2024年5月30日发(作者：诸葛波鸿)
高新技术
浅议ＡＵＶ深度的自抗扰控制
袁德祥 谈世哲
（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛２６６０００）
摘要：文章将自抗扰控制技术引入到ＡＵＶ的深度控制中，分析ＡＵＶ深度控制的数学模型，并在Ｍａｔｌａｂ中建立ＡＵＶ深度控制的
ＡＤＲＣ模型，进行仿真验证。结果表明，所设计的自抗扰控制器在水下机器人的定深控制方面表现出较好的鲁棒性和适应性。
关键词：自治型水下机器人；自抗扰控制器；深度控制；Ｍａｔｌａｂ仿真
１引言
伴随着海洋的开发和水利工程的建设，自
治式水下机器人（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
Ｖｅｈｉｃｔｅｓ，ＡＵＶ）在工程和科研中得到了广泛应
用。由于水下环境的复杂性和ＡＵＶ各自由度之
问存在强耦合性和非线性特征，使得在设计
ＡＵＶ运动控制器时需要考虑许多因素。
针对上述问题，国内外开展了大量的工作，
提出了许多控制技术，从这些方法的理论和仿
真结果来看取得了一定的效果。但是在鲁棒性、
工程实用性等方面存在着一定问题。
自抗扰控制（Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＤＲＣ）是在非线性ＰＩＤ基础上针对强
干扰和不确定系统提出的一种新型控制技术，
具有较强的鲁棒陛、适应性以及强大的非线性
处理能力。根据ＡＵＶ控制系统的特点，本文提
出将自抗扰控制技术应用到ＡＵＶ深度控制系
统，并进行了仿真研究。
２ ＡＵＶ的深度运动数学模型
垂直面坐标系如图１所示，Ｅ ‘为固定坐
标系，Ｂ＿ｘｚ为运动坐标系。坐标原点取ＡＵＶ的
重 ｉｆ，，在小冲角低速航行的条件下，根据ＡＵＶ
空间运动的标准方程进行适当的简化，得到
ＡＵＶ做定深运动时的线性化动力学方程如式１
所示ｍ：
３ ＡＤＲＣ的算法研究
其中，Ｂ 、３１：、８，为输出误差校正增益，ａ 、ｄ：、
３．１ ＡＤＲＣ的基本 触目
仅，和８为非线性参数，ｂ。为放大系数，非线性函
对于含未知扰动的ｎ阶非线性不确定受控
￣Ｘｆａｌ（ｅ，ｄ， 为： ｆＩｅ￣ａ－Ｉ ＩＯＺＩ ６
ａ
１＝
又 象：ｘ ＝ｆ（ｘ， ，…ｘ ’，ｗ（ｆ））＋ Ｈ（ｆ），其中
ｓｉｇｎ（
ｅ）， ＞６
ｘ，ｊ。…ｘ（ｎ
（ 为状态变量，ｗ（１】为外部扰动，ｕ
（１】为控制量，ｂ。为放大系数，构造ｎ阶自抗扰控
二阶ＮＬＳＥＦ的方程：
ｅ１＝ （ ）一ｚｌ（ ）
制器结构如图２所示。
一
．
．
ｅ２＝ｖ２（ ）一ｚｚ（ ） 圆
德 —
ｖ （ｒ）Ｉ Ｏ
（ ）＝ ｐｆａｌ（ｅ￣（ｋ），ｄＰ，６０）＋ｋｏｆａｌ（ｅｚ，ｏｔＤ， ）
Ｉ“＝“。一ｚ￣（ｋ）ｌｂｏ
其中，ｋｐ．ｋ 为非线性误差反馈律增益。
３．３ ＡＤＲＣ的参数整定
在自抗扰控制器结构已经确定的情况下，
其控制性能主要取决于相关参数的选取。对于
非线性参数可以根据实际经验取固定值，其余
的参数则可在线修改。
首先，根据ＡＵＶ运动控制系统的特点，选
择—个合适的过渡过程曲线，根据该曲线来选
择合适的ｒ和ｈ。ｒ的选取应满足：ＴＤ响应快速
跟踪给定阶跃信号，输出曲线较为光滑这两个
条件。对于ｈ，只要ｈ Ｔ，即可消除稳态颤振。
其次，ＥＳＯ的ｐ．和Ｂ 主要影响ＴＤ的２个
状态变量的估计， 影响对未知扰动的估计。如
果系统扰动的幅度较大，则１３，．１３ 、Ｂ］的值应较
大，并且 越大滞后越小。但 过大易引起振
荡，适当增大Ｂ 、ｐ 能有效抑制这种振荡，但ｐ，、
ｐ 过大会引起发散。因此，ｐ ｐ：、ｐ，应协同调整。
ＮＬＳＥＦ的ｋｐ．ｋ 与ＰＤ控制器的两个参数
样，ｋ 是比例系数 ｋ是微分增益。ｋＰ增大则
过渡过程加快，超调增加；ｋｎ增大则过渡过程变
慢，超调减小，ｂ。的微小变动可能引起ｕ的跃
变。当对象有迟延时，增大ｂ０，可有效补偿扰动
和模型的不确定因素。综上，ＡＤＲＣ的参数较
