智慧型協調控制(Intelligent coordination control)是指協調控制系統中控制負荷的子系統接受汽壓變化的限制，控制汽壓的子系統超前接受反映負荷變化需要的指令，使鍋爐、汽輪機互相協調配合地控制功率和汽壓的控制方式。
基本介紹
- 中文名：智慧型協調控制
- 外文名：Intelligent coordination control
- 涉及學科：信息科學
- 套用：自動化
- 類別：協調控制
- 歷史：手動控制
研究現狀,智慧型協調控制,共同的特點,系統的複雜性,控制算法的發展,解藕方法,INA方法,模糊控制的方法,算法結構,智慧型協調機制,模型預估控制方法,基於性能反饋的智慧型控制,在協調控制系統中的套用,性能反饋模型,智慧型控制算法,控制系統安全返回算法,智慧型模糊控制算法,
研究現狀
早期的機組協調控制方式為手動控制，隨著控制設備、控制理論的發展和完善，產生了兩種自動控制方式，即機跟爐控制和爐跟機控制。機跟爐控制或爐跟機控制方式的基本原理是:在兩個單入一單出簡單眼饋控制迴路的基礎上，分別增加前饋、解耦功能，以構成機爐兩側同時調功、調壓的綜合控制方式，滿足電網和電廠不同要求。目前協調控制系統控制策略主要有:PID控制和自整定控制、模糊控制和神經元控制、最優控制、預測控制、預見控制、魯棒控制、容錯控制、多變數頻域控制、智慧型解禍控制、反饋線性化控制、均衡燃燒控制、爐膛輻射能信號超前控制等。
按能量平衡方式，協調控制系統劃分為直接能量平衡(DAB)和間接能量平衡系統(IEB)兩大類。這種分類方法從一定意義上講，揭示了協調控制系統具有的內在本質特性。因為機爐控制的根本任務就在於維持整個機組運行過程中的能量平衡，包括機組輸入能量與輸出能量的平衡、機爐之間供需能量的平衡、鍋爐內部各子系統之間物質能量傳遞的平衡等。由於能量信號不便於直接測量，常常採用一些間接的參數表征這種平衡關係。最典型的例子就是把機前壓力Pt作為鍋爐能量輸出與汽輪機能量需求之間平衡的特徵參數。通過控制這些間接參數維持整個機組能量平衡的系統，稱為間接能量平衡系統。通過構造出能量平衡信號，並依此控制能量輸入的系統，稱為直接能量平衡系統。
單元機組智慧型最佳化協調控制目前以分層遞階控制和預測最佳化控制為代表。一種分層的智慧型協調系統控制的總體結構，即監督器一解禍策略一伺服系統三層，充分反映了分層遞階控制的系統設計方法。鍋爐伺服系統中的自適應內模控制器很好地解決了大時間延遲補償、預估模型動靜態適應問題，而汽輪機伺服系統中套用的基子規則的滯環非線性逆補償器很好地解決了山子非線性特性給汽輪機控制帶來的難題;使用基於負荷/壓力增量預測模型的解禍策略對協調控制系統進行解禍;監督器根據系統的工作狀況確定伺服控制系統的定值。設計一種前饋一反饋預測最佳化協調控制系統，利用AGC指令設計預見前饋控制器，用實際系統輸出和負荷定值之差設計反饋濾波器，並且在反饋控制的內迴路設計了一種非線性預測最佳化控制器，從而形成了一種基於非線性傳遞函式理論的非線性模型預測控制與神經網路ACC預見前饋補償控制相結合的負荷控制方法。
