基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统及控制方法与流程

本发明涉及热工自动控制领域，尤其是一种基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统及控制方法。

背景技术：

随着经济的不断发展，许多国家在减缓气候变化和减少能源供应方面面临严峻挑战。减少温室气体排放和提高能源效率的一个核心解决方案是使用分布式能源系统。分布式能源系统通常由多种模块化和小规模技术组成，位于最终用户附近，可视为传统集中式电网的重要补充。它们具有许多优点，例如低传输损耗、低排放、以及具有多种能源的灵活性，包括化石燃料和可再生能源。

作为一种关键的分布式能源系统形式，微型燃气轮机结合冷电联供系统(mgt-basedcombinedcoolingandpowersystem,mgt-ccp)由于高效节能、低排放和运营成本节约在世界范围内得到越来越多关注。由于微型燃气轮机废弃热量能够被连续利用作为热水器或者冷却装置的热源，mgt-ccp系统的平均能源效率可以达到80％，然而传统的化石燃料电厂是30％—35％。另外相比传统的集中式发电系统，mgt-ccp系统体积小，因此可以灵活地安装在小型住宅区或商业区。

目前对mgt-ccp系统的研究主要集中在静态系统配置、运行优化和性能评价等方面。虽然近年来对mgt-ccp系统的动态特性进行了研究，但mgt-ccp系统的控制方法仍然是传统的pi/pid控制。为了提高pid控制器性能，模糊逻辑、神经网络、萤火虫算法等智能方法被使用来整定pid控制器的参数。然而，由于mgt-ccp系统的动态特性复杂，如非线性、多变量强耦合、未知干扰等，基于单输入、单输出回路分离的pid方法已不再适用于满足性能要求，即使pid的参数得到很好的整定。

技术实现要素：

发明目的：为解决上述问题，本发明提出一种基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统及控制方法，来改善mgt-ccp系统的控制性能。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统，包括：微型燃气轮机冷电联供系统模块、广义预测控制模块、基于arx模型的预测误差计算模块、基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块和基于hammerstein模型的预测误差计算模块；基于arx模型的预测误差计算模块根据燃料量和微型燃气轮机转速进行预测误差计算，然后接入广义预测控制模块；广义预测控制模块根据微型燃气轮机转速设定值和微型燃气轮机实际转速的偏差以及基于arx模型的预测误差计算模块的输入，计算出最佳的燃料量；基于hammerstein模型的预测误差计算模块根据燃料量、烟气旁路阀阀门开度和冷水温度进行预测误差计算，然后接入基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块；基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块根据冷水温度设定值与实际值的偏差、广义预测控制模块计算的燃料量控制序列和基于hammerstein模型的预测误差计算模块输入，计算最佳的烟气旁路阀阀门开度。

可选的，微型燃气轮机冷电联供系统模块(1)包括全回热微型燃气轮机和溴化锂单效吸收式制冷机系统。

可选的，arx模型结构为：

a(z)yt＝b(z)ut-1+δt/△；

其中，a(z)＝1+a1z^-1+a2z^-2+...+anz^-n，n和nb分别是多项式a(z)和b(z)的阶次，z^-1是后移算子，an和是模型的参数，是t时刻的转速，ut-1是t-1时刻的燃料量，δt是随机干扰，△是差分算子；

可选的，hammerstein模型结构为：

其中，nc和nd分别是多项式和的阶次，z^-1是后移算子，和是模型的参数，f1和f2是非线性函数，是t-j时刻的烟气旁路阀开度，是t时刻的冷水温度，是随机干扰。

可选的，广义预测控制模块中燃料量计算公式为：

ut＝ut-1+k(g^tqg+r)^-1g^t(w-l-het)；

其中，ut是t时刻的燃料量，k＝[10…0]1×m，m是gpc的控制步数，g和l是gpc的参数矩阵，q是gpc的误差加权矩阵，r是gpc的控制加权矩阵，w是gpc的参考轨迹矩阵，t是矩阵转置符号，p是gpc的预测步数；

基于arx模型的预测误差计算模块中转速预测误差计算公式为：

其中，et是t时刻的基于arx模型的转速预测误差，是t时刻的转速测量值；

基于hammerstein模型的预测误差计算模块中预测误差矩阵计算公式为：

其中，是t时刻的预测误差矩阵，是t时刻的转冷水温度测量值。

可选的，基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块中烟气旁路阀开度计算公式为：

其中，表示多项式f2的逆，是t时刻的烟气旁路阀开度，是hngpdc的控制步数，和是hngpdc的参数矩阵，是hngpdc的误差加权矩阵，是hngpdc的控制加权矩阵，是hngpdc的参考轨迹矩阵，是hngpdc的预测步数；

冷水温度预测计算公式为：

其中，是预测的t+j时刻的冷水温度的预测值，和是hngpdc的控制器系数，gj,0,gj,1,…,gj,j-1是gpc中的模型系数，是t+j-1时刻的烟气旁路阀开度增量，△ut+j-1是t+j-1时刻的燃料量增量。

