并矢協(xié)調(diào)控制器及其基于梯形聯(lián)合指令的優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及火電機組汽輪機-鍋爐對象的并矢 協(xié)調(diào)控制器、用于優(yōu)化的指令信號生成方法及其優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代電網(wǎng)自動發(fā)電控制（AGC)條件下，對火力發(fā)電機組汽輪機-鍋爐協(xié)調(diào)控制系 統(tǒng)提出了新的技術(shù)指標(biāo)，要求機組負(fù)荷必須能夠盡量響應(yīng)調(diào)度指令的大范圍頻繁變化，同 時保證汽輪機入口蒸汽壓力的變化在允許的安全范圍內(nèi)，使得協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計需要新 理論新方法，此外，為了便于應(yīng)用和維護(hù)，還要求所設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜，更 增加了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的難度。
[0003] 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一類多變量控制系統(tǒng)，洪秉均、胡克定等采用機理分析和動態(tài)試 驗相結(jié)合的方法對某30(MW直流爐機組的動態(tài)特性進(jìn)行了研宄，由胡克定等給出了該機 組在70%和100%負(fù)荷工況點的數(shù)學(xué)模型，并提出了一種頻域魯棒控制器設(shè)計的主導(dǎo)增益 法，設(shè)計了該對象的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。針對上述對象的控制問題，國內(nèi)眾多學(xué)者做了一系列研 宄，有些方法并沒有獲得好的控制品質(zhì)，或者所用控制器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，或者需要設(shè)計和維 護(hù)人員具有較高的理論知識，不利與工程推廣和應(yīng)用。
[0004] 英國學(xué)者歐文斯（Owens)于1970s年代提出了基于頻域的多變量控制系統(tǒng)設(shè)計 的并矢展開法(^Dyadic Expansion)，并且成功地應(yīng)用于核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)設(shè)計。該方法的 核心是采用并矢展開或近似并矢展開方法從對象傳遞函數(shù)陣獲得并矢傳遞函數(shù)陣（Dyadic Transfer Matrices，以下簡稱DTM)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為多個單變量對象進(jìn)行設(shè)計。我國學(xué)者也對 該方法進(jìn)行了一系列研宄，龐國仲、李高文等具體實現(xiàn)了并矢展開的計算機算法，為并矢控 制器設(shè)計提供了算法基礎(chǔ)，張文龍首次將并矢展開算法用于機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計，李農(nóng) 莊等更進(jìn)了一步，采用計算機輔助完成了機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)并矢展開設(shè)計方法，以上研宄 從理論和方法上表明了采用并矢展開法設(shè)計機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的可行性，并且展示了其結(jié) 構(gòu)簡潔的優(yōu)越性，但是由于年代局限性，所設(shè)計的控制系統(tǒng)已不符合當(dāng)前技術(shù)需求。
[0005] 基于并矢展開設(shè)計而來的多變量控制器的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是原有對象傳遞函數(shù) 陣的并矢展開陣卻很復(fù)雜，應(yīng)用于現(xiàn)代機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計時，使得一些理論完善的 設(shè)計方法不便于應(yīng)用，也使得一些基于優(yōu)化算法的設(shè)計方法存在代數(shù)環(huán)、剛性、發(fā)散等數(shù)值 計算問題。為此本發(fā)明對經(jīng)典的并矢展開設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，增加了低通濾波器，改善了數(shù)值 優(yōu)化問題。
