[發明專利]基于不確定性補償的燃燒室熱聲震蕩模型預測控制方法

有效

• 申請號: 202110577445.6
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113359441B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 孫立;陳卓;蘇志剛
• 申請（專利權）人: 東南大學溧陽研究院;東南大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱楨榮

1.一種基于不確定性補償的燃燒室熱聲震蕩模型預測控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1、建立燃燒震蕩的機理模型；

步驟S2、對機理模型進行簡化，建立半機理數學模型；

步驟S3、基于半機理數學模型，設計干擾觀測器DOB，將DOB與實際對象動態之間的模型偏差、外部干擾作為集總干擾進行估計并實時補償；

步驟S4、根據步驟S2、S3，形成不確定性補償的模型預測控制方法；

步驟S1中所述燃燒震蕩的機理模型，包括火焰模型、燃料調節環節模型和聲波模型，具體如下：

火焰模型，用于計算火焰釋放的熱量Q_N；

燃料調節環節模型，用于計算由聲波火焰控制系統產生的熱量Q_c，聲波火焰控制系統是用來抑制熱聲震蕩的控制系統；

聲波模型，用于獲取總熱量Q與燃燒系統壓力p_ref之間關系，其中Q＝Q_N+Q_c；

步驟S2具體如下：

通過Riemann不變量分解將機理模型分為三個相關部分：上游聲波傳播通道H_up(s)，下游聲波傳播通道H_down(s)，由流動和燃燒引起的噪聲動力學的燃燒系統的噪聲源H_noise(s)；燃燒系統的線性行為使用傳遞函數描述，非線性動力學特性部分則采用描述函數來描述；具體地：

燃燒系統的噪聲源H_noise(s)是對存在于湍流燃燒室中的寬帶噪聲的數學描述，H_noise(s)傳遞函數模型為：

H_noise(s)＝G_1n·G_2n·G_3n·G_4n；

其中，G_1n為擬合的噪聲源第一特性函數、G_2n為擬合的噪聲源第二特性函數、G_3n為擬合的噪聲源第三特性函數、G_4n為擬合的噪聲源第四特性函數，G_1n、G_2n、G_3n、G_4n分別為噪聲源從低頻至高頻的特性傳遞函數；

H_down(s)涵蓋了燃燒器的出口聲學邊界條件以及從入口參考點到燃燒室出口的聲波傳播和反射過程；H_down(s)傳遞函數模型為：

H_down(s)＝G_1d·G_2d·G_3d·G_4d；

其中，G_1d為擬合的聲波通道第一特性函數、G_2d為擬合的聲波通道第二特性函數、G_3d為擬合的聲波通道第三特性函數、G_4d為擬合的聲波通道第四特性函數，G_1d、G_2d、G_3d、G_4d分別為下游聲波通道從低頻至高頻的特性傳遞函數；

對非線性行為采用描述函數法來進行表征，在燃燒系統工作的頻率范圍內，頻率和幅值的描述能夠分解為兩個獨立的函數；H_up(s)的輸入是Riemann不變量g，故H_up(s)寫為：

H_up(iω,|g|)＝N_up(|g|)L_up(iω)；

其中，H_up(iω,|g|)為上游聲波通道的頻率響應，i為虛數單位，ω表示頻率，N_up(|g|)為幅值；L_up(s)＝G_1u·G_2u·G_3u·G_4u，其中G_1u為頻率第一特性函數、G_2u為頻率第二特性函數、G_3u為頻率第三特性函數、G_4u為頻率第四特性函數，G_1u、G_2u、G_3u、G_4u分別為頻率函數從低頻至高頻的特性傳遞函數，拉普拉斯算子s＝iω,L_up(iω)為頻率函數的頻率響應；

步驟S4具體如下：將半機理數學模型轉化為標準狀態空間模型并離散化，離散狀態空間模型表示為：

其中，x_k,u_k,y_k分別為k時刻下的狀態變量、輸入變量與輸出變量，x_k+1為k+1時刻的狀態變量；A,B,C分別為上述離散狀態空間模型的系統矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣；

進一步，獲得如下增廣狀態空間模型：

其中，x_e,k+1＝x_k+1-x_k，x_e,k+1為k+1時刻增量形式的擴增狀態量，x_e,k＝x_k-x_k-1，x_e,k為k時刻增量形式的擴增狀態量，y_e,k＝y_k-y_k-1為k時刻增量形式的輸出量，Δu_k＝u_k-u_k-1為k時刻控制量增量，A_e，B_e，C_e分別為擴增形式的增廣系統矩陣、控制矩陣和輸出矩陣；

取預測時域、控制時域分別為P_n和M_n，得到Y_e,k和ΔU_e,k：

其中，Y_e,k為自k時刻開始未來P_n個時刻輸出組成的向量，ΔU_e,k為自k時刻開始未來M_n個控制量增量組成的向量，y_k+i|k為k時刻預測的k+i時刻的輸出量，i為大于等于1小于等于P_n的整數，[ ]_p·Pn×1表示p個P_n×1列向量，其中p為輸出量個數，Δu_k+j-1表示k時刻優化所得的k+j-1時刻的控制增量，表示m個M_n×1列向量，其中m為控制量個數，j為大于等于1小于等于M_n的整數；

進一步得預測模型為：

Y_e,k＝S_xx_e,k+S_uΔU_e,k

其中，S_x，S_u分別為擴增狀態矩陣和擴增控制矩陣；

最后，根據所得預測模型，通過滾動優化形成不確定性補償的模型預測控制方法，從而獲取考慮不確定性補償的控制率。

2.根據權利要求1所述的一種基于不確定性補償的燃燒室熱聲震蕩模型預測控制方法，其特征在于，步驟S3中，集總干擾包括外部擾動、模型失配對燃燒系統的影響。