一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法技术方案

一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，该方法有三大步骤：步骤一：设计期望的闭环系统H(s)＝1/(cs2+ds+1)；步骤二：针对G1(s)＝k/(as2+bs+1)，设计控制器Gc1(s)；步骤三：根据式Kf＝f(h)＝c0+c1h+c2h2+c3h3+c4h4+…(3)计算Kf。本发明专利技术应用了牛顿力学中的加速度的负反馈作用,对控制系统的运行,控制输入的加速度作用,直接影响被控输出的稳态和动态特性,使得系统具有满意的控制品质和鲁棒性能。

【技术实现步骤摘要】
一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法
本专利技术涉及一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，它应用于火电厂热工系统控制,属于自动控制

技术介绍
火电厂汽温系统是很重要的热工过程,它直接影响火电厂的负荷出力,经济效益。火电厂汽温系统是一类大时延时变参数系统(随着负荷和运行工况变化),这种系统是控制系统设计的老大难问题。当一个物体的运动(或者物体状态参数的变化)速度远小于光速时，可以应用经典力学运动方程来描述其运动规律。大部分现代工业过程控制系统中，诸如物体运动的位置(位移、液位、姿态等)、张力、体积(流量、硬度、厚度)，或者系统的状态参数(温度、浓度、压力、热焓等)等物理量，只要其存在一阶连续导数(速度)和二阶连续导数(加速度)，就可以应用经典力学运动方程来描述其运动规律，并根据测量到的系统信息对系统状态进行估计。本专利技术的控制器应用了牛顿力学原理:即通过系统输出的位置m3y、速度和加速度的负反馈作用，把被控对象的输出轨迹引导和控制到期望的闭环系统H(s)＝1/(cs2+ds+1)的输出轨迹上。本专利技术的牛顿力学控制器适用于大多数工业过程控制，改善了控制系统的品质。
技术实现思路
本专利技术的控制器应用了牛顿力学原理:即通过系统输出的位置m3y、速度和加速度的负反馈作用，把被控对象的输出轨迹引导和控制到期望的闭环系统H(s)＝1/(cs2+ds+1)的输出轨迹上。专利技术控制器的特点是应用了牛顿力学中的加速度的负反馈作用,众所周知,加速度变化的大小是影响物体运动的最主要的因素。对控制系统的运行,控制输入的加速度作用,直接影响被控输出的稳态和动态特性。在火电厂汽温系统控制中,PID控制器是最广泛应用的控制器,因为其结构简单，使控制系统无静差(积分作用)，并且能够较快克服动态偏差(微分作用)，且使控制系统具有一定的鲁棒性能，但是PID控制器中的积分作用容易使控制系统品质变差和产生积分饱和现象。另外，从PID控制器的传递函数分析:GPID(s)＝Kp+Ki/s+Kds/(Tds+1)PID控制器中没有控制输入加速度s2的负反馈作用，当被控对象的传递函数是时变性很大的系统(不确定性系统很强)，PID控制器是很难达到满意的控制效果(系统的鲁棒性能变差)。在火电厂热工过程控制中二阶对象具有代表性，汽温系统也是这类系统，其传递函数为：G(s)＝ke-τs/(as2+bs+1)＝G1(s)e-τs(1)是稳定且时不变的，这并不失一般性，因为对不稳定对象，总可以先用一个动态补偿器使它稳定。其中：G1(s)＝k/(as2+bs+1)设计的牛顿力学控制器Gc(s)为：Gc(s)＝Kr(m1s2+m2s+m3)/(n1s2+n2s+n3)(2a)其中，Kr＝Kfkc它的状态空间表示为:Gc(s)＝Kfkc(m1s2+m2s+m3)/(n1s2+n2s+n3)＝KfGc1(s)Gc1(s)＝kc(m1s2+m2s+m3)/(n1s2+n2s+n3)Kf＝f(τ/tp)＝f(h)，h＝τ/tp；Kf是关于h的单调递减函数，0＜Kf≤1，(当τ＝0时，Kf＝1)。