一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法技术

一种基于延时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：延时观测器设计；步骤四：设计结束。本发明专利技术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，然后设计输出延时观测器对测量信号进行校正，从而在时变延时的情况下，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】
一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法
本专利技术涉及一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，它是针对单机无穷大总线系统，而给出的一种基于延时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—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。在运动控制系统中，通常由于测量传感器的因素，会造成位置和速度信号的测量延迟，通过设计输出延时观测器，可很好地对测量信号进行校正。国内外学者在输出延时观测器方向取得了很大的进展。最初，针对线性系统，设计了基于时滞微分方程的有输出延时的观测器，还有学者针对线性系统中输出延时做了进一步研究，在时变延时的情况下设计了延时观测器。这种技术背景下，本专利技术针对单机无穷大总线系统，给出一种基于延时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。在时变延时的情况下，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，而提供一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，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。本专利技术是一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，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，然后设计输出延时观测器对测量信号进行校正，从而在时变延时的情况下，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。本专利技术一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法，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：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)就可以写成而由于在测量信号的过程中，存在时变的延迟，故输出可表示为则上述系统可以写为如下形式,其中：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)。优化目标函数为其中为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，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，定义为本方法中，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，取其中为m×m矩阵，m为系统输出个数，I为m×m的单位阵。由模型(2)可知，ρ＝3，r＝1,m＝1,所以可以取其中，通过泰勒展开，实现对未来指令预测信号的逼近，针对w(t+τ)的逼近，取其中,取可得预测控制律为指令信号为正弦波，即w(t)＝sin(t)。根据Lie函数的定义，可得w(t)＝sin(t)Kc取为：由于ρ+r+1＝5，则i,j＝1,2,3,4,5，则表示为则则因此可得从而步骤三：延时观测器设计为便于提出观测器以及后续的证明，需要将式(2)进行变换，定义则式(2)可以写为：其中且设计如下全状态延时观测器，来测量系统的状态其中χ＞0为常数，Ko＝[k1k2k3]T是使A-KoC满足Hurwitz条件的矩阵。若期望配置的极点位置为-λ1,-λ2,-λ3，λi＞0，则矩阵Ko的计算公式为：定义观测误差再对上述提出的观测器进行李雅普诺夫-拉祖米欣收敛性分析。定义李雅普诺夫函数V(e)＝eTPe，其中P定义为利用拉祖米欣理论，对其进行收敛性分析；采用观测器式(7)，证明出其中ω＞0，即可保证所设计的观测器的指数收敛性，从而实现指数收敛于z。通过可实现x的观测。由于所设计的观测器中包含有很多的参数，为了使观测效果达到最好，即观测器的响应速度最快和观测误差超调量最小，需要对观测器中的参数进行调整。主要调节的参数为调节λ1，λ2，λ3和χ，并按式(8)求k1，k2，k3，χ按χ＞0为常数取。可根据仿真效果，对参数进行调节，直到找到满意的参数。至此，一种基于延时观测器的汽轮发电机主汽门开度预测控制方法设计完毕。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；第三步中主要给出了延时观测器的设计及参数调节；经上述各步骤后，设计结束。3、优点及功效本专利技术针对单机无穷大总线系统，给出一种基于延时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。具体优点包括两个方面：其一，与目前存在的处理方法相比，这种方法在设计控制器过程中十分简便，避免在线优化带来的大量计算负担从而满足实时控制要求；其二，通过设计输出延时观测器对测量信号进行校正，从而在时变延时的情况下，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。附图说明图1：本专利技术单机无穷大总线系统示意图。图2：本专利技术闭环控制系统结构和组件连接关系示意图。图3：本专利技术主汽门开度预测控制(有延时观测器)设计流程示意图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于延时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主要包括控制器环节和系统模型两个部分；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′VsXdΣsinδ)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)y(t)=h(x)]]>而由于在测量信号的过程中，存在时变的延迟，故输出表示为y‾=δ(t-Δ(t))=x1(t-Δ(t))+δ0=h(x(t-Δ(t)))]]>则上述系统写为如下形式,x.(t)=f(x)+g(x)u(t)y‾=h(x(t-Δ(t)))---(2)]]>其中：f(x)=x2a1sin(x1+δ0)+a2x2+a3x3+b1a4x3,]]>g(x)=00c1,]]>h(x(t‑Δ(t)))＝x1(t‑Δ(t))a1=-ω0Eq′VsHXdΣ′sin(x1+δ0)]]>a2=-DH]]>a3=ω0H,]]>a4=-1THΣ]]>b1=ω0HPm0(CH+CML)]]>c1=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)，优化目标函数为J=12∫0T(y^(t+τ)-w^(t+τ))T(y^(t+τ)-w^(t+τ))dτ---(3)]]>其中为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^(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τ‾=diag{τ,...,τ}]]>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)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(KcMρ+Lf3h(x)-w[3](t))---(5)]]>指令信号为正弦波，即...

【技术特征摘要】
1.一种基于延时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主要包括控制器环节和系统模型两个部分；主汽门开度控制系统模型描述如下：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)就写成而由于在测量信号的过程中，存在时变的延迟，故输出表示为则上述系统写为如下形式,其中：h(x(t-Δ(t)))＝x1(t-Δ(t))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)，优化目标函数为其中为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，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，取其中为m×m矩阵，m为系统输出个数，I为m×m的单位阵；由模型(2)知，ρ＝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+τ)的逼近，取其中取得预测控制律为指令信号为正弦波，即w(t)＝sin(t)；根据Lie函数的定义，得3

【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，华山，
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