以專著的形式對單元機組協調控制進行了系統、深入的分析和總結，力求反映近年來協調控制系統新的進展，理論聯繫實際地對協調控制系統進行了分析、設計、綜合以及整定。文中首先分析了單元機組動態特性、數學模型，然後對目前廣泛使用的各種協調控制系統的構成原理、使用SPEC200Micro具體實現的協調控制系統進行了探討，最後，研究了簡化的多變數協調控制系統設計方法和多變數逆奈氏陣列(INA)協調控制系統設計方法。極大地提高了協調控制理論的研究水平。
智慧型協調控制
大量的試驗與理論分析表明，在單元機組負荷控制系統中，鍋爐、汽機在動態特性方面存在著較大的差異。在爐跟機負荷控制方式下，利用鍋爐的蓄熱可獲得較快的負荷回響。由於大型單元機組的相對蓄熱量的減小，鍋爐的慣性和遲延勢必導致主蒸汽壓力的大範圍波動，尤其是直吹式燃煤汽包爐，主蒸汽壓力的波動範圍就更大；在機跟爐負荷控制方式下，雖然可獲得較穩定的主蒸汽壓力，但負荷回響十分緩慢。因此，前饋技術、能量平衡的策略在協調控制系統中得到廣泛套用，這就是目前所謂常規協調控制系統。然而，不少投入協調控制系統的機組實際運行結果表明，常規協調控制系統的性能並不令人滿意，因此需要引認一些新技術來提高協調控制系統的性能。
共同的特點
(1)系統的結構設計更大意義上是在分析被控對象利U塑模型的基礎上建立起來的，而不是從廣義的多變數控制角度來考慮的。由於這個原因，在系統設計時無法考慮協調控制系統的不確定性擾動，系統非線性、魯棒性能等問題。
(2)由於第一個特點，造成控制系統的設計(前饋、反饋，解藕等)以及控制系統參數的調整總是基於被控對象的機理模型來完成，往往未充分考慮系統的穩定性間題。
(3)系統結構複雜，可調整參數太多。系統結構複雜造成維護和操作的複雜化。太多的可調整參數實際上反映了系統的魯棒性差的問題。
(4)系統設計中未充分考慮鍋爐側的大時延。大慣性問題。不考慮鍋爐側大時延的補償問題，就很難在快速的汽輪機控制迴路和相對較慢的鍋爐控制迴路之間找到一個協調的平衡。
(5)表征能量平衡關係的間接參數的準確性和適應性問題。這些參數的準確性決定了基於能量平衡的協調控制系統的有效性:
系統的複雜性
協調控制系統的複雜性主要體現在以下兒個方面:
(1)多變數的強烈耀合。協調控制系統的壓力控制迴路和負荷控制迴路相互關聯，存在著強烈的摧合特性。這種特性還存在著一類病態的結構，那就是汽輪機側具有快速回響特性，而鍋爐側則具有相對較慢的回響特性，由於這種特性，如果在系統動態解藕時未充分考慮“量’一時間’的平衡關係.很容易造成能量的累積，從而使系統不穩定。這給協調控制系統的解藕設計帶來了困難；
(2)多目標相互關聯。在不同的任務約束情況下。協調控制系統需要滿足不同的最佳化目標。由於最佳化目標的相互關聯，在滿足某一最佳化目標時，需要充分考慮其它目標的次最佳化問題。因此協調控制系統除了解決多變數解藕問題以外、還需在最優目標與次優目標之間協調、平衡。
(3)機組動態從本質上說是非線性的。由於機組存在著非線性特性，現有協調控制系統的分析與設計通常將其在某一工作點線性化，而忽略其高頻非線性。這種高頻非線性常常會被控制器激發而使調節過程振盪，
(4)機組動態是時變的。機組動態特性是時變的、因此根據某一工作點下的線性化模型來設計的協調控制系統，未必能保證系統在其它工作點下的適應性‘這實際上涉及到模型的自動適應性以及控制算法的魯棒性。
(5)系統存在著不確定干擾。系統存在的不確定干擾，例如燃煤的煤質變化‘給煤量的擾動等，使機爐協調控制系統存在著較大的不確定因素，在設計協調控制系統時，需要考慮系統的抗干擾性能。
