【正文】 畢業(yè)設計（論文） 題　　目：鍋爐汽溫的非線性控制系統(tǒng)設計 　　　　院　　系：　 　專業(yè)年級： 學生姓名：　學號： 　 指導教師：　　　 【摘 要】電廠鍋爐主汽溫具有大延遲、大慣性、非線性等特點，傳統(tǒng)的 PID 控制很難取得滿意的控制品質，本文在線性 PID 的基礎上，引入跟蹤微分器及非線性模塊，構造出一種新型的非線性 PID 控制器，進而提出了汽溫非線性 PID 控制方案，對其進行仿真，并進行了抗干擾能力和魯棒性測試。結果表明相比于線性 PID，非線性PID 具有更好地控制品質，并且具有較強的抗干擾能力和魯棒性。關鍵詞：非線性 PID 控制器；電廠鍋爐主汽溫；使用 Matlab 仿真目錄第一章 引言 ....................................................... 1 選題的背景及意義 ........................................... 1 國內外發(fā)展水平及面臨的問題 ................................. 1 課題研究內容 ............................................... 2 第二章 非線性 PID 控制器 ........................................... 4 非線性理論 .................................................... 4 非線性控制的經典方法及局限性 .............................. 4 非線性系統(tǒng)理論的最新發(fā)展及問題 ........................... 5 跟蹤微分器（TD） .............................................. 6 跟蹤微分器的數(shù)學表達式 ................................... 7 跟蹤微分器的數(shù)學模型的搭建（simulink 下的實現(xiàn)） ........... 8 跟蹤微分器的仿真實現(xiàn)與分析 .............................. 10 非線性組合 ................................................... 13 幾種典型的非線性組合 .................................... 13 非線性組合的數(shù)學模型實現(xiàn) ................................. 14 非線性組合的 simulink 搭建及仿真實現(xiàn) ...................... 14 非線性 PID 控制器 ............................................. 15 ?、 ?對非線性函數(shù) FAL的影響及假設 ........................... 17 對非線性函數(shù) fal 的影響 ............................... 17 對跟蹤微分器的影響 ........................................ 20 第三章 電廠主汽溫控制系統(tǒng)方案 ..................................... 22 火電廠主汽溫常規(guī)控制方案 ..................................... 22 串級調節(jié)系統(tǒng) ............................................ 22 仿真實例 ................................................ 23 火電廠主汽溫非線性 PID 控制方案 ............................... 24 第四章 主汽溫非線性控制的仿真研究 ................................. 26 線性比例與非線性比例作用的比較與分析 ......................... 26 參數(shù)設置 ................................................. 26 仿真實現(xiàn)與結果分析 ...................................... 26 線性積分與非線性積分作用的比較與分析 ......................... 27 參數(shù)設置 ................................................ 27 仿真實現(xiàn)與結果分析 ...................................... 27 線性比例微分與非線性比例微分作用的比較與分析 ................. 28 參數(shù)設置 ................................................ 28 仿真實現(xiàn)與結果分析 ...................................... 29 線性 PID 與非線性 PID 作用的比較與分析 ......................... 30 參數(shù)設置 ................................................ 30 仿真實現(xiàn)與結果分析 ...................................... 30 非線性 PID 抗干擾能力測試與分析 ............................... 31 PID 抗干擾能力測試 ....................................... 31 不含 TD 非線性 PID 抗干擾能力測試 ......................... 32 含 TD 的非線性 PID 抗干擾能力測試 ......................... 33 非線性 PID 魯棒性 測試與分析 ................................... 34 第五章 結論 ...................................................... 37 結論 ......................................................... 37 展望 ......................................................... 37 致謝 .............................................................. 39 參考文獻 .......................................................... 40 第一章 引言 選題的背景及意義在輕工、化工等很多行業(yè)的過程控制中，被控對象大都帶有滯后特性，例如，熱量、物料和信號等的轉移或轉換需經過一定的時間，這便造成了許多過程存在大的滯后時間。無論控制作用如何，在滯后時間階段，控制作用對過程變量的影響是不可測的。更為重要的是，時間滯后導致了過程變量輸出不能迅速地響應控制信號，這等于在這段時間內反饋作用失效，而反饋是自動控制所必須得到的信息。過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度或高或過低都會顯著地影響電廠的安全性和經濟性。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機的高壓部分金屬損壞；過熱蒸汽溫度的過低，又會降低熱效率并影響汽輪機的安全經濟運行。所以鍋爐運行中保持過熱蒸汽溫度的穩(wěn)定性，對于減少設備損耗、確保整個熱力網安全運行具有重大的意義。然而，過熱汽溫控制對象具有時變、不確定性和非線性等復雜特性。過熱器管道較長和蒸汽容積較大，當減溫水流量發(fā)生變化時過熱器出口蒸汽溫度容易出現(xiàn)較大的遲延；負荷變化時，主蒸汽溫度對象的動態(tài)特性變化明顯。此外，主蒸汽溫度對象還具有分布參數(shù)和擾動變量多的特點，這都給常規(guī)的控制帶來一定的難度。PID 控制方案是目前應用最廣泛的控制策略之一，但若用 PID 來控制具有顯著時間滯后的過程，則控制器輸出在滯后時間內由于得不到合適的反饋信號保持增長，從而導致系統(tǒng)響應超調大甚至使系統(tǒng)失控。傳統(tǒng)的火電廠主汽溫控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)的 PID 串級控制方案。但是模型參數(shù)的不確定性以及在控制系統(tǒng)的運行中出現(xiàn)環(huán)境變化、元件老化等問題，采用常規(guī)的PID 控制就很難取得滿意的控制品質。非線性 PID 控制器是在研究分析經典 PID 控制的基礎上，利用非線性機制，汲取經典 PID 的思想精華，改進其“簡單處理”的缺陷，構造出一種新型實用控制器。它采用非線性機制以提高控制系統(tǒng)性能的目的。因此，本文提出將非線性 PID控制器應用到火電廠主汽溫控制系統(tǒng)中，仿真試驗結果表明其控制品質由于常規(guī)PID 控制。 國內外發(fā)展水平及面臨的問題控制理論的形成和發(fā)展，是從 1932 年乃奎斯特發(fā)表關于反饋放大器穩(wěn)定性的經典論文開始，到現(xiàn)在為止，已經經歷了經典控制理論階段和現(xiàn)代控制理論階段。自動控制理論隨著科學技術的發(fā)展、被控對象種類的增多和控制性能要求的提高，不斷發(fā)展和完善。經典控制理論是以反饋為基礎、以傳遞函數(shù)為系統(tǒng)數(shù)學模型，研究單輸入 單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析與設計問題，主要用于工業(yè)控制以及第二次世界大戰(zhàn)期間的軍用裝備。經典控制理論的基本分析與設計方法是根軌跡法和頻率特性。20 世紀 60 年代，隨著現(xiàn)代應用數(shù)學成果的推出和電子計算機技術的應用，為適用宇航技術的發(fā)展，形成了以狀態(tài)空間描述為基礎的現(xiàn)代控制理論，主要研究具有高性能、高精度的多變量多參數(shù)線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。