用于火电厂湿式电除尘器的一阶时延自抗扰控制方法

1.本技术涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种用于火电厂湿式电除尘器的一阶时延自抗扰控制方法。


背景技术：

2.自抗扰控制(adrc)因其对不确定性、干扰的处理能力较强因而在工业控制中收到较大重视。通常adrc能较好地处理模型不确定性、非线性和外部干扰。目前adrc控制器调参方法主要有试验法、带宽参数化调整法、频域整形、约束优化调参、基于编程的软件调参法等。上述方法为仍需培训现场工程师花费大量时间去学习专业知识才能应用于现场调控，较为复杂，不便于操作应用。为了推广adrc的在火力发电厂及其他工业领域的应用，减少adrc增益调控的复杂度，采用带宽参数化技术是一种较好的方法；基于带宽参数化法，进一步缩放参数，减少了调参的复杂度。但湿式电除尘出口测点在电厂烟囱排口，烟尘浓度模型必然存在有较大时延，需要从理论上探求adrc控制器的时延裕度，并进行鲁棒性分析以给出鲁棒性较强的控制参数用于湿式电除尘控制系统十分重要。并且，湿式电除尘器受前级的干式电除尘、湿法脱硫系统的影响，会存在大量干扰，湿电烟尘浓度模型本身也有存在不确定性。如何去解决时延电除尘系统的不确定性和干扰是adrc控制技术设计的中关键问题。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种用于火电厂湿式电除尘器的一阶时延自抗扰控制方法，其技术目的是解决时延电除尘系统的不确定性和干扰，实现湿式电除尘器的自抗扰控制。
4.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
5.一种用于火电厂湿式电除尘器的一阶时延自抗扰控制方法，包括：
6.获取湿式电除尘器的一阶标称传递函数模型；
7.构造与所述一阶标称传递函数模型适配的一阶自抗扰控制器模型，并对该一阶自抗扰控制器模型的参数进行缩放；
8.将所述一阶自抗扰控制器模型转化成二自由度等效模型，构建闭环特征方程并对湿式电除尘器的闭环控制系统进行稳定性分析，获取控制参数的选取范围；
9.对所述控制参数的全面鲁棒性进行分析，得到鲁棒调整准则；
10.根据该鲁棒调整准则对一阶自抗扰控制器模型进行参数修改及应用，对湿式电除尘器进行自抗扰控制。
11.本技术的有益效果在于：通过获取被控系统的一阶标称传递函数模型并构造与之适配的一阶自抗扰控制器模型，根据一阶自抗扰控制器模型设计自抗扰控制器；将自抗扰控制器的参数进行缩放建立被控系统特征方程并进行稳定性分析，得到系统稳定条件，即实用控制参数调节范围；进行参数的鲁棒性分析检验，给出自抗扰控制器的鲁棒调整准则。通过该自抗扰控制器进行自抗扰控制可以改善系统鲁棒性，对存在不确定时延系统有较好
控制效果，可应用于湿式电除尘器的闭环控制中。
附图说明
12.图1为本技术所述的一阶自抗扰控制器的结构示意图；
13.图2为本技术在不同时延下对标观测器带宽的鲁棒性度量示意图；
14.图3是1000mw燃煤电厂湿式电除尘器的自抗扰控制模拟仿真示意图。
具体实施方式
15.下面将结合附图对本技术技术方案进行详细说明。
16.本实施案例公开了一种针对含一阶时延闭环控制系统的自抗扰控制方法，其中该控制方法主要针对含不确定时延的一阶模型，也可以应用在从一阶到高阶的任意模型的对象，实施的流程如图1所示。
17.该用于火电厂湿式电除尘器的一阶时延自抗扰控制方法，包括：
18.s1：获取湿式电除尘器的一阶标称传递函数模型(或者由高阶湿式电除尘器过程模型转换成一阶标称传递函数模型)。
19.具体地，被控系统可以是一阶及一阶以上的湿电模型，当被控系统为一阶以上的湿电模型时，将其通过sigurd法转化为近似的一阶湿电模型，最终都将得出湿电一阶标称传递函数模型g
