先进控制策略在单元机组协调控制系统中的应用研究(王庆利).ppt

先进控制策略在单元机组协调控制系统中的应用研究,答辩人：导师：井元伟教授,2020/5/28,本文的主要内容,第一章绪论,第三章模糊控制在单元机组协调控制中的应用,第二章单元机组动态特性数学模型分析,第四章单元机模糊自适应控制backstepping方法,第五章单元机组协调系统的模糊自适应逆控制,第六章单元机组协调系统逆系统方法,第七章单元机组协调系统神经网络逆系统方法,第八章结论与展望,2020/5/28,单元机组控制系统的设计目标,单元机组控制系统研究的目的和意义,第一章绪论,单元机组协调控制存在的主要问题,单元机组协调控制系统的研究现状,2020/5/28,单元机组控制系统研究的目的和意义,作为锅炉汽轮机系统的控制中枢，协调控制系统已经成为现代电站自动化系统中最为核心的组成单元。高参数、大容量单元机组在电网中所占的比例愈来愈大用电结构发生变化，电网日负荷曲线的高峰与低谷之差增大对大范围变化负荷时协调控制对象所表现出来的非线性特性，传统的协调控制算法未能很好地解决,第一章绪论,2020/5/28,单元机组控制系统的设计目标,第一章绪论,单元机组协调控制系统就是把锅炉及汽轮机作为一个整体进行综合控制单元机组控制的任务是使机组负荷紧密跟踪外界负荷需求并保持汽机前汽压的稳定。,保证机组负荷跟随负荷指令变化，尽可能快的负荷升降速率,保证机前压力跟随压力定值变化,控制器结构简单,提供灵活的运行方式,兼顾其它控制回路及参数的性能,图1.1负荷响应过程动态指标,2020/5/28,单元机组协调控制存在的主要问题,负荷/压力增量预测控制、柔性控制、基于PID的解耦控制、基于PID的鲁棒、基于PID的内模控制等等。实际控制效果往往很难超越传统的工程方法，与仿真结果存在较大差距,模糊多模型控制2、模糊内模控制3、多变量预测控制4、多变量鲁棒控制5、自适应控制6、反馈线性化控制等等。这些方法大多利用对象做仿真,侧重于理论方法研究的有,第一章绪论,侧重于工程实用研究的有,2020/5/28,复杂性主要体现在以下几个方面7多变量强耦合多目标相互关联机组动态从本质上说是非线性的机组动态特性是时变的系统存在着不确定干扰能量平衡指标、热经济指标难以直接、准确、实时地得到锅炉侧存在着很大的纯迟延运行的安全性要求,第一章绪论,2020/5/28,单元机组协调控制系统的研究现状,第一章绪论,基于传统的控制方法研究基于间接能量平衡单元机组协调控制方法基于直接能量平衡单元机组协调控制方法基于解耦的多变量控制方法研究基于鲁棒控制方法研究基于结构优化的控制方法基于反馈线性化方法基于反步设计方法基于多模型及增益调度方法基于智能的控制方法研究模糊控制方法模糊神经元与模糊神经网络控制方法基于分层递阶控制方法研究基于预测优化控制方法研究专家系统遗传算法,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,单元机组数学模型研究的两种方法,单元机组动态数学模型分析,本章小结,单元机组典型动态数学模型,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,单元机组数学模型研究的两种方法侧重于实验数据分析的简化模型-实验建模侧重于机理分析的模块化模型-机理建模,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,单元机组动态模型分析单元机组能量传递简化流程,图2.1单元机组能量传递简化流程图,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,单元机组燃烧与传热过程炉内燃烧与传热过程表达式:,(2.1),(2.2),其中：,：为炉膛受热有效吸热量变化量,(2.5),锅炉蓄热量为:,：为进入蒸汽管道的蒸汽流变化量,：为管道入口的蒸汽压力变化量,：为锅炉的蓄批热系数,：为燃烧强度变化量,：为燃料变化量,管道蓄热量为：,(2.6),：为进入汽轮机的蒸汽流变化量,：为蒸汽管道出口压力变化量,：为蒸汽管道蓄热系数,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,蒸汽管道两端的压力降与管道蒸汽量之间的关系为：,(2.8),其中,为蒸汽管道的阻力系数,机前压力,与汽轮机进汽量,之间有以下关系,(2.11),汽轮机做功过程表达式：,(2.16),单元机组动态特性图：,图2.2单元机组动态特性结构图,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,(2.19),其中，,为锅炉汽包压力，,；,为机组输出的电功率，,为锅炉汽包内液体密度,为燃油调节阀开度,为汽轮机调节阀开度，,为给水调节阀开度，,锅炉汽包水位,为蒸汽量,为蒸汽消耗,单元机组典型动态数学模型,Astrom燃油机组模型,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,线性多变量模型,其中，,为机组输出实际功率(MW)；,为机前压力(MPa)；,为锅炉燃料指令,为汽轮机调节阀开度(%),200MW机组模型如下77,78,；,；,300MW机组模型如下77,78,(2.20),2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,；,；,Cheres模型,图2.4简化的单元机组动态特性结构图,2020/5/28,第二章单元机组动态特性数学模型,本章小结,本章介绍的模型一是侧重于实验数据分析的简化模型，一是侧重于机理分析的模块化模型，对于简化模型结构简单，便于控制器设计和参数整定，由模型得到的控制器的形式也相对简单，易于工程实现，从机组运行和维护的角度看，简单的控制结构有利于提高系统的可靠性和抗干扰能李力，能够在一定程度上减少检修和维护的工作量。