一种新型高性能控制器的研究与应用

一种新型高性能控制器

是指：采用一种新型超前观测器、一种内反馈控制器、一种正弦跟踪滤波器构造出的新型控制器。实际应用结果显示，新型高性能控制器能够对过程在较宽的范围内的时变性、非线性等不确定性问题进行较好的抑制。

在控制实际中，存在大量的不确定性问题，如过程的时变性、非线性等问题。目前来看，抑制不确定性问题的最有效方法仍然是包括PID 在内的反馈控制或者反馈校正，这说明在提高反馈控制性能的方面还有很大的发展空间。

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首先，针对在控制实际中存在的纯滞后问题，提出了一种理想超前观测器(Ideal advanced observation, IAO)的概念，遗憾的是IAO是一种非因果系统，在实时系统中不成立。控制科学的本质是实验科学，通过大量的实验计算，找到了一种在频域特性上近似IAO的方法，即一种新型超前观测器(New advanced observer, NAO)。IAO和NAO表达为

其中, WIAO(s) 、TAO为IAO的传递函数、超前观测时间常数。WNAO(s)、ωAO为NAO的传递函数、超前观测频率带宽。

IAO和NAO的频率特性的计算结果，如图1所示。

图1 新型超前观测器的频率特性示意图

在图1中，G_IAO(ω)、G_NAO(ω)代表IAO、NAO的增益频率特性，采用对数dB单位。PH_IAO(ω)、PH_NAO(ω)代表IAO、NAO的相位频率特性。在ω_AO以内，NAO与IAO相比的相位误差(Phase error)小于0.5 °，增益误差小于3dB。NAO的高频增益趋于0，具有较好的噪声干扰滤波特性。

ω_AO与T_AO的反比关系是NAO的基本特性，在系统频率带宽(System frequency bandwidth, SFB)以内，NAO能够提供在时间超前上相对准确的观测。

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然后,将NAO、一种内反馈控制器(Internal feedback controller, IFC)、一种正弦跟踪滤波器(Sinusoid tracking filter, STF)相结合，构造出一种新型高性能控制器(New higher performance controller)，如图2所示。

图2 新型高性能控制器示意图

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接着，进行了大量的仿真实验。在仿真实验中，保持控制器参数不变，但是改变过程对象参数，主要目的是考察NHPC抑制过程不确定性的性能，并且将NHPC与PID进行对比。初始的参数调整使被控过程输出单调不超调，然后改变过程对象参数。其中的2个仿真实验对比结果，如图3和图4所示。

图3 仿真实验对比结果1

图4 仿真实验对比结果2

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最后，将NHPC运用于某火电厂的1000MW燃煤机组的锅炉主控系统的优化，主要目的是改善锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态特性。所述锅炉主控系统的主要存在锅炉主控输出的波动较大，锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态偏差较大，通常达到1.17 MPa。

采用NHPC优化后，其中在机组800 MWà600 MW的降负荷过程，得到主汽压力的控制特性，如图5所示。在采用NHPC优化后，锅炉主控输出变化相对平稳，锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态偏差一般不超过0.51 MPa。采用NHPC优化收到了明显的效果。

图5 优化后锅炉主控系统控制特性示意图