CN108717306B - 一种dsg槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法，包括步骤：S1，对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象去除纯滞后，得到无纯滞后蒸汽温度对象；S2，引入虚拟控制量，对所述无纯滞后蒸汽温度对象进行自抗扰控制；S2，采用跟踪微分器对所述虚拟控制量进行计算得到实际控制量，以控制蒸汽温度。本发明将自抗扰控制技术合理地应用于DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制过程中，不仅可以有效解决控制对象的大滞后控制难题，而且不需要事先知道DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象的准确模型，利用ESO观测出对象的不确定性和外部扰动并进行补偿，具有很好的适应性和抗干扰能力。与传统抗饱和PID控制方案相比，具有明显的优越性，值得推广应用。

Description

一种DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法

技术领域

本发明属于热工过程自动控制领域，具体涉及一种DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法。

背景技术

太阳辐射能是一种低密度的能源，要利用这样的低品位能源，直接产生蒸汽(DSG)槽式集热系统的集热通道必须很长，这使得DSG槽式集热器系统不可避免具有较大的滞后和惯性。在实际运行中，又由于太阳辐射的周期性和间歇性特征，使得DSG槽式太阳能集热发电系统成为一个典型的大滞后、大惯性、参数时变的非线性系统，常规的PID控制方法难以取得理想的控制效果。

自抗扰控制思想是由我国著名系统与控制专家韩京清在上个世纪80年代末期首次提出的，通过设计一种扩展状态观测器(ESO),根据被控对象的输入输出数据对“未知扰动”进行估计，依据估计结果进行补偿，从而实现对难以准确建模的非线性时变对象的有效控制。

常规的自抗扰控制技术一般只适用于简单的三阶以下惯性对象，而对于DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度一类的具有大纯滞后动态特性的被控对象，还不能直接使用。

因此，如何将自抗扰控制技术应用于直接产生蒸汽(DSG)槽式太阳能集热器蒸汽温度控制过程中，是本领域值得研究的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法，将自抗扰控制技术合理地应用于DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制过程中，解决现有技术存在的大滞后、大惯性、参数时变的非线性系统引起的PID控制效果不佳的技术问题。

为实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法，包括以下步骤：

S1，对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象去除纯滞后，得到无纯滞后蒸汽温度对象；

S2，引入虚拟控制量，对所述无纯滞后蒸汽温度对象进行自抗扰控制；

S2，采用跟踪微分器对所述虚拟控制量进行计算得到实际控制量，以控制蒸汽温度。

进一步地，所述蒸汽温度对象表示为一个惯性环节串联一个纯滞后环节：

其中，G₁(s)为蒸汽温度对象，G₀₁(s)为无纯滞后蒸汽温度对象，y为出口蒸汽温度，u为实际控制量，e为自然常数，τ为滞后时间；

步骤S2中，所述虚拟控制量为U＝ue^-τs，以Y作为无纯滞后蒸汽温度对象的输出，对无纯滞后蒸汽温度对象进行自抗扰控制，即

进一步地，步骤S3中，实际控制量

式中，

为虚拟控制量的微分。

进一步地，步骤S3中，所述跟踪微分器的具体算法如下：

式中，fst(·)为最速控制综合函数，h为采样周期，k为采样序号，δ为跟踪快慢参数；

实际控制量u(k)＝U₁(k)+α_uU₂(k)，式中，α_u为调试参数。

进一步地，在所述步骤2的自抗扰控制过程中，安排一过渡过程，采用跟踪微分器来实现对跳变的给定值信号r₁及其微分信号r₂的过渡过程；

所述过渡过程的具体算法为：

式中，fst(·)为最速控制综合函数，h为采样周期，k为采样序号，δ为跟踪快慢参数。

进一步地，在所述步骤2的自抗扰控制过程中，采用非线性扩张观测器观测所述无纯滞后蒸汽温度对象的状态，

所述观测无纯滞后蒸汽温度对象的状态的具体算法为：

无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)的状态方程可表示为，

Y＝x₁

式中，f(x₁,x₂,t)是由G₀₁(s)的状态变量x₁,x₂构成的非线性时变函数，n为外部扰动，b为输入增益，Y为对象G₀₁(s)输出；

将对象中的未知动态特性f(x₁,x₂)和外扰n合并表示为对象扩展状态，

x₃＝f(x₁,x₂)+n

所述非线性扩张状态观测器构建为：

式中，β₁，β₂，β₃为非线性扩张状态观测器的系数，fal(·)为饱和函数，α为饱和函数的内部参数；

所述fal(·)具体形式为：

采用所述非线性扩张状态观测器可实现，

对所述状态方程采用如下补偿律进行控制

所述非线性扩张状态观测器将所述无纯滞后蒸汽温度对象的未知动态和外扰统一估计为z₃，所述状态方程变换为：

Y＝x₁

基于状态反馈思想，非线性状态反馈控制律如下：

式中，

为设定值的过渡信号r₁与所述非线性扩张观测器的输出z₁之差，

为设定值微分的过渡信号r₂与所述非线性扩张观测器的输出z₂之差，λ₁，λ₂为调整参数。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