[0006] 近年來興起的隨機優(yōu)化類算法比如遺傳算法等，為機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技 術(shù)的通用化提供了基礎(chǔ)。學(xué)者研宄了機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)遺傳優(yōu)化算法，在協(xié)調(diào)控 制器通用優(yōu)化算法的應(yīng)用上取得了一定成功，但是在優(yōu)化過程中仍然存在控制系統(tǒng)發(fā)散問 題。為了簡化優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通常設(shè)置一個綜合性的性能指標(biāo)函數(shù)，對于控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè) 計而言通常采用IAE\ITAE (誤差絕對值積分\時間加權(quán)誤差絕對值積分）、ISE\ISTE (誤差 平方和積分\時間加權(quán)誤差平方和積分）等綜合性性能指標(biāo)，徐峰等對這些指標(biāo)應(yīng)用于熱 工對象的情況進(jìn)行了比較研宄，結(jié)論認(rèn)為ITAE指標(biāo)更適合熱工過程，但I(xiàn)TAE指標(biāo)幅值穩(wěn)定 裕度不足，沒有考慮誤差變化率情況，為此曾振平等提出了一種新的考慮誤差變化率的指 標(biāo)，將綜合性能指標(biāo)應(yīng)用于多變量控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，有些特殊情況需要考慮，如不同的 變量具有不同的物理意義、不同的數(shù)值幅度、不同的控制品質(zhì)要求等，使得不同變量的同樣 大小的性能指標(biāo)值已變得不可比，造成很多優(yōu)化設(shè)計方法難以獲得滿意解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一）要解決的技術(shù)問題
[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何為火電機組汽輪機-鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提供一 種結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)和維護(hù)、理論基礎(chǔ)良好的并矢協(xié)調(diào)控制器，并且給出一種相應(yīng)的可由 計算機自動執(zhí)行而無需設(shè)計人員過多參與的優(yōu)化設(shè)計方法，使得協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì) 符合AGC自動發(fā)電控制的安全性和經(jīng)濟性要求。
[0009](二）技術(shù)方案
[0010] 為了解決上述控制器結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種并矢協(xié)調(diào)控制器， 所述并矢協(xié)調(diào)控制器包括前置常數(shù)陣、對角控制器陣、對角濾波器陣、以及后置常數(shù)陣；
[0011] 所述前置常數(shù)陣接入指令值和測量值構(gòu)成的偏差信號，進(jìn)行處理后輸出給所述對 角控制器陣，由所述對角控制器陣進(jìn)行處理后輸出給所述對角濾波器陣，由所述對角濾波 器陣進(jìn)行處理，之后由所述后置常數(shù)陣進(jìn)行處理，然后作為控制信號輸出。
[0012] 優(yōu)選地，所述對角控制器陣中的控制器采用工業(yè)常規(guī)PID控制器，所述濾波器采 用小時間常數(shù)一階低通濾波器，且其時間常數(shù)在〇. 5到5之間，所述前置常數(shù)陣LC等于對 象傳遞函數(shù)陣模型的近似并矢展開式的右常數(shù)陣的逆陣，所述后置常數(shù)陣RC等于對象傳 遞函數(shù)陣模型的近似并矢展開式的左常數(shù)陣的逆陣。
[0013] 為了解決上述控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于功率-壓 力聯(lián)合指令信號的協(xié)調(diào)控制器優(yōu)化設(shè)計方法。
