[发明专利]一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在火电厂汽温系统中牛顿力学控制器的设计方法，它应用于火电厂热工系统控制,属于自动控制技术领域。

背景技术

火电厂汽温系统是很重要的热工过程,它直接影响火电厂的负荷出力,经济效益。火电厂汽温系统是一类大时延时变参数系统(随着负荷和运行工况变化), 这种系统是控制系统设计的老大难问题。

当一个物体的运动(或者物体状态参数的变化)速度远小于光速时，可以应用经典力学运动方程来描述其运动规律。大部分现代工业过程控制系统中，诸如物体运动的位置(位移、液位、姿态等)、张力、体积(流量、硬度、厚度)，或者系统的状态参数(温度、浓度、压力、热焓等)等物理量，只要其存在一阶连续导数(速度)和二阶连续导数(加速度)，就可以应用经典力学运动方程来描述其运动规律，并根据测量到的系统信息对系统状态进行估计。

本发明的控制器应用了牛顿力学原理:即通过系统输出的位置m₃y、速度和加速度的负反馈作用，把被控对象的输出轨迹引导和控制到期望的闭环系统H(s)＝1/(cs²+ds+1)的输出轨迹上。

本发明的牛顿力学控制器适用于大多数工业过程控制，改善了控制系统的品质。

发明内容

本发明的控制器应用了牛顿力学原理:即通过系统输出的位置m₃y、速度和加速度的负反馈作用，把被控对象的输出轨迹引导和控制到期望的闭环系统H(s)＝1/(cs²+ds+1)的输出轨迹上。

发明控制器的特点是应用了牛顿力学中的加速度的负反馈作用,众所周知, 加速度变化的大小是影响物体运动的最主要的因素。对控制系统的运行,控制输入的加速度作用,直接影响被控输出的稳态和动态特性。

在火电厂汽温系统控制中,PID控制器是最广泛应用的控制器,因为其结构简单，使控制系统无静差(积分作用)，并且能够较快克服动态偏差(微分作用)，且使控制系统具有一定的鲁棒性能，但是PID控制器中的积分作用容易使控制系统品质变差和产生积分饱和现象。另外，从PID控制器的传递函数分析:

G_PID(s)＝K_p+K_i/s+K_ds/(T_ds+1)

PID控制器中没有控制输入加速度s²的负反馈作用，当被控对象的传递函数是时变性很大的系统(不确定性系统很强)，PID控制器是很难达到满意的控制效果(系统的鲁棒性能变差)。

在火电厂热工过程控制中二阶对象具有代表性，汽温系统也是这类系统，其传递函数为：

G(s)＝ke^-τs/(as²+bs+1)＝G₁(s)e^-τs(1)

是稳定且时不变的，这并不失一般性，因为对不稳定对象，总可以先用一个动态补偿器使它稳定。

其中：G₁(s)＝k/(as²+bs+1)

设计的牛顿力学控制器G_c(s)为：

G_c(s)＝K_r(m₁s²+m₂s+m₃)/(n₁s²+n₂s+n₃)(2a)

其中，K_r＝K_fk_c

它的状态空间表示为:

Gc(s)＝K_fk_c(m₁s²+m₂s+m₃)/(n₁s²+n₂s+n₃)＝K_fG_c1(s)

G_c1(s)＝k_c(m₁s²+m₂s+m₃)/(n₁s²+n₂s+n₃)