(6)能量平衡指標‘熱經濟指標難以直接、準確、實時地得到。如果能量平衡指標的準確性、適應性和實時性能夠得到充分的保證，那么能量平衡方法就是設計協調控制系統的一種較好的方法二一些熱經濟指標也是很重要的，例如煤質/發熱量校正係數，如果能保證指標的有效性，將會大大提高協調控制系統抗煤質擾動的能力。
(7)鍋爐側存在著很大的純時延:鍋爐側的大時延實際上反映了管道純遲延以及大慣性產生的相對遲延，常規的FLD控制器很難解決這個問題，尤其是PID控制器的積分作用常使系統過調而積聚能量、使系統產生振盪。工程上最常見的前饋算法是為了解決在一類可測擾動下控制系統的品質問題。即使擾動是可測的.通常也較難以掌握前饋的“量”以及“時間”問題。
(8)運行的安全性要求二協調控制系統在滿足某一特定任務約束的前提下、還需保證一切變數不超限、包括被控量、狀態量和控制量。系統還需處理諸如RUNBACK, RUNDOWN等與機組安全運行相關的實際問題，
控制算法的發展
隨著現代控制理論的發展，高級控制方法在多變數控制系統中的套用已經有了一些成果，例如解藕、極點配置、INA(逆奈氏陣列)方法、模型預估控制、模糊控制、內模控制等，下面簡單地介紹一些典型的算法。
解藕方法
解藕方法通過在控制器中附加補償網路，從而解除系統中各輸人和輸出之間的藕合關係、使多人多出系統成為多個SISO(單人單出)系統。通常的設計方法為:首先計算各通道之間的相對增益，以確定過程中每個被控量相對每個調節量的回響特性，確定過程的關聯程度和類型以及對迴路控制性能的影響，並以此為依據去構成控制系統。解藕設計方法中償陣嚴重地依賴於被控對象的數學模型，而被控過程通常是非線性和時變的，因此一個線性的、定常的解藕補償網路在被控過程發生工作點變化時，由於不具有適應性、很難保證控制品質，甚至導致系統的不穩定。此外。由於被控過程往往具有純遲延或單位圓外的零點，因此完全解藕的補償陣網路存在著可實現性問題。在工程實踐中，完全解藕常被棄之不用，代之以解藕的簡化，而產生部分解藕或靜態解藕。這實際上是以犧牲系統的動態性能來保證系統的穩態的解藕性能，由於靜態解藕同樣涉及到靜態增益匹配、調整的問題，同樣涉及到增益的適應性問題、因此系統的魯棒性能難以得到保證。
INA方法
INA方法實際上是一種近似解擱方法，它的基本出發點是如何度量近似解藕的程度，以及近似解藕到何種程度才能用5IS0方法得到穩定的符合要求的閉環系統，它的關鍵是設計合適的前置補償陣以獲得對角優勢，而且這種補償器同樣應該是穩定的，可實現的。這種方法的系統魯棒性能是通過一定範圍的增益與相位的穩定裕度來體現的、這種魯棒性能實際上只是體現了小範圍變動工況下的性能。在系統分析設計過程中，無法考慮不確定干擾、系統非線性等因素對控制系統的影響。此外系統設計的過程複雜、物理意義不明顯，並且需要許多非理論的設計技巧和經驗:
模糊控制的方法
對於多變數被控過程，如果採用模糊控制、即用模糊集合來表達控制規則、這和單變數模糊控制器基本相同、只不過多變數的模糊控制規則更難提取.同時;由於變數的增多。用於表達多變數控制規則的計算機存儲容量的要求增大:Gvpta針對多變數模糊控制規則的提取、給出了多變數模糊控制規則的近似分解形式，從而降低了對計算機記憶體容量的要求:模糊控制器的最大的特點在於不是一個基於模型的設計方法，這是它的優點，同時也是它的缺點。在不考慮系統的機理模型的基礎上.只是通過誤差，誤差變化率以及其它的信息。要實現具有充分解藕性能、良好魯棒性的多變數模糊控制規則庫是困難的。為解決這個問題，需要建立模糊控制的模糊數學模型，並且在模糊模型的基礎上設計解藕補償器。這種方法存在著求解計算量大，甚至描述不準確的問題，它的實際套用同樣存在著諸多困難。