多，但是大都可以预先调好并固定下来，且不易
改变。对于具体控制对象，可以采用Ｍｏｎｔｅ—
Ｃａｒｌｏ方法通过检验系统的鲁棒性来选取合适
参数，这些参数一旦整定，控制方法就具有良好
的适应性和鲁棒性。
４ ＡＵＶ深度控制仿真
已知水平舵的传递函数：１／（０．０５ｓ＋１）；在式２
中代入ＡＵＶ参数和水动力系数，得到深度控制
的传递函数：Ｈ
＝ 塑 ± ： ± ： （６）
一
Ｉ
。
ｉ
１ ｗ ＩＩ￣ｌ
ｉ
一
在图２所示的ＡＤＲＣ结构图中，微分跟踪
器（ＴＤ）、扩张状态观测器（ＥＳＯ）和非线性状态
误差反馈（ＮＬｓＥＦ）是其主要组成部分。其中，ＴＤ
给出输入信号 的各阶微分跟踪信号ｖ。（Ｉ），…，
Ｖｎ（ｔ）；提供一个快速无超调的过渡过程，增强了
系统的鲁棒性。ＥＳＯ的输出ｚ （Ｉ），…，ｚ （１）跟踪动
态对象的各状态变量 ，ｊ，… ；ｚ 踪不确
定对象模型ｆ（ｘ，ｉ，ｘ（ｎ－Ｉ））的不确定部分和外扰
ｗ（ｔ）的实时作用量；利用对扰动量的观测来补偿
对象的变化，使得被控对象线性化为“积分器串
联型”，具有内在的鲁棒性和抗干扰性。ＮＬＳＥＦ
通过非线性函数把由ＴＤ产生的跟踪信号和微
分信号与ＥＳＯ给出的对象模型的状态估计形
成的误差量ｅ。（【），…，ｅ 进行非线性组合，产生
个控制量ｕｏ传递给被控对象，实际的控制量
为ｕ，ｚ 。（ｔｙｂ。是补偿不确定对象模型和外扰作
一
图１垂直面坐标系
Ｉ（ —ｚ ） 一ｚ÷哥一（ｍＵ＋ｚ ）ｑ ｚ ｗ＝
ｌ（‘一Ｍ ）４一Ｊ】ｌｆ 一Ｍ ｑ Ｍ ｗ—Ｍ （１）
其中，ｍ为ＡＵＶ的质量；Ｉ 为绕Ｙ轴的惯性
深控制需建立二阶ＡＤＲＣ。为适应数值计算的
要求，将ＡＤＲＣ算法离散化为：
矩；ｑ为纵倾角速度；ｕ为航行速度；
ｗ＝ ＝Ｕ ｓｉｎ９ ＵＯ，为ＡＵＶ沿ｚ轴的速度，０
ｌ （ ＋１）＝Ｖ （ ）＋Ｔｖ （ ）
为纵倾角； ＝ 、Ｍ‘＝ ＋ＭｏＯ为沿ｚ轴
的推力（矩），其中８ 为尾水平舵角， 、 为
ＩＶ２（≈－－１） ｖｚ（ｋ）一Ｔｆｓｔ（ｖ￣（ｋ）一Ｖ（ ）， ２（ ），ｒ，＾）ｆ３１
尾水平舵导数，Ｍｏ＝－ｍｇｈ，ｈ为重心到浮心的距
其中，参数Ｔ为步长（系统的采样时间），参
…。 。０
１３ ＋５．２６ｓ ＋１７ ０７ 一０．１５ｓ
离；Ｚ 、Ｍ 、 、Ｍ 、Ｚ Ｍ 和Ｍｑ为
数ｒ，ｈ分别为速度因子和滤波因子。函数ｆｓ 。，
ＡＵＶ的水动力系数，其中Ｚ 、Ｍ 为加速度导 在ＭＡＴＬＡＢ中分别采用ＡＤＲＣ与传统
数，Ｚｑ、Ｍ４为角加速度导数，ｚｗ、Ｍｗ和ｚ 、Ｍ 为
ＰＩＤ进行ＡＵＶ深度控制的仿真研究，建立基于
｛ｙ＝ （ —ｖ∽＋ ）
速度和角加速度导数。
ＡＤＲＣ的ＡＵＶ深度仿真模型如图３所示，其中
＝ ＋８， ） ｌ
ＡＤＲＣ仿真模型由Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ实现。
忽略较小的Ｍ 、 、 项，消除０．ｑ，整
经过多次选择与调试，确定ＡＤＲＣ参数：采
理得深度运动的传递函数为式２所示：
Ｉ｛ｖ２（ ）＋（ｄｏ ｄ）／２，ｌＹ＞ｄ０
样时间：Ｔ＝０．０１；ＴＤ：ｒ＝１０、ｈ＝０．０１；ＥＳＯ： ｌ，＆２，ｄ
Ｈ（ ） ｚ—ｚ ｖ（ｂ 一Ｍｇ —Ｍ ）
ｙ（ｋ）／ｈ，ＩｙＩ
＝｛１，ｏ３，ｏ２５１、６＝ｎ９５、ｂｏ＝ｌ、【ｐＩ，ｐ２，１３３／４７５，５０，１００］；
（２）
其中，Ａ。、Ａ。、 和 为
ＮＬＳＥＦ： ｔ，ｋ２］ ６０，８０］、 ３，０【 ＝［０＿７５，１２５］、８ｏ＝
Ａｏ＝Ｍ日Ｚ
０．９５，［１（ ，ｋ ＝ｆ６０，８０１。选取传统ＰＩＤ参数：【ｋ ｋ。，
．
１一咖 ｌ
Ａｌ—Ｍ Ｚ Ｍ （ｍ—Ｚｗ）一Ｍ （ｍＵ＋Ｚ ）
Ａ２一Ｍ （ｍ—Ｚ ）一，
＝
ｌ￡＝ｚＩ（ ）一 （ ）
ｋ ５，０．５，２０］。
ｌ： ＋： １）一 （ ）＋ｒ（。３（ ）：一岛． ， （ （ ），ａ ，６）＋ｂ＋ ｏ－（ｋ）、（４。 ）