对于采用机理分析方法的数学模型，在合理简化的基础上，从能量传递与转换的角度描述了单元机组的最本质特性，因此，基于机理分析的模型对于控制器的结构及智能控制系统具有一定的通用性和普遍意义。,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,基于模糊解耦的单元机组负荷控制,单元机组的模糊自适应控制,本章小结,仿真研究,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,基于模糊解耦的火电单元机组负荷控制,单元机组协调控制系统组成,图3.3单元机组协调控制系统,主要由锅炉、汽轮机和发电机组成。控制回路主要有锅炉控制和汽轮机控制。汽轮机控制回路通过输入信号完成对主蒸汽压力的调节，通过执行机构控制调节主蒸汽压力阀的开度，以改变汽轮机输出功率。锅炉控制回路通过输入信号控制锅炉的燃烧率，改变锅炉的出力，以适应负荷变化的需要。,图3.4用传递函数表示的单元机组协调控制系统,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,单元机组负荷控制的解耦算法,设V1=功率偏差，V2=功率偏差变化率，V3=主蒸汽压力偏差，V4=主蒸汽压力偏差变化率，为燃烧率输，,主蒸汽阀门开度,模糊控制器的输入为V1，V2，V3，V4,输出为,，,(3.1),式中,为规则总数,和,的子规则库，,，为,(3.2),(3.3),结论:一个多输入多输出系统可转化为多输入单输出系统,因此，实现解耦后可用MISO系统构成解耦后的MIMO系统，其输出表达式为,模糊关系可表示为：,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,(3.4),(3.5),控制器输出：,模糊关系为：,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,单元机组中的模糊自适应控制,单元机组模糊自适应控制系统结构,图3.8单元机组主汽温模糊自适应控制系统结构图,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,模糊控制系统设计,的模糊语言变量子集为：PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB；,的论域为-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6。,各种模糊变量隶属度正大(PB)采用S形隶属度函数，负大(NB)采用Z形隶属度，其余采用三角形隶属度函数。,根据参数自整定思想和专家经验建立,的模糊语言变量子集为：PB，PM，PS，PZ，NZ，NS，NM，NB；,模糊控制表,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,仿真研究,抗干扰能力实验,在,时，加25%输出扰动后的系统响应曲线如图3.9所示，,结论：控制系统能较好地克服扰动，具有较强的抗干扰能力。,图3.9在2000s时加25%输出扰动后的系统响应曲线,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,不同负荷下单位阶跃响应实验,锅炉高温过热器选定37%、50%、75%、100%四个典型工况点,其中,为主蒸汽流量，,惰性区特性，,为前导区特性。,动态特性如下：,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,(a)37%负荷下阶跃响应曲线,(b)50%负荷下阶跃响应曲线,(c)75%负荷下阶跃响应曲线,(d)100%负荷下阶跃响应曲线,2020/5/28,第三章模糊控制在单元机组控制中的应用,本章小结,本章首先概述模糊控制的基本理论和方法，给出了模糊控制器和自适应模糊控制的基本结构，阐述了两种控制器的设计方法及步骤。提出了一种基于Lyapunov方程参考模型自适应控制器。详细论述了控制器的组成、功能及其理论，在控制器、监控器及自适应律的理论基础上，给出了该控制器的详细设计方法，最后对该控制系统进行了仿真研究，证明了控制器的高性能和强抗干扰能力，并将其应用到300MW单元机组的主汽温控制中，实践证明优于传统的控制系统，具有较高工程实际应用价值。,2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,Backstepping设计方法与稳定性分析,Backstepping技术在单元机组的协调控制中的应用,本章小结,2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,Backstepping设计方法概述,Backstepping设计方法与稳定性分析,对于严格反馈结构的非线性系统，使用Backstepping设计方法是非常高效的。