并矢协调控制器及其基于梯形联合指令的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于火电机组汽轮机-锅炉协调控制系统的并矢协调控制器、梯形联合指令信号生成方法及其设计方法，所述并矢协调控制器包括前置常数阵、对角控制器阵、对角滤波器阵以及后置常数阵，其中对角控制器阵可由工业常规PID控制器构成，此时称为PID型并矢协调控制器，具有结构简单、易于实现和维护、理论基础良好的优点。采用优化设计后的并矢协调控制器对汽轮机-锅炉对象的功率和压力参数进行闭环控制，可获得优良的AGC控制品质、鲁棒性能和抗干扰性能，有助于提高火力发电机组的安全性和经济性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制
，更具体的涉及火电机组汽轮机-锅炉对象的并矢 协调控制器、用于优化的指令信号生成方法及其优化设计方法。
技术介绍
现代电网自动发电控制（AGC)条件下，对火力发电机组汽轮机-锅炉协调控制系 统提出了新的技术指标，要求机组负荷必须能够尽量响应调度指令的大范围频繁变化，同 时保证汽轮机入口蒸汽压力的变化在允许的安全范围内，使得协调控制系统的设计需要新 理论新方法，此外，为了便于应用和维护，还要求所设计的控制系统结构不宜过于复杂，更 增加了协调控制系统优化设计的难度。 协调控制系统是一类多变量控制系统，洪秉均、胡克定等采用机理分析和动态试 验相结合的方法对某30(MW直流炉机组的动态特性进行了研宄，由胡克定等给出了该机 组在70%和100%负荷工况点的数学模型，并提出了一种频域鲁棒控制器设计的主导增益 法，设计了该对象的协调控制系统。针对上述对象的控制问题，国内众多学者做了一系列研 宄，有些方法并没有获得好的控制品质，或者所用控制器结构较为复杂，或者需要设计和维 护人员具有较高的理论知识，不利与工程推广和应用。 英国学者欧文斯（Owens)于1970s年代提出了基于频域的多变量控制系统设计 的并矢展开法(^Dyadic Expansion)，并且成功地应用于核反应堆控制系统设计。该方法的 核心是采用并矢展开或近似并矢展开方法从对象传递函数阵获得并矢传递函数阵（Dyadic Transfer Matrices，以下简称DTM)，进而转化为多个单变量对象进行设计。我国学者也对 该方法进行了一系列研宄，庞国仲、李高文等具体实现了并矢展开的计算机算法，为并矢控 制器设计提供了算法基础，张文龙首次将并矢展开算法用于机组协调控制系统设计，李农 庄等更进了一步，采用计算机辅助完成了机组协调控制系统并矢展开设计方法，以上研宄 从理论和方法上表明了采用并矢展开法设计机组协调控制系统的可行性，并且展示了其结 构简洁的优越性，但是由于年代局限性，所设计的控制系统已不符合当前技术需求。 基于并矢展开设计而来的多变量控制器的结构虽然简单，但是原有对象传递函数 阵的并矢展开阵却很复杂，应用于现代机组协调控制系统的设计时，使得一些理论完善的 设计方法不便于应用，也使得一些基于优化算法的设计方法存在代数环、刚性、发散等数值 计算问题。为此本专利技术对经典的并矢展开设计进行了改进，增加了低通滤波器，改善了数值 优化问题。 近年来兴起的随机优化类算法比如遗传算法等，为机组协调控制系统优化设计技 术的通用化提供了基础。学者研宄了机组协调控制系统的自适应遗传优化算法，在协调控 制器通用优化算法的应用上取得了一定成功，但是在优化过程中仍然存在控制系统发散问 题。为了简化优化目标函数，通常设置一个综合性的性能指标函数，对于控制系统的优化设 计而言通常采用IAE\ITAE (误差绝对值积分\时间加权误差绝对值积分）、ISE\ISTE (误差 平方和积分\时间加权误差平方和积分）等综合性性能指标，徐峰等对这些指标应用于热 工对象的情况进行了比较研宄，结论认为ITAE指标更适合热工过程，但ITAE指标幅值稳定 裕度不足，没有考虑误差变化率情况，为此曾振平等提出了一种新的考虑误差变化率的指 标，将综合性能指标应用于多变量控制系统优化设计时，有些特殊情况需要考虑，如不同的 变量具有不同的物理意义、不同的数值幅度、不同的控制品质要求等，使得不同变量的同样 大小的性能指标值已变得不可比，造成很多优化设计方法难以获得满意解。
技术实现思路
