一種基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超臨界火電機組熱工自動控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于解耦和擾動觀 測的超臨界機組預(yù)測控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在超臨界火電機組的運行過程中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)受到模型失配、變量耦合等引起 的內(nèi)部擾動，以及多種外部擾動的影響，這些擾動的存在明顯降低了控制器的控制效果。 [0003] 很多先進控制算法在處理強擾動時，因其在控制器中沒有針對性的抗擾設(shè)計，系 統(tǒng)的動態(tài)特性仍存在不足，影響控制性能。由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中除了可測擾動外還存在大 量不可在線測量的擾動，為了改進控制器的控制效果，必須盡量消除不可測擾動的不利影 響。不可測擾動的影響無法通過前饋控制的方式進行消除，此時，擾動觀測器DOB提供了一 種可行的解決辦法。
[0004] 然而，超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有多個輸入和多個輸出，將擾動觀測器DOB應(yīng) 用到超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時，存在以下幾個問題：1、多變量系統(tǒng)輸入與輸出之間關(guān)系 復(fù)雜，如果對每個通道都加入擾動觀測器，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將變得相當復(fù)雜，不易于調(diào)試和維 護；2、如果只針對主對角線通道設(shè)計擾動觀測器，則系統(tǒng)存在強耦合的情況下，擾動觀測器 無法實現(xiàn)擾動的有效補償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)因干擾所帶來的控制效 果差的問題，本發(fā)明提供了一種基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，能夠有 效地抑制現(xiàn)場中各種不可測量的擾動的影響，進一步提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制性能，該方 法只針對主對角線通道設(shè)計擾動觀測器，降低了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，有效抑制了系統(tǒng) 內(nèi)因強耦合而帶來的內(nèi)部擾動。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明提供的基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，該方 法包括以下步驟：
[0007] (1)利用多變量動態(tài)矩陣控制器采用滾動優(yōu)化方法，對于輸出，根據(jù)某個穩(wěn)態(tài)工況 下k時刻所檢測到的實際輸出值 yi (k)計算k時刻的初始輸出預(yù)測值九《)(幻和k+Ι時刻輸 出預(yù)測值，并利用所述輸出預(yù)測值A(chǔ)m(幻與給定值Wi(k)比較并計算得到最優(yōu)控 制序列AUk)，再以所述最優(yōu)控制序列AUk)的第一個元素Au^k)作為k時刻的控 制增量計算k時刻輸入的預(yù)輸入值μ」(k)，其中，i = 1，2, 3, j = 1，2, 3 ;
[0008] (2)利用擾動觀測器對擾動進行在線觀測，當擾動發(fā)生變化時將解擾預(yù)輸入u」與 超臨界機組預(yù)測控制系統(tǒng)的集總擾動D 1 (s)作為輸入?yún)⒘客ㄟ^擾動觀測器DOB^K測出等 效的干擾信號，再利用所述等效的干擾信號作為補償對解擾預(yù)輸入u」進行實時更 新；
[0009] (3)通過前饋補償器D (s)對所述解擾預(yù)輸入、進行解耦得到k時刻的實際輸入 Uj并將所述實際輸入h作用于傳遞函數(shù)模型G(S)所表征的被控對象；
[0010] ⑷在k時刻的控制作用之后，檢測k+Ι時刻的實際輸出值yi (k+Ι)并與所述k+1 時刻輸出預(yù)測值丸,1(0計算輸出誤差61&+1)，利用所述輸出誤差4&+1)對1^1時刻的 初始輸出預(yù)測值u々+l)進行反饋校正，其中，i = 1，2, 3 ;
[0011] (5)在之后周期內(nèi)反復(fù)執(zhí)行步驟（1)至（4)。
[0012] 其中：在步驟（3)中，所述傳遞函數(shù)模型G(S)通過以下步驟建立：
[0013] 1)在穩(wěn)態(tài)工況下，將超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)切換到手動狀態(tài)，針對三個輸入分 別做階躍響應(yīng)實驗，獲取每一個輸出相對于每一個輸入的階躍響應(yīng)曲線；
[0014] 2)利用最小二乘法對所述階躍響應(yīng)曲線進行辨識，得到每個輸出與每個輸入之間 的傳遞函數(shù)；
[0015] 3)將所述傳遞函數(shù)作為矩陣元素得到傳遞函數(shù)模型G(S)。
