CN110848662B - 一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法 - Google Patents

一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法 Download PDF

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CN110848662B CN201911284050.6A CN201911284050A CN110848662B CN 110848662 B CN110848662 B CN 110848662B CN 201911284050 A CN201911284050 A CN 201911284050A CN 110848662 B CN110848662 B CN 110848662B
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Abstract

本发明公开了一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，包括以下步骤：已知的燃煤机组汽包锅炉给水系统控制模型，将其传递函数模型等效转换为状态空间模型，并考虑测量误差，定义跟踪误差，通过误差转换技术进行系统变换，对变换后的系统设计自适应控制律，使给水系统的水位实际值与设定值的误差保持在用户预设的误差界之内。同时，本控制方法考虑了参数未知和存在有界扰动的情况。本控制方法能够克服现有模型中的不确定性，增强控制系统的鲁棒性，具有抗干扰能力。此外，本方法使系统暂态输出误差保持在预设边界层之内，可以保证超调量不会过大，在保证安全生产的同时尽可能提高控制效果，进而提高生产效率。

Description

一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位 控制方法
技术领域
本发明属于控制和能源领域，尤其涉及一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法。
背景技术
随着世界各个国家及组织积极开展探究新型替代能源的技术，可再生能源以其可再生、无污染的特点受到了高度重视。新能源技术的发展导致多种新型能源的并入电网，能源形式不再局限于电能，而是电能、天然气能、石油能等多种能源形式的结合，然而，随着多种能源并入电网带来的挑战增多，传统燃煤机组的调节能力需要提高，因此需要开发性能更好的控制方法控制燃煤机组。
燃煤机组中，对于锅炉汽包，水位直接影响蒸汽的压力和温度，是锅炉运行安全的重要指标。锅炉汽包水位是判断锅炉水-汽物质是否平衡的标志，水位过高会导致蒸汽带水进入过热器，并在过热器内结垢，影响传热效率；水位过低会降低水冷壁水循环的效果，严重时会导致局部过热而爆管。因此，需要提高对锅炉汽包水位的控制效果。但由于测量技术的限制，现有测量方法存在测不准的情况，可将其视为一种扰动，这会影响控制效果；同时，水位波动大，收敛速度慢，严重影响了控制效果，因此需要在消除测量误差的同时提高暂态性能。
发明内容
在能源互联网中，能量的形式不再局限于电能，而是电能、天然气能、石油能等多种能源形式的结合，天然气能由于其高效、清洁等特点，具有良好的发展前景，同时在发电形式中，风力、光伏发电相较于传统的火力发电也有明显的优势。在我国，虽然仍然是以火力发电为主，但在微网场景下，已经可以充分利用风能、天然气能等代替火力发电，获得更大的经济收益以及环境收益。但是，这对燃煤机组的功率调节能力有了新的挑战。针对提高暂态性能和抑制扰动的影响，可以采取在线辨识的方法较为准确的估计系统的未知甚至是时变的参数；针对提高暂态性能的要求，可以设计新的控制律，给输出曲线预设一个上下界，保证输出曲线不超出上下界，从能达到提高暂态性能的目的。该控制方法关键在于，通过设计新的控制律，同时实现参数辨识和暂态性能提高，保证收敛速度较快，所以可以达到在保证安全生产的同时尽可能提高控制效果，进而提高生产效率，提高发电厂利润以及生产安全性。
考虑燃煤机组锅炉汽包水位的控制是一种优化问题，不确定性越低的时候滑模控制的效果越好，因此本发明采用先进的暂态性能提升控制方法，通过Backstepping算法实现参数辨识，同时设定预设界并通过误差变化，使系统输出(即水位)的误差维持在一个预设界之内，进而抑制超调量，加快收敛速度。本发明能够对抗系统不确定性，鲁棒性能好，抗干扰能力强。本发明方法的具体实现包括以下步骤：
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)对于已知的燃煤机组汽包锅炉给水系统控制模型，将其传递函数模型等效转换为状态空间模型，并考虑测量误差d，表示为：
Figure BDA0002317534080000021
Figure BDA0002317534080000022
y＝x1
其中，x1和x2为给水系统的状态变量，y为输出变量，即汽包水位高度，u为控制输入变量，即给水量，α和τ为未知的系统参数；
(2)定义跟踪误差e1的表达式为：
e1＝x1-xd
其中，xd为期望水位高度(xd是随时间变化的)；
设定误差界为：
Figure BDA0002317534080000023
其中，
Figure BDA0002317534080000024
和
Figure BDA0002317534080000025
分别为跟踪误差e1的上下界(为用户根据需要定义的时变函数)；
(3)作误差变换得到转换误差s，选择误差转换函数如下：
Figure BDA0002317534080000026
其中，
Figure BDA0002317534080000027
