一种前馈-反馈复合控制方法和基于该方法的测控方法技术

针对聚光式太阳能利用过程存在的气象扰动与弹性负载问题，本发明专利技术提供了一种前馈‑反馈复合控制方法以及基于该方法的测控方法，由基于模型的前馈控制与PID反馈控制共同构成复合控制系统，根据能量守恒建立静态前馈控制的一般性模型，在此基础上分别对抗扰动控制与定值跟踪控制制定前馈控制算法。前馈控制针对可直接监测扰动能够快速确定调节主部，而对于前馈误差、随机扰动等其他非线性因素，采用PID反馈控制算法进行控制补偿，本发明专利技术不但具有高可靠性、针对性和适应能力，且响应速度快、精准度高；另外操作简单，成本也较低，有效地提高了太阳能集热系统输出稳定性与应用弹性，增加太阳能集热系统的机动性能，减少能量转换与利用过程中存在的非匹配性损耗。

A Feedforward-Feedback Composite Control Method and Its Measurement and Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种前馈-反馈复合控制方法和基于该方法的测控方法
本专利技术属于太阳能热利用
，特别涉及一种前馈-反馈复合控制方法和基于该方法的测控方法。
技术介绍
面临严峻的能源环境问题，人类社会不得不寻求可替代的能源解决方案以降低对传统化石能源的依赖，同时在能源利用过程中设法减小对环境的副作用，因而如太阳能等可再生能源越来越受关注。聚光式太阳能热利用技术可以采用抛物槽式、线性菲涅尔式、蝶式等聚光结构，聚光比可以从几十变化到几百乃至上千；可利用的工质涵盖空气、水、合成油、熔融盐以及有机工质等；因而该技术能够提供多层次需求的热源以满足大规模发电与分布式能源解决方案。随着相关技术的成熟与成本的不断下降，可再生能源技术面临广阔的前景。但是像太阳能等可再生能源普遍面临着先天不连续的缺陷，加之能源弹性需求问题，最终导致能量供求错位，这不仅有损系统设备寿命，同时又削弱了能量转换与利用效率。所以高性能的管理控制策略在节能与环保方面意义重大。目前，工业应用中广泛采用PID反馈控制，尽管该控制模式具有操作简单、成本低廉、适应性强等特点，但是PID控制器很少能调节至最优运行状态，进而造成调节过程存在大比例的能量损失与响应迟钝等问题；针对可直接监测扰动的前馈控制方法需要对目标系统有准确的模型描述与动态控制方法，理论上前馈控制方法可以以最佳响应特性实现定向控制的目标，但是单一的前馈控制系统适应性差，而且只能针对可直接监测扰动，对于各种随机干扰等非线性因素，前馈控制就会失效；另一方面，基于人工智能算法、神经网络算法、模糊逻辑算法等先进控制器随计算机技术的飞速发展取得了明显进步，但是先进控制器需要操作人员具备较高的知识水平，高昂的技术成本与人工成本也制约了技术的推广应用。针对聚光太阳能热利用技术，目前尚未有一套高性能、低成本的控制方案。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，解决聚光式太阳能利用过程存在的气象扰动与弹性负载问题，本专利技术的目的在于提供一种前馈-反馈复合控制方法和基于该方法的测控方法，可实现聚光式太阳能集热系统的抗扰动控制与定值跟踪控制。不但具有高可靠性、针对性和适应能力，且响应速度快、精准度高；另外操作简单，成本也较低，通史有效地提高了太阳能集热系统输出稳定性与应用弹性，增加太阳能集热系统的机动性能，减少能量转换与利用过程中存在的非匹配性能耗。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：首先基于能量守恒建立聚光式太阳能热利用过程的静态前馈控制的一般性模型；针对集热器集热过程中可直接监测扰动的影响，分别建立抗扰动前馈控制算法与定值跟踪前馈控制算法；针对其他不可直接监测扰动，以PID反馈控制算法为补偿调节。所述静态前馈控制的一般性模型指操作变量，受控变量，可直接监测扰动变量，以及其他不可直接监测扰动之间的静态平衡关系，如下：其中，m为集热器入口流量，即操作变量；tout为集热器出口温度，即受控变量；为有效接受辐照，即可直接监测扰动变量；mun为非线性扰动量，即其他不可直接监测扰动；Ib为太阳直射辐射，θ为太阳入射角，cp为定压工质比热容，C为太阳能集热器系统结构常数，tin为集热回路入口温度，tf为工质温度。所述抗扰动前馈控制算法是忽略非线性扰动的影响，建立操作变量的前馈调整量△mF与的关系：其中tset为设定温度。所述定值跟踪前馈控制算法是忽略非线性扰动的影响，根据设定值tset的变动计算操作变量的前馈调整量△m1：所述PID反馈控制算法是基于消除受控变量的即时输出tout与设定值tset的偏差e(τ)，操作变量反馈修正量△mB：其中KP为比例参数，KI为积分参数，KD为微分参数，τ为时间。所述前馈控制与反馈控制的累计输出，即操作变量的综合修正量△m为：△m＝△mF+△mB。所述可直接监测扰动变量内含太阳辐照Ib，地理经纬度和运行时刻，其中辐照强度变化为主要扰动部分，非线性扰动包括前馈误差、他不可直接监测的随机扰动因素。本专利技术还提供了一种基于所述前馈-反馈复合控制方法的测控方法，布置控制所需的传感器件，建立测控结构系统，测定系统固有结构参数C：其中下标1、2分别表示两次不同的测量过程。