该方法的每一步变换结构都使用,变换，这里的,是第,步的虚拟,控制信号。,它一直可以后推到第,步，,使,是平衡状态,平衡,状态的稳定性能够用标准Lyapunov函数证明。,通过一步步构造的Lyapunov函数确,定,最后一步，设计出实际控制量,，而且可以直接应用到原系统中。下面,给出Backstepping技术设计方法。,Backstepping设计步骤,动态系统,可以表示如下形式,为原系统的子系统，,选Lyapunov函数为,第1步：设,得虚拟控制量和自适应率为：,(4.11),2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,(4.12),第2步：设,Lyapunov函数选为：,，,(4.19),得虚拟控制量和自适应率为：,得如下不等式,2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,得如下不等式,(4.20),第k步：假设,得虚拟控制信号和自适应率取如下形式：,选Lyapunov函数为：,(4.21),得如下不等式,(4.22),2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,第n步：在最后这步里，推算出实际的控制率，,设,Lyapunov函数为：,得实际控制率和自适应率取如下形式：,(4.28),Backstepping技术在单元机组的协调控制中的应用,选用的单元机组模型,2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,控制器的设计,虚拟控制信号及自适应率选取如下形式：,2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,仿真研究,控制系统框图如下：,图4.1控制系统框图,仿真参数,模型参数：,仿真参数：,2020/5/28,第四章单元机组的Backstepping设计,图4.3主蒸汽压力响应曲线,图4.2功率响应曲线,本章小结,在本章中，解决了一严格反馈结构非线性不确定系统的输出跟踪控制问题。系统的非线性函数是完全未知的，而且是不能参数线性化的，对于非线性系统。应用Backstepping方法，设计了直接自适应模糊控制器。将该方法给出的输出跟踪控制器用于单元机组的协调控制中，保证了闭环自适应系统稳定性，而且获得了良好的跟踪性能。,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,单元机组模糊自适应逆系统设计,系统模型的拟合与仿真研究,本章小结,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,单元机组模糊自适应逆系统设计,系统结构,图5.4单元机组主汽温模糊自适应逆控制结构图,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,主汽温控制系统时滞特性和燃烧扰动,图5.5简单主汽温控制系统结构图,在A点，减温水进入蒸汽管道，引起蒸汽温度开始下降。在AB区，是减温水与蒸汽混合，被蒸汽汽化的过程。在B点，减温水被蒸汽完全汽化，且混合后的蒸汽温度均匀，这个过程时间很短。经过现场试验，这一过程中，主蒸汽温度变化的数学模型为：,时滞特性,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,在BC区域，因机组热负荷、炉膛内烟气量、机组负荷不变，所以为一个简单的传输过程。因为过热器管道很长，所以，这个过程时间很长。因此，这一区域主汽温的对象数学模型为：,一阶惯性环节,燃烧器对主汽温的影响(燃烧扰动),一阶惯性环节或二阶惯性环节：,一阶惯性环节加纯迟延或二阶惯性环节加纯迟延：,为每台燃烧器的权系数,代表燃烧器,磨煤机的启动对主汽温的影响,m代表磨煤机.,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,单元机组系统模型的拟合与仿真研究,系统模型的拟合(选定37%，50%，75%,100%四个典型工况点),(5.22),内环采用PID控制器控制器参数和广义汽温被控对象动态特性如下:,(5.23),2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,广义对象的拟合仿真研究,图5.6广义对象的拟合仿真结果,系统仿真研究,燃料量扰动仿真研究,典型负荷下仿真研究,机组升降负荷扰动试验,图5.7燃料量扰动响应,为广义被控对象传递函数,为内环PID控制器比例、积分时间、,微分时间常数参数.,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,(a)100%负荷下阶跃响应曲线,(b)75%负荷下阶跃响应曲线,(c)50%负荷下阶跃响应曲线,(d)37%负荷下阶跃响应曲线,2020/5/28,第五章单元机组的模糊自适应逆控制,降负荷曲线,升负荷曲线,本章小结,本章给出了非线性模糊自适应逆控制的存在性，可行性条件以及其逆模型的求解方法。证明了模糊自适应逆控制控制对象动态向应的优越性。将此方法应用于单元机组协调控制系统中的主汽温控制中，分析了单元机组的时滞特性及燃料扰动特性，对单元机组典型负荷点下的广义被控对象进行分析和简化。