工程实践证明，当系数h＝τ/tp增大时，为了保证控制系统的稳定和品质，必须减小Kf。Kf＝f(τ/tp)可以通过曲线拟合的方法得到。Kf＝f(h)＝c0+c1h+c2h2+c3h3+c4h4+…，(3)kc是与系统静差相关的一个系数。本专利技术一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，该方法具体步骤如下：步骤一：设计期望的闭环系统：H(s)＝1/(cs2+ds+1)(4)其中c＝1/w2；d＝2ζ/w；ζ是无阻尼系数，取ζ＝0.75～1；如何配置系统(式4)中的参数c和d是设计控制器的关键，也就是对系统参数w的选择，w反映了系统的时间尺度(系统的过渡过程快慢)，需要在系统的动态品质指标和鲁棒性之间作出平衡。步骤二：针对G1(s)＝k/(as2+bs+1)设计控制器Gc1(s)：Gc1(s)＝kc(m1s2+m2s+m3)/(n1s2+n2s+n3)(5)系统的开环传递函数是：Q(s)＝kckm3(m1s2/m3+m2s/m3+1)/((n1s2+n2s+n3)(as2+bs+1))一种简单的计算方法是，取：km3＝1；m1/m3＝a；m2/m3＝b(6)则Q(s)＝kc/(n1s2+n2s+n3)系统的闭环传递函数是：H(s)＝(kc/(kc+n3))/(n1s2/(kc+n3)+n2s/(kc+n3)+1)(7)式(7)中的kc/(kc+n3)表示系统的静态稳定值。当n3＝0时，系统是无静差的；当n3＝0，kc＝1时，牛顿力学控制器Gc(s)是一个PID控制器。计算牛顿力学控制器Gc(s)的参数如下:根据kc/(kc+n3)确定系统的静态稳定值，例如kc/(kc+n3)＝0.999，则静态误差为0.001；如果取n3＝0.1，kc＝99.9，然后结合式(5)，并且比较式(7)和(4)，很容易求解控制器Gc1(s)(式(5))中kc,m1,m2,m3,n1,n2,n3的值；m3＝1/k；m1＝a/k；m2＝b/k；n1＝(kc+n3)c；n2＝(kc+n3)d(8)f1＝1/n1；f2＝-n2/n1；f3＝-n3/n1；(9)步骤三：根据式Kf＝f(h)＝c0+c1h+c2h2+c3h3+c4h4+…(3)计算Kf式中符号说明如下：h＝τ/tp；c0,c1,c2,c3,c4...是应用多项式回归方法计算得到的系数。牛顿力学控制器Gc(s)通过系统运动的位置m3y、速度和加速度的负反馈作用，把被控对象的输出轨迹引导和控制到期望的闭环系统H(s)＝1/(cs2+ds+1)的输出轨迹上。牛顿力学控制器的结构见说明书附图1。优点及功效：本专利技术是一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，其优点是应用了牛顿力学中的加速度的负反馈作用,众所周知,加速度变化的大小是影响物体运动的最主要的因素。对控制系统的运行,控制输入的加速度作用,直接影响被控输出的稳态和动态特性,使得系统具有满意的控制品质和鲁棒性能。附图说明图1牛顿力学控制器的结构示意图。图2300MW喷水减温系统的PID控制器方框图。图3300MW喷水减温系统应用牛顿力学控制器方框图。图4300MW喷水减温应用牛顿力学控制器闭环系统输出。图5300MW喷水减温加牛顿力学控制器补偿系统。图6工况1补偿前，后输出曲线比较示意图。图7工况2补偿前，后输出曲线比较示意图。具体实施方式：见图1—图7，由本专利技术设计的牛顿力学控制器Gc(s)需要在用户的分散式控制系统(DCS)上组态实现，然后进行实时运行控制。也可以在工控机上实施。一.牛顿力学控制器在300MW喷水减温系统中作为主控制器应用:附图2是该系统传统的PID控制器系统方框图，R为输入给定值。设计步骤:1.把图2中虚线框图经过等效变换为图3中300MW喷水减温系统牛顿力学控制器方框图；2.经过计算，等效回路的传递函数为：Geq(s)＝0.75e-80s/(900s2+60s+1)；控制周期ts＝0.2s3.按照
