一種在火電廠協(xié)調(diào)系統(tǒng)中魯棒控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在火電廠協(xié)調(diào)系統(tǒng)中魯棒控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法，它應(yīng)用于火 電廠熱工系統(tǒng)控制，屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)過程控制中存在大量不確定性因素，魯棒控制器是針對不確定性系統(tǒng)設(shè)計 的，有人認(rèn)為魯棒控制器的設(shè)計方法是選擇加權(quán)函數(shù)的藝術(shù)，魯棒控制理論需要比較高深 的數(shù)學(xué)知識，這些問題限制了魯棒控制理論的推廣應(yīng)用。
[0003] 火電廠單元發(fā)電機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。多變量控制系統(tǒng) 現(xiàn)在有多種設(shè)計方法，例如，交換控制器設(shè)計方法（Macfarlane A. G. J)，并矢控制設(shè)計方 法（Owens D. H),逆奈奎斯特陣列（INA)方法（Resenbrock. H. H)和順序設(shè)計方法（Mayne D. ?。這些設(shè)計方法是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)向多變量，復(fù)雜控制系統(tǒng)發(fā)展而出現(xiàn)的頻域 設(shè)計方法，它們的共同特點(diǎn)是把多變量控制系統(tǒng)分解到單回路系統(tǒng)來設(shè)計，逆奈奎斯特陣 列方法應(yīng)用于系統(tǒng)解耦，消除系統(tǒng)的互作用，并矢控制設(shè)計方法不要求系統(tǒng)解耦，相對其它 方法來說，其設(shè)計方法和控制器（如果設(shè)計合理）要簡單。另外，多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計也 應(yīng)用狀態(tài)空間設(shè)計方法，例如，極點(diǎn)配置和二型優(yōu)化的方法，狀態(tài)空間設(shè)計方法需要被控制 對象的狀態(tài)空間模型。
[0004] 這些設(shè)計方法都是對確定性系統(tǒng)設(shè)計的，對系統(tǒng)的不確定性（系統(tǒng)的內(nèi)外擾動） 適應(yīng)能力較差。但是系統(tǒng)的不確定性是普遍存在的，這些都限制了這些設(shè)計方法的應(yīng)用，魯 棒控制理論是針對系統(tǒng)的不確定性的設(shè)計方法，因此魯棒控制現(xiàn)在是控制理論和應(yīng)用的熱 門研宄專題，魯棒控制器的設(shè)計能夠使得控制系統(tǒng)的不確定影響降低到最小，從而克服系 統(tǒng)的內(nèi)外擾動能力較強(qiáng)。
[0005] 單元發(fā)電機(jī)組負(fù)荷被控對象的模型可以表示為：
[0007] 其中
：N，P，u，b分別是汽機(jī)功率，鍋爐主汽壓，汽機(jī)調(diào)門開 度，鍋爐燃燒率（鍋爐負(fù)荷指令）。
[0008] 這個模型如圖1所示：
[0009] 單元發(fā)電機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)系統(tǒng)是一個具有互作用和不確定性的多變量控制系統(tǒng)，例 如負(fù)荷的變化，機(jī)組運(yùn)行工況的改變，煤種的變化等不確定性因素是經(jīng)常出現(xiàn)的。單元發(fā)電 機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行中并不需要實現(xiàn)系統(tǒng)解耦，而需要其輸出保持一些動態(tài)耦合， 利用系統(tǒng)的互作用影響。適當(dāng)?shù)钠麎鹤兓梢允沟缅仩t的蓄能得到利用，從而加快功率相 應(yīng)。而使用系統(tǒng)解耦的設(shè)計方法會減少這種利用鍋爐的蓄能的互作用，例如，在要求增加機(jī) 組功率N時，為保持汽壓穩(wěn)定，而限制調(diào)門u的開度和速率，這會導(dǎo)致功率N響應(yīng)過于緩慢； 另外，如果過分的增強(qiáng)鍋爐的燃燒率b，以保持汽壓穩(wěn)定，會增加能耗。所以從節(jié)能減排的觀 點(diǎn)分析，使用系統(tǒng)解耦的方法（例如，INA)設(shè)計單元發(fā)電機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)系統(tǒng)，不是合理的選 擇。
