[發明專利]一種提高火電機組靈活性運行的級聯自適應容積卡爾曼自抗擾控制方法

有效

• 申請號: 202110658735.3
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113391552B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 侯國蓮;黃婷;弓林娟
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種提高火電機組靈活性運行的級聯自適應容積卡爾曼自抗擾控制方法其特征在于：包括以下步驟：

S1：分析超超臨界機組鍋爐—汽輪機單元的控制難點；

S2：確立針對超超臨界機組協調控制系統的級聯自適應容積卡爾曼自抗擾控制策略結構；具體地，為協調控制系統的有功功率、主蒸汽壓力、分離器出口溫度三個輸出回路分別設計一個級聯自適應容積卡爾曼自抗擾控制器，分別記為ACKF-EADRC1、ACKF-EADRC2、ACKF-EADRC3；包括：

S2.1：將協調控制系統的有功功率N信號送入級聯自適應容積卡爾曼濾波自抗擾控制器ACKF-EADRC1，ACKF-EADRC1通過實時準確地對N進行估計和補償，使N準確快速跟蹤外部負荷指令Ns，達到機組快速響應負荷指令的效果；

S2.2：將協調控制系統的主蒸汽壓力P_T信號輸送入級聯自適應卡爾曼濾波自抗擾控制器ACKF-EADRC2，ACKF-EADRC2通過實時準確地對P_T進行估計和補償，使P_T穩定在主蒸汽壓力設定值P_s附近；即機組快速響應外部負荷指令的同時保證了主蒸汽壓力的穩定，維持機組安全穩定運行；

S2.3：將協調控制系統的分離器出口溫度T信號送入級聯自適應卡爾曼濾波自抗擾控制器ACKF-EADRC3，ACKF-EADRC3通過實時準確地對T進行估計和補償，使T在極小范圍內波動；即機組快速響應外部負荷指令的同時維持了機組的安全經濟運行；

S2.4：描述級聯自適應容積卡爾曼自抗擾控制技術的原理及其設計步驟包括：

S2.4.1：二階自抗擾控制器EADRC的設計；

考慮如下二階系統：

其中，g為包含時間變量t、外部擾動d因素的集總函數；b≠0為系統輸入增益的不確定性；b₀為b的估計值；將包含了未知的外部擾動和內部擾動的系統總擾動f定義為：

f＝g+(b-b₀)u (2)

在二階過程的EADRC策略設計中，將作為狀態變量，并將跟蹤誤差定義如下:

式(1)的系統可寫成以坐標的擴張狀態形式:

假設f^*是隨時間變化可微的，且為f^*的邊界；對于上述分析的基于誤差形式的被控對象模型和狀態變量定義，EADRC的二階ESO可表示為:

當ESO的增益調整到適當值時，z₁、z₂和z₃能實時精確地分別跟蹤e、和f信號；隨后,根據下式反饋控制律可對系統總擾動進行實時補償:

根據EADRC的穩定性分析可知,控制器的增益選擇如下:

其中，ω_c和ω_o分別為控制器和ESO的帶寬；根據經驗ω_o≈3～5ω_c；

S2.4.2：卡爾曼濾波利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計；其改進在于，將自適應機制及球面徑向容積準則引入卡爾曼濾波算法，提高其估計精度及數值穩定性，具體步驟包括：

S2.4.3：自適應容積卡爾曼濾波算法ACKF的初始化，包括：初始化濾波參數x₀、Q₀和R₀；x₀為狀態向量初始值、Q₀為噪聲協方差、R₀為測量噪聲協方差；用狀態向量初始值x₀計算初始均值和協方差P₀：

S2.4.4：自適應容積卡爾曼濾波算法的時間更新，獲得狀態量預測值及誤差協方差預測值；具體化包括：

分解誤差協方差：

S_k-1＝chol(P_k-1) (10)

其中chol()是矩陣的Cholesky分解，返回一個較低的三角形Cholesky因子，即

P_k-1＝S_k-1S^T_k-1 (11)

計算容積點：

其中，n表示狀態變量的個數，ξ代表一組標準體積點，ξ的計算公式：

其中[1]表示單位矩陣，i表示第i列向量；

通過狀態空間方程傳播體積點，計算預測狀態：

計算傳播協方差矩陣：

其中，Q_k-1是第k-1步時的噪聲協方差矩陣；

S2.4.5：自適應容積卡爾曼濾波算法的量測更新，包括基于誤差協方差計算容積點，傳播容積點并計算預測值，獲得誤差協方差的預測值，計算卡爾曼增益，更新預測狀態及誤差協方差，自適應更新噪聲協方差和測量噪聲協方差；循環執行步驟2.4.4至步驟2.4.5，滿足預設終止條件時停止循環；具體化包括：

再次分解誤差協方差：

S_k|k-1＝chol(P_k|k-1) (16)

再次計算容積點：

傳播容積點并計算預測值：

計算估計誤差協方差：

其中，R_k-1為第k-1步時的測量噪聲協方差矩陣；

計算卡爾曼增益：

更新預測狀態：

更新誤差協方差：

自適應更新噪聲協方差和測量噪聲協方差:

在確定了級聯自適應容積卡爾曼濾波自抗擾控制器的結構之后，需要對其參數進行選取；通常采用手動整定的方式獲取ACKF-EADRC1、ACKF-EADRC2、ACKF-EADRC3的最優參數b₀₁、ω_o1、ω_c1、b₀₂,ω_o2、ω_c2、b₀₃、ω_o3、ω_c3，至此已完成基于超超臨界機組協調控制系統的控制器設計；

S3：依托仿真平臺驗證并分析所提控制策略的可行性。