一种基于非线性干扰观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，该方法有四大步骤：步骤一：汽轮发电机主汽门开度控制系统分析与建模；步骤二：汽轮发电机主汽门开度预测控制设计；步骤三：非线性干扰观测器设计；步骤四：设计结束。本发明专利技术针对主汽门开度控制系统模型，设计出具有闭型解析解的控制律，然后设计非线性干扰观测器对控制干扰进行补偿，从而在具有较强输入干扰的情况下，保证闭环控制系统的全局稳定性，同时实现了汽轮发电机功角对预定轨迹的快速且精确跟踪。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及， 它是针对单机无穷大总线系统，而给出的一种基于非线性干扰观测器的汽轮发电机主汽门 开度预测控制方法，用于控制汽轮发电机功角，属于自动控制
技术介绍
汽轮发电机的励磁控制和汽门调节是提高电力系统稳定性的两个重要手段。由于 励磁控制受到励磁电流顶值的限制，而要求发电机具有过高的励磁电流顶值将增加发电机 制造成本；同时，发电机励磁电流的上升速度也将受到励磁绕组时间常数的限制。因此，仅 仅依靠励磁控制对系统稳定性的改善是有限的。随着大功率的中间再热式汽轮发电机组应 用于电力系统，功率一频率电液式调速器日益取代机械液压式调速器，通过改善汽轮发电 机主汽门开度控制来提高中间再热式汽轮发电机组的一次调频能力和负荷适应性，从而提 高电力系统的稳定性，具有特别重要的意义。 近年来，许多先进的控制方法被用到汽轮发电机主汽门开度控制的设计中，其中 包括反馈线性化方法、最优控制方法等。但是这些方法不具备对参数和模型变化的鲁棒性， 并且对系统中非匹配不确定性无能为力。预测控制方法是一种新颖的控制方法，它所需要 的模型只强调预测功能，不苛求其结构形式，从而为系统建模带来方便。更重要的是，预测 控制汲取了优化控制的思想，但利用滚动的有限时段优化取代了一成不变的全局优化，能 够不断顾及不确定性的影响并及时加以校正，从而有更强的鲁棒性。所以，预测控制在复杂 的工业环境中受到青睐。虽然预测控制具有一定的鲁棒性，但当控制干扰较大时，控制效果 不能达到理想的要求，所以通过设计非线性干扰观测器进行补偿，已达到理想的控制效果。 这种技术背景下，本专利技术针对单机无穷大总线系统，给出一种基于非线性干扰观 测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，用于控制汽轮发电机功角。在较强干扰的情 况下，采用这种控制方法不仅保证了闭环系统的稳定性，还实现了汽轮发电机功角对预定 轨迹的快速且精确跟踪。
技术实现思路
1、专利技术目的 本专利技术的目的是：针对主汽门开度控制系统模型，克服现有控制技术的不足，而提 供，它在保证闭环全局 系统稳定的基础上，实现闭环系统汽轮发电机功角对预定轨迹的快速且精确跟踪。 本专利技术是，其 设计思想是：针对主汽门开度控制系统模型，设计出具有闭型解析解的控制律，然后设计非 线性干扰观测器对控制干扰进行补偿，从而在具有较强输入干扰的情况下，保证闭环控制 系统的全局稳定性，同时实现了汽轮发电机功角对预定轨迹的快速且精确跟踪。 2、技术方案 下面具体介绍该设计方法的技术方案。 单机无穷大总线系统示意图如图1。 本专利技术，该方 法具体步骤如下： 步骤一：汽轮发电机主汽门开度控制系统分析与建模 闭环控制系统采用负反馈的控制结构，输出量是汽轮发电机功角。所设计的闭环 控制系统主要包括控制器环节和系统模型这两个部分，其结构布局情况见图2所示。 主汽门开度控制系统模型描述如下：【主权项】1. ，其特征在于： 该方法具体步骤如下： 步骤一：汽轮发电机主汽门开度控制系统分析与建模 闭环控制系统采用负反馈的控制结构，输出量是汽轮发电机功角，所设计的闭环控制 系统包括控制器环节和系统模型两部分； 主汽门开度控制系统模型描述如下：;1) 其中：S表示汽轮发电机功角； S C!