将自抗扰控制技术合理地应用于DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制过程中，不仅可以有效解决控制对象的大滞后控制难题，而且不需要事先知道DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象的准确模型，利用ESO观测出对象的不确定性和外部扰动并进行补偿，具有很好的适应性和抗干扰能力。仿真结果表明，本发明所述控制方法在不同工况下，在蒸汽温度指令信号阶跃变化时实现快速、精确跟踪，无超调，调节时间短，控制品质优良，与传统抗饱和PID控制方案相比，具有明显的优越性，值得推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制结构图；

图2是跟踪微分器安排的给定值信号过渡过程图；

图3是跟踪微分器安排的给定值微分信号过渡过程图；

图4是在30bar压力工况下非线性扩张观测器跟踪状态一的曲线图；

图5是在30bar压力工况下非线性扩张观测器跟踪状态二的曲线图；

图6是在30bar压力工况下非线性扩张观测器跟踪状态三的曲线图；

图7是在30bar压力工况下蒸汽温度仿真曲线图；

图8是在60bar压力工况下蒸汽温度仿真曲线图；

图9是在100bar压力工况下蒸汽温度仿真曲线图；。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图以及具体的实施方式，对本发明进行详细地介绍说明。

本发明所述DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法，包括如下步骤：

S1，对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象去除纯滞后，得到无纯滞后蒸汽温度对象；

S2，引入虚拟控制量，对所述无纯滞后蒸汽温度对象进行自抗扰控制；

S2，采用跟踪微分器对所述虚拟控制量进行计算得到实际控制量，以控制蒸汽温度。

针对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象G₁(s)来说，由于太阳能集热器管道很长，喷水减温器安装在最后一级集热器入口处，导致出口蒸汽温度y与减温水流量W之间存在很大的滞后，因而与实际控制量u之间存在很大的滞后。因此，本控制方法首先需要对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象大滞后特性的处理，得到无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)。

DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象表示为一个惯性环节串联一个纯滞后环节：

其中，e为自然常数，τ为滞后时间；

步骤S2中，虚拟控制量

U＝ue^-τs (2)

对无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)进行自抗扰控制，以Y作为无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)的输出，则有：

由于

u＝Ue^τs (4)

e^τs≈1+τs (5)

则有，

式中，

为虚拟控制量的微分，可见，步骤S3中，采用跟踪微分器对所述虚拟控制量进行计算得到实际控制量，具体由虚拟控制量U叠加其微分

外推τ滞后时间所得。

考虑到实际工控系统难以避免的各种干扰，这里选用具有很强滤波功能的跟踪微分器(TD)来得到虚拟控制量的微分

所述跟踪微分器的具体算法如下：

式中，U₁为虚拟控制量，U₂为虚拟控制量的微分，fst(·)为最速控制综合函数，h为采样周期，k为采样序号，δ为跟踪快慢参数。

于是有，

进而，可得

u(k)＝U₁(k)+α_uU₂(k) (9)

式(9)中α_u作为一个可调参数，在自控系统参数整定时，通过调试获得。

由于DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象在引入虚拟控制量U以后，得到的无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)依然具有一定的惯性，因此，为了改善跟踪效果，在其跟踪一个跳变的给定信号时，安排一个合理的过渡过程。也即，在步骤S2中对虚拟控制量U进行自抗扰的过程中，增加一过渡过程，由于跟踪微分器能够实现信号的提取和求导，且具有很强的抗干扰能力，这里选择使用跟踪微分器TD1来实现跳变的给定值信号r₁及其微分信号r₂的过渡过程。

如图1所示，所述过渡过程的具体算法如下：

式中fst(·)为最速控制综合函数，h为采样周期，k为采样序号，δ为跟踪快慢参数。

于是有，

在步骤2的自抗扰控制过程中，采用非线性扩张观测器观测所述无纯滞后蒸汽温度对象的状态，具体算法为：

无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)的状态方程可表示为，

Y＝x₁ (13)