[0014] 所述功率-壓力聯(lián)合指令信號生成方法如下：由一個公共梯形信號sO乘以一個常 數(shù)cel (第一常數(shù)）再加上一個常數(shù)ce2 (第二常數(shù)）構(gòu)成功率指令信號cPe，由同一個公 共梯形信號s〇乘以另一個常數(shù)cpl (第三常數(shù)）再加上另一個常數(shù)cp2 (第四常數(shù)）并延 時dt秒后（預(yù)定時間）構(gòu)成壓力指令信號cPt，其中常數(shù)cpl、cp2及cel、ce2互不相同， 其中dt大于5秒小于300秒。所述公共梯形信號sO,為第一信號si與第二信號s2相加而 成。從某時刻t0 (第一時刻）開始，由斜坡信號發(fā)生器發(fā)生的斜率為rl (第一斜率）的斜 坡信號（第一斜坡信號）經(jīng)由限幅器進(jìn)行幅值上限為Llu、下限為Lid的限幅處理之后獲 得的信號為第一信號sl，由tO+tm時刻（第二時刻）開始，斜坡信號發(fā)生器產(chǎn)生的斜率為 r2(第二斜率）的斜坡信號（第二斜坡信號）經(jīng)由限幅器進(jìn)行幅值上限為L2u、下限為L2d 的限幅處理之后獲得的信號為第二信號s2,其中rl、r2、Llu、Lld、L2u、L2d根據(jù)機組特性 和考核要求確定，優(yōu)選地，tm大于120秒并且小于1200秒。
[0015] 所述并矢協(xié)調(diào)控制器優(yōu)化設(shè)計方法如下：
[0016] S1、對象分解，采用某種傳遞函數(shù)矩陣分解方法將將對象傳遞函數(shù)陣分解為左常 數(shù)陣、對角占優(yōu)傳遞函數(shù)陣、右常數(shù)陣的乘積，優(yōu)選的，采用近似并矢分解方法；
[0017] S2、單回路控制器設(shè)計，針對上一步驟獲得的對角占優(yōu)傳遞函數(shù)陣的主對角元分 別設(shè)計單回路控制系統(tǒng)，獲得可行的控制器、控制器參數(shù)取值區(qū)間、控制器參數(shù)值，優(yōu)選的， 其中的控制器使用工業(yè)常規(guī)PID控制器；
[0018] S3、構(gòu)造雙回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用上一步設(shè)計的控制器，構(gòu)造權(quán)利要求1所述并 矢協(xié)調(diào)控制器或權(quán)利要求2所述PID型并矢協(xié)調(diào)控制器，并將并矢協(xié)調(diào)控制器與對象傳遞 函數(shù)陣構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；
[0019] S4、計算綜合誤差值，構(gòu)造功率-壓力聯(lián)合指令信號，作為上一步驟獲得的閉環(huán)控 制系統(tǒng)的輸入信號，應(yīng)用步驟S2獲得的控制器參數(shù)，運行步驟S3構(gòu)造的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對 獲得的功率誤差和壓力誤差采用某種誤差積分性能指標(biāo)計算方法進(jìn)行計算，獲得功率誤差 積分值和壓力誤差積分值，并將兩個積分值的和作為綜合誤差值；
[0020] 所述誤差積分性能指標(biāo)計算方法如下：所述功率的誤差積分性能指標(biāo)計算值ID_ 和壓力的誤差積分性能指標(biāo)計算值ID_Pt的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0023] 式中，wl和w2表示加權(quán)系數(shù)，
[0024] ePe(t) = cPe(t)-Pe(t),
[0025] ePt (t) = cPt (t) -Pt (t),
[0026] 其中，Pe表示功率測量值，Pt表示壓力測量值，cPe及cPt來自功率-壓力聯(lián)合指 令信號。
[0027] S5、設(shè)計協(xié)調(diào)控制器參數(shù)，采用常規(guī)智能優(yōu)化算法，將步驟S2提供的參數(shù)取值區(qū) 間或參數(shù)值作為初始值，將步驟S4獲得的綜合誤差值作為優(yōu)化目標(biāo)值，對協(xié)調(diào)控制器參數(shù) 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，獲得優(yōu)化的并矢協(xié)調(diào)控制器參數(shù)；
[0028] S6、檢驗并矢協(xié)調(diào)控制器參數(shù)，應(yīng)用步驟S5獲得的控制器參數(shù)，運行步驟S3構(gòu)造 的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢驗并矢協(xié)調(diào)控制器輸出幅度及輸出變化幅度是否符合運行人員規(guī)定的 要求，檢驗變換控制系統(tǒng)輸出的功率值和壓力值是否符合運行人員規(guī)定的要求，當(dāng)上述要 求得到滿足時，則控制系統(tǒng)設(shè)計工作結(jié)束，當(dāng)上述要求沒有得到滿足時，轉(zhuǎn)到步驟S7;<