[0016] 其中，步驟（3)中所述前饋補償器D (s)的表達式為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： (1) 利用多變量動態(tài)矩陣控制器采用滾動優(yōu)化方法，對于輸出，根據(jù)某個穩(wěn)態(tài)工況下k 時刻所檢測到的實際輸出值yi (k)計算k時刻的初始輸出預(yù)測值九和k+Ι時刻輸出預(yù) 測值(幻，并利用所述輸出預(yù)測值(幻與給定值Wi (k)比較并計算得到最優(yōu)控制序 列AUimGO，再以所述最優(yōu)控制序列AUk)的第一個元素 Au^k)作為k時刻的控制增 量計算k時刻輸入的預(yù)輸入值μ j(k)，其中，i = 1，2, 3, j = 1，2, 3 ; (2) 利用擾動觀測器對擾動進行在線觀測，當擾動發(fā)生變化時將解擾預(yù)輸入~與超臨 界機組預(yù)測控制系統(tǒng)的集總擾動D1 (s)作為輸入?yún)⒘客ㄟ^擾動觀測器DOB^K測出等效的干 擾信號^，再利用所述等效的干擾信號作為補償對解擾預(yù)輸入~進行實時更新； (3) 通過前饋補償器D (s)對所述解擾預(yù)輸入'進行解耦得到k時刻的實際輸入u」并 將所述實際輸入乍用于傳遞函數(shù)模型G(S)所表征的被控對象； (4) 在k時刻的控制作用之后，檢測k+Ι時刻的實際輸出值yi(k+l)并與所述k+Ι時刻 輸出預(yù)測值Λρλ/(&)計算輸出誤差ei(k+l)，利用所述輸出誤差ei(k+l)對k+Ι時刻的初始輸 出預(yù)測值進行反饋校正，其中，i = 1，2, 3 ; (5) 在之后周期內(nèi)反復(fù)執(zhí)行步驟（1)至（4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征在 于，在步驟（3)中，所述傳遞函數(shù)模型G(S)通過以下步驟建立： (1) 在穩(wěn)態(tài)工況下，將超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)切換到手動狀態(tài)，針對三個輸入分別做 階躍響應(yīng)實驗，獲取每一個輸出相對于每一個輸入的階躍響應(yīng)曲線； (2) 利用最小二乘法對所述階躍響應(yīng)曲線進行辨識，得到每個輸出與每個輸入之間的 傳遞函數(shù)； (3) 將所述傳遞函數(shù)作為矩陣元素得到傳遞函數(shù)模型G(S)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征在 于，所述前饋補償器D (s)的表達式為：
式中，
=1，2, 3, j = 1，2, 3, Mji (s)表示矩陣G(S)第j行第i列元素的代 數(shù)余子式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征在 于，所述等效的干擾信號0,,.(S)通過以下步驟得到： (1)將所述集總擾動D1(S)通過環(huán)節(jié)得到擾動估計值表； (2) 將所述k-1時刻補償后的預(yù)輸入~(k-1)通過低通濾波器Qi (s)得到實際擾動等 效值毛； (3) 利用所述擾動估計值&減去所述實際擾動等效值i得到所述等效的干擾信號
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征 在于，在步驟（1)中，獲取所述k時刻輸入的預(yù)輸入值1^(10和所述k+Ι時刻輸出預(yù)測值 包括以下步驟： (1) 設(shè)置所述多變量動態(tài)矩陣控制器的相關(guān)參數(shù)，包括采樣時間Ts、預(yù)測時域P、控制時 域M、模型時域N、誤差校正矩陣H、輸出誤差權(quán)矩陣Q及控制權(quán)矩陣R ; (2) 采用預(yù)測模型對被控對象在預(yù)測時域P內(nèi)的輸出進行預(yù)測，所述模型的表達式為： J'/u/ (k ) ^ JVn ) + A^J m ) 式中，
九《斤+ ./1幻，i = 1，2, 3, j = 1，…，P表示第i個輸出在k時刻對未來k+j時刻的輸 出預(yù)測值，兔。認+ ·/#)，i = 1，2, 3, j = 1，…，P表示第i個輸出在k時刻對未來k+j時刻 的初始輸出預(yù)測值，Sij為輸出y i對輸入u」的階躍響應(yīng)系數(shù)，其中，i = 1，2, 3, j = 1，2, 3 ; (3) 采用滾動優(yōu)化方法求解得到k時刻的最優(yōu)控制序列AUmGO ; (4) 只執(zhí)行采樣時刻k第一個控制增量Λ μ (k)，計算所述k時刻的預(yù)輸入1^(10的 表達式如下： μ』(k) = Δ μ j (k) + μ」(k_l)，j = 1，· · ·，3 ; (5) 利用所述預(yù)測模型計算所述k+1時刻輸出預(yù)測值JVW0 + 1)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征在 于，所述對k+Ι時刻的初始輸出預(yù)測值ΛμΡ+Ι)進行反饋校正，包括以下步驟： (1) k+Ι時刻的實際輸出向量y (k+Ι)與k+Ι時刻輸出的預(yù)測向量九"(幻的輸出誤差向 量 e(k+Ι)為：
(2) 利用所述誤差向量e(k+l)補償所述k+Ι時刻輸出的預(yù)測向量得到經(jīng)校正 的預(yù)測向量九，+1)為： ~ycor{k^)=yPM{k) + He{k + \) 式中，H為誤差校正矩陣，表達式為：
(3) 將所述經(jīng)校正的預(yù)測向量又。,從+1)進行移位得到k+Ι時刻初始輸出預(yù)測向量為： 式中，
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基十觶耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，其特征在 于，所述輸入分別為燃料量B、給水量D、汽機調(diào)門開度U，所述輸出分別為主蒸汽壓力P、中 間點溫度T、機組負荷N。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于解耦和擾動觀測的超臨界機組預(yù)測控制方法，該方法以超臨界機火電機組為被控對象，以燃料量、給水量、汽機調(diào)門開度為輸入，主蒸汽壓力、中間點溫度、機組負荷為輸出，首先通過前饋補償器使得被控對象近似解耦，然后分別通過在每個通道設(shè)置的擾動觀測器對干擾進行觀測，以實現(xiàn)對被控對象進行多變量預(yù)測控制，解決超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)因干擾影響所帶來的控制效果差的問題，能夠有效地抑制外部不可測量擾動的影響，同時抑制輸入變量之間耦合引起的內(nèi)部擾動，從而提高超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制性能。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104656448
【申請?zhí)枴緾N201510024727
【發(fā)明人】沈炯, 笪凌云, 劉西陲, 吳嘯, 潘蕾, 李益國
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月16日