混合煤气管道双蝶阀串联系统自抗扰解耦控制探究［摘要］针对煤气混合蝶阀串联系统具有强耦合、不确定性、干扰因素多、非线性等特点，首先建立了煤气混合过程双蝶阀串联系统数学模型，应用自抗扰控制（ADRC）静态解耦和扩张状态观测器（ESO）动态解耦技术，给出一种适用于煤气混合蝶阀串联系统的ADRC解耦设计方案。仿真结果表明，该控制方案不仅具有较好的跟踪性能、抗扰动能力，而且解耦效果优良。［关键词］煤气混合；自抗扰控制；扩张状态观测器；解耦中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）36-0406-02引言在煤气混合的过程中，蝶阀的开度既影响流量也影响压力，流量调节与压力调节之间存在严重耦合，同时四个蝶阀之间的调节也相互影响，这说明系统存在着比较强烈的耦合现象。本文采用ADRC静态解耦技术和ES0动态解耦技术，建立煤气混合的多变量控制系统，实现对两道蝶阀的解耦控制。1煤气混合过程双蝶阀串联系统数学模型以下以焦炉蝶阀组为例，对蝶阀串联系统具体说明如下。图1中，P0为1#蝶阀前焦炉煤气压力，P1为2#蝶阀前焦炉煤气压力，P2为2#蝶阀后焦炉煤气压力，ul,、u2分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度，Q为焦炉管道煤气流量。根据文献[12],压力一流量过程可以描述为两个回路都处于开环时，被调流量Q对ul的增益即第一放大系数是压力回路闭合时，Q对ul的偏导数即第二放大系数是根据相对增益的定义有从公式（1）中解出ul和u2并代入式（4）,就可以用压力来表示增益，即同样可以求出u2对流量Q的相对增益？12如果改用P1来描述此压力一流量系统，即则可确定另一增益，对（7）式求取偏导数，就可分别推导出ul、u2对P1的两个通道的相对增益。这时，压力一流量系统的输入输出关系可用相对增益矩阵表示可写为已知某系统焦炉煤气管道压力为P0=6.2kPa,Pl=5.5kPa,P2=5.OkPa,则增益矩阵为十分接近0.5,表明系统存在严重耦合。由式（8）可的控制系统的数学模型可表示为在调试过程中反复试验，可得，式中，。2蝶阀串联系统的ADRC解耦控制器设计2.1ADRC静态解耦由于实际运行过程中，静态耦合矩阵？具有不确定性，所以在其变化范围内取粗略估计值，近似误差可归结为扰动量。利用静态解耦补偿器对被控对象进行解耦，令其中为各通道的虚拟控制量，则则静态解耦补偿器为静态解耦补偿后，式（10）可以描述为这样，一个复杂的MIM0系统（10）的设计就转换为两个相同的SISO一阶惯性系统的设计，非常容易实现.可见，ADRC静态解耦技术突破了常规的矩阵求逆解耦方法的限制，它只需知道？阵的粗略估计值？0,而且不受？阵奇异性的限制。2.2ADRC结构设计若应用自抗扰控制技术，需将对象模型（14）转化为ADRC常使用的标准形式。di为各通道未知总扰动。bOi为可调参数。解耦后的各通道可分别按常规的SISO系统进行ADRC的设计。常规ADRC由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）及非线性反馈控制（NF）三部分组成。ADRC结构如图2所示。TD是一个一阶微分跟踪器，负责安排给定速度信号的过渡过程，其表达式为式中为给定信号，为跟踪信号，，R为跟踪参数，a0,§0为控制参数。fal函数的表达式为各子系统的二阶ESO可设计为：式中，zli、z2i分别为ES0的输出，？ji和bOi分别为ESO的增益和可调参数。，。选取适当的参数？ji和bOi使ESO快速收敛，z2i即可跟踪系统总未知扰动fi。非线性反馈是一个非线性状态误差反馈控制器，其表达式为式中，ei为误差项，eOi为误差变化率。和为控制器的增益。则自抗扰控制器总的输出为ADRC控制器的最大优点在于将系统中的各种扰动因素（包括系统模型摄动内扰、未知外扰等）都看做对系统的总扰动，通过ESO进行估计并给出相应的补偿，从而达到抗干扰的功能。这种基于ESO的ADRC动态解耦方法是对传统解耦方法的突破。3结论本文将ADRC技术应用于煤气混合蝶阀串联系统的控制。根据？阵的粗略估计值设计ADRC静态解耦网络，解耦后各通道的ADRC可分别按常规的单变量系统来设计。对于模型摄动造成静态解耦不匹配和通道间的动态耦合，通过扩张状态观测器来估计并予以补偿。ADRC由Simulink编程实现。仿真结果表明，系统不仅具有较好的跟踪性能、抗扰动能力,而且解耦效果优良，解决了煤气...