主蒸汽压力的无模型自适应预测控制.docx

主蒸汽压力的无模型自适应预测控制冯玉昌，史冬琳，白佳文东北电力大学自动化工程学院 ，吉林 吉林市 摘要 针对火电机组主蒸汽压力被 控 对 象 的 大 惯 性 、大 迟 延 等 特 点，采 用 伪 梯 度 向 量 的 概 念， 对被 控 对象进行动态化处理 ，得 到 预 测 模 型。 提 出 了 种新 型的无模型自适应 预 测 控 制（）算法，将 算法用于主 蒸 汽 压 力 串 级 控 制 系 统 的 主 调 节 器 中 ，副 调 节器采用常规 控制器。仿真结果表明， 串 级 控 制 系 统 较 常 规 串级控制系统响应速度快 、抗干扰性能强，对系统参数时变具有较好的鲁棒性 。关键词 火电机组；主蒸汽压力； 算法；预测控制；串级控制系统中图分类号 ； 文献标识码 文 章 编 号 （） 编 号 ，： ， （） ， ， ， ， ， ：； 火电机组主 蒸 汽 压 力 不 仅 具 有 大 惯 性 、大 迟 延 特 性，而 且 还 存 在 强 非 线 性 和 时 变 性，常 规 串 级 主蒸汽压力控制 系 统 由 于 控 制 参 数 难 于 整 定 ，往 往 不 能 取得良 好 的 控 制 效 果。 文 献 将 内 模 串 级 收 稿 日 期 ： 作 者 简 介 ： 冯 玉 昌（ ），男 ，毕业于华北电力大学 ，硕 士 ，讲 师 ，主要从事发电厂热工过程控制 、智 能 控 制 、预测控制等技术的教学与研究 。 ： 控制方法用于主 蒸 汽 压 力 控 制 系 统 ，取得了较好的动 态性能。文献 在 基 于 无 模 型 自 适 应 控 制 （） 的基础 上，提 出 了 种 无 模 型 自 适 应 控 制 和 串 级 控制的方法。为了预测对大 迟 延 、大惯性对象控 制 的 有效性，文献提出了种稳定自适应预测 函 数 控 制 策略，并应用于主蒸汽温度控制系统中 ，得到 了 系 统 闭 环稳定 的 条 件。 文 献 将 模糊建模与预 测 函 数控制相结合，提出了模糊自适应预测函数 控 制 策 略 ，由式（）可得到式（）的状态空间模型：（） （）（）（）（） （）（）（）式中：（）（），（），（） ；熿 燄 ； 对工况的变化具 有 较 好 的 适 应 性 。 文 献 将 状 态 变燀 燅量 预测控制方法用于控制锅炉再热蒸 汽 温 度 ，有 效 地 ；控制了大惯性、大滞后被控对象。年提出 的 利 用 个 新 引 入 的 伪梯度向量概念，采用一系列的动态线性时变 模 型 （紧 格式、偏格式、全 格式线性化等模型 ）代替一般的非线 性系统，并且仅利用 受 控 系 统 的 数据在线估计系 统的伪梯度向量，从 而 实 现 非 线 性 系 统 的 无 模 型 学 习 自适应控制。由于无模型 方 法 具 有 不 依 赖 于 系 统 参数模型、参数自适应等特点，能够很好地解 决 非 线 性 系统的建模 问 题。 本 文 采 用 中 的 偏 格 式 线 性 化方 法 建 立 预 测 模 型 ，提 出 了 基 于 的 主 蒸 汽 压力串级控制策 略，在 线 自 适 应 调 整 系 统 的 伪 梯 度 向 量，取得了良好的控制效果 。 自适应预测控制模型被控 对 象 可 由 单 输 入、输 出 （）非 线 性 离 散 方 程描述：（）（），（），（），（） （）（） 。显然，式（）中的未 知 参 数 向 量（）为 时 变 向 量， 可采用下式估算：（）（）（） （）（）（） （）（）（）式中：为学习步长；，以 保 证 式 （）的 合 理替代范围，因此可以间接限制伪梯度向量值的变化 。由式（）、式（）可得系统 时刻的预测模型为：（） （）（）， ， （） 式中：（）为 在 时 刻 对 系 统 时 刻 状 态 的 预测值；（）为 预测控制输入序列 ； 为 预 测 时 域长度。另外，（）（），（）（），。 时 刻 系 统 在 个 连 续 的 控 制 增 量 （）， （），（）作 用 下，未 来 个 时 刻 的 输 出预测值可由式（）、式（）得到：（）（） （） （）式中：（）、（）分 别 为 系 统 在 时 刻 的 输 入、输 出；、 分别为系统未知 的 阶 数；（ ）为 未 知 的 非 线 性（）（）（） （） （）（）函数。假设（）对（），（），（）分 别存在连续的偏导 数，式 （）为 广 义 ，并 对 任 意 和（）有：（） （）式中：（）（）（）；（）（） （）；（）（），（），其 中 为正整数，即控制输入线性化长度常数 ； 为常数。