算法結構
控制算法的研究可以劃分為3部分:多變數控制算法1智慧型化規則以及鍋爐汽機子系統.基於IMC(內部模控制)的方法是本文要研究的多變數控制算法的基礎。IMC控制器中的“完全控制器”或”近似完全控制器”的使用有效地提高了系統的動態性能、濾波器的使用又有效地提高了系統的魯棒性。由於機爐協調控制系統本身存在著病態的結構。因此必須通過對系統的機理模型和卷積模型的分析，構造鍋滬和汽輪機的伺服子系統。智慧型化規則實際上是為了在魯棒性能和動態性能之間尋找一種最優解或次優解的機制。
智慧型協調機制
由於工業過程控制中存在著高頻非線性、不確定干擾、大純時延等特性，而且這些特性往往具有不能良好建模的問題，因此，純粹意義上基於狀態空間模型的控制算法的實現總存在著理論意義上的魯棒性和實踐意義上的魯棒性的差距。按照觀點，智慧型控制是控制、運籌和人工智慧的有機結合。考慮到系統的複雜性，純粹採用不考慮系統機理模型以及卷積模型的算法(例如模糊算法，神經網路算法)總存在調整參數過多，人為因素太重等問題。智慧型化的協調機制實際上需要解決的是系統動態性能和魯棒性能的平衡與協調關係。也就是說，它是在多變數控制的基礎上尋求一個多目標的最佳化問題，而這個多目標最佳化機制是以協調控制系統的任務約束為激勵的。
這種智慧型化機制的主要內容包括:任務約束轉換，’‘方’、“胖”、’‘瘦"3種結構的有機轉換，數學模型的靜態和動態適應.被控制變數超限的快速返回等。任務約束的轉換是將一些“實”的目標轉換成一些一虛“的控制目標，這種轉換過程需要相應的數學模型支持，實際L，它是在數學模型以及當前運行工況的基礎上，得到一種協調控制系統內部運行的方式。它體現了一方”1’·胖一、”瘦03種結構的有機轉換和有機協調。當系統在這3種結構之間轉換時，系統結構變為非線性、可能出現不穩定。這種多變數協調策略實際上是在約束限制內的實時最佳化策略。數學模型的靜態和動態適應是為了在模型的精確性意義上提高算法的魯棒性:靜態適應是為了體現靜態增益的平衡，因此可以通過在穩態時求取抿合變數的相對增益來得到。動態適應的方法可選用濾波器以及最小方差估計法而得到模型之間的幅值和相位的偏差。被控變數的快速返回可研究動態微分的作用。考慮到數學模型的非精確描述，協調這個概念成為一個模糊的概念。本文研究的算法是在多變數控制的基礎上、尋求一種模糊的實時最佳化策略問題。
模型預估控制方法
模型預估控制是對最優控制理論與方法的繼承和發展。其重要特點是具有預沽值的線上修正，從而使系統的魯棒性得以提高，並形成了線上最佳化的策略，但這種方法對於抑制不可測干擾的能力在某些情況下比常規的控制器沒有多大的改善。隨著現代控制理論的發展，狀態反饋預沽控制策略的出現提高了系統抑制干擾的能力。但是，在實際生產過程中、狀態變數常常是不可測的。從而限制了狀態反饋預估控制器的套用。
基於性能反饋的智慧型控制
在單元機組回響外界負荷需求的過程中，由於鍋爐對象具有強烈的時間遲延和較大的慣性，為儘快地消除動態過程中機、爐之間能量的不平衡關係，鍋爐側引入前饋控制是通常的做法。