为奇函数，是关于e1的增函数，且满足：
Figure BDA0002317534080000028
(4)计算转换误差s的导数
Figure BDA0002317534080000029
其表达式为：
Figure BDA00023175340800000210
其中，
Figure BDA0002317534080000031
Mi表示函数M对第i个自变量的偏导数，i＝1,2,3。
(5)根据李雅普诺夫理论设计控制律，选取李雅普诺夫函数V10，表示为：
Figure BDA0002317534080000032
求导，得：
Figure BDA0002317534080000033
(6)定义一个新的误差e2，表示为：
e2＝x2-x2d
其中，x2d是一个虚拟控制输入变量；
将误差e2带入
Figure BDA0002317534080000034
得：
Figure BDA0002317534080000035
应用杨-不等式，得到：
Figure BDA0002317534080000036
其中，|d|≤dm，dm为测量误差d的上界；
进而得到：
Figure BDA0002317534080000037
(7)设计虚拟控制输入变量x2d，表示为：
Figure BDA0002317534080000038
其中，k1为正常数(用户自定义，用于调整控制效果)；
把上式带入
Figure BDA0002317534080000039
得：
Figure BDA00023175340800000310
(8)选取另一个李雅普诺夫函数V20，表示为：
Figure BDA00023175340800000311
其中，k3为正常数(用户自定义，用于调整控制效果)；
对V20求导得
Figure BDA0002317534080000041
考虑到
Figure BDA0002317534080000042
表示为：
Figure BDA0002317534080000043
设计理想控制律，表示为
Figure BDA0002317534080000044
其中，k2为正常数(用户自定义，用于调整控制效果)；
参数α和τ为未知的系统参数，以估计值
Figure BDA0002317534080000045
和
Figure BDA0002317534080000046
代替控制律中的α和τ。
Figure BDA0002317534080000047
把上式带入
Figure BDA0002317534080000048
得到：
Figure BDA0002317534080000049
其中，
Figure BDA00023175340800000410
且
Figure BDA00023175340800000411
设计
Figure BDA00023175340800000412
和
Figure BDA00023175340800000413
的更新律为：
Figure BDA00023175340800000414
Figure BDA00023175340800000415
λA、λB、kA、kB为正常数(用户自定义，用于调整A和B的更新速度)；
(9)设计最终的控制律，表示为：
Figure BDA00023175340800000416
此时的控制输入变量u即可实现提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制。
进一步地，所述步骤(3)中，
Figure BDA00023175340800000417
的表达式如下：
Figure BDA00023175340800000418
进一步地，所述步骤(9)中，选取李雅普诺夫函数
Figure BDA00023175340800000419
其导数表示为：
Figure BDA0002317534080000051
根据李雅普诺夫理论可得控制系统所有信号s、e1、e2、
Figure BDA0002317534080000052
u满足有界性。
本发明的有益效果是：本发明基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，在给水系统模型参数未知的情况下同时实现参数辨识和提高暂态性能。同时，抑制有界测量误差的影响。通过误差转换技术进行系统变换，对变换后的系统设计自适应控制律，使给水系统的水位实际值与设定值的误差保持在用户预设的误差界之内。同时，本控制方法考虑了参数未知和存在有界扰动的情况。本控制方法能克服现有模型中的不确定性，增强控制系统的鲁棒性，具有抗干扰能力。此外，本控制方法可以保证收敛速度较快，超调量在合理范围内，实现在保证安全生产的同时尽可能提高控制效果，进而提高生产效率，提高发电厂利润。
附图说明
图1是本发明基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法的流程图；
图2是本控制方法的控制系统框图；
图3是本控制方法的汽包水位输出曲线图；
图4是本控制方法的汽包水位跟踪误差曲线与误差预设界图；
图5是本控制方法的汽包水位转换误差图；
图6是本控制方法的汽包水位控制输入变量图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供的一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，该控制方法流程图如图1所示，控制系统框图如图2所示，其中，由水位传感器测量锅炉汽包水位高度y，与期望水位高度xd做差后得到跟踪误差e1，跟踪误差e1传输给自适应控制器，控制律由控制器计算输出控制输入变量，作为给水量的信号传输给给水阀门，进而控制锅炉汽包水位高度，在图3-6的仿真结果中，期望水位的变化为：
