CN106090870A - 火电厂主汽温度串级自抗扰控制器及系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了火电厂主汽温度串级自抗扰控制器及系统和方法，所述控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性误差反馈控制律三个运算单元。所述系统包括副控制器、执行器、副被控对象、主被控对象、副变送器和主变送器。所述方法通过自抗扰控制系统特有的扰动补偿作用，可以有效地克服负荷、喷水量等扰动因素的影响。本发明不仅综合了串级控制和网络控制的优点，还同时具有了自抗扰控制系统的优点，在模型扰动估计方面有较大优势，再加上专门针对非线性对象采取的非线性误差的控制规律，即使在控制条件十分恶劣的情况下仍能取得良好的控制精度，提高调节品质，因此，更能满足实际生产的需要。

Description

火电厂主汽温度串级自抗扰控制器及系统和方法

技术领域

本发明属于火电厂技术领域，具体涉及火电厂600MW超临界机组主汽温度串级自抗扰控制器及系统和方法。

背景技术

随着能源需求的日益增大，火力发电正朝着高自动化的方向发展。为了提高电能的质量，对火电机组的控制品质提出了更高的要求。在实际生产中，火电机组的控制对象存在着大延迟、大惯性以及强非线性等特点，使得主汽温度控制俨然成为最重要的控制，关系着整个机组的安全运行。

目前火电厂600MW超临界机组主汽温度串级控制系统的设计方法是主、副控制器均采用经典PID控制。由于主汽温度控制对象有较大的迟延和惯性存在，所以在设计副控制器则采用PI或P控制规律。

上述串级控制系统具有内外两个回路，外回路由主汽温度控制对象、主汽温度检测变送器、主控制器及整个内回路组成。

内回路包括导前区温度变送器、副控制器、执行器、减温水调节阀及减温器等，是以导前区温度为被调量、以减温器为控制对象等组成的单回路控制系统。此外，内回路是随动控制的，需要主控制器的输出作为其设定值。在实际运行中，由于控制器的不断调节使得控制阀等执行器频繁操作，会降低其使用寿命，因此本发明提出了新的方法来解决此问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明公开了一种适用于火电厂主汽温度串级自抗扰控制器及系统和方法。此方法集传统火电厂主汽温度PID控制方法、自抗扰控制、事件触发机制于一体，是将基于自抗扰控制技术设计的主控制器和PID副控制器串联起来组成一个串级控制系统。其中主控制器的输出作为副控制器的设定值，而副控制器的输出去控制调节阀。

本发明的目的是这样实现的：

一种火电厂主汽温度串级自抗扰控制器，包括包含跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性误差反馈控制律(NLSEF)和三个运算单元，所述跟踪微分器(TD)的输入端输入给定信号，跟踪微分器(TD)的输出端分别接第一和第二运算单元的正输入端，第一和第二运算单元的输出端分别接非线性误差反馈控制律(NLSEF)的输入端，非线性误差反馈控制律(NLSEF)的输出端接第三运算单元的第一输入端，第三运算单元的输出端分别输出至被控对象和扩张状态观测器(ESO)的第一输入端，扩张状态观测器(ESO)的输出端分别接第三运算单元的第二输入端以及第一和第二运算单元的负输入端。

所述扩张状态观测器(ESO)还设置第二输入端，所述扩张状态观测器(ESO)的第二输入端与被控对象的反馈端之间还设置事件触发器。

火电厂主汽温度串级自抗扰控制器的控制系统，包括副控制器、执行器、副被控对象、主被控对象、副变送器和主变送器，所述自抗扰控制器的输出端依次串接副控制器、执行器、副被控对象后分别接主被控对象和副变送器的输入端，主被控对象的输出端串接主变送器后接事件触发器的输入端。

火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的控制方法包括如下步骤：

(1)工作于时间驱动方式的主变送器对主控对象的输出信号进行周期采样；

(2)把步骤(1)所得到的采样信号传输到自抗扰控制回路的事件触发器中；

(3)通过事件触发器的触发规则或函数对步骤(2)的采样信号进行运算得到触发信号；

(4)步骤(3)所得的触发信号传输到所述自抗扰控制器中计算得到主控制量；

(5)步骤(4)所得的主控制量通过网络传输到副控制器，主控制器的输出值作为副控制器的设定值；

(6)工作于时间驱动方式的副变送器对副被控对象的输出信号进行周期采样，并且传输到副控制器后运算得到副控制器的输出信号；

(7)把步骤(6)所述副控制器的输出信号传输到执行器，从而达到控制执行器的动作；

(8)返回步骤(1)。

所述步骤(3)中所述事件触发器的运算方法如下：

Δ＝||x₁(kh)-x₁((k+i)h)||-σ

其中，Δ是当前时刻(k+i)的接收反馈校正后的输出的信号x₁((k+i)h)与上一时刻的输出信号x₁(kh)之间的触发函数，σ为有界正常数，|| ||表示范数，h为采样周期，(k+i)h为第(k+i)个采样周期，i＝1,2,…，为正整数，k为取值为0,1,2,…的整数。

