CN114035437B - 一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法及装置，其方法主要包括：根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型；根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法；根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律。本发明实现了集热场出口温度的无偏控制，同时将无限时域性能指标引入预测扰动抑制控制算法，保证闭环系统的稳定性，所得到的最优模型预测控制律为状态反馈增益的形式，可以直接融入主动抗扰控制框架中，从而使得预测控制具备主动扰动抑制的能力，从而解决了现有技术中无法评估太阳辐射之外的其他干扰的问题，同时解决了反馈控制律的迟延影响过大的问题。
Description
技术领域
本申请涉及热工自动控制领域，尤其涉及一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法及装置。
背景技术
槽式集热器是一种利用的是光热转化方式，通过聚焦、反射和吸收等过程实现光能到热能的转化，使换热介质达到一定温度，以满足不同负载的需求的集热装置。槽式集热器属于中高温集热器的范畴，可以使换热工质得到比较高的温度，可被用到热发电、海水淡化处理、供暖工程、吸收式制冷等生活和生产领域。由于太阳能广阔的应用前景，太阳能是槽式集热器的主要能量来源。太阳能槽式集热器在太阳能利用系统中占据主导地位，它为系统提供热源，其效率和投资成本会影响到整个集热系统的效率和经济性。槽式太阳能集热装置采用真空玻璃管结构，即内管采用镀有高吸收率选择性吸收图层的金属管，管内走加热介质，最外面为玻璃管，玻璃管与金属管间抽真空以抑制对流和传导热损失。
槽式太阳能集热场出口温度直接关系到整个太阳能发电机组运行的安全性和经济性，出口温度太低会影响发电效率，而出口温度太高则会引起管内导热油的传热恶化。因此该参数是机组运行过程中需要重点监控的过程参数之一。集热场控制目标是通过控制导热油的流量来使集热场出口温度保持在额定值附近或跟踪设定值变化。
然而，集热场出口温度是比较难控的系统之一。主要原因有两点：一是该系统存在大迟延、非线性和强耦合特性；其次，该系统存在很多扰动，包括外扰，即太阳辐射和入口导热油温度变化和内扰，即如时变的动态和参数摄动。加之上述扰动大多数不可测或很难测量精准。这些扰动的存在大大增加了控制难度。目前通常采用PID控制、自适应控制、鲁棒控制和卡尔曼滤波器相结合的控制方案。在这些控制策略中，卡尔曼滤波器作为前馈用来观测外扰的影响，然后再在反馈控制器中进行扰动补偿。但是一方面卡尔曼滤波器无法考虑到对除太阳辐射的其他干扰进行估计，另一方面前述反馈控制律无法减小迟延的影响。
发明内容
针对现有技术中无法评估太阳辐射的其他干扰的问题，同时反馈控制律的迟延影响过大的问题，本申请提供一种槽式太阳能集热场出口温度最优预测抗干扰控制方法，能够进一步在扰动存在的情况下实现才是太阳能集热场出口温度的无偏控制，从而解决现有技术的不足。
本申请提供了一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法，所述方法包括：
S10，根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型；
S20，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法；
S30，根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律。
优选的，所述S10中的建立线性离散的槽式太阳能集热场模型为：
S11，在稳态工况处利用一阶泰勒展开法对已知非线性槽式太阳能集热场模型线性化为：
式中，x＝[x1,...,xn,xn+1,...,x2n,x2n+1,...,x3n]T＝[tH(1),...,tH(n),ta(1),...,ta(n),tg(1),...,tg(n)]T,n代表集热管按长度共平均分为n段，tH(j)，ta(j)，tg(j)分别代表集热管第j段出口导热油、吸收管和玻璃罩温度的相对值；tH(j)＝TH(j)-TH,out,r,ta(j)＝Ta(j)-Ta,r(j),tg(j)＝Tg(j)-Tg,r(j),j＝1,2...,n；ym代表可测输出相对值，即ym＝x；y代表控制输出相对值，即集热场出口导热油温度的相对值；u＝qH-qH,r为导热油流量相对值，di代表外扰，即太阳辐照度和集热场入口温度；ΔAm和O(·)分别代表参数摄动和高阶小项；其中，把外扰、参数摄动和高阶小项，作为集总干扰，表示为Bdcdi；
S12，将线性化的模型离散化得到线性离散模型：
