基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及中间再热式汽轮机控制领域，特别涉及一种基于自抗扰控制的汽轮机 转速控制方法。
【背景技术】
[0002] 在火力发电厂生产过程中，汽轮机转速控制是核心技术的主要部分。长期以来，提 高汽轮机精确性、快速性和稳定性一直是汽轮机控制研究的热点。由于锅炉蒸汽通过高压 阀进入高压缸后，中间再热式汽轮机存在庞大的中间再热容积，高压缸排汽增多的部分并 未立即进入中压缸，而是滞留在再热器中，使中、低压缸排汽时间滞后，导致中间再热式汽 轮机具有大时滞特性，引起汽轮机响应慢；另外电力负荷变化的不确定性还会导致汽轮机 转速的不稳定。为了满足火力发电厂中间再热式汽轮机快速响应和稳定运行的要求，有必 要提高汽轮机反应的快速性和运转的稳定性，这样才能保证机组的经济型和安全性。
[0003] 文献检索查到相关专利：2014年2月5日公开的申请号为201310533169.9的发明专 利《一种基于自适应逆控制的汽轮机转速控制方法》，提供一种基于自适应逆控制的汽轮机 转速控制方法，将自适应逆控制的方法与神经网络技术结合，利用RBF神经网络在线辨识获 得对象模型、逆模型和扰动消除控制器，对给定转速信号和外部扰动分别进行控制，使两者 同时达到最佳控制效果，无需在两者之间进行折衷。
[0004] 但是上述专利存在缺陷：虽然不需要事先知道汽轮机调速对象的精确模型，能够 很好的跟踪速度指令，并有效抑制干扰，但是该方法需要将扰动信号产生的效果分离出来， 然后针对此扰动效果在线构建自适应消除控制器，在不改变对象动态特性的条件下，才能 抑制扰动。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种参数适应性强，保证高 精度控制的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法。
[0006] 本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，具有这样的特征，包括以 下步骤：
[0007] 步骤一，二阶跟踪微分器优化汽轮机的转速的过渡过程，跟踪输入信号和输入信 号的微分信号；
[0008] 步骤二，由扩张状态观测器观测输出信号和输出信号的微分信号；
[0009] 步骤三，将由跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差，以及跟踪到的 输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差，通过非线性状态误差反 馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量;以及
[0010] 步骤四，由得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰 动估计值得出最终控制量，即蒸汽流量，
[0011]其中，输入信号为给定转速，输出信号为实际转速。
[0012] 本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，还具有这样的特征:其中， 跟踪微分器的汽轮机的转速过渡过程的计算公式为
[0013]
[0014] V为汽轮机的给定转速，X1对输入信号v(t)进行快速无超调跟踪，同时X2跟踪输入 信号的微分信号 1々），e为跟踪到的给定转速值与给定转速之间的误差，sign( ·)是符号函 数，r，d为需要设定的跟踪微分器的参数。
[0015] 本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，还具有这样的特征:其中， 扩张状态观测器的计算公式为
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] y为汽轮机的实际输出转速，21为估计跟踪到的汽轮机的实际转速，e〇为估计跟踪 到的实际转速与实际输出转速的误差，Z 2为估计跟踪到的汽轮机的实际转速的变化率，23为 汽轮机的转速扰动估计值，CHa2Jj 1A2A3为需要设定的扩张状态观测器的参数。
[0020] 本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，还具有这样的特征:其中， 非线性状态误差反馈控制律的计算公式为
[0021]
[0022] V1为跟踪到的汽轮机的给定转速，V2为跟踪到的汽轮机的给定转速的变化率，21为 估计跟踪到的汽轮机的实际转速，Z2为估计跟踪到的汽轮机的实际转速的变化率，Z3为汽轮 机的转速扰动估计值，el·为汽轮机实际转速与给定转速的误差，e 2为汽轮机的实际转速的变 化率与给定转速的变化率的误差，UO为非线性状态误差反馈控制量，u为控制高压阀调节汽 轮机的最终控制量，幻^^^^&一为需要设定的非线性状态误差反馈控制律的参数，
[0023] 本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，还具有这样的特征:其中， 过渡过程可以使系统输入光滑的输入信号，并提取输入信号的微分信号，避免因设定值突 变造成跟踪到的输入信号的剧烈变化而产生超调。
[0024] 本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，还具有这样的特征:其中， 扩张状态观测器把非线性不确定被控对象和外部干扰因素都等效为系统发生的扰动，然后 进行估计和补偿，将非线性系统转化成线性积分串联型系统，实现动态补偿线性化，同时保 证系统对干扰有很好的抑制作用。
[0025]本发明提供的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，还具有这样的特征:其中， 将实际转速与给定转速的误差和实际转速的变化率与给定转速的变化率的误差进行非线 性状态误差反馈处理，使系统能够更快地进入稳态。
[0026]发明作用和效果
[0027]根据本发明所涉及的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法，利用二阶跟踪微分 器优化汽轮机转速过渡过程，通过非线性状态误差反馈控制律来控制被控对象，由扩张观 状态测器对汽轮机转速扰动进行估计和补偿，把系统内部不确定因素和外部扰动都等效为 系统发生的扰动，并将非线性系统变为线性积分串联型系统，从而实现系统的动态反馈线 性化;这样，无论被控对象是确定性的还是不确定性的，线性的还是非线性的，时变的还是 时不变的，经过扩张状态观测器估计和补偿就可以用统一的方法进行控制。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明在实施例中的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法的流程图；
[0029] 图2是本发明在实施例中的中间再热式汽轮机的结构示意图；
[0030]图3是本发明在实施例中的汽轮机转矩和蒸汽流量之间的传递函数框图；
[0031]图4是本发明在实施例中的汽轮机自抗扰转速控制仿真结构图；
[0032]图5是本发明在实施例中的汽轮机PID转速仿真结构图；
[0033]图6是本发明在实施例中的汽轮机自抗扰控制及传统PID控制转速动态响应的曲 线图；
[0034]图7是本发明在实施例中的电力负荷波动对转速稳定的影响（方波信号）的曲线 图；以及
[0035]图8是本发明在实施例中的电力负荷波动对转速稳定的影响（白噪声信号）的曲线 图。
【具体实施方式】
[0036] 以下参照附图及实施例对本发明所涉及的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方 法作详细的描述。
[0037] 图1是本发明在实施例中的基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法的流程图。
[0038] 如图1所示，基于自抗扰控制的汽轮机转速控制方法具有以下步骤：
[0039] 步骤一:使用二阶跟踪微分器优化汽轮机的转速的过渡过程，跟踪输入信号和输 入信号的微分信号。
[0040] 其中，输入信号为给定转速，在仿真实例中用阶跃信号表示。
[0041] 跟踪微分器的汽轮机的转速过渡过程的计算公式为
[0042]
[0043] v为汽轮机的给定转速，X1对输入信号v(t)进行快速无超调跟踪，同时X2跟踪输入 信号的微分信号A)，e为跟踪到的给定转