Figure BDA0002317534080000053
该方法的具体实现包括以下步骤：
(1)选取某台亚临界中间一次再热自然循环汽包炉，对于已知的燃煤机组汽包锅炉给水系统控制模型，将其传递函数模型
Figure BDA0002317534080000061
等效转换为状态空间模型，并考虑测量误差d，表示为：
Figure BDA0002317534080000062
Figure BDA0002317534080000063
y＝x1
其中，x1和x2为给水系统的状态变量，d为测量误差，y为输出变量，即汽包水位高度，u为控制输入变量，即给水量，其给水系统的实际参数为α＝0.0014,τ＝11.2；
(2)定义跟踪误差e1的表达式为：
e1＝x1-xd
其中，xd为期望水位高度(xd是随时间变化的)；
设定误差界为：
Figure BDA0002317534080000064
其中，
Figure BDA0002317534080000065
和
Figure BDA0002317534080000066
分别为跟踪误差e1的上下界，
Figure BDA0002317534080000067
(3)作误差变换得到转换误差s，选择误差转换函数如下：
Figure BDA0002317534080000068
其中，
Figure BDA0002317534080000069
为奇函数，是关于e1的增函数，且满足：
Figure BDA00023175340800000610
Figure BDA00023175340800000611
的表达式如下：
Figure BDA00023175340800000612
(4)计算转换误差s的导数
Figure BDA00023175340800000613
其表达式为：
Figure BDA00023175340800000614
其中，
Figure BDA00023175340800000615
Mi表示函数M对第i个自变量的偏导数，i＝1,2,3。
(5)根据李雅普诺夫理论设计控制律，选取李雅普诺夫函数V10，表示为：
Figure BDA0002317534080000071
求导，得：
Figure BDA0002317534080000072
(6)定义一个新的误差e2，表示为：
e2＝x2-x2d
其中，x2d是一个虚拟控制输入变量；
将误差e2带入
Figure BDA0002317534080000073
得：
Figure BDA0002317534080000074
应用杨-不等式，得到：
Figure BDA0002317534080000075
其中，|d|≤dm，dm为测量误差d的上界；
进而得到：
Figure BDA0002317534080000076
(7)设计虚拟控制输入变量x2d，表示为：
Figure BDA0002317534080000077
其中，选取k1＝10；
把上式带入
Figure BDA0002317534080000078
得：
Figure BDA0002317534080000079
(8)选取另一个李雅普诺夫函数V20，表示为：
Figure BDA00023175340800000710
其中，k3＝250；
对V20求导得
Figure BDA0002317534080000081
考虑到
Figure BDA0002317534080000082
表示为：
Figure BDA0002317534080000083
设计理想控制律，表示为
Figure BDA0002317534080000084
其中，k2＝16000；
参数α和τ为未知的系统参数，以估计值
Figure BDA0002317534080000085
和
Figure BDA0002317534080000086
代替控制律中的α和τ。
Figure BDA0002317534080000087
把上式带入
Figure BDA0002317534080000088
得到：
Figure BDA0002317534080000089
其中，
Figure BDA00023175340800000810
且
Figure BDA00023175340800000811
设计
Figure BDA00023175340800000812
和
Figure BDA00023175340800000813
的更新律为：
Figure BDA00023175340800000814
Figure BDA00023175340800000815
选取λA＝0.01和λB＝0.01，选取kA＝0.002和kB＝0.003为；
(9)设计最终的控制律，表示为：
Figure BDA00023175340800000816
此时的控制输入变量u即可实现提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制。
选取李雅普诺夫函数
Figure BDA00023175340800000817
其导数表示为：
Figure BDA00023175340800000818
根据李雅普诺夫理论可得控制系统所有信号s、e1、e2、
Figure BDA00023175340800000819
u满足有界性。实际给水系统的参数如表1所示，控制器的参数如表2所示；
表1.实际给水系统模型参数表
τ 11.2
α 0.0014
d 0.0001 sin 2t
表2.参数表
Figure BDA0002317534080000091
图3-6为期望水位连续变化时的控制效果图，期望水位的变化为：
Figure BDA0002317534080000092
