引 言 
   
    1，在火电厂控制中广泛应用的PID控制技术存在着一些问题，如：直接以e=v-y的方式产生原始误差不太合理；没有较好的方法取e 的微分信号de/dt；误差、误差的微分与误差的积分的线性组合不一定是最好的组合方式；误差的积分∫e反馈的引入有很多副作用，自抗扰控制技术就是针对PID控制技术的这些问题而产生的，所以，用自抗扰控制技术替代火电厂控制中的PID控制技术将会使控制精度和品质提高[1]。
   
    2，虽然系统辨识技术有了较大的提高，但是在实际工业生产中，被控对象的数学模型的辨识精确度依然差强人意，这就导致了一些基于数学模型的先进控制算法在实际工程中无法使用 [2]，[3]。ADRC控制算法是基于误差的算法，可以适用于各种控制系统，尤其是那些被控对象的数学模型不精确甚至是未知的控制系统。

    一、ADRC简介
    
    自抗扰控制技术是适应数字控制技术时代的潮流，吸收现代控制理论成果并发扬丰富PID思想精髓(基于误差来消除误差)的新技术。因此，凡是能用常规PID的场合，只要能够数字化，采用自抗扰控制器就会使其控制品质和控制精度有根本的提高。特别，在恶劣环境中要求实现高速高精度控制的场合，自抗扰控制技术更能显出其优越性。自抗扰控制技术已在国内电力系统、精密机械加工车床、化工过程、现代武器系统等领域得到推广应用，取得了显著的社会经济效益。在导弹控制预研项目中的应用显示出传统控制方法无法比拟的效果。
   
    自抗扰控制器在控制工程不同领域中的实物实验和现场应用效果表明，它将以数字控制器的形式，必定能够取代延续了半个多世纪的经典PID调节器，而进入更高层次的"自抗扰控制器时代"。 自抗扰控制技术所需的被控对象信息是象对象阶次、"力"的作用范围、输入输出通道个数和联结方式，信号延迟时间，特别是代表系统变化快慢的"时间尺度"等很容易拿得到且物理概念清晰的特征量。至于目前的按"线性非线性"、"时变时不变"、"单变量多变量"等传统的系统分类法在"自抗扰控制技术"中已不再适用，而是"时间尺度"才是区别不同被控对象的新的标准，即"时间尺度"相当的被控对象是可以用同样的自抗扰控制器进行控制的。"时间尺度"是描述被控对象的新的"特征量"。以这个特征量作为新的抽象被控对象的控制理论尚未展开，但自抗扰控制技术的广泛推广应用，必将会推进适应自抗扰控制技术的新的控制理论的产生和发展 [4]。
   
    图1.1为一个典型的二阶ADRC结构，它由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）三部分组成，一个二阶ADRC的结构如图所示。其中，二阶跟踪微分器（TD）的作用是根据设定值和被控对象的承受能力，安排过渡过程和提取二阶导数的跟踪-微分器。扩张状态观测器（ESO）的作用是一方面把系统的各阶状态变量估计出来，另一方面通过被扩张的状态变量对“未知扰动”的“实时作用量”作出估计。非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）是通过选取适当的非线性函数来组合误差信号，使得这种非线性组合比简单的比例、积分、微分加权和组合控制信号能更好地抑制扰动。
            
                      
                                            图 1.1 二阶ADRC构

    二、仿真平台简介
   
    本次仿真实验的平台是由南京科远控制工程有限公司开发的具有国际先进水平的秦源15MW仿真系统，此平台具较高的逼近度，所有的电厂参数的动静反应均符合过程规律，所有自动控制、连锁保护均一比一地实现实际电厂控制系统功能。在本文所提到的仿真实验中，此仿真系统的各个控制环节的被控对象的数学模型均是未知的。

                               
                    
                                         图2.1串级PID控制方框图
           
                             
                    
                                        图2.2 ADRC控制方框图
    
    在传统的火电厂控制中使用图2.1所示的结构，将图2.1虚线内的串级PID控制器用ADRC控制器取代，得到图2.2中的结构，在相同的工况下运行，分别获取实验数据进行比较。原有的PID控制器使用串级控制的方式，内环PID辅调是快速过程，外环PID主调是慢速过程，整个控制器需要3个输入量（设定值、主调反馈、辅调反馈），而替换后的ADRC控制器只用到了2个输入量（设定值、测量值），相对原控制器，结构更加简单，参数调节更加简便，如果投入实际生产，硬件的成本也会较之PID串级控制器有所降低。