技术实现思路
中的计算，应用公式(8)和(9),牛顿力学控制器的结构参数如下：m1＝600；m2＝40；m3＝0.6667；f1＝9.6830e-07；f2＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：设计期望的闭环系统：H(s)＝1/(cs2+ds+1)   (4)其中c＝1/w2；d＝2ζ/w；ζ是无阻尼系数，取ζ＝0.75～1；如何配置系统(式4)中的参数c和d是设计控制器的关键，也就是对系统参数w的选择，w反映了系统的时间尺度，需要在系统的动态品质指标和鲁棒性之间作出平衡；步骤二：针对G1(s)＝k/(as2+bs+1)，设计控制器Gc1(s)：Gc1(s)＝kc(m1s2+m2s+m3)/(n1s2+n2s+n3)   (5)系统的开环传递函数是：Q(s)＝kckm3(m1s2/m3+m2s/m3+1)/((n1s2+n2s+n3)(as2+bs+1))一种简单的计算方法是，取：km3＝1；m1/m3＝a；m2/m3＝b   (6)则Q(s)＝kc/(n1s2+n2s+n3)系统的闭环传递函数是：H(s)＝(kc/(kc+n3))/(n1s2/(kc+n3)+n2s/(kc+n3)+1)   (7)式(7)中的kc/(kc+n3)表示系统的静态稳定值；当n3＝0时，系统是无静差的；当n3＝0，kc＝1时，牛顿力学控制器Gc(s)是一个PID控制器；计算牛顿力学控制器Gc(s)的参数如下:根据kc/(kc+n3)确定系统的静态稳定值，kc/(kc+n3)＝0.999，则静态误差为0.001；如果取n3＝0.1，kc＝99.9，然后结合式(5)，并且比较式(7)和(4)，很容易求解牛顿力学控制器Gc1(s)式(5))中kc,m1,m2,m3,n1,n2,n3的值；m3＝1/k；m1＝a/k；m2＝b/k；n1＝(kc+n3)c；n2＝(kc+n3)d   (8)f1＝1/n1；f2＝‑n2/n1；f3＝‑n3/n1；   (9)步骤三：根据式Kf＝f(h)＝c0+c1h+c2h2+c3h3+c4h4+…(3)计算Kf式中符号说明如下：h＝τ/tp；c0,c1,c2,c3,c4...是应用多项式回归方法计算得到的系数；牛顿力学控制器Gc(s)通过系统运动的位置m3y、速度和加速度的负反馈作用，把被控对象的输出轨迹引导和控制到期望的闭环系统H(s)＝1/(cs2+ds+1)的输出轨迹上。...

【技术特征摘要】
1.一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：设计期望的闭环系统：H(s)＝1/(cs2+ds+1)(4)其中c＝1/w2；d＝2ζ/w；ζ是无阻尼系数，取ζ＝0.75～1；w反映了系统的时间尺度，在选择系统参数w时，需要在系统的动态品质指标和鲁棒性之间作出平衡；步骤二：针对G1(s)＝k/(as2+bs+1)，设计控制器Gc1(s)：Gc1(s)＝kc(m1s2+m2s+m3)/(n1s2+n2s+n3)(5)系统的开环传递函数是：Q(s)＝kckm3(m1s2/m3+m2s/m3+1)/((n1s2+n2s+n3)(as2+bs+1))一种简单的计算方法是，取：km3＝1；m1/m3＝a；m2/m3＝b(6)则Q(s)＝kc/(n1s2+n2s+n3)系统的闭环传递函数是：H1(s)＝(kc/(kc+n3))/(n1s2/(kc+n3)+n2s/(kc+n3)+1)(7)式(7)中的kc/(kc+n3)表示系统的静态稳定值；当n3＝0时，系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彦桥，华山，王德华，刘立衡，
申请(专利权)人：国电科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32