一种基于改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法与流程

本发明涉及汽包水位控制，具体涉及一种基于改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法。

背景技术：

1、燃气-蒸汽联合循环机组是一种高效能量利用的热能装置，具有能量效率高等优点。其中，维持余热锅炉汽包水位在合理的设定值附近，是燃气-蒸汽联合循环机组安全、经济运行的重要支撑与保证。目前常用的汽包水位控制采用串级三冲量控制结构，其中串级三冲量控制结构中的反馈控制器大部分是pid控制器，由于燃气-蒸汽联合循环机组参与宽负荷运行，汽包水位时常受到剧烈的干扰，常规pid控制方法的效果不能令人满意。

2、为了提高燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位的控制品质，专利cn202110231345.8通过设计执行机构流量特性优化控制性能。专利cn202220167224.1从汽包结构入手，优化汽包结构从而降低汽包水位的控制难度。专利cn202111277151.8提出了基于串级pi的控制结构实现汽包水位的控制品质提升。尽管pid/pi控制器具有结构简单、性能优异、实现简单、参数含义明确等优点,然而其自身的反馈机制造成在处理大惯性过程中存在着抗干扰能力不足等问题。为了改善上述问题，专利cn202210805784.x采用外环常规自抗扰控制(active disturbance rejection control,adrc)、内环采用pid的控制结构，提高汽包水位的抗干扰能力。然而，由于汽包水位的大惯性，常规adrc在跟踪性能方面可能面临一些挑战，由于大惯性造成扩展状态观测器的两个输入同步性较差，从而降低了汽包水位闭环系统的控制品质。基于分数阶pid的串级控制结构也尝试在燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位中进行应用。此外，基于神经网络的控制策略在燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位中的应用也有一定的研究。但由于先进控制策略所需的计算量较大，工程实施具有一定的挑战性，在当前的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制平台的算力能力下，目前仍然难以大规模工程应用。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题和不足，本发明提出了一种基于改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法，获取燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位系统中给水阀门开度到给水流量的传递函数、给水流量到汽包水位传递函数和蒸汽流量到汽包水位传递函数，以及其中的系数；

4、燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位系统采用串级控制结构，包括外环控制器和内环控制器；

5、串级控制结构的控制量为给水阀门开度，外环的被控对象为给水流量到汽包水位传递函数，外环的被控量为汽包水位，外环控制器的设定值为汽包水位的设定值，外环控制器的输出作为内环控制器的设定值；内环的被控对象为给水阀门开度到给水流量的传递函数，内环的被控量为给水流量，内环控制器的输出为串级结构的控制量；

6、所述的内环控制器采用pid进行控制，其计算表达式如下：

7、

8、式中uin1(t)表示为pid控制器的输出，kp、ki和kd均为pid控制器的待整定参数，分别表示pid控制器的比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数，其数值可以参考内模整定等多种整定方法，或依靠进化算法进行参数优化；rin(t)和yin(t)分别为外环控制器的输出和给水流量；此外，为了保护给水阀门，uin1(t)在输出时需要经过一个限幅器，即

9、

10、其中umax和umin分别为给水阀门能够达到的上限和下限；uin(t)为限幅器输出，即给水阀门开度。

11、所述的外环控制器采用改进自抗扰控制，改进自抗扰控制的输出uout(t)表达式如下：

12、

13、其中，rout(t)表示汽包水位设定值，yout(t)表示汽包水位策略值；k1、k2和b0为改进自抗扰控制中的待整定参数，k1、k2表示预期的汽包水位动态特性，b0表示系统增益的估计，其数值可以参考内模整定等多种整定方法，或依靠进化算法进行参数优化；z2(t)和z3(t)的计算表达式如下：

14、

15、z1(t)、z2(t)和z3(t)均为改进自抗扰控制中扩张状态观测器的输出，分别表示系统输出估计值、系统输出微分值估计值和系统总扰动的估计值；β1、β2和β3均为改进自抗扰控制中扩张状态观测器的待整定参数，表示扩张状态观测器的带宽；upp(t)表示改进自抗扰控制中扩张状态观测器的输入。

16、所述的系数包括给水流量测量的系数、汽包水位测量的系数和蒸汽流量测量的系数。

17、改进自抗扰控制中扩张状态观测器的输入upp(t)计算的表达式如下：

18、

19、其中t为改进自抗扰控制的待整定参数，表示影响蒸汽流量到汽包水位传递函数动态特性的时间延迟常数。

20、依次对待整定参数：t，b0，k1和k2，β1、β2和β3进行整定，至达到预期的控制效果，完成采用改进自抗扰控制的外环控制器参数整定。

21、其中，b0根据前面得到的蒸汽流量到汽包水位传递函数，除去传递函数中由t组成的一阶惯性传递函数外的部分进行计算，一般情况下推荐：b0∈[0.5b,+∞)，其中b为除去蒸汽流量到汽包水位传递函数中由t组成的一阶惯性传递函数外的部分的稳态增益。

22、k1和k2按照如下进行计算：

23、

24、其中ωc为预期的汽包水位动态特性，根据对汽包水位闭环系统的预期响应速度合理选择ωc，ωc越大表示汽包水位闭环系统的预期响应速度越快，反之亦然；

25、β1、β2和β3按照如下进行计算：

26、

27、其中ωo为改进自抗扰控制器中扩张状态观测器的带宽；按照ωo∈[1,10]ωc调整选择ωo。

28、本发明还提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如上所述的改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法。

29、本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如上所述的改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、本发明提出了一种基于改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法，针对汽包水位系统存在的大滞后特性，设计了基于改进自抗扰控制的串级控制结构，外环控制器为改进自抗扰控制器，内环为pid控制器。

32、本发明还针对提出的改进自抗扰控制器给出了一种易于实施、工程性强的参数整定流程。

33、本发明的方法能够克服汽包水位系统自身的大惯性特性造成的控制品质下降问题，具有更快的跟踪性能和抗干扰能力，此外在汽包水位系统存在不确定性时仍然能够保证理想的控制品质，提出的基于改进自抗扰控制的燃气-蒸汽联合循环机组汽包水位控制方法保留了三冲量控制结构，且具有工程易于实现的特点，能够在实际中进行应用，具有很强的应用潜力。