表示汽轮发电机功角初值； ?表不发电机转子速度； ?〇表不发电机转子速度初值； ?11表示高压缸产生的机械功率； ?111表示原动机输出的机械功率； Pm(l表示原动机输出的机械功率初值； D表示阻尼系数； H表示发电机转子的转动惯量； 表示中低压功率分配系数； CH表示高压缸功率非配系数； E' ^表不发电机q轴暂态电势； V表示无穷大总线电压； X'dS表示发电机与无穷大系统间的等值电势； THS表不尚压缸汽门控制系统等效时间常数； u表示汽轮发电机主汽门开度控制； d表示汽轮发电机主汽门开度控制输入干扰； 为了便于设计，分别定义三个状态变量Xl、x2、x3如下： Xi= 8-8 0 X2= 〇-〇 〇 X3一P H_CHPm〇 这时（1)就写成步骤二：汽轮发电机主汽门开度预测控制设计 控制任务为输出y (t)跟踪指令w (t)，并克服汽轮发电机主汽门开度控制输入干扰d ; 优化目标函数为其中j(/ + r)为d(t+t )的观测值，+ 为y(t+t )的预测值，必(，+ r)为w(t+t ) 的预测值，T为预测区间，t为预测时间，〇<t<T，且有 当(4) 其中+ 为U(t+T)的预测值； 模型的相对阶数为p，控制阶数为r，定义为本算法中，通过泰勒展开，实现对未来输出预测信号的逼近，针对+ 的逼近，取其中f = diag{r,...，r}为mXm矩阵，m为系统输出个数，I为mXm的单位阵；由模型⑵可知，P = 3, r = 1，m = 1，所以取其中通过泰勒展开，实现对未来指令预测信号的逼近，针对w (t+ T )的逼近，取取^ = 0,得预测控制律为 OU(5) 其中关于f的Lie导数，由于 p +r+l = 5,则 i, j = 1，2, 3, 4, 5,则 表示为T = T; 步骤三：非线性干扰观测器设计 设计非线性干扰观测器估计未知的干扰，对控制输入进行补偿； 设计观测器为： d=z+p{x) z = -l(x)gjx)z-l(x)(gjx)p(x) + f(x) + g(x)u) 非线性观测器增益定义为：观测误差定义为： j J J，且干扰是慢时变的； 选择P (X)，使方S茜足全局指数稳定，贝lj^指数收敛于d ; 根据模型⑵，选择/#) = /, (A_f ??::),则，此时，&〇 +々|/:;(1+34；^(〇=0，所以适当的参数(3，对所有的13都有全局指数稳定， 从而可得基于非线性干扰观测器的预测控制律：至此，设计完毕； 步骤四：设计结束 整个设计过程重点考虑了三个方面的控制需求，分别为设计的简便性，闭环系统的稳 定性，跟踪的快速精确性；围绕这三个方面，首先在上述第一步中确定了闭环控制系统的具 体构成；第二步中重点给出了汽轮发电机主汽门开度预测控制设计方法；第三步中给出了 非线性干扰观测器的设计；经上述各步骤后，设计结束。【专利摘要】，该方法有四大步骤：步骤一：汽轮发电机主汽门开度控制系统分析与建模；步骤二：汽轮发电机主汽门开度预测控制设计；步骤三：非线性干扰观测器设计；步骤四：设计结束。本专利技术针对主汽门开度控制系统模型，设计出具有闭型解析解的控制律，然后设计非线性干扰观测器对控制干扰进行补偿，从而在具有较强输入干扰的情况下，保证闭环控制系统的全局稳定性，同时实现了汽轮发电机功角对预定轨迹的快速且精确跟踪。【IPC分类】F01D17-10【公开号】CN104806302【申请号】CN201510192215【专利技术人】陈宝林, 韩璞, 刘志杰, 刘金琨, 董泽, 王德华 【申请人】国电科学技术研究院, 