精確性和穩(wěn)定性的前提下，G（s）與Gm（s）相等，而如果GIMC（s）本身具有較高的穩(wěn)定性，則上述公式所代表的反饋控制系統(tǒng)同樣具有較高的穩(wěn)定性[2]。鑒于本文所使用的是逆向解耦的思想，因此在多變量逆向解耦方法之下，通過(guò)將多變量系統(tǒng)當(dāng)中通道之間的耦合影響一并消除干凈之后，將得到完成解耦之后的多變量系統(tǒng)。此時(shí)的多變量系統(tǒng)可以被直接視為一個(gè)單變量系統(tǒng)，但這一系統(tǒng)當(dāng)中擁有n個(gè)輸入和輸出，且彼此相對(duì)對(duì)應(yīng)。此時(shí)在整定控制器參數(shù)時(shí)只需利用單回路系統(tǒng)內(nèi)模PID即可。

（二）在機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

為有效驗(yàn)證內(nèi)模解耦控制在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，本文選擇以1000MW機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)為例，雖然前文提及PID目前已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中使用最為廣泛的反饋控制器，并提出了多變量解耦內(nèi)模PID控制方法，但由于解耦之后廣義對(duì)象階數(shù)過(guò)多，且具有極大的復(fù)雜性，因此本文將通過(guò)分解在被控對(duì)象傳遞函數(shù)矩陣對(duì)角線上的元素，使得，通過(guò)將其進(jìn)行再次分解，可以得到而后在對(duì)角解耦之下，原本系統(tǒng)當(dāng)中的部分對(duì)角元素，在解耦之后仍然得到保留，也就是說(shuō)

本文通過(guò)在逆向解耦的思想之上對(duì)這內(nèi)模控制方法進(jìn)行優(yōu)化，使得內(nèi)模逆向解耦控制方法更加具有普遍適用性，且原本在對(duì)角元素當(dāng)中的g112以及g222這兩個(gè)原本并不理想的環(huán)節(jié)也可以得到有效消除。出于控制成本的原因，本文選擇直接利用電子計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的仿真建模軟件，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建起一個(gè)虛擬的仿真環(huán)境，并在此基礎(chǔ)之上將控制對(duì)象設(shè)定為1000MW機(jī)爐，通過(guò)設(shè)置逆向解耦矩陣，同時(shí)在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的過(guò)程中通過(guò)直接使用內(nèi)模等效PID整定參數(shù)。此時(shí)在整個(gè)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)當(dāng)中，功率N以及主汽壓力P、中間點(diǎn)焓值H這三個(gè)被控制的變量以不發(fā)生超調(diào)為理想狀態(tài)[3]。并希望可以有效加快機(jī)組功率的相應(yīng)速度，以此在有效保障機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，可以大大提升其快速性能。而通常情況下，如果此時(shí)選擇增加濾波器時(shí)間常數(shù)，將會(huì)直接影響機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并使得超調(diào)出現(xiàn)大幅度衰減的情況。但如果此時(shí)選擇減小濾波器時(shí)間常數(shù)，則將會(huì)有效提升機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并使得超調(diào)出現(xiàn)大幅增加的情況。此后通過(guò)整定參數(shù)，將濾波器的參數(shù)Tf1、Tf2以及Tf3分別設(shè)定為30、25和30。此時(shí)PID控制參數(shù)kp1、kp2和kp3分別為0.016、36.285以及-0.183；而ki1、ki2以及ki3分別為0、0.33和-0.0067；kd1、kd2以及kd3分別為0.086、278.31以及-1.1939。在經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)之后，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)當(dāng)中的干戈被控制變量均能對(duì)設(shè)定值的變化情況進(jìn)行全過(guò)程的嚴(yán)密跟蹤，且具有較好的穩(wěn)定性和精確性，三個(gè)被控制變量能夠彼此相互影響相互控制。

結(jié)束語(yǔ)：

總而言之，本文通過(guò)選擇某機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)，將經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的逆向內(nèi)模解耦控制方法運(yùn)用其中，使得原本困擾變量與變量的耦合影響得到徹底消除，在內(nèi)模PID控制方法的使用之下，熱工控制系統(tǒng)可以有效調(diào)整控制器參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)熱工系統(tǒng)的有效控制。這也證明內(nèi)模解耦控制確實(shí)具有較高的有效性和應(yīng)用價(jià)值，但由于篇幅限制，本文并未對(duì)控制算法進(jìn)行詳細(xì)的仿真驗(yàn)證，因此在該方面還需要在日后的研究當(dāng)中繼續(xù)加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊亞惠.基于內(nèi)模原理的交叉解耦控制策略研究[J].科技展望，2017，27（21）：215-217.

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