[發(fā)明專利]一種在火電廠汽溫系統(tǒng)中牛頓力學(xué)控制器的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510403871.2
• 申請(qǐng)日: 2015-07-10
• 公開（公告）號(hào): CN105204330B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳彥橋;華山;王德華;劉立衡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在火電廠汽溫系統(tǒng)中牛頓力學(xué)控制器的設(shè)計(jì)方法，它應(yīng)用于火電廠熱工系統(tǒng)控制,屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

火電廠汽溫系統(tǒng)是很重要的熱工過(guò)程,它直接影響火電廠的負(fù)荷出力,經(jīng)濟(jì)效益?；痣姀S汽溫系統(tǒng)是一類大時(shí)延時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)(隨著負(fù)荷和運(yùn)行工況變化), 這種系統(tǒng)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的老大難問題。

當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)(或者物體狀態(tài)參數(shù)的變化)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，可以應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。大部分現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，諸如物體運(yùn)動(dòng)的位置(位移、液位、姿態(tài)等)、張力、體積(流量、硬度、厚度)，或者系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)(溫度、濃度、壓力、熱焓等)等物理量，只要其存在一階連續(xù)導(dǎo)數(shù)(速度)和二階連續(xù)導(dǎo)數(shù)(加速度)，就可以應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并根據(jù)測(cè)量到的系統(tǒng)信息對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。

本發(fā)明的控制器應(yīng)用了牛頓力學(xué)原理:即通過(guò)系統(tǒng)輸出的位置m₃y、速度和加速度的負(fù)反饋?zhàn)饔?，把被控?duì)象的輸出軌跡引導(dǎo)和控制到期望的閉環(huán)系統(tǒng)H(s)＝1/(cs²+ds+1)的輸出軌跡上。

本發(fā)明的牛頓力學(xué)控制器適用于大多數(shù)工業(yè)過(guò)程控制，改善了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的控制器應(yīng)用了牛頓力學(xué)原理:即通過(guò)系統(tǒng)輸出的位置m₃y、速度和加速度的負(fù)反饋?zhàn)饔?，把被控?duì)象的輸出軌跡引導(dǎo)和控制到期望的閉環(huán)系統(tǒng)H(s)＝1/(cs²+ds+1)的輸出軌跡上。

發(fā)明控制器的特點(diǎn)是應(yīng)用了牛頓力學(xué)中的加速度的負(fù)反饋?zhàn)饔?眾所周知, 加速度變化的大小是影響物體運(yùn)動(dòng)的最主要的因素。對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行,控制輸入的加速度作用,直接影響被控輸出的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

在火電廠汽溫系統(tǒng)控制中,PID控制器是最廣泛應(yīng)用的控制器,因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使控制系統(tǒng)無(wú)靜差(積分作用)，并且能夠較快克服動(dòng)態(tài)偏差(微分作用)，且使控制系統(tǒng)具有一定的魯棒性能，但是PID控制器中的積分作用容易使控制系統(tǒng)品質(zhì)變差和產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。另外，從PID控制器的傳遞函數(shù)分析:

G_PID(s)＝K_p+K_i/s+K_ds/(T_ds+1)

PID控制器中沒有控制輸入加速度s²的負(fù)反饋?zhàn)饔茫?dāng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是時(shí)變性很大的系統(tǒng)(不確定性系統(tǒng)很強(qiáng))，PID控制器是很難達(dá)到滿意的控制效果(系統(tǒng)的魯棒性能變差)。

在火電廠熱工過(guò)程控制中二階對(duì)象具有代表性，汽溫系統(tǒng)也是這類系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

G(s)＝ke^-τs/(as²+bs+1)＝G₁(s)e^-τs(1)

是穩(wěn)定且時(shí)不變的，這并不失一般性，因?yàn)閷?duì)不穩(wěn)定對(duì)象，總可以先用一個(gè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器使它穩(wěn)定。

其中：G₁(s)＝k/(as²+bs+1)

設(shè)計(jì)的牛頓力學(xué)控制器G_c(s)為：

G_c(s)＝K_r(m₁s²+m₂s+m₃)/(n₁s²+n₂s+n₃)(2a)

其中，K_r＝K_fk_c

它的狀態(tài)空間表示為:

Gc(s)＝K_fk_c(m₁s²+m₂s+m₃)/(n₁s²+n₂s+n₃)＝K_fG_c1(s)

G_c1(s)＝k_c(m₁s²+m₂s+m₃)/(n₁s²+n₂s+n₃)