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)对于可直接监测扰动，前馈控制器能够快速确定操作变量的主要调节部分，增强调节的针对性、提高响应速度；(2)对于前馈调节存在的误差、随机扰动等其他非线性因素，反馈控制器能够提供补偿调节，提高控制系统的可靠性、准确性和适应能力；(3)前馈-反馈复合控制算法能够同时实现抗扰动控制与定值跟踪控制，该控制系统不但实现系统的稳定输出，而且还能满足弹性能耗需求；(4)相较于PID反馈控制方法，本前馈-反馈复合控制系统操作上无额外知识要求，无明显复杂性增加，技术成本略有增加(主要体现在前馈系统的硬件配置)；与先进控制算法相比，成本优势更突出；(5)增加太阳能集热系统的机动性能，减少能量转换与利用过程中存在的非匹配性能耗。附图说明图1为实施前馈-反馈复合控制系统的结构布置。图2为辐照扰动变化。图3为分别在前馈控制、PID反馈控制与复合控制作用下，操作变量m的即时调整变化。图4为分别在前馈控制、PID反馈控制与复合控制作用下，受控变量tout的即时输出情况。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。本专利技术前馈-反馈复合调节控制系统结构见图1所示。太阳能集热回路中，对于抗扰动控制问题，为了稳定出口温度，主要通过调节流量来抵消以太阳辐照为主的扰动对系统输出的干扰；对于定值追踪控制问题，同样需要调节流量来实现出口温度按需配置。因而对于前馈调节需要建立这些变量的平衡关系。对于随机扰动等问题，前馈模型则失效，为此采用反馈补偿调节。本专利技术的复合控制主要包括：(A)针对聚光式太阳能热利用，基于能量守恒建立静态前馈控制的一般性模型；(B)针对变辐照等主扰动作用，分别建立抗扰动前馈控制算法与定值跟踪前馈控制算法。具体地，针对可直接监测扰动因素，建立抗扰动前馈控制算法；针对变负荷运行需要，开发定值跟踪前馈控制算法，能够快速确定调节主部；(C)针对前馈误差、随机扰动等其他非线性因素，补充PID反馈控制算法进行补偿调节。并可根据上述方法构建前馈-反馈复合调节控制系统，用于具体测控，实施控制之前先对合理布置传感器并确保信息正确传递，同时对系统固有参数C进行测定。具体地，结合实施例对本专利技术各主要部分介绍如下。(一)前馈控制部分长度为L的抛物槽式太阳能集热技术集热回路能量平衡方程为：其中ρ为聚光器反射率，τ为玻璃管透射率，α为金属管吸收率，γ为截断因子,Ib太阳直射辐射强度Ac聚光器开口跨度，KIAM为入射角修正因子(可以根据集热管型号选定修正模型)，θ为太阳入射角(由所在地经纬度、时间以及集热器追踪模式确定的几何角度)，m为质量流量，qlost为单位长度的热损失量。该方程可以进一步规整为如下形式：其中对于一个确定的太阳能集热系统，C是与系统相关的不变参数，是可直接监测的有效接受辐照，Qlost通常是不可直接测量的热损失项。综合其他不直接监测因素，方程(2)可以进一步调整为如下形式：略去mun后，则对于抗扰动控制与定制追踪控制问题，对应的前馈调节模型分别表示为：前馈控制部分需要辐照测量仪测量太阳辐照Ib，入口测温仪测量温度tin，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种前馈‑反馈复合控制方法，其特征在于，首先基于能量守恒建立聚光式太阳能热利用过程的静态前馈控制的一般性模型；针对集热器集热过程中可直接监测扰动的影响，分别建立抗扰动前馈控制算法与定值跟踪前馈控制算法；针对其他不可直接监测扰动，以PID反馈控制算法为补偿调节。

【技术特征摘要】
1.一种前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，首先基于能量守恒建立聚光式太阳能热利用过程的静态前馈控制的一般性模型；针对集热器集热过程中可直接监测扰动的影响，分别建立抗扰动前馈控制算法与定值跟踪前馈控制算法；针对其他不可直接监测扰动，以PID反馈控制算法为补偿调节。2.根据权利要求1所述前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，所述静态前馈控制的一般性模型指操作变量，受控变量，可直接监测扰动变量，以及其他不可直接监测扰动之间的静态平衡关系，如下：其中，m为集热器入口流量，即操作变量；tout为集热器出口温度，即受控变量；为有效接受辐照，即可直接监测扰动变量；mun为非线性扰动量，即其他不可直接监测扰动；Ib为太阳直射辐射，θ为太阳入射角，cp为定压工质比热容，C为太阳能集热器系统结构常数，tin为集热回路入口温度，tf为工质温度。3.根据权利要求2所述前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，所述抗扰动前馈控制算法是忽略非线性扰动的影响，建立操作变量的前馈调整量△mF与的关系：其中tset为设定温度。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李印实，李陆，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61