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基于分数阶自抗扰技术的核电站稳压器压力控制

更新时间：2019-12-30 16:49:53 大小：957K 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：分数阶自抗扰技术核电站稳压器压力控制 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对传统PID在复杂的核电站稳压器控制系统中无法获得良好的控制效果的问题,提出了分数阶自抗扰控制器(FOADRC).该控制器将分数阶控制器与自抗扰控制器相结合,不仅具备分数阶控制器的快速与高精度特点,还具备自抗扰控制器的强鲁棒性和抗扰动性能,解决了ADRC技术中非线性状态误差反馈控制律调参较困难的问题.建立的稳压器压力控制的Simulink仿真模型表明,分数阶自抗扰控制器与传统PID控制和ADRC控制相比具有更加优良的性能指标.

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第39卷 第6期  
第 6 期  
沈
阳
工
业
大
学
学
报
Vol． 39 No． 6  
Nov． 2 0 1 7  
王金涛,等: 基于 IGMP 的 IEEE 802． 11 无线组播速率自适应机制  
Journal of Shenyang University of Technology  
2 0 1 7 年 1 1 月  
doi:10. 7688 / j. issn. 1000 - 16４6. 2017. 06. 18  
基于分数阶自抗扰技术的核电站稳压器压力控制∗  
梁
华, 何柏青  
(南昌理工学院 电子学院， 南昌 330000)  
摘
要: 针对传统 PID 在复杂的核电站稳压器控制系统中无法获得良好的控制效果的问题，提出  
了分数阶自抗扰控制器(FOADRC). 该控制器将分数阶控制器与自抗扰控制器相结合，不仅具备  
分数阶控制器的快速与高精度特点，还具备自抗扰控制器的强鲁棒性和抗扰动性能，解决了 ADRC  
技术中非线性状态误差反馈控制律调参较困难的问题. 建立的稳压器压力控制的 Simulink 仿真模  
型表明，分数阶自抗扰控制器与传统 PID 控制和 ADRC 控制相比具有更加优良的性能指标.  
关
键
词: 核电站; 稳压器; 压力控制; 分数阶 PIλ Dμ 控制器; ADRC 控制; PID 控制; FOADRC  
控制; Simulink 仿真  
中图分类号: TL 361  
文献标志码: A  
文章编号: 1000 - 16４6(2017)06 - 0697 - 05  
Pressure control of pressurizer in nuclear power station based on  
fractional order auto disturbance rejection technique  
LIANG Hua， HE Bo-qing  
(School of Electronics， Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330000， China)  
Abstract: Aiming at the problem that the traditional PID can not obtain good control effect in the complex  
pressurizer control system of nuclear power station， a fractional order auto disturbance rejection controller  
(FOADRC) was proposed. Both fractional order controller and auto disturbance rejection controller  
(ADRC) were combined in the present controller， so that the controller could not only have the rapidity and  
high precision features of fractional order controller， but also have the strong robustness and disturbance  
rejection performance of ADRC. Therefore， the problem of difficult parameter adjustment in the nonlinear  
state error feedback control law in ADRC technology gets solved. The established Simulink simulation  
model for the pressure control of pressurizer reveals that compared with the traditional PID control and  
ADRC control， the FOADRC has better performance indexes.  
Key words: nuclear power station; pressurizer; pressure control; fractional order PIλ Dμ controller; ADRC  
control; PID control; FOADRC control; Simulink simulation  
稳压器是核电站一回路中的重要设备之一，  
其作用是调节和维护一回路冷却剂的压力，从而  
保证稳压器的压力和水位维持在设定值上. 但是  
稳压器是一个非常复杂的系统(惯性大，干扰多  
等)，在实际中很难获得稳压器的精确模型. 因  
此，利用传统的控制算法就很难获得令人满意的  
控制效果[1] . 针对稳压器的控制，多采用传统的  
PID 控制，由于其自身局限性，控制效果不是很理  