式中，xk,ymk,和yk分别代表x,ym和y的离散化后的值，Bd是待设计的参数。
优选的，S20中的根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法：
S21，将线性离散模型表示为扩张形式
式中，为扩张状态，/>
S22，设计相应的广义扩张状态观测：
式中，和/>分别是ξk和ymk的估计值，L是需要设计的观测增益，可根据极点配置设计。
优选的，S30中根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律为：
S31，在k时刻，基于广义扩张状态观测算法对集总扰动dk进行观测得到其估计值
S32，把集总干扰的作用折算到状态量和输入量的稳态估计(xss，uss)中：由
可得即
S33，计算偏差形式的双模态控制律：
式中，ck+i为控制自由度，nc为第一模态的长度；
S34，将偏差形式的控制律代到线性离散化模型中，并定义Φ＝A-BK，可得
S35，定义和扩张变量/>计算zk的动态特性：
S36，推导偏差形式的各变量：
其中，
S37，建立最优模型预测抗干扰控制问题：
采用如下无穷时域性能指标：
式中，Q和R均为权重矩阵；
将(9)和(10)代入(11)，可得最终的最优模型预测抗干扰控制问题为：
s.t.系统(2)
S38，求解最优控制律：通过求极值必要条件可得
联立(4)、(6)、(7)和(13)，得最终的控制律为：
式中，Kt＝(KoM1+M3)Bd。
优选的，所述装置包括：
太阳能集热场模型，根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型；
广义扩张状态观测模块，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法；
最优控制律模块，根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律。
优选的，所述太阳能集热场模型为：
S11，在稳态工况处利用一阶泰勒展开法对已知非线性槽式太阳能集热场模型线性化为：
式中，x＝[x1,...,xn,xn+1,...,x2n,x2n+1,...,x3n]T＝[tH(1),...,tH(n),ta(1),...,ta(n),tg(1),...,tg(n)]T,n代表集热管按长度共平均分为n段，tH(j)，ta(j)，tg(j)分别代表集热管第j段出口导热油、吸收管和玻璃罩温度的相对值；tH(j)＝TH(j)-TH,out,r,ta(j)＝Ta(j)-Ta,r(j),tg(j)＝Tg(j)-Tg,r(j),j＝1,2...,n；ym代表可测输出相对值，即ym＝x；y代表控制输出相对值，即集热场出口导热油温度的相对值；u＝qH-qH,r为导热油流量相对值，di代表外扰，即太阳辐照度和集热场入口温度；ΔAm和O(·)分别代表参数摄动和高阶小项；其中，把外扰、参数摄动和高阶小项，作为集总干扰，表示为Bdcdi；
S12，将线性化的模型离散化得到线性离散模型：
式中，xk,ymk,和yk分别代表x,ym和y的离散化后的值，Bd是待设计的参数。
优选的，所述广义扩张状态观测模块为：
S21，将线性离散模型表示为扩张形式
式中，为扩张状态，/>
S22，设计相应的广义扩张状态观测：
式中，和/>分别是ξk和ymk的估计值，L是需要设计的观测增益，可根据极点配置设计。
优选的，所述最优控制律模块为：
S31，在k时刻，基于广义扩张状态观测算法对集总扰动dk进行观测得到其估计值
S32，把集总干扰的作用折算到状态量和输入量的稳态估计(xss，uss)中：由
可得即
S33，计算偏差形式的双模态控制律：
式中，ck+i为控制自由度，nc为第一模态的长度；
S34，将偏差形式的控制律代到线性离散化模型中，并定义Φ＝A-BK，可得
S35，定义和扩张变量/>计算zk的动态特性：
S36，推导偏差形式的各变量：
其中，
S37，建立最优模型预测抗干扰控制问题：
采用如下无穷时域性能指标：
式中，Q和R均为权重矩阵；
将(9)(10)代入(11)，可得最终的最优模型预测抗干扰控制问题为：
s.t.系统(2)
S38，求解最优控制律：通过求极值必要条件可得
联立(4)、(6)、(7)和(13)，得最终的控制律为：
式中，Kt＝(KoM1+M3)Bd。
本发明针通过建立广义扩张状态观测算法，实现了集热场出口温度的无偏控制，同时将无限时域性能指标的引入预测扰动抑制控制算法，保证闭环系统的稳定性，所得到的最优模型预测控制律为状态反馈增益的形式，可以直接融入主动抗扰控制框架中，从而使得预测控制具备主动扰动抑制的能力，从而解决了现有技术中无法评估太阳辐射之外的其他干扰的问题，同时反馈控制律的迟延影响过大的问题。
附图说明
图1为实施例中一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法的流程图；