从图4仿真结果可知，在所设计的自适应控制律的作用下，实际水位与期望水位的跟踪误差一直保持在用户预设的误差界之内，具有快速的收敛速度和小的超调量，暂态性能良好，同时验证了自适应控制律可快速辨识系统参数，且能抑制测量误差的影响，提高了控制系统的鲁棒性，既保证了控制效果，又具有安全性。此外，从图3的控制效果可知当期望水位发生突变时，仍然能保证控制效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对于已知的燃煤机组汽包锅炉给水系统控制模型，将其传递函数模型等效转换为状态空间模型，并考虑测量误差d，表示为：
Figure FDA0002901477570000011
Figure FDA0002901477570000012
y＝x1
其中，x1和x2为给水系统的状态变量，y为输出变量，即汽包水位高度，u为控制输入变量，即给水量，α和τ为未知的系统参数；
(2)定义跟踪误差e1的表达式为：
e1＝x1-xd
其中，xd为期望水位高度；
设定误差界为：
Figure FDA0002901477570000013
其中，
Figure FDA0002901477570000014
和
Figure FDA0002901477570000015
分别为跟踪误差e1的上下界，为时变函数；
(3)作误差变换得到转换误差s，选择误差转换函数如下：
Figure FDA0002901477570000016
其中，
Figure FDA0002901477570000017
为奇函数，是关于e1的增函数，且满足：
Figure FDA0002901477570000018
(4)计算转换误差s的导数
Figure FDA0002901477570000019
其表达式为：
Figure FDA00029014775700000110
其中，
Figure FDA00029014775700000111
Mi表示函数M对第i个自变量的偏导数，i＝1,2,3；
(5)根据李雅普诺夫理论设计控制律，选取李雅普诺夫函数V10，表示为：
Figure FDA0002901477570000021
求导，得：
Figure FDA0002901477570000022
(6)定义一个新的误差e2，表示为：
e2＝x2-x2d
其中，x2d是一个虚拟控制输入变量；
将误差e2带入
Figure FDA0002901477570000023
得：
Figure FDA0002901477570000024
应用杨-不等式，得到：
Figure FDA0002901477570000025
其中，|d|≤dm，dm为测量误差d的上界；
进而得到：
Figure FDA0002901477570000026
(7)设计虚拟控制输入变量x2d，表示为：
Figure FDA0002901477570000027
其中，k1为正常数；
把上式带入
Figure FDA0002901477570000028
得：
Figure FDA0002901477570000029
(8)选取另一个李雅普诺夫函数V20，表示为：
Figure FDA00029014775700000210
其中，k3为正常数；
对V20求导得
Figure FDA00029014775700000211
考虑到
Figure FDA00029014775700000212
表示为：
Figure FDA0002901477570000031
设计理想控制律，表示为
Figure FDA0002901477570000032
其中，k2为正常数；
参数α和τ为未知的系统参数，以估计值
Figure FDA0002901477570000033
和
Figure FDA0002901477570000034
代替控制律中的α和τ；
Figure FDA0002901477570000035
把上式带入
Figure FDA0002901477570000036
得到：
Figure FDA0002901477570000037
其中，
Figure FDA0002901477570000038
且
Figure FDA0002901477570000039
设计
Figure FDA00029014775700000310
和
Figure FDA00029014775700000311
的更新律为：
Figure FDA00029014775700000312
Figure FDA00029014775700000313
λA、λB、kA、kB为正常数；
(9)设计最终的控制律，表示为：
Figure FDA00029014775700000314
此时的控制输入变量u即可实现提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制。
2.根据权利要求1所述的基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，
Figure FDA00029014775700000315
的表达式如下：
Figure FDA00029014775700000316
3.根据权利要求1所述的基于参数自适应提高暂态性能的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，其特征在于，所述步骤(9)中，选取李雅普诺夫函数
Figure FDA00029014775700000317
即可证明给水控制系统所有信号s、e1、e2、
Figure FDA0002901477570000041
u满足有界性。
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