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内模控制在锅炉燃烧系统中的应用研究
尚继良，王晓燕，于玮(青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东青岛266042)
摘要：针对锅炉燃烧系统具有大纯滞后的特点，设计了一种新型的自适应内模控制器。该控制器以空气量和燃烧量作为输入量，蒸汽压力作为输出量，用户用汽量的变化作为干扰量，并增加滤波器来消除扰动的影响，对锅炉燃烧系统进行控制。仿真结果表明，与普通PID控制比较，本论文设计的内模控制器能大大改善大时滞系统的控制品质，并且抗干扰能力强。
关键词：内模控制；大时滞；PID控制；燃烧系统
ApplicationofInternalModelControlinBoilerBurningSystem
SHANGJi-liang,WANGXiao-yan,YUWei(CollegeofAutomationandElectronicEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266042,China)
Abstract:ThispaperdesignsanewtypeofadaptiveInternalModelController,accordingtothelargetimedelaycharacterofboilerburningsystem.Theinputsofthecontroleraretheairandthefuel,theoutputisthesteampress,thedisturbanceistheload.Andbyaddingafilterthecontrollercaneliminatetheinfluenceofdisturbance.ThesimulationshowsthatInternalModelControlcanimprovethecharacteristicsofthecontrolsystemwithlargetimedelayandtheabilityofdisturbancesuppressingforInternalModelControlisbetterthanforPIDcontrol.
Keywords：InternalModelControl;largetimedelay;PIDcontrol;BoilerBurningSystem

在工业锅炉控制中，燃烧系统的控制目标是通过调节燃料和空气量保证蒸汽压力恒定。煤和空气配比燃烧，炉膛温度升高，炉膛温度加热汽包中的水，变成饱和蒸汽，再经过过热器成为过热蒸汽，很明显控制通道长，是一个典型的大滞后系统。如果将控制通道的动态特性近似为一阶或二阶加纯滞后，则时间常数和纯滞后都较大[1]。而大的纯滞后会使控制品质变差：首先调节器的校正作用要滞后一个纯滞后时间，会导致被调参数的最大偏差增大，调节系统的动态质量下降；其次滞后使开环系统的相位滞后增大，必然使闭环系统的振幅和相位裕度减小，而造成闭环系统的稳定性下降。实际应用中用户用气量是非常不稳定的。当蒸汽用量增加时，蒸汽压力下降；反之，蒸汽压力上升。这就需要通过调节燃料来克服扰动，但由于有大滞后的存在，普通PID方法是很难控制的。
针对大纯滞后过程有许多控制算法，由于这些控制算法大都比较复杂，加上锅炉的复杂性和危险性，这些控制算法在锅炉燃烧系统中还没有得到很好的应用。我们根据内模控制能够消除大滞后影响的特点，提出采用内模控制方法来控制锅炉燃烧系统。仿真结果证明，它比PID控制超调量小，稳定性强，具有很强的实用性。
1内模控制结构及控制器设计
内模控制结构如图1所示，R(s)为给定输入，Y(s)为给定输出，D(s)为干扰输入，C(s)和G(s)分别是常规反馈控制器和被控对象的传递函数，为对象的预测模型。

图1内模控制结构框图
Fig.1IMCStructure
(1)
(2)
如果模型精确，即，且没有扰动，即D(s)=0，则模型的输出可与过程的输出y相等，此时反馈信号为0。这样，在模型精确和无未知输入的条件下，内模控制具有开环结构。也就是说，如果过程完全清楚，并且干扰输入可测，只需要前馈（开环）控制，而不需要反馈（闭环）控制。事实上，在工业过程控制中，模型很难精确得到，即使能精确得到有时也很难精确实现。因此，反馈信号就反映了过程模型的不确定性和扰动的影响，从而使该系统具有闭环控制结构。也就是说，该系统通过反馈，能克服过程模型估计不准确和扰动对控制系统的影响。
根据内模控制理想条件，希望系统在所有时间内都能够消除干扰D(s)对控制系统的影响，实现对参考输入的无偏差跟踪，这就需要在(1)式中和，即，此时
(3)
但在实际系统中，若对象中存在纯滞后环节，所以将出现超前环节，因此理想控制器很难实现。此时不能直接采用上述理想控制器的设计