给出了拟合仿真曲线，利用单元机组广义负荷特性，进行了典型负荷下的阶跃响应仿真，并与常规PID控制器进行了比较，并就实际运行中的负荷升降过程进行了仿真试验。证明模糊自适应逆控制具有优良的动、静态性能指标。,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,逆系统的解析实现,单元机组协调控制系统逆控制,本章小结,仿真研究,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,图6.3逆系统解析实现结构,缺点,需要引入原系统的内部状态信号作为反馈信号，而且对每个输入,引入,个积分器，,全部输入引入：,逆系统的解析实现,为了工程实用化，将原非线性系统的逆模型与原系统串联后，经线性化成伪线性系统，必须能够构造其逆系统，逆系统具体构造方法有两种，解析实现和非解析实现，而解析实现必要条件是逆系统的解析表达式精确已知时才能实现。所谓逆系统的解析实现是指，采用专门的硬件控制器或采用通用计算机加软件的方法，直接根据逆系统的表达式，完成相应的解析非线性运算。,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,(6.14),作变换，设：,系统的状态变量：,系统的输入变量：,系统的输出变量：,状态方程如下：,单元机组协调控制系统逆控制,单元机组的动态数学模型,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,单元机组的动态数学模型可逆性分析,求对输入雅可比矩阵的秩：,(6.16),2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,系统的相对阶数,证明系统是可逆的。,由于：。,逆系统的构造,逆系统的解析表达式为：,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,逆系统表达式简写成如下：,设逆系统的输入为：,得逆系统表达式,图6.4单元机组系统的逆结构,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,仿真研究,选用在100%平衡工作点，选定系统初值入为：,对系统的输入量的速率和幅值限制如下：,在压力给定值上增加一个幅值1atm，时间宽度为500s的脉冲序列信号情况下：,功率响应曲线、水位响应曲线、压力响应曲线。,2020/5/28,第六章单元机组协调控制逆系统方法,图6.5功率响应曲线,图6.6水位响应曲线,图6.7压力响应曲线,本章小结,本章应用逆系统的基本理论，对单元机组进行调节，系统的控制效果比较理想，完全能够满足单元机组协调控制的要求，从而获得优良的静、动态特性与抗干扰能力。,2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,神经网络逆系统控制方法研究,神经网络的单元机组协调系统逆控制,仿真研究,逆系统动态神经网络的实现,本章小结,2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,逆系统动态神经网络的实现,设非线性原系统的数学模型如下:,(7.3),根据逆系统构造理论，求出其逆系统的表达式为：,(7.4),其中，,是,阶的,Brunovsky标准型。,2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,采用动态神经网络构造的逆系统如图所示。,神经网络逆系统控制方法研究,图7.5动态神经网络实现的逆系统,图7.7多输入多输出非线性系统的神经网络逆复控制,神经网络逆复合控制器设计步骤,第一步：分析被控系统的静、动态特性第二步：根据被控系统的静、动态特性，并考虑最终的控制设计目标，设计并“构造”出合理的神经网络逆系统，神经网络逆系统的设计与实现步骤包括以下四步：,2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,(1)被控对象的可逆性分析；(2)确定神经网络逆系统得结构；(3)神经网络逆系统的训练；(4)伪线性系统的线性化与解耦效果分析。第三步：分析由神经网络逆系统与原被控系统复合成的伪线性系统的静、动态特性，根据设计目标，运用各种成熟的控制器设计方法设计出附加控制器，从而与神经网络逆系统一起构成复合控制器。,基于神经网络的单元机组协调系统逆控制,300MW单元机组协调控制动态数学模型,在100%负荷点上的动态特性数学模型的传递函数为：,(7.12),2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,在70%负荷点上的动态特性数学模型的传递函数为：,(7.12),为机前压力的变化量；,为是实发功率的变化量；,为燃料量的变化量；,为调节汽门开度的变化量。,300MW单元机组协调控制动态数学模型热力学分析,阶跃扰动下的功率响应,B阶跃扰动下的功率响应,2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,阶跃扰动下的主蒸汽压力响应,B阶跃扰动下的主蒸汽压力响应,300MW单元机组协调控制系统,图7.12单元机组协调的神经网络逆复合控制,2020/5/28,第七章单元机组神经网络逆控制,单元机组协调控制系统复合控制器设计,根据经典控制理论，对于已经实现线性化和解耦