(一）要解决的技术问题 本专利技术要解决的技术问题是如何为火电机组汽轮机-锅炉协调控制系统提供一 种结构简单、易于实现和维护、理论基础良好的并矢协调控制器，并且给出一种相应的可由 计算机自动执行而无需设计人员过多参与的优化设计方法，使得协调控制系统的控制品质 符合AGC自动发电控制的安全性和经济性要求。(二）技术方案 为了解决上述控制器结构形式的技术问题，本专利技术提供了一种并矢协调控制器， 所述并矢协调控制器包括前置常数阵、对角控制器阵、对角滤波器阵、以及后置常数阵； 所述前置常数阵接入指令值和测量值构成的偏差信号，进行处理后输出给所述对 角控制器阵，由所述对角控制器阵进行处理后输出给所述对角滤波器阵，由所述对角滤波 器阵进行处理，之后由所述后置常数阵进行处理，然后作为控制信号输出。 优选地，所述对角控制器阵中的控制器采用工业常规PID控制器，所述滤波器采 用小时间常数一阶低通滤波器，且其时间常数在〇. 5到5之间，所述前置常数阵LC等于对 象传递函数阵模型的近似并矢展开式的右常数阵的逆阵，所述后置常数阵RC等于对象传 递函数阵模型的近似并矢展开式的左常数阵的逆阵。 为了解决上述控制器参数优化设计的技术问题，本专利技术提供了一种基于功率-压 力联合指令信号的协调控制器优化设计方法。 所述功率-压力联合指令信号生成方法如下：由一个公共梯形信号sO乘以一个常 数cel (第一常数）再加上一个常数ce2 (第二常数）构成功率指令信号cPe，由同一个公 共梯形信号s〇乘以另一个常数cpl (第三常数）再加上另一个常数cp2 (第四常数）并延 时dt秒后（预定时间）构成压力指令信号cPt，其中常数cpl、cp2及cel、ce2互不相同， 其中dt大于5秒小于300秒。所述公共梯形信号sO,为第一信号si与第二信号s2相加而 成。从某时刻t0 (第一时刻）开始，由斜坡信号发生器发生的斜率为rl (第一斜率）的斜 坡信号（第一斜坡信号）经由限幅器进行幅值上限为Llu、下限为Lid的限幅处理之后获 得的信号为第一信号sl，由tO+tm时刻（第二时刻）开始，斜坡信号发生器产生的斜率为 r2(第二斜率）的斜坡信号（第二斜坡信号）经由限幅器进行幅值上限为L2u、下限为L2d 的限幅处理之后获得的信号为第二信号s2,其中rl、r2、Llu、Lld、L2u、L2d根据机组特性 和考核要求确定，优选地，tm大于120秒并且小于1200秒。 所述并矢协调控制器优化设计方法如下： S1、对象分解，采用某种传递函数矩阵分解方法将将对象传递函数阵分解为左常 数阵、对角占优传递函数阵、右常数阵的乘积，优选的，采用近似并矢分解方法； S2、单回路控制器设计，针对上一步骤获得的对角占优传递函数阵的主对角元分 别设计单回路控制系统，获得可行的控制器、控制器参数取值区间、控制器参数值，优选的， 其中的控制器使用工业常规PID控制器； S3、构造双回路闭环控制系统，利用上一步设计的控制器，构造权利要求1所述并 矢协调控制器或权利要求2所述PID型并矢协调控制器，并将并矢协调控制器与对象传递 函数阵构成闭环控制系统； S4、计算综合误差值，构造功率-压力联合指令信号，作为上一步骤获得的闭环控 制系统的输入信号，应用步骤S2获得的控制器参数，运行步骤S3构造的闭环控制系统，对 获得的功率误差和压力误差采用某种误差积分性能指标计算方法进行计算，获得功率误差 积分值和压力误差积分值，并将两个积分值的和作为综合误差值； 所述误差积分性能指标计算方法如下：所述功率的误差积分性能指标计算值ID_ 和压力的误差积分性能指标计算值ID_Pt的数学表达式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并矢协调控制器，其特征在于：所述并矢协调控制器包括前置常数阵、对角控制器阵、对角滤波器阵、以及后置常数阵；所述前置常数阵接入指令值和测量值构成的偏差信号，进行处理后输出给所述对角控制器阵，由所述对角控制器阵进行处理后输出给所述对角滤波器阵，由所述对角滤波器阵进行处理，之后由所述后置常数阵进行处理，然后作为控制信号输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：申忠利，牛玉广，邹毅辉，开平安，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43