Ｉ （ 十１）＝ｚ＿ ）一Ｔ￣ｆｃｄ（ｅ（ｋ），ａ¨＇６）
Ｌ（ｍ—ｚ ）
在单位节约输入条件下，深度控制的阶跃
响应曲线如图４所示，实验表明，相比传统ＰＩＤ
一
３２一 中国新技术新产品
Ｑ ．１ｏ
Ｃｈｉｎａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
高新技术
锅炉常见故障分析及预防
刘治国 苗玉田
（内蒙古乌拉特发电厂运行部，内蒙古乌拉山０１４４０７）
摘要：锅炉的安全与否直接关系到电厂的安全，锅炉故障直接给电厂造成严重的损失，所以锅炉机组的安全运行是电厂的重中之
重。本文着重论述了锅炉机组事故特点及故障分析。
关键词：锅炉；事故；预防
漏或爆破。同样会造成锅炉被迫停运，甚至危及
人身安全。
１．６锅炉辅机故障，包括送风机、引风机、磨
煤机、排粉机、一次凤机、捞渣机、回转式空气预
热器等转动机械卡转、振动、烧瓦等，此类故障约
占锅炉机组故障停用次数的ｌｏ％左右，常常是机
组降出力的原因。
１．７热Ｉｌ 保护装置故障误动引起机组跳闸，
其次数随保护装置采用范嗣的扩大而有所增加，
这是当前新机组投产初期运行阶段的常见故障。
说明要解决如何进行设计、安装，使控制于段与
设备性能相匹配，并缩短磨合期等问题特别需要
对基建工序的安排与配合问题加以研究。但当前
主要应防止因耽心误动而随意退用保护装置的
倾向。
２预防事故发生的措施
综合分析全国大型锅炉故障停用的原冈，可
以明显地发现，必须从设计标准、设计选型、制造
安装、运行调试全过程努力，才能最有效地防止
事故的发生。作为发电厂必须搞好检查、修理，认
真整治设备，严格各项规章制度的贯彻执行，才
能真正提高设备的可靠性。
２．１重视运行分析，推广在线诊断技术，提高
预防性检修的质量。利用机组停运时间，加强检
修，及时发现问题，杜绝事故的发生。
２－２重视热工报警及自动保护装置的投用，
反对强撑硬拼，把事故消灭在萌芽状态。加强值
班人员培训教育及责任心教育，落实ｊ级安全责
任制。
２．３健全各种安全生产的工作制度，做到有
章必循违章必究，逐项落实各项安全工作。建立
设备缺陷分析考评制度，对各种缺陷，尤其是二
类缺陷进行定期研究分析，消除设备缺陷。
２４提高机组自动保护的可靠 ，加强技术
管理。完善保护自动投停申请手续，建立完善的
以重视。
运行分析制度，每月召开运行分析会，全面评价
１５锅炉本身附件损坏。锅炉本体上安装有
运行工况。
水位计流量计压力测点的取样管道和阀ｒＪ，温 ２．５加强库存管材检验，避免使用有缺陷的
度测点的套管，化学取样管排污管及加药管，安 管材。事故抢修时同时应加强锅炉“四管”设备的
全阀和对空排气阀，锅炉本身管道联箱的疏放水
检查和维护。
阀门。这些附件管径大多很小，一旦发生故障泄
２．６规范运行操作，避免操作随意眭。按照逢
电力工业的安全生产关系国民经济发展与
人民生活的安定，也是电力企业取得经济效益的
基础。锅炉机组是火力发电厂二三大主机之一。据
可靠统计，发点事故总数中，锅炉事故平均占
５７％左右。锅炉的故障停运既造成电厂发电量的
损失，又造成机组的启停损失。每次机组扁停，机
组的承压部件必然发生温度压力交变，导致寿命
损耗。其中，直流锅炉水冷壁与分离器可能发生
大幅度温度变化，从而在交应力作用下引起疲劳
损坏。锅炉事故发生的原因，除设备本身缺陷外，
人为因素也是主要原因之一，如人员技术不熟
练，责任心不强及管理不善等。
ｌ锅炉机组的事故特点及锅炉故障情况分
析
锅炉机组的运行中造成设备损坏或异常，导
致锅炉停止运行，出力下降或人身伤亡，均称为
锅炉事故。从锅炉结构和运行等方面，锅炉机组
事故大致有以下几类：
１．１锅炉承重结构的变形和失稳。由于设计
不当或改造时对承重部件增加载荷及炉膛发生
爆炸，使悬吊式锅炉坍塌，导致锅炉报废，必须高
度重视支吊、承重结构的安全。
ｌ＿２锅炉承压部件泄露和爆破。锅炉的承压
部件主要指水冷壁过热器再热器省煤器及汽
包或直流锅炉的汽水分离器等。设计制造安装
