辽宁石油化工大学继续教育学院论文
定值时，调节单元1发出调节动作的信号，推动执行器和调节机构动作，以使被调量y恢复至等于给定值。在这个系统中，由于两个调节器的串联作用来使被调量y恢复到等于给定值，故称为串级调节系统。
u1u2y调节对象2r?iy?调节单元2ra?ia调节单元1执行器调节对象1ya?测量单元1调节对象测量单元2图 3-1 串级调节系统的结构框图
在串级调节系统中有两个闭合回路：由调节单元1、执行器、调节对象1和测量单元1组成的闭合回路称为内回路或副回路，其中调节单元1称为副调节器；调节对象是整个调节对象的一部分，称为调节对象的导前区。另一个闭合回路由调节单元2、内回路、调节对象2和测量单元2组成，称为外回路或主回路。其中调节单元2称为主调节器；调节对象2为整个调节对象的另一部分，常称为调节对象的惰性区。
从图3-1中可以看出，如果扰动发生在内回路中(如图中的u1)，则辅助被调量ya比被调量y变化得早，在被调量y尚未发生变化时内回路就由于ya的变化而起调节作用。这样显然可以较及时地消除扰动的影响，而使被调量y的变化较小。如果扰动发生在内回路之外（如图中的u2），那么只有当被调量y开始变化后调节系统才动作，这时串级调节系统的调节效果就不如前一种情况下那样显著。但是，即使在这种情况下，串级调节系统的调节效果还是可以比单回路反馈系统有所改善。 3.1.2 仿真实例
火电厂主汽温对象具有大延迟、大惯性和时变等特性，在调节的过程中可能出现较大偏差以及不稳定性。过热器管道较长和蒸汽容积较大，当减温水流量发生变化时过热器出口蒸汽温度容易出现较大延迟；负荷变化时，主蒸汽温度对象的动态特性变化明显。另外，主蒸汽温度对象还具有分布参数和扰动变量多的特点。
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v0e1控制器ue2控制器w2w1w??w2(s)?2w1(s)?1
图3-2 主汽温控制系统结构图
针对某火电厂主汽温控制系统进行仿真研究，其结构如图3-2所示。其中w1减温水流量干扰；?1、?2分别为主汽温、导前区气温；w2(s)为该主汽温对象导前
区传递函数（时间常数的单位：s）：
1.58ws)? (3.1) 2((14s?1)2w1(s)为主调节区传递函数（时间常数单位：s）为：
2.45w(s)? (3.2) 1(15.8s?1)4目前，多数电厂采用图3.2形式的串级控制方案，在主汽温串级控制系统中，内回路的任务是尽快消除减温水的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，对主汽温的稳定起粗调作用；外回路的任务是保持主汽温等于给定值。
3.2火电厂主汽温非线性PID控制方案 3.2.1非线性PID串级控制系统结构
结合火电厂主汽温对象具有大延迟、大惯性和时变等特性，提出了主汽温控制系统非线性PID串级控制方案，由图3-3所示，内回路采用P控制器；外回路采用非线性PID控制器。
w1v0e1非线性PIDu?e2?控制器Pw2ww2(s)?2w1(s)?1图 3-3 非线性PID串级控制系统结构图
非线性PID控制器结构如图3-4所示：非线性控制器由两个跟踪微分器(TD)和
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一个非线性组合组成。其中,一个TD对系统的参考输入v(t)安排理想的过渡过程并提取参考输入信号的微分信号(v1为v(t)的理想过渡过程，即跟踪输入信号；v2为
v(t)的微分信号)；另一个TD跟踪微分器尽可能地复原系统输出y(t)及其微分信号；
再根据v(t)和y(t)产生的跟踪信号和微分信号分别产生比例偏差信号和微分偏差信号，比例偏差信号经积分构造器产生积分偏差信号。运用非线性组合根据这三个偏差信号构成非线性PID控制器的输出控制量。
v(t)v22阶TDv1?e2e1e0非线性组合u(t)被控对象y(t)y2y1TD2阶
图 3-4 非线性PID控制器结构图
3.2.2仿真实现与结果分析
主汽温控制系统的基本结构采用串级控制系统,其中主回路采用采用模糊控制器,副回路采用PID控制器。模糊PID串级控制系统仿真框图如图3-5所示。在仿真界面里将设计好的智能模糊控制器加入到整个控制回路中,其中各参数整定好,即可实现控制回路的仿真。
图3-5模糊PID串级控制系统仿真框图
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为了验证所设计的FC对主汽温对象控制效果,本文采用了600MW直流锅炉过热汽温对象在100%和50%两种负荷下的动态特性来仿真,模糊控制系统和传统的串级PID控制系统的性能相比,来分析此种控制系统在理论和工程上的可行性。 100%负荷下过热器控制系统对象的数学模型为:导前区:0.815/(1+18S)2;滞后区:1.276/(1+18.4S)2。
对控制系统施加阶跃信号,Matlab的仿真输出如下图3-6所示。50%负荷下过热器控制系统对象的数学模型为:导前区:3.067/(1+25S)2;滞后区:1.119/(1+42.1S)2。
对控制系统施加阶跃信号,Matlab的仿真输出如图3-7所示。
从图3-6和图3-7中可以看出,模糊控制与串级PID控制相比,过渡时间短,较快进入稳定,无超调，动态调节品质好。
图3-6 100%负荷Matlab仿真图形
图3-7 50%负荷Matlab仿真图形
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4主汽温非线性控制的仿真研究
以下采用分块隔离，逐个试验分析的方法，进行了几个方面研究： （1）线性比例与非线性比例作用效果。 （2）线性积分与非线性积分作用效果。 （3）线性比例微分与非线性比例微分作用效果。 （4）线性PID与非线性PID作用效果。 （5）非线性PID抗干扰能力测试与分析。 （6）非线性PID鲁棒性测试与分析。
4.1 线性比例与非线性比例作用的比较与分析
4.1.1参数设置
非线性
PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=22.76；外回路P
控制器主要可调参数：?=0.5，?=0.012，Kp=0.16.
线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=15.64；外回路P控制器主要可调参数：Kp=0.62. 4.1.2 仿真实现与结果分析
图4-1 比例作用下仿真模型的搭建
仿真试验系统如图4-1所示，仿真试验结果如图4-2所示：
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