CN110939928B - 一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法 - Google Patents

一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，包括以下步骤：将已知燃煤机组汽包锅炉给水系统的传递函数模型等效转换为状态空间模型；设定控制目标并定义滤波误差；确定给水系统动态不确定性的边界；设计具有强鲁棒性且能抑制控制振颤的控制律。针对参数不匹配和运行环境变化的情况，本发明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，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。

Description

一种具有强鲁棒性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，尤其涉及一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法。
背景技术
近年来，能源问题已成为世界各国所需讨论解决的首要难题，世界各个国家及组织积极开展探究新型替代能源的技术。其中，可再生能源以其可再生、无污染的特点受到了高度重视。随着新能源技术的发展，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。
在燃煤机组中，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。针对汽包锅炉的水位控制，许多学者对PID控制方法进行了多种类型的改进，取得了一定的效果，但是所达到的精度不高，且没有理论依据。但由于建模技术的限制，现有模型存在不确定性和为建模动态，这造成了控制的困难。
在控制理论中，针对不确定性和为建模动态，滑模控制算法是一种鲁棒控制方法，在机理模型参数具有不确定性且不确定程度的边界已知时，可以采用滑模控制算法以提高整个控制系统的鲁棒性，增强控制系统抗干扰能力。该控制方法关键在于，控制律中可以抵消被控对象的为未知部分。但是传统的滑模控制会带来控制振颤问题，甚至会导致激活高频未建模动态，导致控制系统崩溃，因此需要合理改进控制律，抑制控制振颤，而又不对控制效果造成严重负面影响。
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，仍然是以火力发电为主，虽然现在已经可以充分利用风能、天然气能等代替一部分火力发电，获得更大的经济收益以及环境收益。但是，大量新能源接入电网对燃煤机组的调节能力有了新的挑战。考虑燃煤机组锅炉汽包水位的控制在系统动态不确定性越低的时候滑模控制的效果越好，因此本发明采用滑模控制方法，通过设计滑模面，设计滑模边界层的更新律，在具有不确定性的情况下达到良好的控制效果。滑模控制的步骤清晰，能对抗系统不确定性，鲁棒性能好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有强鲁棒性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，表示为：
Figure BDA0002317950830000021
其中，y为输出变量，即汽包水位高度，y(n)为y的n阶导数，u为控制输入变量，即给水量，
Figure BDA0002317950830000022
为状态变量，
Figure BDA0002317950830000023
和
Figure BDA0002317950830000024
是具有不确定性的以
Figure BDA0002317950830000025
为自变量的函数；
根据燃煤机组汽包锅炉给水系统的实际模型，将状态空间模型写成如下形式：
Figure BDA0002317950830000026
其中，δ为控制增益，
Figure BDA0002317950830000027
以y和
Figure BDA0002317950830000028
为自变量的函数。
(2)设定控制目标为实际水位y跟踪期望水位yd(期望水位yd是随时间变化的)，即水位高度的跟踪误差
Figure BDA0002317950830000029
趋于0；
为了便于设计控制律，定义滤波误差s(y；t)：
Figure BDA00023179508300000210
其中，t为时间，
Figure BDA00023179508300000211
为微分算子，λ为正常数(用户自定义，用于调整收敛速度)，在滤波误差s(y；t)为零时的超平面即为滑模面。
(3)给定动态
Figure BDA00023179508300000212
和δ的不确定的界，表示为：
Figure BDA00023179508300000213
0＜δmin＜δ＜δmax
其中，真实动态Φ不可精确知道，但可知其估计值为
Figure BDA00023179508300000214
且Φ的估计误差受已知函数Γ(由用户根据经验自定义)限制，δ为控制增益，δmax为控制增益上界，δmin为控制增益下界。
(4)令滤波误差的导数
Figure BDA00023179508300000215
得到一个连续控制律的最好逼近
Figure BDA00023179508300000216
表示为：
Figure BDA00023179508300000217
(5)设计实际控制律，表示为：
Figure BDA00023179508300000218
其中，sgn(·)是符号函数，K为误差符号函数的增益，
Figure BDA0002317950830000031
ρ＝(δmax/δmin)1/2；η为正常数(由用户根据经验自定义)。
(6)为抑制控制输入的振颤，将实际控制律改进为如下形式：
Figure BDA0002317950830000032