式中，f(x₁,x₂,t)是由G₀₁(s)的状态变量x₁,x₂构成的非线性时变函数，n为外部扰动，b为输入增益，Y为对象G₀₁(s)输出。

将对象中的未知动态特性f(x₁,x₂)和外扰n合并表示为，

x₃＝f(x₁,x₂)+n (14)

x₃为对象扩展状态，通过设计非线性扩张状态观测器可估计出状态x₃，即实现了对象未知动态特性和外扰的估计。由此，可构建如下的非线性扩张状态观测器，

式中；β₁，β₂，β₃为非线性扩张状态观测器(ESO)的系数，fal(·)为饱和函数，用于抑制信号的抖振，α为饱和函数的内部参数，在系统整定时确定其值，具体形式为：

采用以上非线性扩张状态观测器可实现，

对采用状态方程(12)描述的无纯滞后对象G₀₁(s)，可采用如下补偿律进行控制

由于ESO已经把对象的未知动态和外扰统一估计为z₃，这样状态方程(12)可变换为：

Y＝x₁

由此，基于状态反馈思想，可得如下的非线性状态反馈控制律：

式中，

为设定值的过渡信号r₁与ESO的输出z₁之差，

为设定值微分的过渡信号r₂与ESO的输出z₂之差，通过整定选择合适的λ₁，λ₂，可以保证非线性状态反馈控制器(NLSEF)取得良好的动态性能和抗干扰性能。

下面通过一个具体案例，对本发明所述DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法做进一步的说明，以验证本发明所述方法的优越性。

DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度的控制是通过调节安装在最后一级集热器入口处的喷水减温器的减温水流量进行的。由于太阳能集热器管路很长，加之太阳辐射情况经常变化，使得出口蒸汽温度具有很大的滞后和惯性，并且在不同工况下对象特性变化也较大，是一个典型的大滞后、大惯性、时变非线性对象，对其实施自动控制难度很大。

DSG槽式太阳能集热器在不同出口蒸汽压力条件下的出口蒸汽温度模型变化很大，具体情况分列如下：

在出口蒸汽压力30bar条件下，蒸汽温度模型1：

在出口蒸汽压力60bar条件下，蒸汽温度模型2：

在出口蒸汽压力100bar条件下，蒸汽温度模型3：

由上述模型参数变化可知，DSG槽式集热器出口蒸汽温度在不同出口压力工况下，呈现出明显的参数时变性，而且都具有很大的纯滞后，这些特点给DSG槽式集热器出口蒸汽温度的自动控制带来了很大困难。

DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象可以表示为一个惯性环节串联一个纯滞后环节：

这里依据G₀₁(s)的动态特性和控制目标要求，以及过渡过程公式10，取h＝1s,δ＝0.002,可得到TD1安排的给定值信号r₁及其微分信号r₂的过渡过程，如图2和图3所示。

为了验证非线性扩张状态观测器的性能，这里针对30bar压力下的无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)，施加单位阶跃信号，ESO的主要参数分别取β₁＝1.0，β₂＝0.5，β₃＝0.05，可得ESO的3个状态z₁,z₂,z₃，G₀₁(s)的2个状态x₁,x₂以及未知动态加外部干扰x₃如图4-6所示，可知ESO对G₀₁(s)的状态以及未知动态加外部干扰进行了良好的观测与跟踪。

为了验证所提的DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度自抗扰控制方案的优越性和可靠性，这里选取在蒸汽出口压力30bar，60bar，100bar三种工况下进行仿真研究，并与传统的PID控制方案进行比较。

DSG槽式太阳能集热器在30bar出口压力工况时，蒸汽温度模型如式(1)所示，采用抗输出饱和PID控制器进行DSG蒸汽温度控制，其推荐参数为比例系数K_P＝0.0039，积分时间T_I＝520s。本文所提自抗扰控制方案的主要参数值如下：λ₁＝1.4，λ₂＝650，α_u＝0.3。分别将自抗扰控制方案(曲线1)和传统抗积分饱和PID控制方案(曲线2)进行仿真实验，结果如图7所示。由图7可见，抗饱和PID控制方案在蒸汽温度指令信号阶跃变化时，蒸汽温度输出曲线波动大，调节时间长；而本文所提出的自抗扰控制方案可以对蒸汽温度阶跃指令信号实现快速、精确跟踪，无超调，调节时间短，控制品质优良。