    三、实验数据与曲线图说明
   
    每次仿真实验的环境都是载入已经保存在教练员站内的某一个具体的工况，在实验开始之后，所有环节均各自独立地运行，除了我们指定的某个环节是ADRC控制外，其他的环节均为PID控制，各个环节相互影响，例如，给粉机由于某种原因导致给粉量远远低于设定值，将会影响到燃烧环节，继而间接影响到汽包主汽出口的温度和压力下降，就形成了主汽温度控制环节中的一个外部扰动。因此，此仿真系统和实际系统的接近度非常高，实际生产过程中可能遇到的扰动，在这个仿真系统中都可以随机地或是刻意地出现。
                          
                                                  图3.1
    
    图3.1是一个典型工况开始之后较短时间内的记录，在0-25秒这个时间段，即使控制律大幅上升，测量值却在下降，因为这是工况刚刚开始的时候，控制律的作用还没有完全发挥；过了前25秒，控制律开始起作用，可是控制律已经错误地上升了太多，导致测量值在25-180秒之间形成了一个很大的“超调”，在第200秒之后，这样的情况才渐渐消失，我们称这种由于工况起始时的控制律短时无效以及其带来的后果为工况起始时的不确定状态，在下文所提到的各个环节的仿真结果曲线图中都可以观察到这种现象。
   
     图3.2为本文提到的所有仿真实验的一个典型代表，横轴表示时间，单位是秒（下文所有的曲线图的横坐标均为时间，且单位都是秒），纵轴根据不同的仿真实验代表不同的物理量，一般表示的是测量值的大小，因为有时控制律的大小和测量值的大小差别很大，例如某压力控制环节，测量值变化范围是-0.5~+0.5，而控制律是阀门的开度，范围是0-100，为了能够在一张曲线图上清晰地展现出控制的效果，不得不将控制律的曲线作一定的线性压缩。
    
    图3.2为一次完整的仿真实验的记录，共800秒，前200秒为工况起始时不确定状态，整个过程中引入了1次设定值扰动，用来检测控制的动态特性。

                           
                                                   图 3.2

    四、主汽温度控制
    
    实际电厂的主汽温度调节系统属于调节系统，设定值恒定（本文提到的仿真系统的主汽温度设定值为490℃），本文介绍的实验为了充分考察ADRC的控制品质，我们分别测取了设定值为490℃和520℃时的PID控制数据和ADRC控制数据，图4.1为设定值是490℃时的PID控制曲线，图4.2为设定值是520℃时的PID控制曲线。比较图4.1与图4.2，我们可以明显地看出，当设定值发生较大变化时，PID控制的效果也发生了较大的变化，因为此PID控制器的参数是针对设定值490℃而整定的，当设定值变成520℃时，控制品质就变坏，这说明PID控制器的参数鲁棒性较差。

                            
                                                图4.1  

                            
                                                 图4.2
    
    在相同的工况下，我们使用ADRC控制器分别以490℃和520℃为设定值进行试验，我们首先以490℃为设定值整定一组ADRC参数，获得仿真实验结果如图4.3 所示，然后在参数不变的情况下，改变设定值为520℃进行仿真，结果如图4.4所示。比较两图，可以明显地看出ADRC控制器的同一组参数对不同的设定值影响很小，即ADRC控制器的参数鲁棒性较之PID控制器要优秀很多。

                     
                                            图4.3

                                                    
                                           图4.4

                       
                                        图4.5  单级PID
    
    上文中我们已经验证了单级的ADRC就可以达到甚至超过串级PID的控制效果，反过来，我们又作了一次实验，看看单级的PID究竟可以达到什么样的效果，如图4.5所示，单级PID的控制效果很差，从工况起始处开始经过了约20分钟才基本进入稳态，其间经历了多次大幅震荡。

    五、主给水控制
    
    主给水调节控制的被控对象是汽包的水位，我们对主给水阀门进行控制，液态水通过主给水阀门进入汽包，在汽包的上部有一个主汽出口，液态水在汽包内被加热形成蒸汽后从主汽出口排出，流向减温器。此控制系统依然是一个调节系统，控制的目的是使水位维持在设定的值上。由于工况中的不确定因素，导致主汽出口的排汽量时刻都在变化，
在进行ADRC仿真实验之前，我们首先测量了一组串级PID控制器的仿真数据，取设定值为1（火电厂实际应用中通常设定为1），仿真时间约为1200秒，结果如图所示，从图中我们可以明显地看出串级PID控制器在这个控制环节的两个特点：第一，控制精度较差。测量值始终在±50mm之间等幅振荡，几乎是临界稳定，如果有较大的扰动就会发散；第二，控制律有时会出现高频振荡，在实际应用中，即使执行机构（电机）对输入信号的高频振荡有一定的滤波能力，但是，像这样的大幅高频振荡还是会影响其寿命。
                  