若触发函数Δ的值小于等于0，则不会输出新接收的信号x₁((k+i)h)；若触发函数值大于0，则输出新接收的信号x₁((k+i)h)，进行信号的更新，然后将此信号传输到扩张状态观测器(ESO)中，进行新的状态估计，从而对整个系统进行控制。

本发明具有以下技术效果：采用基于事件触发机制主汽温度串级自抗扰控制系统及其方法来进行控制，通过其特有的扰动补偿作用，可以有效地克服负荷、喷水量等因素的影响。由于加入了事件触发机制，可以有效的调节阀门的调节次数，从而提高其使用寿命。本发明不仅综合了串级控制和网络控制的优点，还同时具有了自抗扰控制系统的优点，在模型扰动估计方面有较大优势，再加上专门针对非线性对象采取的非线性误差的控制规律，即使在控制条件十分恶劣的情况下仍能取得良好的控制精度，提高调节品质，因此，更能满足实际生产的需要。

附图说明

图1所示为火电厂600MW超临界机组主汽温度传统控制方法示意图。

图2所示为本发明火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的内置事件触发器的主控制器设计结构示意图。

图3所示为本发明火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为火电厂600MW超临界机组主汽温度传统控制方法示意图，串级控制系统具有内回路和外回路，通过图1可以看出内回路是由副变送器(导前区汽温变送器)、副控制器、执行器、减温水调节阀等组成的，而外回路是由主汽温度控制对象、主变送器(主汽温度变送器)、主控制器以及整个内回路组成的。副回路是由主控制器的输出作为副控制器的设定值，以导前区汽温作为被控量、以减温器作为被控对象组成的一个单回路控制系统，然后利用副控制器的输出去控制执行器。在实际生产运行中，由于控制器的不断调节使得控制阀等执行器频繁操作，降低了使用寿命。因此在设计控制器的时候，要在考虑稳定和安全的情况下减少执行次数。

图2所示为加入事件触发器的自抗扰控制器的结构示意图。

本发明的主控制器设计就采用如图2所示的结构，与经典的PID控制器相比，自抗扰控制器(ADRC)在鲁棒性以及适应性上更胜一筹。但是为了达到这种高品质的控制效果，也要付出一定的代价，自抗扰控制器过多的参数选取及其阶数限制了它的发展空间，因此，提出一种新型自抗扰参数整定方案及其阶数限制的理论方法，显得尤为重要。

本发明的主控制器包含跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性误差反馈控制律(NLSEF)三个互相独立的部分。

(1)跟踪微分器(TD)的整定：TD算法是线性部分和一个非线性函数组成的非线性结构，功能是作为一个过渡过程，减缓输入信号的瞬变，减小输出的超调和振荡。

TD的基本原理：对于给定的输入信号v₀(t)，可以得到它的跟踪信号v₁(t)以及微分信号v₂(t)，具有很高的精度。

常见的二阶跟踪微分器的离散形式

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1(k+1)=v_1\left(k\right)+h{v}_2\left(k\right)\\ v_2(k+1)=v_2\left(k\right)+hf(v_1\left(k\right)-v,v_2\left(k\right),r,h_0)\end{array}\right.$

其中,v是输入给定信号，h是采样时间，f(v₁(k)-v,v₂(k),r,h₀)是非线性函数，h₀是“滤波因子”，可以过滤高频噪声，r是“速度因子”，能够反映跟踪速度的快慢，v₁(k+1),v₂(k+1)分别为二阶跟踪微分器中离散化后的结果。

在设定值已知的情况下，r满足如下关系：

其中，T₀是过渡过程的时间，x₁则是输入TD信号的设定值，x₀是输入信号的初始值，将r,h₀取合适的值，才能得到良好的过渡信号和微分信号。

所设计的TD能够减少初始误差的大小，将突变的误差处理成为一个平滑连续渐进的变化过程，利用增大比例增益来实现减小调节时间，同时又可以起到减少系统超调量的效果，并且增强系统控制的鲁棒性与适应性。