DSG槽式太阳能集热器在60bar出口压力工况时，蒸汽温度模型如式(2)所示，采用抗输出饱和PID控制器进行DSG蒸汽温度控制，其推荐参数为比例系数K_P＝0.0078，积分时间T_I＝700s。本文所提自抗扰控制，由于通过ESO对蒸汽温度对象的未知动态特性和外扰实现了估计，并依此进行了补偿，因此控制方案具有很好的鲁棒性和自适应性。因此自抗扰控制方案的主要参数值保持不变，依然取30bar工况时的整定值。分别将自抗扰控制方案(曲线1)和传统抗积分饱和PID控制方案(曲线2)进行仿真实验，结果如图8所示。由图8可以看出，传统抗饱和PID控制方案在蒸汽温度指令信号阶跃变化时蒸汽温度输出曲线超调较大，调节时间长；而本文所提出的自抗扰控制方案可以对蒸汽温度阶跃指令信号实现快速、精确跟踪，无超调，调节时间短，控制品质优良。

DSG槽式太阳能集热器在100bar出口压力工况时，蒸汽温度模型如式(3)所示，采用抗输出饱和PID控制器进行DSG蒸汽温度控制，其推荐参数为比例系数K_P＝0.0108，积分时间T_I＝700s。本文所提自抗扰控制，由于通过ESO对蒸汽温度对象的未知动态特性和外扰实现了估计，并依此进行了补偿，因此控制方案具有很好的鲁棒性和自适应性。因此自抗扰控制方案的主要参数值保持不变，依然取30bar工况时的整定值。分别将自抗扰控制方案(曲线1)和传统抗积分饱和PID控制方案(曲线2)进行仿真实验，结果如图9所示。由图9可以看出，传统抗饱和PID控制方案的无超调，调节时间很长；而本文所提出的自抗扰控制方案可以在蒸汽温度指令信号阶跃变化时实现快速、精确跟踪，无超调，调节时间短，控制品质优良。

以上实施例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。

Claims (1)

1.一种DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象去除纯滞后，得到无纯滞后蒸汽温度对象；

S2，引入虚拟控制量，对所述无纯滞后蒸汽温度对象进行自抗扰控制；

S3，采用跟踪微分器对所述虚拟控制量进行计算得到实际控制量，以控制蒸汽温度；

所述蒸汽温度对象表示为一个惯性环节串联一个纯滞后环节：

其中，G₁(s)为蒸汽温度对象，G₀₁(s)为无纯滞后蒸汽温度对象，y为出口蒸汽温度，u为实际控制量，e为自然常数，τ为滞后时间；

步骤S2中，所述虚拟控制量为U＝ue^-τs，以Y作为无纯滞后蒸汽温度对象的输出，对无纯滞后蒸汽温度对象进行自抗扰控制，即

步骤S3中，实际控制量

式中，

为虚拟控制量的微分；

步骤S3中，所述跟踪微分器的具体算法如下：

式中，fst(·)为最速控制综合函数，h为采样周期，k为采样序号，δ为跟踪快慢参数；

实际控制量u(k)＝U₁(k)+α_uU₂(k)，式中，α_u为调试参数；

在所述步骤S2的自抗扰控制过程中，安排一过渡过程，采用跟踪微分器来实现对跳变的给定值信号r及其微分信号

的过渡过程；

所述过渡过程的具体算法为：

式中，r₁为设定值的过渡信号，r₂为设定值微分的过渡信号，fst(·)为最速控制综合函数，h为采样周期，k为采样序号，δ为跟踪快慢参数；

在所述步骤S2的自抗扰控制过程中，采用非线性扩张观测器观测所述无纯滞后蒸汽温度对象的状态，

所述观测无纯滞后蒸汽温度对象的状态的具体算法为：

无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)的状态方程表示为，

Y＝x₁

式中，f(x₁,x₂,t)是由G₀₁(s)的状态变量x₁,x₂构成的非线性时变函数，n为外部扰动，b为输入增益，Y为无纯滞后蒸汽温度对象G₀₁(s)输出；

将无纯滞后蒸汽温度对象中的未知动态特性f(x₁,x₂)和外部扰动n合并表示为对象扩展状态，

x₃＝f(x₁,x₂)+n

所述非线性扩张状态观测器构建为：

式中，β₁，β₂，β₃为非线性扩张状态观测器的系数，fal(·)为饱和函数，α、α₁、α₂为饱和函数的内部参数；

所述fal(·)具体形式为：

采用所述非线性扩张状态观测器可实现，

对所述状态方程采用如下补偿律进行控制

所述非线性扩张状态观测器将所述无纯滞后蒸汽温度对象的未知动态和外部扰动统一估计为z₃，所述状态方程变换为：

Y＝x₁

基于状态反馈思想，非线性状态反馈控制律如下：

式中，

为设定值的过渡信号r₁与所述非线性扩张观测器的输出z₁之差，

为设定值微分的过渡信号r₂与所述非线性扩张观测器的输出z₂之差，λ₁，λ₂为调整参数。

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