华北电力大学（保定）【公开日】2015年7月29日【申请日】2015年4月21日本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于非线性干扰观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：汽轮发电机主汽门开度控制系统分析与建模闭环控制系统采用负反馈的控制结构，输出量是汽轮发电机功角，所设计的闭环控制系统包括控制器环节和系统模型两部分；主汽门开度控制系统模型描述如下：δ·=ω-ω0ω·=-DH(ω-ω0)+ω0H(PH+CMLPm0-Eq′VsXdΣ′sinδ)P·H=-1THΣ(PH-CHPm0)+CHTHΣ(u+d)---(1)]]>其中：δ表示汽轮发电机功角；δ0表示汽轮发电机功角初值；ω表示发电机转子速度；ω0表示发电机转子速度初值；PH表示高压缸产生的机械功率；Pm表示原动机输出的机械功率；Pm0表示原动机输出的机械功率初值；D表示阻尼系数；H表示发电机转子的转动惯量；CML表示中低压功率分配系数；CH表示高压缸功率非配系数；E'q表示发电机q轴暂态电势；V表示无穷大总线电压；X'dΣ表示发电机与无穷大系统间的等值电势；THΣ表示高压缸汽门控制系统等效时间常数；u表示汽轮发电机主汽门开度控制；d表示汽轮发电机主汽门开度控制输入干扰；为了便于设计，分别定义三个状态变量x1、x2、x3如下：x1＝δ‑δ0x2＝ω‑ω0x3＝PH‑CHPm0这时(1)就写成x·(t)=f(x)+g(x)u(t)+gd(x)dy(t)=h(x)---(2)]]>其中：f(x)=x2a1sin(x1+δ0)+a2x2+a3x3+b1a4x3,g(x)=00k1,gd(x)=00k1,h(x)=x1]]>a1=-ω0Eq′VsHXdΣ′sin(x1+δ0)]]>a2=-DH]]>a3=ω0H,]]>a4=-1THΣ]]>b1=ω0HPm0(CH+CML)]]>k1=CHTHΣ,]]>步骤二：汽轮发电机主汽门开度预测控制设计控制任务为输出y(t)跟踪指令w(t)，并克服汽轮发电机主汽门开度控制输入干扰d；优化目标函数为J=12∫0T(y^(t+τ)-w^(t+τ))T(y^(t+τ)-w^(t+τ))dτ+12∫0T(d(t+τ)-d^(t+τ))2dτ---(3)]]>其中为d(t+τ)的观测值，为y(t+τ)的预测值，为w(t+τ)的预测值，T为预测区间，τ为预测时间，0≤τ≤T，且有当τ＝0时，u(t+τ)=u^(t+τ)=0---(4)]]>其中为u(t+τ)的预测值；模型的相对阶数为ρ，控制阶数为r，定义为u^[r](t+τ)≠0,τ∈[0,T]]]>u^[k](t+τ)=0,k>r,τ∈[0,T]]]>本算法中，通过泰勒展开，实现对未来输出预测信号的逼近，针对的逼近，取y^(t+τ)=·Γ(τ)Y‾^(t)]]>其中为m×m矩阵，m为系统输出个数，Γ(τ)=Iτ‾...τ‾(ρ+r)(ρ+r)!,]]>I为m×m的单位阵；由模型(2)可知，ρ＝3，r＝1，m＝1，所以取Y‾^(t)=y^[0]y^[1]y^[2]y^[3]=h(x)Lf1h(x)Lf2h(x)Lf3h(x)+00H(u^)H(u^)=LgLfh(x)u^(t)p11(u^(t),x(t))+LgLfh(x)u^·(t)]]>其中，p11(u^(t),x(t))=LgLf3h(x)u^(t)+dLgLf2h(x)dtu^(t)]]>通过泰勒展开，实现对未来指令预测信号的逼近，针对w(t+τ)的逼近，取w^(t+τ)=Γ(τ)W‾(t)]]>其中W‾(t)=w(t)Tw·(t)T...w[4](t)TT;]]>取得预测控制律为u(t)=-(LgLf2h(x))-1(KMρ+Lf3h(x)-w[3](t))---(5)]]>其中，Lfh(x)=∂h∂xf(x)]]>为h关于f的Lie导数,Mρ=x1-w(t)...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝林，韩璞，刘志杰，刘金琨，董泽，王德华，
申请(专利权)人：国电科学技术研究院，华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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