图2为实施例中一种槽式太阳能集热场出口温度最优预测抗干扰控制结构图；
图3为实施例中一种集热场入口导热油温度与时间关系图；
图4为实施例中一种集热场导热油流量与时间关系图；
图5为实施例中一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制装置的结构框图。
具体实施方式
本发明通过建立广义扩张状态观测算法，实现了集热场出口温度的无偏控制，同时将无限时域性能指标的引入预测扰动抑制控制算法，保证闭环系统的稳定性，所得到的最优模型预测控制律为状态反馈增益的形式，可以直接融入主动抗扰控制框架中，从而使得预测控制具备主动扰动抑制的能力，从而解决了现有技术中无法评估太阳辐射之外的其他干扰的问题，同时解决了反馈控制律的迟延影响过大的问题。
图1为本申请一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法的流程示意图。
S10，根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型。
具体的，所述S10中的建立线性离散的槽式太阳能集热场模型为：
S11，在稳态工况处利用一阶泰勒展开法对已知非线性槽式太阳能集热场模型线性化为：
式中，x＝[x1,...,xn,xn+1,...,x2n,x2n+1,...,x3n]T＝[tH(1),...,tH(n),ta(1),...,ta(n),tg(1),...,tg(n)]T,n代表集热管按长度共平均分为n段，tH(j)，ta(j)，tg(j)分别代表集热管第j段出口导热油、吸收管和玻璃罩温度的相对值；tH(j)＝TH(j)-TH,out,r,ta(j)＝Ta(j)-Ta,r(j),tg(j)＝Tg(j)-Tg,r(j),j＝1,2...,n；ym代表可测输出相对值，即ym＝x；y代表控制输出相对值，即集热场出口导热油温度的相对值；u＝qH-qH,r为导热油流量相对值，di代表外扰，即太阳辐照度和集热场入口温度；ΔAm和O(·)分别代表参数摄动和高阶小项；其中，把外扰、参数摄动和高阶小项，作为集总干扰，表示为Bdcdi；
S12，将线性化的模型离散化得到线性离散模型：
式中，xk,ymk,和yk分别代表x,ym和y的离散化后的值，Bd是待设计的参数。
S20，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法。
具体的，S20中的根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法：
S21，将线性离散模型表示为扩张形式
式中，为扩张状态，/>
S22，设计相应的广义扩张状态观测：
式中，和/>分别是ξk和ymk的估计值，L是需要设计的观测增益，可根据极点配置设计。
S30，根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律。
具体的，S30中根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律为：
S31，在k时刻，基于广义扩张状态观测算法对集总扰动dk进行观测得到其估计值
S32，把集总干扰的作用折算到状态量和输入量的稳态估计(xss，uss)中：由
可得即
S33，计算偏差形式的双模态控制律：
式中，ck+i为控制自由度，nc为第一模态的长度；
S34，将偏差形式的控制律代到线性离散化模型中，并定义Φ＝A-BK，可得
S35，定义和扩张变量/>计算zk的动态特性：
S36，推导偏差形式的各变量：
其中，
S37，建立最优模型预测抗干扰控制问题：
采用如下无穷时域性能指标：
式中，Q和R均为权重矩阵；
将(9)(10)代入(11)，可得最终的最优模型预测抗干扰控制问题为：
s.t.系统(2)
S38，求解最优控制律：通过求极值必要条件可得
联立(4)、(6)、(7)和(13)，得最终的控制律为：
式中，Kt＝(KoM1+M3)Bd。
图2为一种集热场出口温度控制效果图。
一个具体的实施例为，首先，获得线性-离散模型
对非线性集热场模型(15)：
式中，下标H,a,g,i和o分别代表导热油，吸收管，玻璃罩，管内和管外；TH(j),Ta(j),Tg(j)分别代表第j段出口的导热油、吸收管和玻璃管的温度。TH(0)＝Tin和TH(n)＝TH,out分别代表集热场入口和出口温度；qH为导热油流量，ρ为密度，c为比热容，A为导热管的横截面积，P为管径，Δl为每段管长，h为对流换热系数，DNI为辐照度，ηopt为光学效率，w为孔径宽度，Tsky为天空温度，Tatm为环境温度，σ为玻尔兹曼常数，εa为吸收管壁的发射率，εg为玻璃罩发射率，Q为辐射热。设定整个集热场管分为两段处理，即n＝2，因此集热场出口温度TH,out＝TH(2)。