(2)扩张状态观测器(ESO)的参数整定：如果扰动作用在输出上，那么它一定会反映在输出的信息里，通过寻求一种针对无法确定对象数学模型系统进行观测的方法，分析各个状态量和扰动估计值，把这个扰动量从状态量中估计出来，整合出一个反馈值来补偿控制器。它是整个ADRC中最重要的组成部分，是整个自抗扰控制技术的核心。每个参数的变化都会影响系统的动态特性。

为了减少执行器的执行任务的次数，我们在设计主控制器的时候，在ESO和主检测变送器之间加入一个事件触发器，这样可以在保持系统稳定的前提下“按需求”进行控制任务。

事件触发单元建立事件触发机制准则，根据这个准则对接收的信号进行筛选，将满足的信号发送给控制器，最后控制调节阀的动作。事件触发机制准则的设计基本思路是计算当前时刻的接收信号与上一时刻的输出信号之间的函数值，并将这个值与我们设定好的阈值函数进行求差，若大于零，则认为触发了“事件”；否则，新接收信号就不被传输。在本发明中定义触发函数为：

Δ＝||x₁(kh)-x₁((k+i)h)||-σ

其中，Δ是当前时刻(k+i)的接收反馈校正后的输出的信号x₁((k+i)h)与上一时刻的输出信号x₁(kh)之间的触发函数，σ为有界正常数，|| ||表示范数；x₁(kh)为第kh采样时刻的输出值，其中，kh为第k个采样周期，k为取值为0,1,2,…，的整数，σ的值可根据实际需要进行设置。

在本例中，若触发函数值小于等于0，则认为没有发生“事件”，不会输出新接收的信号x₁((k+i)h)；若触发函数值大于0，则认为发生了“事件”，会输出新接收的信号x₁((k+i)h)，进行信号的更新，然后将此信号传输到ESO中，进行新的状态估计，从而对整个系统进行控制。

在本例中，触发函数的参数σ根据李雅普诺夫稳定性理论选取合适的值进行控制。

(3)非线性误差反馈控制律NLSEF：对于误差的控制律一般分为两类：引入积分反馈和增大反馈控制增益。

TD过渡过程的微分值与ESO各阶状态变量的差值为e₁,e₂...，这些差值经过非线性函数的运算得到的量在与扰动补偿相加形成最终的控制量的信号，所以NLSEF的参数的确定影响着最终的控制量。b₀是一个特殊的参数，对控制量起到补偿的作用，还和ESO的第三个状态量的估计有关。

图3所示为火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的设计结构示意图。

以火电厂主汽温度控制系统为例，本发明采用以下设计方案。基于事件触发机制的火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的控制方法包括以下步骤：

(1)串级控制的副控制器采用PI或P控制，而主控制器我们选择内置事件触发器的自抗扰控制器，副控制器接收主控制器的输出作为其设定值，副控制PID控制器的输出去控制调节阀，控制其开度，实现减温水流量的调节，使主蒸汽温度达到设定值，从而实现最优控制。

(2)在主控制器的ESO和主检测变送器(主汽温度变送器)之间引入事件触发机制，事件触发单元用于依据当前时刻接收到的同步数据根据事件触发函数值来判断输出值，通过触发单元最新的输出值与最新的接收值之间的比较来决定接下来的输出值。

(3)引入事件触发机制到串级控制系统的外环的自抗扰控制器中，跟踪微分器(TD)输出信号和扩张状态观测器(ESO)的各阶状态估计的差值通过非线性误差反馈控制律(NLSEF)计算得到主控制器的控制量，实现被控对象的精确控制。

所描述的串级控制回路包含外环自抗扰控制回路和内环PID控制回路；所述的自抗扰控制回路内设置有事件触发器，可以用来筛选传感器所采样的信号，即通过所定义的触发条件来决定是否将当前时刻的控制信号发给下一执行机构。本发明是在考虑事件触发机制的情况来设计控制器，可以在保证系统稳定的情况下，只将满足条件的信号进行传输，大大减小了网络的传输压力，有效的控制阀门的调节次数，从而提高系统的使用寿命。本发明通过自抗扰控制系统特有的扰动补偿作用，可以有效地克服负荷、喷水量等扰动因素的影响。本发明不仅综合了串级控制和网络控制的优点，还同时具有了自抗扰控制系统的优点，在模型扰动估计方面有较大优势，再加上专门针对非线性对象采取的非线性误差的控制规律，即使在控制条件十分恶劣的情况下仍能取得良好的控制精度，提高调节品质，因此，更能满足实际生产的需要。