p
，表示为：
[0020][0021]
其中，s表示laplace算子；k表示增益；t表示时间常数；l表示时延常量。
[0022]
将该一阶标称传递函数模型等价表示为状态空间模型，则该状态空间模型表示为：
[0023][0024]
其中，x1表示系统状态向量且等价于y；u(t)表示二次电流改变量(控制输入量)；y(t)表示出口烟尘浓度(湿式电除尘器输出)；u(t-l)表示滞后时间l的控制输入量；d(t-l)表示扰动量，该扰动量包括外部扰动和内部扰动；b0＝k/t。
[0025]
通过sigurd法将大多一阶及其以上的湿电模型转化为近似的一阶湿电模型，使本技术所述方法对该近似一阶模型进行控制，故本技术对一阶及以上高阶湿电模型也具有良好的适用性。
[0026]
s2：构造与所述一阶标称传递函数模型适配的一阶自抗扰控制器模型，并对该一阶自抗扰控制器模型的参数进行缩放。
[0027]
该一阶自抗扰控制器模型表示为：
[0028]
[0029][0030]
其中，表示式(2)中过程输出y的估计值；表示集总干扰项的估计值；l0表示定义的标称时延；β1、β2均表示观测器增益；r表示参考信号；k
p
表示控制器增益；
[0031]
构造完一阶自抗扰控制器模型后，对该一阶自抗扰控制器模型进行参数缩放，包括观测器参数缩放和反馈控制器参数缩放，观测器参数缩放包括：
[0032][0033]
反馈控制器参数缩放包括：
[0034][0035]
其中，ωo表示观测器的带宽参数；ωc表示控制器的带宽参数；λ表示可调的正参数；表示归一化拉普拉斯算子；τ为过程特征参数表示标准化时延量，表示标准化观测器带宽。
[0036]
s3：将所述一阶自抗扰控制器模型转化成二自由度等效模型，构建闭环特征方程并对湿式电除尘器的闭环控制系统进行稳定性分析，获取控制参数的选取范围。
[0037]
将参数缩放后的一阶自抗扰控制器模型转化成二自由度(2-dof)等效模型，该二自由度等效模型将闭环控制系统划分为前馈环节和反馈环节，两个环节彼此之间不存在耦合，将整个闭环控制系统分为两个自由度模型。经计算，将式(2)至式(4)的开环传递函数表示为：
[0038][0039]
则闭环控制系统的闭环特征方程为对该闭环特征方程进行缩放并转换为：
[0040][0041]
当闭环特征方程(8)满足其所有的根落在复平面的左半平面内，即：
[0042][0043]
根据式(9)，最终得到闭环控制系统的实际控制参数选取范围，表示为：
[0044][0045]
s4：对所述控制参数的全面鲁棒性进行分析，获取所述一阶自抗扰控制器模型控制参数的推荐取值范围。
[0046]
具体地，对所述控制参数的全面鲁棒性进行分析，其检验指标包括增益裕度gm、稳定性裕度sm和相对时延裕度r
dm
，具体分析如下：
[0047]
(1)增益裕度gm表示系统频率响应g
op
(jω)的相位等于-180
°
的频率上幅值|g
op
(jω)|的倒数。增益裕度gm指出了闭环控制系统在趋于不稳定系统之前，增益所允许的增加值。
[0048]
(2)稳定性裕度sm表示|1 g
op
(jω)|的最小值，sm越大，代表g
op
(jω)离(-1,0)点的最近距离越大，意味着系统鲁棒性较好。
[0049]
(3)当系统时延不确定时，相对时延裕度r
dm
表示为：
[0050][0051]
其中，rd＝(l-l0)/l0，表示不确定时滞l在标称值l0附近的时滞扰动；l表示不确定时滞l的上限，表示不确定时滞l的下限。当存在不确定时延的情况下，即l≠l0，式(7)的开环传递函数转换为：
[0052][0053]
当相对时延裕度r
dm
等于rd时，对任意整数n≥0和频率-∞＜ω＜ ∞，rd需要满足：
[0054][0055]