| TH,out,r(2) | qH,r(kg/s) | Ta,r(2)(℃) | Tg,r(2)(℃) | DNIr(W/m2) | TH,in,r(℃) | Tatm,r(℃) | Tsky,r(℃) | |
| #1 | 369.20 | 7 | 373.50 | 51.50 | 700 | 275 | 25 | 10 |
在上表所示的工况点#1处，线性化对象(15)可得如式(1)所示的线性模型，得到Am,Bm,Cm,Co。
进一步，设定采样时间为1秒，由式(2)可得线性离散模型的参数A,B，设计Bd＝9×10-3I6×6。
然后，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法。
将对象重新表述成如式(4)所示的扩张形式，并且设计观测器增益L。在这里，根据秩判据可知，可观，根据极点的幅值小于1的原则配置设计L。
最后，设计复合最优模型预测扰动抑制控制器。
在k时刻，基于广义扩张状态观测器(4)对扰动dk进行观测得到其估计值
由式(6)把集总干扰的作用折算到状态量和输入量的稳态估计(xss，uss)中，得-M1Bd和-M3Bd的值。
将稳态估计(xss,uss)代入式(7)，得到偏差形式的双模态控制律。此时设置
K＝[-0.1663，-0.1673，-0.0207，-0.0217，-0.0033，-0.0054]，nc＝4。
将偏差形式的控制律代到线性离散化模型(2)中，并计算Φ＝A-BK，可得闭环系统的离散形式(8)。
根据式(9)计算扩张向量zk的动态特性Ψ。
推导式(10)所示各变量的偏差形式。
建立最优模型预测抗干扰控制问题(12)，此时Sc＝20.208I4×4,Sxc＝06×4.求解最优控制律(14)：
Ko＝[-0.1663,-0.1673,-0.0207,-0.0217,-0.0033,-0.0054]
Kt＝[0.0349-0.3337 0.0044-0.0404 0.0026 0.0035]
在该工况下，加入的外界干扰为：在0.556～0.611小时内，斜率为18℃/h的斜坡干扰，代表集热场入口导热油温度变化；在1.25～1.667小时之后，幅值为-20W/m2的阶跃干扰，代表太阳辐射的变化，结果如图3所示。
由图4可以看出，在上述干扰存在的情况下，集热场出口温度TH,out在较小的波动之后依然能快速稳定在369.2℃，且导热油流量的变化幅度较小。说明了本研究方法在集热场出口温度控制方面的有效性。
在另一方面，参见图5，本申请提供了一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制装置，包括：
太阳能集热场模型，根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型；
广义扩张状态观测模块，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法；
最优控制律模块，根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S10，根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型；
S20，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法；
S30，根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律；
S30中根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律为：
S31，在k时刻，基于广义扩张状态观测算法对集总扰动dk进行观测得到其估计值
S32，把集总干扰的作用折算到状态量和输入量的稳态估计(xss，uss)中：由
可得即
S33，计算偏差形式的双模态控制律：
式中，ck+i为控制自由度，nc为第一模态的长度；
S34，将偏差形式的控制律代到线性离散化模型中，并定义Φ＝A-BK，可得
S35，定义和扩张变量/>计算zk的动态特性：
S36，推导偏差形式的各变量：
其中，
S37，建立最优模型预测抗干扰控制问题：
采用如下无穷时域性能指标：
式中，其中，i＝0，...∞，Q和R均为权重矩阵；
将(9)(10)代入(11)，可得最终的最优模型预测抗干扰控制问题为：
S38，求解最优控制律：通过求极值必要条件可得
联立(4)、(6)、(7)和(13)，得最终的控制律为：
式中，Kt＝(KoM1+M3)Bd。
2.根据权利要求1所述的一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法，其特征在于，所述S10中的建立线性离散的槽式太阳能集热场模型为：
S11，在稳态工况处利用一阶泰勒展开法对已知非线性槽式太阳能集热场模型线性化为：