[0010] 綜上所述，應(yīng)用魯棒控制理論設(shè)計單元發(fā)電機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)系統(tǒng)，則系統(tǒng)的控制品 質(zhì)可能會更好，同時達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本專利申請發(fā)明了適應(yīng)于大多數(shù)學(xué)工業(yè)過程中魯棒控制器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計程序，特 別是應(yīng)用了混合靈敏度加權(quán)和希望的閉環(huán)系統(tǒng)特性對魯棒控制器設(shè)計中3個加權(quán)函數(shù)進(jìn) 行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計程序，通過優(yōu)化指標(biāo)min II (4 IL< f使得魯棒控制器的設(shè)計簡單化，通 用化。
[0012] 魯棒控制器的標(biāo)準(zhǔn)H"設(shè)計目標(biāo)是：設(shè)計一個鎮(zhèn)定控制器K(s)(見說明書附 圖1所示的魯棒控制器的典型雙端子結(jié)構(gòu)），使得ll 1；%⑷IL'1，最優(yōu)H"設(shè)計目標(biāo)是
[0013] 通過加權(quán)函數(shù)的選擇，魯棒控制器的最優(yōu)設(shè)計使閉環(huán)系統(tǒng)的誤差，控制量，和系統(tǒng) 輸出與輸入之間傳遞函數(shù)的H"范數(shù)最小，從而使系統(tǒng)的不確定影響降低到最小。
[0014] 在獲得標(biāo)稱模型G的情況下，魯棒控制器（H"和y綜合）設(shè)計的關(guān)鍵是需要設(shè)計 圖1中的3個加權(quán)函數(shù)A (s)，W2 (s)，W3 (s)。對于不同的被控對象，現(xiàn)在還沒有一種通用的 計算方法來設(shè)計加權(quán)函數(shù)A (s)，W2 (s)，W3 (s)，只有依賴設(shè)計者的理論水平和經(jīng)驗來設(shè)計這 些加權(quán)函數(shù)，這種設(shè)計方法具有技巧性、藝術(shù)性和試驗性，所以有人認(rèn)為魯棒控制器的設(shè)計 方法是選擇加權(quán)函數(shù)的藝術(shù)，但由于魯棒控制理論需要比較高深的數(shù)學(xué)知識，這些問題限 制了魯棒控制理論的推廣應(yīng)用。
[0015] 綜上所述，本發(fā)明一種在火電廠協(xié)調(diào)系統(tǒng)中魯棒控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法，該方 法具體內(nèi)容如下：
[0016] 根據(jù)上面說明的對魯棒控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，
[0018] 如果對象模型G(s)是穩(wěn)定的，且沒有不穩(wěn)定的零點(diǎn)，給出設(shè)計加權(quán)函數(shù)Wjs) (i =1，2, 3)的一種通用簡單的方法，這種方法適合大多數(shù)熱工被控對象的加權(quán)函數(shù)的通用 形式，具體步驟如下：
[0019] 步驟一：根據(jù)標(biāo)稱對象模型G(s)，設(shè)置期望的閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(s)，令補(bǔ)靈敏 度函數(shù) T(s) = H(s)，計算靈敏度函數(shù) S(s) = l-T(s)和 Ge(s)S(s) = T(s)G<(s):計算 S'T-1，（GCS)-、如果它們是非正則的，需要將它們分別乘以d(s) = 1八"+1)、其中（是 任意小的正數(shù)，k是它們的相對階次，使得它們是正則的。
[0020]步驟二：令 < Is-1! ;|w2| < | (ks)，= Irkl 和 |w3| < It-1!。
[0021]步驟三：把 1簡化為 Wjs) = kiOiiiS+D/OiiS+l)的形式，i = 1，2, 3。Wjs)是一 個滯后環(huán)節(jié)，應(yīng)該滿足I^C n i，W3(s)是一個超前環(huán)節(jié)，應(yīng)該滿足m3> n 3。
[0022] Wjs) = (mns+mi2)/(nns+ni2)，i = 1，2, 3 ; (8)
[0023] 選擇 Ks) = kiOi^s+D/O^s+l)要求 n^C n !，Wjs)是一個滯后環(huán)節(jié)。