通过在缩放参数空间中对增益裕度gm、稳定性裕度sm和相对时延裕度r
dm
进行评估，如图2所示，有对sm、gm、r
dm
的曲线图，通过对该曲线图的分析，要求保证既要有较合适的sm裕量，又要保证r
dm
不能过小，最终得到鲁棒调整准则：
[0056]
(1)随着的变化，相对时延裕度r
dm
和稳定性裕度sm不能同时达到期望的最大值；可以根据τ的大小进行折衷调参；
[0057]
(2)调整参数λ将导致闭环控制系统鲁棒性降低，但系统闭环控制响应速度随之增加，反之亦然；
[0058]
(3)对于实际调参，控制参数的推荐范围为λ∈(0,2]，λ＝1，适合大部分情况。
[0059]
s5：根据所述鲁棒调整准则对一阶自抗扰控制器模型进行参数修改及应用，对湿式电除尘器进行自抗扰控制。
[0060]
具体地，通过步骤s4总结出的鲁棒调整准则并根据湿式电除尘器自身特性对一阶自抗扰控制器模型进行参数修改及应用。
[0061]
为了更好地展示本技术的实际效果，下面将展示本技术所述方法在湿式电除尘器出口浓度控制系统的模拟仿真，该仿真的相关运行数据全部取于现场1000mw燃煤电厂实际湿式电除尘器。
[0062]
首先先了解湿式静电除尘器(简称“湿电除尘器”)的工作流程：烟气进入湿电除尘器，水通过喷嘴喷射到放电电极和电晕区域，电阻率相对较小的水滴与电晕区的灰尘结合后，灰尘的电阻率降低。然后，高频电源向放电极提供直流高压，使携带负电荷的灰尘颗粒在电场力下往收集电极运动。喷雾在收集电极表面上的细水雾形成连续的水膜，流动的水捕捉到的灰尘被冲洗到料斗中，然后进入蓄水池。湿电除尘器出口浓度模型的控制输入是高压高频电源单元的二次电流，其输出是由浊度仪器测量的湿电除尘器出口粉尘浓度，该
测点对应于烟囱出口端，因此系统存在较大时延。
[0063]
仿真的湿电标称模型通过阶跃响应试验数据分析所得，表示为：
[0064][0065]
该系统在模拟时，还包括了现场时间序列数据所反映的参数摄动、时延不确定、振打干扰的影响。
[0066]
对模拟电除尘系统设计adrc控制器(3)，由于湿电系统的τ＝20/22.6＝0.885，根据鲁棒调整准则，选择λ＝0.8和时长20分钟的模拟实验的结果如图3所示，本技术的时延自抗扰控制方法相较于pid控制法有较好的调控效果，出口烟尘浓度从4mg/nm3调整到3mg/nm3附近。
[0067]
当实际现场实施湿电除尘控制时，湿式电除尘器优化控制系统是以嵌入式工控机为硬件平台，通过modbus tcp协议从电厂dcs系统获取必要的运行数据，如湿电出口烟尘浓度、机组运行功率。本技术控制策略以程序写入湿式电除尘器优化控制系统，经过计算得到实时的最优湿式电除尘器高频电源二次电流和电压设定值。最优湿电二次电流和电压设定值是根据鲁棒调整准则设计的，以将出口粉尘浓度调节到预定的设定值r＝5mg/nm3。
[0068]
最后，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，提出了应用于电厂湿式电除尘器的一阶时延自抗扰控制方法，该框架，主要针对一类一阶含时延系统，由扩张状态观测器(eso)和反馈比例控制环节组合成。本发明方法也可以用于一阶以上的高阶系统。再者，应用范围不仅仅局限于电除尘控制系统。与本发明所针对的模型有相同且相近结构的系统，都可采用本发明提出鲁棒整定法。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围，本发明的连接指直接连接或间接连接。尽管本文较多地使用了自抗扰控制器；时延；增益裕度(gm)；稳定性裕度(sm)；相对时延裕度(rdm)；控制器带宽；观测器带宽；湿式静电除尘器出口浓度模型。但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。