其中，ξ表示滑模面的边界层；此时的控制输入变量u即可实现具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制。
进一步地，所述步骤(1)中，已知的燃煤机组汽包锅炉给水系统控制模型的传递函数模型如下：
Figure BDA0002317950830000033
其中，G为该给水系统的传递函数，H为燃煤机组锅炉汽包水位，U为给水量，α和τ为燃煤机组汽包锅炉给水系统中具有不确定性的实际参数。
进一步地，所述步骤(6)中，滤波误差s(y；t)的界可转换成跟踪误差
Figure BDA0002317950830000034
的界限，若
Figure BDA0002317950830000035
则有：
Figure BDA0002317950830000036
其中，ε＝ξ/λn-1。
进一步地，所述步骤(6)中，为了在抑制振颤的同时保证控制效果，设计滑模面边界层ξ的更新律：
Figure BDA0002317950830000037
本发明的有益效果是：本发明采用强鲁棒性的控制方法，能在给水系统模型不精确的情况下保证稳态的控制效果；同时，考虑到传统滑模控制会出现控制输入变量抖振的问题，设计了一个滑模面的边界层，可以在不降低控制效果的情况下尽可能抑制抖振现象，提高了整个控制系统的安全性，增强控制系统抗干扰能力。本发明可以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是本发明具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法的流程图；
图2是滑模控制系统框图；
图3是期望水位不连续变化时的控制效果图，(a)为误差变化图，(b)为控制信号图，(c)为实际水位图，(d)为期望水位图；
图4是期望水位连续变化时的控制效果图，(a)为误差变化图，(b)为控制信号图，(c)为实际水位图，(d)为期望水位图。
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。
本发明提供的一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，本控制方法流程图如图1所示，图2为给水系统的控制框图，其中，由水位传感器测量锅炉汽包水位高度y，经过比较环节后得到跟踪误差
Figure BDA0002317950830000041
被输入到滑模控制器中进行计算，控制律由滑模控制器计算输出控制输入变量u，u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。该方法的具体实现包括以下步骤：
(1)本实例中以某台亚临界中间一次再热自然循环汽包炉为例。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，表示为：
Figure BDA0002317950830000042
其中，y为输出变量，即汽包水位高度，y(n)为y的n阶导数，u为控制输入变量，即给水量，
Figure BDA0002317950830000043
为状态变量，
Figure BDA0002317950830000044
和
Figure BDA0002317950830000045
是具有不确定性的以
Figure BDA0002317950830000046
为自变量的函数；
根据燃煤机组汽包锅炉给水系统的实际模型，将状态空间模型写成如下形式：
Figure BDA0002317950830000047
其中，控制增益δ＝α/τ，动态
Figure BDA0002317950830000048
实际参数α＝0.0014,τ＝11.2。
(2)设定控制目标为实际水位y跟踪期望水位yd(期望水位yd是随时间变化的)，即水位高度的跟踪误差
Figure BDA0002317950830000049
趋于0；在图3中，
Figure BDA00023179508300000410
在图4中，yd＝1.2+0.001sint。
为了便于设计控制律，定义滤波误差s(y；t)：
Figure BDA00023179508300000411
其中，t为时间，
Figure BDA0002317950830000051
为微分算子，在滤波误差s(y；t)为零时的超平面即为滑模面，选取参数λ＝0.7。(3)给定动态
Figure BDA0002317950830000052
和δ的不确定的界，表示为：
Figure BDA0002317950830000053
0＜δmin＜δ＜δmax
其中，真实动态Φ不可精确知道，但可知其估计值为
Figure BDA0002317950830000054
且Φ的估计误差受已知函数Γ(由用户根据经验自定义)限制，δ为控制增益，δmax为控制增益上界，δmin为控制增益下界。
在本实例中，选取估计值
Figure BDA0002317950830000055
不确定性程度
Figure BDA0002317950830000056
δmin＝0.001、δmax＝0.0015。
(4)令滤波误差的导数
Figure BDA0002317950830000057
得到一个连续控制律的最好逼近
Figure BDA0002317950830000058
表示为：
Figure BDA0002317950830000059
(5)设计实际控制律，表示为：
Figure BDA00023179508300000510
其中，sgn(·)是符号函数，K为误差符号函数的增益，选取
Figure BDA00023179508300000511
ρ＝(δmax/δmin)1/2；η＝0.05。
(6)为抑制控制输入的振颤，将实际控制律改进为如下形式：
Figure BDA00023179508300000512
其中，ξ表示滑模面的边界层；此时的控制输入变量u即可实现具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制。