检修原因及运行调整操作不当，均会引起锅炉
承压部件的泄露和爆破。
１．３炉外管道爆漏、受热面腐蚀、转动机械ｌｓ
车、制粉系统爆炸、锅炉尾部受热面烧损是造成
人员伤亡，设备严重损坏的主要原因。
１４锅炉四管爆漏仍居当前锅炉机组非计划
停用原因的首位。锅炉四管冈蠕变、磨损、腐蚀、
疲劳损坏以及焊口泄漏，常常可以因调度同意使
用而不构成事故，但因其停用时间较长，直接、问
接损失大仍是锅炉故障损失的主要冈素，必须加
停必检的原则，认真落实防磨防爆措施。加强燃
料、汽、水品质、金属焊接管理，加强对焊口的检
查，尤其强化对疏水。排空管焊口管材的检查。制
定疏水排空管等锅炉小管检查台账。
２．７事故后要认真分析事故原冈，以便采取
针对性的措施。同时要研究其他单位事故案例，
分析潜在的不安全冈素并采取相应措施
２．８要认真审定事敝处理规程及“防灾预
案”，运行人员要训练有素以正确判断ｌｊ处理事
故，避免灾难性事故的发生。
３故障分析的目的、方法
控制电站锅炉故障主要在于预防，在于把缺
陷消灭在酿成事故前。但是一日 发生了故障，在
组织抢修的同时，分析故障原冈也是安监人员与
锅炉专业人员义不容辞的责任，不可偏废。成功
的故障分析可以避免类似事故的重演，加速抢修
恢复，工作不有利于分清责任，从而提高设汁、制
造、检修、运行丁作质量，也有利于合同的执行。
不成功的故障分析往 导致事故的再次发生或
导致反措资金的浪费。
４事故调查方法
４１掌握故障第一手材料。包括故障前运行
记录，事故追忆打印记录，损坏部位的宏观状况，
部件损坏的起源点及扩大损坏面的状况等。以事
实及各项化验，试验数据为依据，避免主观臆断
或过多的推论。
４．２在掌握各种损坏方式的特征及各种分析
手段所能得出的结论的前提下，事故渊查人员应
当迅速组织取样、化验Ｌｊ测试。
４．３分析情况要有数量概念。在—ｉ殳｛十范围内
超过设计范围，保护正确动作或定值不当或误动
等都要用数据说明。
４４根据部件失效的直接原因，企制造、安
装、检修、运行历史情况，以规程、标准的规定为
依据判定是非。
４．５要分析故障的起冈，也要分析事故处理
过程，从中找｝ 故障扩大的原因与对策。
参考文献
【ｌ】王洪江．电站锅炉实时故障诊断研究ｌＪ１．华北电
力大学（北京），２００８＿０５＿ｏ１．
对强非线性和不确定强扰动的ＡＵＶ系统不仅能
保证较高的控制精度，而且对控制对象的参数扰
动具有很强的适应性，显示｝｛Ｊ ＡＤＲＣ ＡＵＶ运
动控制方面有着良好的应用前景
参考文献
『１１朱继懋．潜水器设计［ＭＪ．上海：上海交通大学出版
图３深度系统的ＡＤＲＣ仿真模型 图４深度系统响应曲线 图５参数变化时的响应曲线
控制，ＡＤＲＣ的调节时间短，且无超捌量，具有良
好的动态特 和鲁 。
假设ＡＵＶ运动系统的参数发生摄动，即传
递函数变为：…、 ｏ．０９ ＋０．５８ｓ＋３．０４
… 万 『二
ｆ 韩京清．自抗扰控制技术『ＪＩ．前沿科学．２００７．
好的适廊性。当系统运行到ｌ０秒时，加入最大幅
韩京清＿从ＰＩＤ技术到“自抗扰控制”技术 控
值为０５的干扰，控制效果如图６所示。实验表
制工程．２００２；９（３）：１３－１８．
明，ＡＤＲＣ相比传统ＰＩＤ控制可以更快地消除外
作者简介：袁德祥（１９８５一），男，山东省青岛
扰的影响，具有抗干扰的能力。
市，硕士研究生。主要研究方向为自动控制理论
５结论
与应用，嵌入式技术。
本文采用自抗扰控制方法进行ＡＵＶ的定深
谈世哲（１９７１一）男，山东省青岛市，博士后，
图６存在扰动时的响应曲线
社．１９９２；１４７—１７１．
在控制器的参数不做改变的情况下，控制效
果如同５所示，实验表明： 系统模型变化时，
控制，给出了白抗扰控制器的设计和仿真曲线。
副教授。主要研究方向为嵌入式系统、智能控制
ＡＤＲＣ仍可快速无超捌地到达稳定状态，具有良 结果表明与传统ＰＩＤ控制方法￣１ｔ－Ｅ，自抗扰控制
及远程监控系统设计
中国新技术新产品 一３３一