[0024] 選擇 W2(s) = m2, m2 是一個常數(shù)，m2< |G|/|T| ;
[0025]W3(s) = k3 (m3s+l) / (n3s+l)，要求 m3> n3,W3 (s)是一個超前環(huán)節(jié)。
[0026] 步驟四：把1 (i = 1，2, 3)和標(biāo)稱對象模型G(s)代入增廣系統(tǒng)P，利用Matlab軟件 中的hinf ()(基于Loop Shift技術(shù)的2-Riccati方程計算系統(tǒng)的控制器），hinfopt () (基于Y迭代方法計算控制器）和musyn ()(基于D-F迭代的y -綜合控制器設(shè)計）等 函數(shù)，得到系統(tǒng)的H"控制器K(s)。
[0027] 如果對象模型G(s)是不穩(wěn)定的，且沒有不穩(wěn)定的零點(diǎn)，按照下面的步驟來設(shè)計滿 足| IWi^sG) 11"< 1的魯棒控制器。
[0028] 步驟一：將對象模型G(s)的傳遞函數(shù)進(jìn)行互質(zhì)分解（N，M，X，Y);
[0029] 步驟二：選擇d(s) = 1八"+1)\其中G是任意小的正數(shù)，k是對象模型G(s)的 傳遞函數(shù)的相對階次，使其滿足I IWjdMYa-d) I |"< 1 ;
[0030] 步驟三：選擇Q = YN-1d ;
[0031] 步驟四：設(shè)計出魯棒控制器Ge(s) = (X+MQV(Y-NQ);
[0032] 如果對象模型G(s)是非最小相位的，則按照下面的步驟來設(shè)計滿足| IWjs) S(s) | |"< 1的魯棒控制器。
[0033] 步驟一：將對象模型G(s)的傳遞函數(shù)進(jìn)行互質(zhì)分解（(N，M，X，Y);
[0034] 步驟二：設(shè)計一個穩(wěn)定的 Q。，使得 | | A (s)M(Y-NQ。）| | " < 1 ;
[0035]步驟三：設(shè)計 d(s) = s+l)k，使得 | IWjs^a-NQ^dl |"< 1;
[0036] 步驟四：設(shè)計Q = QQd ;
[0037] 步驟五：設(shè)計出魯棒控制器Gc (s) = (X+MQ) AY-NQ)。
[0038] 該設(shè)計方法即考慮了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)（通過設(shè)置期望的閉環(huán)系統(tǒng)H(s))，又考慮 了系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，具有理論上的先進(jìn)性。
[0039] 優(yōu)點(diǎn)及功效：在該設(shè)計方法中，不需要控制工程師設(shè)計這3個加權(quán)函數(shù)Wji = 1，2, 3)，只需要其確定被控對象的標(biāo)稱模型G(s)，本設(shè)計方法就會自動生成這3個加權(quán)函 數(shù)，給出魯棒控制器（H"和y-綜合）的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。這種設(shè)計方法與同普通的PID設(shè)計 方法一樣，因此這種設(shè)計方法會推廣魯棒控制器在過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用，具有實用價值。
【附圖說明】：
[0040] 圖1 一般魯棒控制系統(tǒng)的雙端子結(jié)構(gòu)模型。
[0041] 圖2魯棒控制系統(tǒng)和設(shè)計的加權(quán)函數(shù)。
[0042] 圖3單元發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)被控對象。
[0043] 圖4應(yīng)用魯棒控制器設(shè)計的火電廠協(xié)調(diào)系統(tǒng)。
[0044] 圖5魯棒控制器結(jié)構(gòu)。
[0045] 圖6協(xié)調(diào)系統(tǒng)中被控制對象。
[0046] 圖7應(yīng)用魯棒控制器設(shè)計的火電廠協(xié)調(diào)系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用下，閉環(huán)系 統(tǒng)輸出響應(yīng)。
【具體實施方式】
[0047] 按照上面的設(shè)計方法.我們選擇某發(fā)電廠50(MW協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和應(yīng)用仿 真。
[0048] 該協(xié)調(diào)系統(tǒng)的被控