式中，x＝[x1,...,xn,xn+1,...,x2n,x2n+1,...,x3n]T＝[tH(1),...,tH(n),ta(1),...,ta(n),tg(1),...,tg(n)]T,n代表集热管按长度共平均分为n段，tH(j)，ta(j)，tg(j)分别代表集热管第j段出口导热油、吸收管和玻璃罩温度的相对值；tH(j)＝TH(j)-TH,out,r,ta(j)＝Ta(j)-Ta,r(j),tg(j)＝Tg(j)-Tg,r(j),j＝1,2...,n；ym代表可测输出相对值，即ym＝x；y代表控制输出相对值，即集热场出口导热油温度的相对值；u＝qH-qH,r为导热油流量相对值，di代表外扰，即太阳辐照度和集热场入口温度；ΔAm和O(·)分别代表参数摄动和高阶小项；其中，把外扰、参数摄动和高阶小项，作为集总干扰，表示为Bdcdi；
S12，将线性化的模型离散化得到线性离散模型：
式中，xk,ymk,和yk分别代表x,ym和y的离散化后的值，Bd是待设计的参数。
3.根据权利要求1所述的一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法，其特征在于，S20中的根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法：
S21，将线性离散模型表示为扩张形式
式中，为扩张状态，/>
S22，设计相应的广义扩张状态观测：
式中，和/>分别是ξk和ymk的估计值，L是需要设计的观测增益，可根据极点配置设计。
4.一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制装置，应用于上述权利要求1至3中任一项所述的一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制方法，其特征在于，所述装置包括：
太阳能集热场模型，根据槽式太阳能集热场，建立线性离散的槽式太阳能集热场模型；
广义扩张状态观测模块，根据所述线性离散的槽式太阳能集热场模型，获得出广义扩张状态观测算法；
最优控制律模块，根据所述广义扩张状态观测算法，计算出最优控制律；
所述最优控制律模块为：
S31，在k时刻，基于广义扩张状态观测算法对集总扰动dk进行观测得到其估计值
S32，把集总干扰的作用折算到状态量和输入量的稳态估计(xss，uss)中：由
可得即
S33，计算偏差形式的双模态控制律：
式中，ck+i为控制自由度，nc为第一模态的长度；
S34，将偏差形式的控制律代到线性离散化模型中，并定义Φ＝A-BK，可得
S35，定义和扩张变量/>计算zk的动态特性：
S36，推导偏差形式的各变量：
其中，
S37，建立最优模型预测抗干扰控制问题：
采用如下无穷时域性能指标：
式中，其中，i＝0，...∞，Q和R均为权重矩阵；
将(9)和(10)代入(11)，可得最终的最优模型预测抗干扰控制问题为：
S38，求解最优控制律：通过求极值必要条件可得
联立(4)、(6)、(7)和(13)，得最终的控制律为：
式中，Kt＝(KoM1+M3)Bd。
5.根据权利要求4所述的一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制装置，其特征在于，所述太阳能集热场模型为：
S11，在稳态工况处利用一阶泰勒展开法对已知非线性槽式太阳能集热场模型线性化为：
式中，x＝[x1,...,xn,xn+1,...,x2n,x2n+1,...,x3n]T＝[tH(1),...,tH(n),ta(1),...,ta(n),tg(1),...,tg(n)]T,n代表集热管按长度共平均分为n段，tH(j)，ta(j)，tg(j)分别代表集热管第j段出口导热油、吸收管和玻璃罩温度的相对值；tH(j)＝TH(j)-TH,out,r,ta(j)＝Ta(j)-Ta,r(j),tg(j)＝Tg(j)-Tg,r(j),j＝1,2...,n；ym代表可测输出相对值，即ym＝x；y代表控制输出相对值，即集热场出口导热油温度的相对值；u＝qH-qH,r为导热油流量相对值，di代表外扰，即太阳辐照度和集热场入口温度；ΔAm和O(·)分别代表参数摄动和高阶小项；其中，把外扰、参数摄动和高阶小项，作为集总干扰，表示为Bdcdi；
S12，将线性化的模型离散化得到线性离散模型：
式中，xk,ymk,和yk分别代表x,ym和y的离散化后的值，Bd是待设计的参数。
6.根据权利要求4所述的一种槽式太阳能集热场出口温度抗干扰控制装置，其特征在于，所述广义扩张状态观测模块为：
S21，将线性离散模型表示为扩张形式
式中，为扩张状态，/>
S22，设计相应的广义扩张状态观测：
式中，和/>分别是ξk和ymk的估计值，L是需要设计的观测增益，可根据极点配置设计。
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