为了在抑制振颤的同时保证控制效果，设计滑模面边界层ξ的更新律：
Figure BDA00023179508300000513
滤波误差s(y；t)的界可转换成跟踪误差
Figure BDA00023179508300000514
的界限，若
Figure BDA00023179508300000515
则有：
Figure BDA00023179508300000516
其中，ε＝ξ/λ。
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
表2.参数表
Figure BDA0002317950830000061
图3为期望水位不连续变化时的控制效果图，期望水位的变化为：
Figure BDA0002317950830000062
从仿真结果可知，在所设计的控制律的作用下，实际水位达到滤波误差的边界层内即可，不必保持滤波误差为零，因此控制输入变量无明显振颤，不会激活高频未建模动态。同时，误差在允许范围内，实现了在不精确知道系统动态的情况下锅炉汽包水位的跟踪控制。此外，当期望曲线yd发生突变时，本控制方法仍然能保证水位跟踪控制的效果。
图4为期望水位连续变化时的控制效果图，期望水位的变化为：
yd＝1.2+0.001sint
从仿真结果可知，在所设计的控制律的作用下，实际水位达到滤波误差的边界层内即可，不必保持滤波误差为零，因此控制输入变量无明显振颤，不会激活高频未建模动态。同时，误差在允许范围内，实现了在不精确知道系统动态的情况下锅炉汽包水位的跟踪控制，既保证了控制效果，又具有安全性。
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 (4)

1.一种具有强鲁棒性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，表示为：
Figure FDA0003096227930000011
其中，y为输出变量，即汽包水位高度，y(n)为y的n阶导数，u为控制输入变量，即给水量，
Figure FDA0003096227930000012
为状态变量，
Figure FDA0003096227930000013
和
Figure FDA0003096227930000014
是具有不确定性的以
Figure FDA00030962279300000119
为自变量的函数；
根据燃煤机组汽包锅炉给水系统的实际模型，将状态空间模型写成如下形式：
Figure FDA0003096227930000015
其中，δ为控制增益，
Figure FDA0003096227930000016
以y和
Figure FDA00030962279300000118
为自变量的函数；
(2)设定控制目标为实际水位y跟踪期望水位yd，即水位高度的跟踪误差
Figure FDA0003096227930000017
趋于0；定义滤波误差s(y；t)：
Figure FDA0003096227930000018
其中，t为时间，
Figure FDA0003096227930000019
为微分算子，λ为正常数，在滤波误差s(y；t)为零时的超平面即为滑模面；
(3)给定动态
Figure FDA00030962279300000110
和δ的不确定的界，表示为：
Figure FDA00030962279300000111
其中，真实动态Φ不可精确知道，但可知其估计值为
Figure FDA00030962279300000112
且Φ的估计误差受已知函数Γ限制，δ为控制增益，δmax为控制增益上界，δmin为控制增益下界；
(4)令滤波误差的导数
Figure FDA00030962279300000113
得到一个连续控制律的最好逼近
Figure FDA00030962279300000114
表示为：
Figure FDA00030962279300000115
(5)设计实际控制律，表示为：
Figure FDA00030962279300000116
其中，sgn(·)是符号函数，K为误差符号函数的增益，
Figure FDA00030962279300000117
ρ＝(δmax/δmin)1/2；η为正常数；
(6)为抑制控制输入的振颤，将实际控制律改进为如下形式：
Figure FDA0003096227930000021
其中，ξ表示滑模面的边界层；此时的控制输入变量u即可实现具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制。
2.根据权利要求1所述的一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，已知的燃煤机组汽包锅炉给水系统控制模型的传递函数模型如下：
Figure FDA0003096227930000022
其中，G为该给水系统的传递函数，H为燃煤机组锅炉汽包水位，U为给水量，α和τ为燃煤机组汽包锅炉给水系统中具有不确定性的实际参数。
3.根据权利要求1所述的一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中，滤波误差s(y；t)的界可转换成跟踪误差
Figure FDA0003096227930000023
的界限，若
Figure FDA0003096227930000024
则有：
Figure FDA0003096227930000025
其中，ε＝ξ/λn-1。
4.根据权利要求1所述的一种具有强鲁棒性的燃煤机组汽包锅炉水位控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中，为了在抑制振颤的同时保证控制效果，设计滑模面边界层ξ的更新律：
Figure FDA0003096227930000026
。
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