內模解耦控制及其在熱工系統中的應用分析

吳鋮炫

摘要：伴隨著我國社會經濟的長效發展，在工業領域當中開始出現了大批容量極大的火電機組，而控制熱工系統的要求也隨之不斷提高。目前在生產火電機組當中最常使用的控制方法便是PID控制法，但其對于控制對象具有一定的要求，如果控制對象的特性相對比較復雜，則PID控制法將很難充分發揮自身效用。因此本文將通過結合內模控制和逆向解耦的的思想，對應用在熱工系統當中的內模解耦控制進行簡要分析研究。

關鍵詞：內模解耦控制；熱工系統；逆向解耦

引言：

在現階段我國火電機組的熱工系統當中主要包括給水和燃燒系統、汽溫系統、機爐協調系統等在內的若干系統，而不同的系統在控制過程中也有著截然不同的控制要求，加之熱工控制對象通常具有較強的耦合，以及大延遲和慣性等特征，因此也在很大程度上增加了熱工系統的有效控制難度。為此，本文將通過立足內模解耦控制的角度，通過對其在熱工系統中的實際應用進行探究，希望能夠為相關研究人員提供相應參考。

一、逆向解耦與內模控制的簡要概述

（一）逆向解耦

在常規的串聯解耦方法當中，即可高度概括解耦器的設計。在這一公式當中，G（s）和GV（s）代表著被控對象傳遞函數矩陣和解耦控制器矩陣。而Q（s）則代表著經過解耦之后的期望矩陣[1]。而通過前饋不變性的原理則可以直接將解耦控制器劃分成直接和反饋通道，下圖展示的就是多變量系統在解耦之后的具體結構：

圖1 多變量系統在解耦之后的結構示意圖

通過根據逆向解耦控制原理我們可以得知，與此同時，而在這一公式當中實際控制量，而在完成解耦之后虛擬控制量則為，被控量為。逆向解耦最大的特點在于其無需對對象矩陣的逆進行求解便可以有效實現解耦。

（二）內模控制

內模控制是上個世紀八十年代出現的一種控制方法，其立足于模型以及動態矩陣控制算法，建立在對象模型基礎之上而形成的控制算法之一。其本身結構相對比較簡單并具有較強的實用性和魯棒性，能夠獲得相對較優的控制效果。其基本結構如下圖所示，其中實際過程對象及其數學模型分別為G（s）和Gm（s），內模控制器及其控制量輸出則分別為GIMC（s）和u（s）。在控制系統當中，輸入信號則是r（s）而干擾信號則為d（s）。y（s）作為系統過程輸出，同ym（s）即模型輸出的偏差反饋信號則用e（s）表示。

圖2 內模控制示意圖

二、內模解耦控制在熱工系統中的應用

（一）多變量系統內模PID控制

如果分別用GIMC（s）和Gc（s）代表內模控制器以及等效反饋控制器，則二者之間存在的關系。在過程模型具有較高精確性和穩定性的前提下，G（s）與Gm（s）相等，而如果GIMC（s）本身具有較高的穩定性，則上述公式所代表的反饋控制系統同樣具有較高的穩定性[2]。鑒于本文所使用的是逆向解耦的思想，因此在多變量逆向解耦方法之下，通過將多變量系統當中通道之間的耦合影響一并消除干凈之后，將得到完成解耦之后的多變量系統。此時的多變量系統可以被直接視為一個單變量系統，但這一系統當中擁有n個輸入和輸出，且彼此相對對應。此時在整定控制器參數時只需利用單回路系統內模PID即可。

（二）在機爐協調系統中的應用

為有效驗證內模解耦控制在熱工系統中的應用價值，本文選擇以1000MW機組機爐協調系統為例，雖然前文提及PID目前已經是工業領域當中使用最為廣泛的反饋控制器，并提出了多變量解耦內模PID控制方法，但由于解耦之后廣義對象階數過多，且具有極大的復雜性，因此本文將通過分解在被控對象傳遞函數矩陣對角線上的元素，使得，通過將其進行再次分解，可以得到而后在對角解耦之下，原本系統當中的部分對角元素，在解耦之后仍然得到保留，也就是說

本文通過在逆向解耦的思想之上對這內模控制方法進行優化，使得內模逆向解耦控制方法更加具有普遍適用性，且原本在對角元素當中的g112以及g222這兩個原本并不理想的環節也可以得到有效消除。出于控制成本的原因，本文選擇直接利用電子計算機和相應的仿真建模軟件，在計算機中構建起一個虛擬的仿真環境，并在此基礎之上將控制對象設定為1000MW機爐，通過設置逆向解耦矩陣，同時在對系統進行有效控制的過程中通過直接使用內模等效PID整定參數。此時在整個機爐協調控制系統當中，功率N以及主汽壓力P、中間點焓值H這三個被控制的變量以不發生超調為理想狀態[3]。并希望可以有效加快機組功率的相應速度，以此在有效保障機爐協調控制系統正常運行的前提下，可以大大提升其快速性能。而通常情況下，如果此時選擇增加濾波器時間常數，將會直接影響機爐協調控制系統的響應速度，并使得超調出現大幅度衰減的情況。但如果此時選擇減小濾波器時間常數，則將會有效提升機爐協調控制系統的響應速度，并使得超調出現大幅增加的情況。此后通過整定參數，將濾波器的參數Tf1、Tf2以及Tf3分別設定為30、25和30。此時PID控制參數kp1、kp2和kp3分別為0.016、36.285以及-0.183；而ki1、ki2以及ki3分別為0、0.33和-0.0067；kd1、kd2以及kd3分別為0.086、278.31以及-1.1939。在經過仿真實驗之后，機爐協調控制系統當中的干戈被控制變量均能對設定值的變化情況進行全過程的嚴密跟蹤，且具有較好的穩定性和精確性，三個被控制變量能夠彼此相互影響相互控制。

結束語：

總而言之，本文通過選擇某機爐協調系統，將經過優化處理的逆向內模解耦控制方法運用其中，使得原本困擾變量與變量的耦合影響得到徹底消除，在內模PID控制方法的使用之下，熱工控制系統可以有效調整控制器參數，以此實現對熱工系統的有效控制。這也證明內模解耦控制確實具有較高的有效性和應用價值，但由于篇幅限制，本文并未對控制算法進行詳細的仿真驗證，因此在該方面還需要在日后的研究當中繼續加強。

參考文獻：

[1]楊亞惠.基于內模原理的交叉解耦控制策略研究[J].科技展望，2017，27（21）：215-217.

[2]王延年，張帥.內模解耦控制在中央空調系統的應用[J].電子設計工程，2015，23（12）：61-63.

[3]曾舒，張花芝，辜俊，丁穎萍.基于內模控制的SSSC前饋解耦控制策略研究[J].四川電力技術，2015，38（05）：51-55.endprint