2024年5月30日发(作者：诸葛波鸿)
高新技术
浅议ＡＵＶ深度的自抗扰控制
袁德祥 谈世哲
（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛２６６０００）
摘要：文章将自抗扰控制技术引入到ＡＵＶ的深度控制中，分析ＡＵＶ深度控制的数学模型，并在Ｍａｔｌａｂ中建立ＡＵＶ深度控制的
ＡＤＲＣ模型，进行仿真验证。结果表明，所设计的自抗扰控制器在水下机器人的定深控制方面表现出较好的鲁棒性和适应性。
关键词：自治型水下机器人；自抗扰控制器；深度控制；Ｍａｔｌａｂ仿真
１引言
伴随着海洋的开发和水利工程的建设，自
治式水下机器人（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
Ｖｅｈｉｃｔｅｓ，ＡＵＶ）在工程和科研中得到了广泛应
用。由于水下环境的复杂性和ＡＵＶ各自由度之
问存在强耦合性和非线性特征，使得在设计
ＡＵＶ运动控制器时需要考虑许多因素。
针对上述问题，国内外开展了大量的工作，
提出了许多控制技术，从这些方法的理论和仿
真结果来看取得了一定的效果。但是在鲁棒性、
工程实用性等方面存在着一定问题。
自抗扰控制（Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＤＲＣ）是在非线性ＰＩＤ基础上针对强
干扰和不确定系统提出的一种新型控制技术，
具有较强的鲁棒陛、适应性以及强大的非线性
处理能力。根据ＡＵＶ控制系统的特点，本文提
出将自抗扰控制技术应用到ＡＵＶ深度控制系
统，并进行了仿真研究。
２ ＡＵＶ的深度运动数学模型
垂直面坐标系如图１所示，Ｅ ‘为固定坐
标系，Ｂ＿ｘｚ为运动坐标系。坐标原点取ＡＵＶ的
重 ｉｆ，，在小冲角低速航行的条件下，根据ＡＵＶ
空间运动的标准方程进行适当的简化，得到
ＡＵＶ做定深运动时的线性化动力学方程如式１
所示ｍ：
３ ＡＤＲＣ的算法研究
其中，Ｂ 、３１：、８，为输出误差校正增益，ａ 、ｄ：、
３．１ ＡＤＲＣ的基本 触目
仅，和８为非线性参数，ｂ。为放大系数，非线性函
对于含未知扰动的ｎ阶非线性不确定受控
￣Ｘｆａｌ（ｅ，ｄ， 为： ｆＩｅ￣ａ－Ｉ ＩＯＺＩ ６
ａ
１＝
又 象：ｘ ＝ｆ（ｘ， ，…ｘ ’，ｗ（ｆ））＋ Ｈ（ｆ），其中
ｓｉｇｎ（
ｅ）， ＞６
ｘ，ｊ。…ｘ（ｎ
（ 为状态变量，ｗ（１】为外部扰动，ｕ
（１】为控制量，ｂ。为放大系数，构造ｎ阶自抗扰控
二阶ＮＬＳＥＦ的方程：
ｅ１＝ （ ）一ｚｌ（ ）
制器结构如图２所示。
一
．
．
ｅ２＝ｖ２（ ）一ｚｚ（ ） 圆
德 —
ｖ （ｒ）Ｉ Ｏ
（ ）＝ ｐｆａｌ（ｅ￣（ｋ），ｄＰ，６０）＋ｋｏｆａｌ（ｅｚ，ｏｔＤ， ）
Ｉ“＝“。一ｚ￣（ｋ）ｌｂｏ
其中，ｋｐ．ｋ 为非线性误差反馈律增益。
３．３ ＡＤＲＣ的参数整定
在自抗扰控制器结构已经确定的情况下，
其控制性能主要取决于相关参数的选取。对于
非线性参数可以根据实际经验取固定值，其余
的参数则可在线修改。
首先，根据ＡＵＶ运动控制系统的特点，选
择—个合适的过渡过程曲线，根据该曲线来选
择合适的ｒ和ｈ。ｒ的选取应满足：ＴＤ响应快速
跟踪给定阶跃信号，输出曲线较为光滑这两个
条件。对于ｈ，只要ｈ Ｔ，即可消除稳态颤振。
其次，ＥＳＯ的ｐ．和Ｂ 主要影响ＴＤ的２个
状态变量的估计， 影响对未知扰动的估计。如
果系统扰动的幅度较大，则１３，．１３ 、Ｂ］的值应较
大，并且 越大滞后越小。但 过大易引起振
荡，适当增大Ｂ 、ｐ 能有效抑制这种振荡，但ｐ，、
ｐ 过大会引起发散。因此，ｐ ｐ：、ｐ，应协同调整。
ＮＬＳＥＦ的ｋｐ．ｋ 与ＰＤ控制器的两个参数
样，ｋ 是比例系数 ｋ是微分增益。ｋＰ增大则
过渡过程加快，超调增加；ｋｎ增大则过渡过程变
慢，超调减小，ｂ。的微小变动可能引起ｕ的跃
变。当对象有迟延时，增大ｂ０，可有效补偿扰动
和模型的不确定因素。综上，ＡＤＲＣ的参数较