在人參與的控制過程中，經驗豐富的操作者不是依靠對象的數學模型，而是根據對象的某些定性知識以及自己積累的操作經驗進行推理，並且線上確定或變換控制策略。控制專家的控制(決策)過程實際上是一種啟發式的直覺推理過程。利用機器實現這種方法，我們將它稱作為基於規則的智慧型控制方法。將基於規則的智慧型控制方法套用於前饋控制中，是我們該協調控制系統中採取的另一個重要措施。
在協調控制系統中的套用
該方法套用於協調系統中，主要基於以下幾種觀點:
(1)主要參數的變化趨勢實際上反映了機組輸入/輸出能量平衡的動態過程:
(2)對於鍋爐對象，由於其具有強烈的時間遲延和較大的慣性，因此施加作用強烈的階躍作用往往比施加較慢的積分作用效果明顯.因為積分作用無法判斷誤差的方向，如果掌握不好，容易造成鍋爐側能量的累積，而導致系統的過調;
(3)基於規則的智慧型控制方法套用於前饋控制中，著力反映系統的動態過程。而系統的穩態偏差山並聯的PID控制器解決;
(4)基於規則的智慧型控制方法對於克服協調控制系統中存在的強烈的不確定干擾以及未建模動態具有顯著的效果。
性能反饋模型
協調控制系統受控對象是一個複雜的多變數系統，且鍋爐側和汽機側的動態特性存在著巨大的差異。在協調控制系統的前饋控制中引入智慧型控制方法，需要首先解決控制系統性能評價問題。
構成性能評價的幾個主要觀測參數包括主蒸汽壓力、主蒸汽壓力設定值、實發功率、目標負荷指令、汽包壓力、汽機一級後壓力等。將這些參數進行處理可得到
(1)主蒸汽壓力偏差DP
(2)主蒸汽壓力偏差變化率
(3)主蒸汽壓力偏差加速度
(4)功率偏差△N
(5)功率偏差變化率
(6)功率偏差加速度
(7)鍋爐熱量信號D及變化率
(8)汽機實際調節閥門開度u
由於鍋爐的動態特性是一個相對較慢的過程，因此，引入鍋爐熱量信號的目的在於尋找一個能充分代表鍋爐當前輸入能量的參數，以避免由於直接採用主蒸汽壓力以及實發功率等參數造成的錯誤評價。
考慮到汽機閥門開度位置反饋的測量因素，因此定義一個能反映汽機實際調節閥門開度的中間參數
根據上述的主要參數，可構成協調控制系統的性能評價模型。性能評價模型可分為兩大類：一是靜態的模式類，一是動態的模式類。所謂靜態模式類的結論是必然的，代表著鍋爐一汽輪機在一段時間內的能量平衡情況，而動態模式類的結論是瞬時的，代表著機組瞬時的能量平衡過程。
智慧型控制算法
控制系統安全返回算法
當控制系統不穩定，或者當鍋爐出現較大程度的內部擾動(例如煤發熱量擾動)時，上節所述之規則就反映了鍋爐一汽機能量的一種嚴重不平衡情況。在這種運行條件下，及時地將鍋爐輸入能量切回到安全的工作點，是保證系統穩定的必要措施。
在穩定工況下，前饋作用FF1等於0。當規則2成立時，即鍋爐輸入能量超過汽機需求模式成立，則鍋爐側前饋
當控制系統己經安全返回，即規則2不再成立時，則FF1等於0。
前饋作用因此消失。
同理，當規則成立時，則F為一個可整定的正數，整定主要根據機組容許的限制來確定。
智慧型模糊控制算法
假設主蒸汽壓力偏差定義為
而負荷偏差定義為
通常，在協調控制系統中套用多變數模糊控制策略，需要構造模糊子集，從而構成複雜地推理規則庫.根據上節所建立的性能評價模式平面，我們無需考慮模糊子集，而只將約束條件。因此，模糊控制系統被轉換成在各象限中的控制方法。
