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一种新型高性能控制器的研究与应用

已有 1216 次阅读 2021-1-27 17:52 |系统分类:博客资讯

一种新型高性能控制器


是指:采用一种新型超前观测器、一种内反馈控制器、一种正弦跟踪滤波器构造出的新型控制器。实际应用结果显示,新型高性能控制器能够对过程在较宽的范围内的时变性、非线性等不确定性问题进行较好的抑制。



在控制实际中,存在大量的不确定性问题,如过程的时变性、非线性等问题。目前来看,抑制不确定性问题的最有效方法仍然是包括PID 在内的反馈控制或者反馈校正,这说明在提高反馈控制性能的方面还有很大的发展空间。


01


首先,针对在控制实际中存在的纯滞后问题,提出了一种理想超前观测器(Ideal advanced observation, IAO)的概念,遗憾的是IAO是一种非因果系统,在实时系统中不成立。控制科学的本质是实验科学,通过大量的实验计算,找到了一种在频域特性上近似IAO的方法,即一种新型超前观测器(New advanced observer, NAO)。IAO和NAO表达为

公式1.jpg


其中, WIAO(s) 、TAO为IAO的传递函数、超前观测时间常数。WNAO(s)、ωAO为NAO的传递函数、超前观测频率带宽。


IAO和NAO的频率特性的计算结果,如图1所示。


图1.jpg

图1 新型超前观测器的频率特性示意图


在图1中,G_IAO(ω)、G_NAO(ω)代表IAO、NAO的增益频率特性,采用对数dB单位。PH_IAO(ω)、PH_NAO(ω)代表IAO、NAO的相位频率特性。在ω_AO以内,NAO与IAO相比的相位误差(Phase error)小于0.5 °,增益误差小于3dB。NAO的高频增益趋于0,具有较好的噪声干扰滤波特性。


ω_AO与T_AO的反比关系是NAO的基本特性,在系统频率带宽(System frequency bandwidth, SFB)以内,NAO能够提供在时间超前上相对准确的观测。


02

然后,将NAO、一种内反馈控制器(Internal feedback controller, IFC)、一种正弦跟踪滤波器(Sinusoid tracking filter, STF)相结合,构造出一种新型高性能控制器(New higher performance controller),如图2所示。


图2.jpg

图2  新型高性能控制器示意图


03

接着,进行了大量的仿真实验。在仿真实验中,保持控制器参数不变,但是改变过程对象参数,主要目的是考察NHPC抑制过程不确定性的性能,并且将NHPC与PID进行对比。初始的参数调整使被控过程输出单调不超调,然后改变过程对象参数。其中的2个仿真实验对比结果,如图3和图4所示。


图3.jpg

图3  仿真实验对比结果1


图4.jpg

图4  仿真实验对比结果2


04

最后,将NHPC运用于某火电厂的1000MW燃煤机组的锅炉主控系统的优化,主要目的是改善锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态特性。所述锅炉主控系统的主要存在锅炉主控输出的波动较大,锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态偏差较大,通常达到1.17 MPa。


采用NHPC优化后,其中在机组800 MWà600 MW的降负荷过程,得到主汽压力的控制特性,如图5所示。在采用NHPC优化后,锅炉主控输出变化相对平稳,锅炉主汽压力跟踪锅炉压力给定的动态偏差一般不超过0.51 MPa。采用NHPC优化收到了明显的效果。


图5.jpg

图5  优化后锅炉主控系统控制特性示意图


引用格式


李军, 刘哲, 周永言.一种新型高性能控制器的研究与应用.自动化学报, 2020, 46(12): 2558−2571

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180241?viewType=HTML 


作者简介


李  军

广东电网有限责任公司电力科学研究院工程人员. 主要研究方向为计算机控制与通讯等试验. 本文通信作者.

E-mail: lijun_87389@126.com


刘  哲

广东电网有限责任公司电力科学研究院高级工程师. 主要研究方向为火电厂热工控制方面的试验.

E-mail: liuzheyoungman@163.com


周永言

广东电网有限责任公司电力科学研究院副总工程师. 主要研究方向为电力系统新技术应用和科技成果应用转化方面的管理.

E-mail: zyy23443@126.com




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