多，但是大都可以预先调好并固定下来，且不易
改变。对于具体控制对象，可以采用Ｍｏｎｔｅ—
Ｃａｒｌｏ方法通过检验系统的鲁棒性来选取合适
参数，这些参数一旦整定，控制方法就具有良好
的适应性和鲁棒性。
４ ＡＵＶ深度控制仿真
已知水平舵的传递函数：１／（０．０５ｓ＋１）；在式２
中代入ＡＵＶ参数和水动力系数，得到深度控制
的传递函数：Ｈ
＝ 塑 ± ： ± ： （６）
一
Ｉ
。
ｉ
１ ｗ ＩＩ￣ｌ
ｉ
一
在图２所示的ＡＤＲＣ结构图中，微分跟踪
器（ＴＤ）、扩张状态观测器（ＥＳＯ）和非线性状态
误差反馈（ＮＬｓＥＦ）是其主要组成部分。其中，ＴＤ
给出输入信号 的各阶微分跟踪信号ｖ。（Ｉ），…，
Ｖｎ（ｔ）；提供一个快速无超调的过渡过程，增强了
系统的鲁棒性。ＥＳＯ的输出ｚ （Ｉ），…，ｚ （１）跟踪动
态对象的各状态变量 ，ｊ，… ；ｚ 踪不确
定对象模型ｆ（ｘ，ｉ，ｘ（ｎ－Ｉ））的不确定部分和外扰
ｗ（ｔ）的实时作用量；利用对扰动量的观测来补偿
对象的变化，使得被控对象线性化为“积分器串
联型”，具有内在的鲁棒性和抗干扰性。ＮＬＳＥＦ
通过非线性函数把由ＴＤ产生的跟踪信号和微
分信号与ＥＳＯ给出的对象模型的状态估计形
成的误差量ｅ。（【），…，ｅ 进行非线性组合，产生
个控制量ｕｏ传递给被控对象，实际的控制量
为ｕ，ｚ 。（ｔｙｂ。是补偿不确定对象模型和外扰作
一
图１垂直面坐标系
Ｉ（ —ｚ ） 一ｚ÷哥一（ｍＵ＋ｚ ）ｑ ｚ ｗ＝
ｌ（‘一Ｍ ）４一Ｊ】ｌｆ 一Ｍ ｑ Ｍ ｗ—Ｍ （１）
其中，ｍ为ＡＵＶ的质量；Ｉ 为绕Ｙ轴的惯性
深控制需建立二阶ＡＤＲＣ。为适应数值计算的
要求，将ＡＤＲＣ算法离散化为：
矩；ｑ为纵倾角速度；ｕ为航行速度；
ｗ＝ ＝Ｕ ｓｉｎ９ ＵＯ，为ＡＵＶ沿ｚ轴的速度，０
ｌ （ ＋１）＝Ｖ （ ）＋Ｔｖ （ ）
为纵倾角； ＝ 、Ｍ‘＝ ＋ＭｏＯ为沿ｚ轴
的推力（矩），其中８ 为尾水平舵角， 、 为
ＩＶ２（≈－－１） ｖｚ（ｋ）一Ｔｆｓｔ（ｖ￣（ｋ）一Ｖ（ ）， ２（ ），ｒ，＾）ｆ３１
尾水平舵导数，Ｍｏ＝－ｍｇｈ，ｈ为重心到浮心的距
其中，参数Ｔ为步长（系统的采样时间），参
…。 。０
１３ ＋５．２６ｓ ＋１７ ０７ 一０．１５ｓ
离；Ｚ 、Ｍ 、 、Ｍ 、Ｚ Ｍ 和Ｍｑ为
数ｒ，ｈ分别为速度因子和滤波因子。函数ｆｓ 。，
ＡＵＶ的水动力系数，其中Ｚ 、Ｍ 为加速度导 在ＭＡＴＬＡＢ中分别采用ＡＤＲＣ与传统
数，Ｚｑ、Ｍ４为角加速度导数，ｚｗ、Ｍｗ和ｚ 、Ｍ 为
ＰＩＤ进行ＡＵＶ深度控制的仿真研究，建立基于
｛ｙ＝ （ —ｖ∽＋ ）
速度和角加速度导数。
ＡＤＲＣ的ＡＵＶ深度仿真模型如图３所示，其中
＝ ＋８， ） ｌ
ＡＤＲＣ仿真模型由Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ实现。
忽略较小的Ｍ 、 、 项，消除０．ｑ，整
经过多次选择与调试，确定ＡＤＲＣ参数：采
理得深度运动的传递函数为式２所示：
Ｉ｛ｖ２（ ）＋（ｄｏ ｄ）／２，ｌＹ＞ｄ０
样时间：Ｔ＝０．０１；ＴＤ：ｒ＝１０、ｈ＝０．０１；ＥＳＯ： ｌ，＆２，ｄ
Ｈ（ ） ｚ—ｚ ｖ（ｂ 一Ｍｇ —Ｍ ）
ｙ（ｋ）／ｈ，ＩｙＩ
＝｛１，ｏ３，ｏ２５１、６＝ｎ９５、ｂｏ＝ｌ、【ｐＩ，ｐ２，１３３／４７５，５０，１００］；
（２）
其中，Ａ。、Ａ。、 和 为
ＮＬＳＥＦ： ｔ，ｋ２］ ６０，８０］、 ３，０【 ＝［０＿７５，１２５］、８ｏ＝
Ａｏ＝Ｍ日Ｚ
０．９５，［１（ ，ｋ ＝ｆ６０，８０１。选取传统ＰＩＤ参数：【ｋ ｋ。，
．
１一咖 ｌ
Ａｌ—Ｍ Ｚ Ｍ （ｍ—Ｚｗ）一Ｍ （ｍＵ＋Ｚ ）
Ａ２一Ｍ （ｍ—Ｚ ）一，
＝
ｌ￡＝ｚＩ（ ）一 （ ）
ｋ ５，０．５，２０］。
ｌ： ＋： １）一 （ ）＋ｒ（。３（ ）：一岛． ， （ （ ），ａ ，６）＋ｂ＋ ｏ－（ｋ）、（４。 ）