                                  图5.1 主给水PID串级控制
    
    对应地，我们使用ADRC控制器在相同的工况下进行仿真实验，设定值为1mm，仿真时间约为1200秒，结果如图5.2所示，控制品质较之串级PID控制器大有改善。首先在控制精度方面，串级PID的控制精度约为±50mm，而ADRC控制器的控制精度为±0.5mm，几乎提高了100倍；其次是控制律连续光滑，没有毛刺和高频振荡，保证了执行机构的寿命；最后是动态特性，相同的工况下，ADRC控制器从工况起始时的不确定状态到稳态只用了300秒左右。
   
    在参数和工况不变的情况下，我们又以50mm为设定值作了一次仿真实验，结果如图5.3所示，其控制精度、动态特性以及控制律的品质依然优秀，这又再次证实了ADRC控制器的参数鲁棒性高，抗设定值扰动性高。

                             
                                                   图5.2

                             
                                                  图5.3
    
    ADRC控制器的最大特点是抗扰动性能非常好，上文中的实验结果已经验证了ADRC控制器的抗设定值扰动性，接下来的实验则是针对外部扰动的，如图所示，在工况开始400秒之后，系统达到稳态，在680秒左右手动调节旁路阀门，将其打开约10%，相当于给系统引入了一个外部扰动，由于入水量增加，测量值突然上升，控制器及时估计出这个扰动，通过补偿，使控制律相应减小，抵消了这个扰动，经过100秒左右，再次进入稳态。在960秒的时候，手动关闭旁路阀门，相当于再次引入一个外部扰动，与上一次的扰动方向相反，同样地，ADRC控制器及时地补偿了这个扰动。
                          
                                              图5.4

    六、其它环节
    
    在下文中，将会较为简略地介绍几个控制环节的ADRC仿真结果，作为对上文的补充说明。
                     
    6.1 炉膛引风负压调节
                       
                                                  图6.1
    
    这个环节的执行机构是8个电机，被控对象是炉膛的压力值，目的是使用由电机带动的鼓风机将炉膛内的气体向外抽，使得炉膛内的压力达到某个特定的压力，这个压力要比大气压力低，因此称为炉膛负压力。
   
    压力调节的难度较大，控制精度普遍较低。通常使用串级PID控制器能达到的效果仅仅是保持炉膛内的压力为负值，如果压力一旦为正值，炉膛内的气体将会混合着煤粉向外喷去。图6.1是使用ADRC控制器的效果曲线，控制精度±8Pa以内，并且能够跟随设定值的变化。

    6.2 燃烧调节
    
    燃烧调节环节比较特殊，因为这个控制环节的设定值是个随时改变的值，取决于多个物理量的变化；同时，这个环节又是整个火电厂控制中最重要的一个环节，它的控制精度在很大程度上决定了火电厂的经济效益：如果温度太低，就不能够产生足够的、达到温度要求的蒸汽，如果温度太高，就会浪费大量的燃料，长期下来将会是一笔非常大的开销。
                           
                                                图6.2 

    6.3 轴封调节
    
    轴封系统的主要功能是向汽轮机、给水泵小汽轮机的轴封和主汽阀、调节阀的阀杆汽封供送密封蒸汽，使轴的两端压力保持平衡，防止沿轴的泄漏。

    6.4 氧量调节
   
    炉内燃烧是锅炉机组安全稳定和经济运行的重要基础，锅炉氧量在锅炉运行中非常重要，而且是对炉内过程影响非常复杂的参数。氧量调节的目的是使实测氧量尽量与设定的最佳氧量一致，以保证运行安全和经济效益。
                
                     
                              
                                               图6.3  轴封调节
                               
                                                 图6.4 氧量调节
                             
                                   
                                                 图6.5 给泵液偶调节

    6.5 给泵液偶调节
   
     液力偶合器的泵轮将原动机的机械能转变成油的动能和势能，而涡轮则将油的动能和势能又转变成输出轴的机械能，从而实现能量的柔性传递。只要改变转动外壳腔内导流管的位置，就能改变偶合器中的充油度，也就可以在原动机转速不变的条件下实现工作机的无级调速。

    七、结论
   
    本文在火电厂仿真试验平台上对ADRC进行了仿真研究，大量的仿真数据表明ADRC非常适用于火电厂控制，对实际的工业生产有很好的借鉴作用。 
   
     经过大量的实验，我们发现，如果要整定出一组较为合适的PID控制器的参数是比较困难的，尤其是本文中提到的串级PID控制，这需要控制器的操作者（设计者）具有丰富的经验，以及对控制器和被控对象较深入地了解，达到这两个条件，才可以大概地估算出PID控制器参数的范围，然后通过大量的试探，渐渐逼近最佳值。而ADRC控制器的参数整定相比之下就容易得多，只需要操作者（设计者）在数量级尺度上试探出参数b0的取值，其他的参数就很容易被试探出。整定好的参数除b0外，均可以在相当大的范围内变化，且对控制品质没有较大影响。

    文章来源：《东方自动化》发表时间:2010-4-16