发电机组热工对象自抗扰控制及其参数优化

摘要

发电机组热工对象热容量较大，扰动较多且变量间存在耦合，控制大滞后、时变特性明显。变工况下，以稳定性、安全性为原则的传统 PID控制器往往难以在线整定其参数与增益，动态过程调节难以保证最优，自适应能力及鲁棒性差。自抗扰控制（Active Disturbances Rejection Control，ADRC）不依赖对象模型，能够估计并补偿系统的内、外扰动，且依据状态误差矢量进行非线性反馈调节，有效抑制扰动，自适应性强。论文研究了两类典型发电机组热工对象自抗扰控制问题：超临界机组燃水比(Firing Rate to Feed Water Ratio，FR/FW)及核电站蒸汽发生器(Steam Generator, SG)水位控制。
　　燃水比控制作为超临界直流锅炉控制的关键与难点，其控制效果制约着机组整体控制水平。超临界燃煤发电机组的大延迟及多变量耦合、负荷变动和煤质多变制约机组燃水比控制，常规控制常常引起燃料量或给水量调节过量，使锅炉远偏离于设计工况运行，进而危害机组运行安全。超临界直流机组是以燃料量和给水量为输入变量，微过热蒸汽焓值和主蒸汽压力为输出变量的两输入两输出模型。燃水比控制，必须协调燃料、给水动作来响应负荷变化。其控制系统可看作由微过热蒸汽焓回路与主蒸汽压力回路两个单回路构成，针对上述独立回路，提出相应自抗扰控制方案，将回路间耦合视为各自外扰，并利用自抗扰扰动估计能力实时估计耦合回路间的动态扰动，并用前馈方式予以动态补偿，实现燃水比解耦控制。仿真实验结果表明，此解耦控制方案相对传统 PID解耦控制，变工况适应能力更好，且具有优异的动静态性能。
　　蒸汽发生器故障是压水堆核电站非计划停堆及电厂容量因子损失的主因之一。为此，引入SG水位自抗扰控制。通过扩张状态观测器实时估计系统内、外扰动，并用前馈方式动态补偿；同时，根据状态误差矢量进行非线性反馈调节，缓解控制系统快速与超调之间的矛盾。因自抗扰控制策略参数众多，且尚未有统一调试规范，参数整定通常依靠试凑，工作量较大整定困难，工程实践中难以推广应用。而且SG虚假水位的存在使水位特性辨识难以实现，为此引入结构简单具备快速、精确辨识能力的二阶对角递归神经网络(Second-order Diagonal Recurrent Neural Network, SDRNN)，用其及时跟踪SG水位Jacobian信息，动态辨识水位变化率，实时优化自抗扰控制器参数。分别在水位、蒸汽、给水扰动及负荷变动工况下，进行SG水位SDRNN-ADRC仿真实验，结果表明，此SG水位控制方案能有效抑制瞬时虚假水位，辨识性能与控制品质优异。

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1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 电站热工过程调节任务及控制策略现状

1.3 自抗扰控制概述

1.4 论文主要工作

2 自抗扰控制基础

2.1 跟踪微分器（TD）

2.2 扩张状态观测器（ESO）

2.3 非线性误差反馈控制律（NLSEF）

2.4 二阶自抗扰控制器及其应用

2.5 本章小结

3 超临界机组燃水比自抗扰控制

3.1 引言

3.2 超临界机组燃水比控制特性

3.3 解耦控制方案

3.4 燃水比系统自抗扰解耦控制

3.5 燃水比控制系统仿真实验

3.6 本章小结

4 蒸汽发生器水位神经网络优化自抗扰控制

4.1 引言

4.2蒸汽发生器水位控制特点

4.3蒸汽发生器水位动态特性

4.4蒸汽发生器水位常规控制方案

4.5蒸汽发生器水位SDRNN-ADRC控制策略

4.6 蒸汽发生器水位控制系统仿真实验

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录