Ｉ （ 十１）＝ｚ＿ ）一Ｔ￣ｆｃｄ（ｅ（ｋ），ａ¨＇６）
Ｌ（ｍ—ｚ ）
在单位节约输入条件下，深度控制的阶跃
响应曲线如图４所示，实验表明，相比传统ＰＩＤ
一
３２一 中国新技术新产品
Ｑ ．１ｏ
Ｃｈｉｎａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
高新技术
锅炉常见故障分析及预防
刘治国 苗玉田
（内蒙古乌拉特发电厂运行部，内蒙古乌拉山０１４４０７）
摘要：锅炉的安全与否直接关系到电厂的安全，锅炉故障直接给电厂造成严重的损失，所以锅炉机组的安全运行是电厂的重中之
重。本文着重论述了锅炉机组事故特点及故障分析。
关键词：锅炉；事故；预防
漏或爆破。同样会造成锅炉被迫停运，甚至危及
人身安全。
１．６锅炉辅机故障，包括送风机、引风机、磨
煤机、排粉机、一次凤机、捞渣机、回转式空气预
热器等转动机械卡转、振动、烧瓦等，此类故障约
占锅炉机组故障停用次数的ｌｏ％左右，常常是机
组降出力的原因。
１．７热Ｉｌ 保护装置故障误动引起机组跳闸，
其次数随保护装置采用范嗣的扩大而有所增加，
这是当前新机组投产初期运行阶段的常见故障。
说明要解决如何进行设计、安装，使控制于段与
设备性能相匹配，并缩短磨合期等问题特别需要
对基建工序的安排与配合问题加以研究。但当前
主要应防止因耽心误动而随意退用保护装置的
倾向。
２预防事故发生的措施
综合分析全国大型锅炉故障停用的原冈，可
以明显地发现，必须从设计标准、设计选型、制造
安装、运行调试全过程努力，才能最有效地防止
事故的发生。作为发电厂必须搞好检查、修理，认
真整治设备，严格各项规章制度的贯彻执行，才
能真正提高设备的可靠性。
２．１重视运行分析，推广在线诊断技术，提高
预防性检修的质量。利用机组停运时间，加强检
修，及时发现问题，杜绝事故的发生。
２－２重视热工报警及自动保护装置的投用，
反对强撑硬拼，把事故消灭在萌芽状态。加强值
班人员培训教育及责任心教育，落实ｊ级安全责
任制。
２．３健全各种安全生产的工作制度，做到有
章必循违章必究，逐项落实各项安全工作。建立
设备缺陷分析考评制度，对各种缺陷，尤其是二
类缺陷进行定期研究分析，消除设备缺陷。
２４提高机组自动保护的可靠 ，加强技术
管理。完善保护自动投停申请手续，建立完善的
以重视。
运行分析制度，每月召开运行分析会，全面评价
１５锅炉本身附件损坏。锅炉本体上安装有
运行工况。
水位计流量计压力测点的取样管道和阀ｒＪ，温 ２．５加强库存管材检验，避免使用有缺陷的
度测点的套管，化学取样管排污管及加药管，安 管材。事故抢修时同时应加强锅炉“四管”设备的
全阀和对空排气阀，锅炉本身管道联箱的疏放水
检查和维护。
阀门。这些附件管径大多很小，一旦发生故障泄
２．６规范运行操作，避免操作随意眭。按照逢
电力工业的安全生产关系国民经济发展与
人民生活的安定，也是电力企业取得经济效益的
基础。锅炉机组是火力发电厂二三大主机之一。据
可靠统计，发点事故总数中，锅炉事故平均占
５７％左右。锅炉的故障停运既造成电厂发电量的
损失，又造成机组的启停损失。每次机组扁停，机
组的承压部件必然发生温度压力交变，导致寿命
损耗。其中，直流锅炉水冷壁与分离器可能发生
大幅度温度变化，从而在交应力作用下引起疲劳
损坏。锅炉事故发生的原因，除设备本身缺陷外，
人为因素也是主要原因之一，如人员技术不熟
练，责任心不强及管理不善等。
ｌ锅炉机组的事故特点及锅炉故障情况分
析
锅炉机组的运行中造成设备损坏或异常，导
致锅炉停止运行，出力下降或人身伤亡，均称为
锅炉事故。从锅炉结构和运行等方面，锅炉机组
事故大致有以下几类：
１．１锅炉承重结构的变形和失稳。由于设计
不当或改造时对承重部件增加载荷及炉膛发生
爆炸，使悬吊式锅炉坍塌，导致锅炉报废，必须高
度重视支吊、承重结构的安全。
ｌ＿２锅炉承压部件泄露和爆破。锅炉的承压
部件主要指水冷壁过热器再热器省煤器及汽
包或直流锅炉的汽水分离器等。设计制造安装