则对于某一给定的 ，一 定 存 在 一 个 （）为 系 统 的伪梯度向量，当（）时，则有，： （） （）（），且 （） （） 式中，（）（）， （） 。（）（）（） （） （）将式（）等 号 两端分别累加可 以 得到系 统 时 刻的输出预测值为：（）（）（）（）（）式中：* （） （ ）（ ）（）（） （）（）（）（）采用如下性能指标： （） ，（） （）（） 为了验证本文提出的 串级 控 制 策 略的有效性，进 行 串 级 控 制 和 串（）（）级控 制 的 仿 真，并 加 以 比 较。 串 级 控 制 系 统式中：、 为 权 系 数，分 别 表 示 对 跟 踪 误 差 及 控 制 量变化的抑制；（）为设定值。为了减小未知参 数，可 设 （） （）（） （），此时式（）可 简 化中主调节器采用 控制器，参 数 取，；副 调 节 器 采 用 控 制 器，参 数 取， 。在 串 级 制 系 统 中，主 调 节 参 数 取 ，。 初 始 值 为为：（） ， （），（）（）（）（） （）式中：，其中 。若选取， ， ， ，则式（）可简化为：；副 调 节 器 采 用 控 制 器，参 数 取 ，。 和 串 级 控 制 系 统 的 单 位阶跃响应曲线如图所示。 （）（） （）（）式中：，其 中 ， 是 控 制权矩阵。最 优 的 （）为 的 极 小 值 点，由 极 值 条 件 （）可得最优控制规律为：（）（ ） （）（）（）（）主蒸汽压力 控制仿真针对某机组主 蒸 汽 压 力 被 控 对 象 ，设 计 了 串 级 控 制系统，主 调 节 器 采 用 ，利 用 式 （）建 立 被 控 对象的预测模型，由式（）计算控制量的增 量 ，其 系 统 结构如图所示。图 串级控制系统结构 图中，（）为燃料量与炉膛辐 射能信号之间的 传递函数；（）为炉膛辐射能与主蒸 汽压力之间的传 递函 数；（）为 燃 料 量 扰 动 信 号；、 分 别 为 主 蒸 汽 压力设定值和测量值。采用文献中的主蒸汽压力被控对象 进 行 仿 真 ， 其传递函数为：图 和 串级控制系统单位阶跃 响 应 曲 线由图 可 见，相 对 于 串 级 控 制 系 统， 串 级 控 制 系 统 超 调 量 较 小 ，并 具 有 较 短 的调节时间 （ 串级控制系统的调节时间 ， 串 级控制系统的 调 节 时 间 ）。图为 和 串级控制系统的 扰动响应曲线。图 和 串级控制系统扰动响应曲线 由图可见， 串 级 控 制 系 统 较 串级控制系统具有更快的扰动调节能力 。机组负荷降低时，被控对象模型变为：级控制系统较常规 串级控制系统响应速度快、 抗干扰性能强，对系统参数时变具有较好的鲁棒性。（） ，（） 图、图分别为 和 串级控制系统在低负荷情况下的系统单位阶跃响应 曲 线 及 扰 动 响应曲线。显然， 串级控制系统较 串级控制系统具有较强的鲁棒性和响应快速性 。图 低 负 荷 情 况 下 和 串 级 控 制 系 统 单位阶跃响应曲线 图 低 负 荷 情 况 下 和 串 级 控 制 系 统 扰 动 响 应 曲 线结论将无模型的概念引 入自适应预测 控 制 中 ，利 用 伪 梯度向量建立被 控 对 象 的 预 测 模 型 ，通过在线优化性 能指标获得控制 量 的 增 量，从 而 构 建 了 无 模 型 自 适 应 预测控制器，并 将其作为火电机 组主蒸汽压力串级控 制 系 统 的 主 调 节 器 。仿 真 结 果 表 明 ， 串参考文献 文 群 英 热 工 自 动 控 制 系 统 版 北 京 ：中 国 电 力 出 版 社 ， 赵 文 杰 ，刘 吉 臻 ，王 印 松 ，等 火 电 厂 主 汽 压 力 的 控 制 系 统 设 计 华北电力大学学 报 ，（）： 马 平 ，张 晨 辉 基 于 无 模 型控制器的火电厂主 汽 压 控 制 系 统电力科学与工程 ，（）： 许 鸣 珠 ，刘 贺 平 ，李 晓 理 ，等 过 热 汽 温 的 稳定自适应预测 函 数 控 制中国电机工程学报 ，（）： 王 国 玉 ，梅 华 ，韩 璞 ，等 主 汽温系统模糊 自适应预测函数 控 制中国电机工程学报 ，（）： 华 志 刚 ，吕 剑 虹 ，张 铁 军 状 态 变 量 预 测 控 制 技 术 在 机 组 再 热 汽温控制中的研究 与 应 用 中 国 电 机