本发明公布的是基于事件触发机制的火电厂主汽温度串级自抗扰控制方法，工作过程是：

第一步：通过工作于时间驱动方式的主检测变送器(主汽温度变送器)对主被控对象的输出信号进行周期采样；

第二步：把所得到的输出信号传输到事件触发器；

对于本发明采取的触发机制运算的具体公式如下：

||x₁((k+i)h)-x₁(kh)||-σ≤0

其中，σ为有界的正常数，h为采样周期，(k+i)h为第(k+i)个采样周期，i＝1,2,…，为正整数；x₁(kh)为第kh采样时刻的输出值，其中，kh为第k个采样周期，k为取值为0,1,2,…，的整数，σ的值可根据实际需要进行设置。

第三步：上一步所得的信号传输到ADRC中，TD的输出信号和ESO的各阶状态估计的差值通过非线性误差反馈控制律(NLSEF)计算得到主控制器的控制量。

第四步：上一步所得的控制信号通过网络传输到副控制回路，作为副控制器的设定值；

第五步：副检测变送器(导前汽温度变送器)对副被控对象的输出信号进行周期采样，并且通过内环PID控制回路传输到副控制器，通过运算得到副控制器的输出信号；

第六步：副控制器的输出信号传输到执行器，从而达到控制执行器的动作；

第七步：返回第一步。

以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明，本发明对于远程串级控制尤其适用。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。

Claims (6)

1.一种火电厂主汽温度串级自抗扰控制器，其特征在于包括跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性误差反馈控制律(NLSEF)和三个运算单元，所述跟踪微分器(TD)的输入端输入给定信号，跟踪微分器(TD)的输出端分别接第一和第二运算单元的正输入端，第一和第二运算单元的输出端分别接非线性误差反馈控制律(NLSEF)的输入端，非线性误差反馈控制律(NLSEF)的输出端接第三运算单元的第一输入端，第三运算单元的输出端分别输出至被控对象和扩张状态观测器(ESO)的第一输入端，扩张状态观测器(ESO)的输出端分别接第三运算单元的第二输入端以及第一和第二运算单元的负输入端。

2.根据权利要求1所述的火电厂主汽温度串级自抗扰控制器，其特征在于所述扩张状态观测器(ESO)还设置第二输入端，所述扩张状态观测器(ESO)的第二输入端与被控对象的反馈端之间还设置事件触发器。

3.一种基于权利要求2所述火电厂主汽温度串级自抗扰控制器的控制系统，其特征在于包括副控制器、执行器、副被控对象、主被控对象、副变送器和主变送器，所述自抗扰控制器的输出端依次串接副控制器、执行器、副被控对象后分别接主被控对象和副变送器的输入端，主被控对象的输出端串接主变送器后接事件触发器的输入端。

4.一种基于权利要求3所述火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)工作于时间驱动方式的主变送器对主控对象的输出信号进行周期采样；

(2)把步骤(1)所得到的采样信号传输到自抗扰控制回路的事件触发器中；

(3)通过事件触发器的触发规则或函数对步骤(2)的采样信号进行运算得到触发信号；

(4)步骤(3)所得的触发信号传输到所述自抗扰控制器中计算得到主控制量；

(5)步骤(4)所得的主控制量通过网络传输到副控制器，主控制器的输出值作为副控制器的设定值；

(6)工作于时间驱动方式的副变送器对副被控对象的输出信号进行周期采样，并且传输到副控制器后运算得到副控制器的输出信号；

(7)把步骤(6)所述副控制器的输出信号传输到执行器，从而达到控制执行器的动作；

(8)返回步骤(1)。

5.根据权利要求4所述的火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述事件触发器的运算方法如下：

Δ＝||x₁(kh)-x₁((k+i)h)||-σ

其中，Δ是当前时刻(k+i)的接收反馈校正后的输出的信号x₁((k+i)h)与上一时刻的输出信号x₁(kh)之间的触发函数，σ为有界正常数，|| ||表示范数，h为采样周期，(k+i)h为第(k+i)个采样周期，i＝1,2,…，为正整数，k为取值为0,1,2,…的整数。

6.根据权利要求5所述的一种火电厂主汽温度串级自抗扰控制系统的控制方法，其特征在于：若触发函数Δ的值小于等于0，则不会输出新接收的信号x₁((k+i)h)；若触发函数值大于0，则输出新接收的信号x₁((k+i)h)，进行信号的更新，然后将此信号传输到扩张状态观测器(ESO)中，进行新的状态估计，从而对整个系统进行控制。