检修原因及运行调整操作不当，均会引起锅炉
承压部件的泄露和爆破。
１．３炉外管道爆漏、受热面腐蚀、转动机械ｌｓ
车、制粉系统爆炸、锅炉尾部受热面烧损是造成
人员伤亡，设备严重损坏的主要原因。
１４锅炉四管爆漏仍居当前锅炉机组非计划
停用原因的首位。锅炉四管冈蠕变、磨损、腐蚀、
疲劳损坏以及焊口泄漏，常常可以因调度同意使
用而不构成事故，但因其停用时间较长，直接、问
接损失大仍是锅炉故障损失的主要冈素，必须加
停必检的原则，认真落实防磨防爆措施。加强燃
料、汽、水品质、金属焊接管理，加强对焊口的检
查，尤其强化对疏水。排空管焊口管材的检查。制
定疏水排空管等锅炉小管检查台账。
２．７事故后要认真分析事故原冈，以便采取
针对性的措施。同时要研究其他单位事故案例，
分析潜在的不安全冈素并采取相应措施
２．８要认真审定事敝处理规程及“防灾预
案”，运行人员要训练有素以正确判断ｌｊ处理事
故，避免灾难性事故的发生。
３故障分析的目的、方法
控制电站锅炉故障主要在于预防，在于把缺
陷消灭在酿成事故前。但是一日 发生了故障，在
组织抢修的同时，分析故障原冈也是安监人员与
锅炉专业人员义不容辞的责任，不可偏废。成功
的故障分析可以避免类似事故的重演，加速抢修
恢复，工作不有利于分清责任，从而提高设汁、制
造、检修、运行丁作质量，也有利于合同的执行。
不成功的故障分析往 导致事故的再次发生或
导致反措资金的浪费。
４事故调查方法
４１掌握故障第一手材料。包括故障前运行
记录，事故追忆打印记录，损坏部位的宏观状况，
部件损坏的起源点及扩大损坏面的状况等。以事
实及各项化验，试验数据为依据，避免主观臆断
或过多的推论。
４．２在掌握各种损坏方式的特征及各种分析
手段所能得出的结论的前提下，事故渊查人员应
当迅速组织取样、化验Ｌｊ测试。
４．３分析情况要有数量概念。在—ｉ殳｛十范围内
超过设计范围，保护正确动作或定值不当或误动
等都要用数据说明。
４４根据部件失效的直接原因，企制造、安
装、检修、运行历史情况，以规程、标准的规定为
依据判定是非。
４．５要分析故障的起冈，也要分析事故处理
过程，从中找｝ 故障扩大的原因与对策。
参考文献
【ｌ】王洪江．电站锅炉实时故障诊断研究ｌＪ１．华北电
力大学（北京），２００８＿０５＿ｏ１．
对强非线性和不确定强扰动的ＡＵＶ系统不仅能
保证较高的控制精度，而且对控制对象的参数扰
动具有很强的适应性，显示｝｛Ｊ ＡＤＲＣ ＡＵＶ运
动控制方面有着良好的应用前景
参考文献
『１１朱继懋．潜水器设计［ＭＪ．上海：上海交通大学出版
图３深度系统的ＡＤＲＣ仿真模型 图４深度系统响应曲线 图５参数变化时的响应曲线
控制，ＡＤＲＣ的调节时间短，且无超捌量，具有良
好的动态特 和鲁 。
假设ＡＵＶ运动系统的参数发生摄动，即传
递函数变为：…、 ｏ．０９ ＋０．５８ｓ＋３．０４
… 万 『二
ｆ 韩京清．自抗扰控制技术『ＪＩ．前沿科学．２００７．
好的适廊性。当系统运行到ｌ０秒时，加入最大幅
韩京清＿从ＰＩＤ技术到“自抗扰控制”技术 控
值为０５的干扰，控制效果如图６所示。实验表
制工程．２００２；９（３）：１３－１８．
明，ＡＤＲＣ相比传统ＰＩＤ控制可以更快地消除外
作者简介：袁德祥（１９８５一），男，山东省青岛
扰的影响，具有抗干扰的能力。
市，硕士研究生。主要研究方向为自动控制理论
５结论
与应用，嵌入式技术。
本文采用自抗扰控制方法进行ＡＵＶ的定深
谈世哲（１９７１一）男，山东省青岛市，博士后，
图６存在扰动时的响应曲线
社．１９９２；１４７—１７１．
在控制器的参数不做改变的情况下，控制效
果如同５所示，实验表明： 系统模型变化时，
控制，给出了白抗扰控制器的设计和仿真曲线。
副教授。主要研究方向为嵌入式系统、智能控制
ＡＤＲＣ仍可快速无超捌地到达稳定状态，具有良 结果表明与传统ＰＩＤ控制方法￣１ｔ－Ｅ，自抗扰控制
及远程监控系统设计
中国新技术新产品 一３３一