开题报告-基于状态观测器的蒸汽温度控制与诊断系统的设计（诊断部分）_开题报告

开题报告 电气工程及自动化 基于状态观测器的蒸汽温度控制与诊断系统的设计（诊断部分） 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 锅炉是发电厂中实现能源转换的关键设备，同时也是能源消耗的主要设备。对锅炉生产过程进行有效的控制，不仅能够提高产品的质量，改善操作人员的工作环境和条件，而且可以提高锅炉的燃烧效率，达到节约能源的目的。为此，锅炉节能控制一直被列为我国控制领域一个重要的推广应用项目。锅炉系统是由制粉、给水、蒸汽过热、燃烧等多个子系统构成的母系统，而蒸汽过热系统则是锅主蒸汽温度控制直接影响到火电厂的热效率和设备的安全运行，因此，主蒸汽温度控制系统是全厂的重要控制系统之一。

目前，蒸汽温度控制方法繁多，大致可以分为以下方法：
1．串级控制方法：串级控制系统采用两个检测变送器和两个调节器，他把前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；
后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个串级控制系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；
主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在工业上常常用来克服被控过程较大的容量滞后，在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，尤其当被控对象是温度时，控制要求较高，利用串级控制系统的二次回路可以改善过程动态特性，来解决单回路控制系统不能满足生产工艺的要求的问题。

2．PID控制方法：在工业生产中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制器诞生到现在已经将近有70年的历史了，因为他的结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，它的应用很广泛，因此它成为了工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不是完全被我们掌握，或者我们在设计时找不到精确的数学模型的时候，或者控制理论的其他技术难以采用的时候，系统控制器的结构和参数必须要依照经验和现场调试来确定，也就是说当我们不完全了解一个系统和被控对象，或者不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用PID控制技术。

3.人工智能控制与自适应系统：自适应控制系统，能在系统和环境的信息不完备的情况下改变自身特性来保持工作效果的控制系统，信息不完善表现在系统和环境的特性或其变化规律的不确定性。自适应系统中采用有目的性的搜索方法，通过对环境的观察和对已有条件的分析，在采集和加工信息的基础上学习和改进以减小不确定性，从而模仿人的设计过程，自动地调整系统的结构和参数，来达到改善控制效果的目的。适应性是生物机体的基本特性之一，无论生物个体还是整个物种，都是依靠适应性才能在长期进化的过程中形成相对较完善的控制功能。我认为自适应控制系统和人工智能控制有一定的相似点，所以放在一起讨论，人工智能控制是一种新生的控制方法，它是通过专家系统积累的知识在环境和信息不完备的情况下能相对只能的控制被控对象，它和自适应系统一样都需要通过计算机来实现控制，它通过计算机来控制一些工业生产把人从一些相对较危险或工作条件较差的工作环境中解脱出来。

目前，大型机组的主蒸汽温度控制主要采用串级控制这种方案。所要控制的主蒸汽温度就是过热器的出口汽温。现今，广泛采用的控制方式是应用喷水来控制这个出口汽温。对于喷水减温这种控制方式，喷水量扰动就是基本扰动了。在基本扰动下主蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用。所以根据串级控制系统的设计原则：副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；
副回路应具备超前控制作用。因此，构造的串级控制系统以减温器出口汽温为副参数，以过热器出口的主蒸汽温度为主参数。锅炉炉系统安全正常运行，确保蒸汽品质的重要部分，控制锅炉蒸汽温度的意义：蒸汽温度过高将危及锅炉过热器和汽轮机的安全,蒸汽温度过低会降低发电厂循环效率，并使汽轮机排汽湿度增大，影响安全运行。因此，蒸汽温度必须严加控制，电站锅炉的过热汽温的允许波动范围为额定汽温的正负5度内。在温度控制方面锅炉过热器和再热器出口蒸汽温度是单元机组运行中必须保证在一定范围的重要参数。随着机组容量的增大，过热器和再热器管道也随之加长，这就使得其热惯性和调节滞后都大大增加，从而造成汽温控制系统投自动困难，或被调参数的动、静态品质指标差。为此人们作了许多有益的尝试，如采用自适应控制可将一台亚临界汽包炉的主蒸汽温度偏差控制在 4 ℃ 左右；
如提出了一种离散时滞系统自适应预估控制算法，并应用于一台 650t/h 直流炉再热汽温的控制，在变工况运行过程中将再热汽温控制在± 5 ℃ 的偏差之内。

但是现实是采用自适应控制技术需要对被控对象的动态特性进行辨识，目前通用的计算机分散控制系统（ DCS ）中还没有提供一套对被控对象进行实时动态地系统辨识的软件工具，其次在应用领域真正能够掌握和运用自适应控制技术的人才也很缺乏。

鉴于此，人们研究了另外一种控制方案，该方案将现代控制论中状态反馈和状态观测器理论与传统的 PID 控制相结合，既克服了 PID 对大滞后对象控制效果不理想的缺点，同时又具有在目前的 DCS 系统中易于实现的优点。虽然在设计状态观测器时同样需要掌握被控对象的有关知识，但它并不一定要求确切地知道对象模型的定量的数据，对系统辨识这一难点问题作了一定程度的简化处理。

本课题是基于状态观测器的蒸汽温度控制和检测系统的设计，因此将采用上述的将现代控制理论中的状态反馈和状态观测器理论和传统PID控制系统相结合的方法进行设计。它能具有克服PID控制系统对大滞后被控对象控制效果差的缺点也能具有在目前DCS系统中易于实现的优点。并且它不需要确切的知道对象模型的定量和数据，能降低建模的时候遇到的困难。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
（1）查找相关资料，熟悉现有的基于状态观测器的蒸汽温度检测与控制系统的发展情况。

（2）熟悉锅炉蒸汽温度控制系统的情况，提出新的控制方案。

（3）进行基于状态观测器的蒸汽温度控制与诊断系统的设计。

（4）总结得出结论。

三、研究步骤、方法及措施：
步骤及方法：
(1)了解传统的锅炉蒸汽温度控制技术。

(2)分析相关的蒸汽温度控制的技术。

(3)基于状态观测器的蒸汽控制和诊断系统设计。

(4)分析控制效果。

(5)总结得出结论。

措施：图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。

四、参考文献 [1] 吴忠强，刘志新，魏立新等.控制系统仿真及MATLAB语言[M]. 北京：电子工业出版社，2009. [2] 罗万金.电厂热工程自动调节[M].北京：中国电力出版社，1991. [3] 刘豹.现代控制理论[M].北京：机械工业出版社，2000. [4] 张武，王玲芳，孙鹏.译，基于MATLAB的线性控制系统分析与设计[M]。北京：机械工业出版社，2008. [5] 丁俊宏.基于状态观测器的主汽温控制与诊断系统的研究[D].华北电力大学硕士论文，2003 [6] 翟少磊.基于状态反馈的主蒸汽温度控制系统的设计[D].华北电力大学硕士论文，2007. [7] 张德丰.MATLAB控制系统设计与仿真[M].电子工业出版社,2009. [8] 金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，2000. [9] 薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学版社，2002. [10] 张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2005. [11] 胡昌华等.控制系统故障诊断与容错技术的分析和设计[M].北京：国防工业出版社，2001.