想，抗干扰能力也较差. 为此，研究人员在分数阶  
理论研究的基础上，又提出了分数阶 PIλ Dμ 控制  
器，其比传统 PID 控制器多了积分阶次 λ 和微分  
阶次 μ，增加了控制器的灵活度，实现 PID 由点到  
收稿日期: 2017 - 03 - 28.  
基金项目: 江西省教育厅教改课题基金资助项目(JXJG - 16 - 25 - 8).  
作者简介: 梁 华(198４ - )，女，江西南昌人，讲师，硕士，主要从事自动化控制和信息处理等方面的研究.  
∗ 本文已于 2017 - 10 - 25 21 ∶ 13 在中国知网优先数字出版. 网络出版地址: http:∥21. 1189. T.  
万方数据  
20171025. 2113. 0４6. html  
698  
沈
阳
工
业
大
学
学
报
第 39 卷  
面的控制，相比于传统 PID 控制，它继承了传统  
PID 控制的优点并具有更灵活的结构和更强的鲁  
棒性，其控制律的变化也更加精确，因此，可获得  
更优的动态性能和鲁棒性能[2] . 针对 PID 控制的  
自身局限性(快速性与超调量的直接矛盾，抗干  
扰能力差等)，研究员韩京清教授提出了自抗扰  
控制技术，主要由安排过渡过程(TD)、扩张状态  
观测器 ( ESO) 和非线性状态误差反馈控制律  
(NLSEF)等部分组成，其不依赖被控对象的精确  
数学模型，能够将系统的未建模动态和未知外界  
扰动都归结为对系统的总和扰动而进行估计和补  
分阶次，μ > 0;Kp 、Ki 、Kd 均为控制器的控制参数，  
并与整数阶 PID 意义一样，分别为比例系数、积  
分系数和微分系数.  
经拉普拉斯变换可以得到分数阶 PIλ Dμ 控制  
器的传递函数，即  
G(s) = Kp + Ki s - λ + Kd sμ  
式中，s 为拉普拉斯算子.  
(3)  
由式(3) 可以看出，整数阶 PID 控制器是分  
数阶 PIλ Dμ 控制器的积分项 λ 和微分项 μ 取特殊  
值的情况. 因此，分数阶 PIλ Dμ 控制器可以实现  
PID 由点到面的控制，通过合理的参数整定，分数  
阶 PIλ Dμ 控制器能更好地、更精确地提高系统控  
制效果.  
偿，可以很好地改善传统 PID 控制的不足[3]  
.
本文考虑到分数阶 PIλ Dμ 控制器和自抗扰控  
制技术各自的优点，提出了分数阶自抗扰控制器  
(FOADRC)，该控制器在分数阶 PIλ Dμ 控制器的  
基础上引入了自抗扰的安排过渡过程和扩张观测  
器，使其既具有分数阶控制器的快速性和高精度  
的性能，又具有自抗扰控制器的强鲁棒性等. 通过  
理论分析和仿真结果表明，分数阶自抗扰控制器  
(FOADRC)比传统 PID 控制和自抗扰控制都具  
有更加优良的动、静态性能指标.  
1． 3 分数阶微积分算子的近似与改进  
实际上，在分数阶微积分的定义下，分数阶  
PIλDμ 控制器是一个无限维数的滤波器. 为了实现  
分数阶控制，本文采用 Oustaloup 近似算法以及改  
进算法，其中，Oustaloup 滤波器在一个有限的频率  
段(wb ，wh )内对微积分算子的近似可表示为  
N
s + w′  
k
sα≈K  
(４)  
(5)  
∏
s + w  
k = -N  
k
K = wαh  
k + N + 0． 5(1 - α)  
2N + 1  
w
w
æ
è
h ö  
b ø  
w′= wb  
(6)  
(7)  
1 分数阶控制器  
k
k + N + 0． 5(1 + α)  
2N + 1  
w
w
æ
è
h ö  
b ø  
1． 1 分数阶微积分理论  
wk = wb  
分数阶微积分是指微积分的阶次不再是整  
数，可以是分数甚至复数，它可以看作是传统 PID  
控制的推广. 常用的分数阶微积分的定义有三种，  
分别为 Grunwal-Letnikov 定义、Riemann-Liouville  
定义和 Caputo 定义[４] ，其中，连续的分数阶微积  
分算子的表达式为  
式中:wh 、wb 分别为 Oustaloup 滤波器近似频率范  
围的上下限;N 为滤波器的阶次.  
由于该算法在近似频率两端的近似效果不是很  
理想，因此，本文参考了文献[5]提出的改进算法，该  
算法是将分数阶算子用分数阶传递函数近似，即  
s
æ
öα  
dα  
dtα  
1 +  
m
n
ì
(Re(α) > 0)  
wb  
C(s) =  
(8)  
l Dtα =  
(1)  
s
í
1
(Re(α) = 0)  
1 +  
m
n
t
w
(dτ) -α (Re(α) < 0)  
è
h ø  
∫
î
l
式中，m、n 为常数，均大于 0. 在 wb < w < wh 频率  
段内用 Taylor 级数展开，并取一阶近似，可得  
ms2 + mwh s  
式中:l Dαt 为分数阶微积分的基本操作算子;t 和 l  
为操作算子的上下限;α 为微积分的阶次;d / dt 为  
微分算子;τ 为时间变量.  
mw  
n
æ
è
ö
ø
æ
è
b ö  
ø
sα =  
C(s) (9)  
m(1 - α)s2 + nw s + mα  
h
1． 2 分数阶 PIλDμ 控制器  
联合式(8)、(9) 可以得到微积分的近似公  
式，即  
分数阶 PIλDμ 控制器是整数阶 PID 控制器的  
广义表达式，是将整数阶的积分项 λ 和微分项 μ 的  
阶次扩展到分数领域，其控制器的输出可以表示为  
u(t) = Kp e(t) + Ki Dλ e(t) + Kd Dμ e(t) (2)  
式中:D 为分数阶微积分基本操作算子的简化符  
s
w′  
1+  
N
ms2 + mwh s  
mw  
n
æ
è
ö
ø
k
sα =  
æ
è
b ö  
ø
∏
2
s
wk  
k = -N 1+  
m(1- α)s + nwh s+ mα  
万方数据  
号;e(t)为系统误差;λ 为积分阶次，λ > 0;μ 为微  
(10)  

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