本发明还提供了基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制方法，包括以下步骤：

(1)设置gpc控制器参数和hngpdc控制器参数；

(2)采集mgt-ccp系统的转速数据，利用gpc控制器计算燃料量，对转速进行控制；

(3)利用hngpdc控制器计算烟气旁路阀开度，对冷水温度进行控制。

进一步的，步骤(1)中gpc控制器的参数为：预测时域p＝20，控制时域m＝10，误差权系数控制权系数

hngpdc控制器的参数为：预测时域控制时域误差权系数控制权系数

进一步的，步骤(2)包括以下步骤：

(21)建立燃料量和转速之间的自回归各态历经(arx)模型：

a(z)yt＝b(z)ut-1+δt/△；

其中，a(z)＝1+a1z^-1+a2z^-2+...+anz^-n，n和nb分别是多项式a(z)和b(z)的阶次，z^-1是后移算子，a1,a2,…,an和是模型的参数，yt是t时刻的转速，ut-1是t-1时刻的燃料量，δt是随机干扰，△是差分算子；

(22)通过下式计算转速t+j时刻的预测值

其中，参数gj,0,…,gj,j-1根据gj的系数获得，△ut+j-1是t+j-1时刻的燃料量的增量，ej和fj通过下面式子求解：

ej+1＝ej+fj,0z^-1,e1＝1.

(23)根据转速测量值和预测模型输出值，对转速t+j时刻的预测值进行修正：

其中，et是t时刻的转速预测误差，是t时刻的转速测量值，yt是t时刻的预测模型输出值；

(24)计算最优燃料量ut，进而对转速进行控制：

ut＝ut-1+k(g^tqg+r)^-1g^t(w-l-het)；

其中，ut是t时刻的燃料量，ut-1是t-1时刻的燃料量；k＝[10…0]1×m；w是参考轨迹矩阵，w＝[ωt+1…ωt+p]^t，ωt+p是转速参考轨迹；lj(t)＝(gj-gj,0-gj,1z^-1-…-gj,j-1z^-(j-1))△ut+j-1+fjyt。

进一步的，步骤(3)包括以下步骤：

(31)建立燃料量、烟气旁路阀开度和冷水温度之间的hammerstein模型：

其中，nc和nd分别是多项式和的阶次，z^-1是后移算子，和是模型的参数，f1和f2是非线性函数，是t-j时刻的烟气旁路阀开度，是t时刻的冷水温度，是随机干扰；

(32)计算冷水温度预测值：

其中，参数根据的系数获得，△ut+j-1是t+j-1时刻的烟气旁路阀开度的增量，和通过下面式子求解：

(33)根据转速测量值、冷水温度测量值和转速预测模型输出值、冷水温度预测模型输出值，对冷水温度t+j时刻的预测值进行修正：

其中，是t时刻的预测误差矩阵，是t时刻的冷水温度测量值；

(34)计算最优烟气旁路阀门开度进而对冷水温度进行控制：

其中，是t时刻的燃料量，是t-1时刻的燃料量；w是参考轨迹矩阵，是转速参考轨迹；

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)在mgt-ccp控制系统中第二模块能提高转速的跟踪速度，第四模块能较好的克服mgt-ccp系统的非线性和强耦合，第三模块和第五模块能补偿未知干扰的影响；

(2)与常规的pi控制方法相比，本发明方法转速和冷水温度跟踪速度快、且无超调，提高了mgt-ccp系统的灵活性；

(3)与常规的pi控制方法相比，本发明方法受未知干扰影响明显降低，未知干扰消除时间更短，增强了mgt-ccp系统的安全性。

附图说明

图1是本发明基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统结构示意图；

图2是实验1中转速仿真结果拟合曲线；

图3是实验1中冷水温度仿真结果拟合曲线；

图4是实验1中燃料量仿真结果拟合曲线；

图5是实验1中烟气旁路阀开度仿真结果拟合曲线；

图6是实验2中转速仿真结果拟合曲线；

图7是实验2中冷水温度仿真结果拟合曲线；

图8是实验2中燃料量仿真结果拟合曲线；

图9是实验2中烟气旁路阀开度仿真结果拟合曲线；

图10是实验3中燃料量输入端未知扰动；

图11是实验3中烟气旁路阀输入端未知扰动；

图12是实验3中转速仿真结果拟合曲线；

图13是实验3中冷水温度仿真结果拟合曲线；

图14是实验3中燃料量仿真结果拟合曲线；

图15是实验3中烟气旁路阀开度仿真结果拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统，包括：微型燃气轮机冷电联供系统模块1(简称第一模块)、广义预测控制模块(generalizedpredictivecontrol，gpc)2(简称第二模块)、基于arx模型的预测误差计算模块3(简称第三模块)、基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块(hammersteinmodelbasednonlineargeneralizedpredictivedecouplingcontrol，hngpdc)4(简称第四模块)和基于hammerstein模型的预测误差计算模块5(简称第五模块)；第三模块根据燃料量和微型燃气轮机实际转速进行预测误差计算，然后接入第二模块；第二模块根据微型燃气轮机转速设定值和微型燃气轮机实际转速的偏差以及第三模块输出的预测误差，计算出最佳的燃料量；第五模块根据燃料量、烟气旁路阀阀门开度和冷水温度进行预测误差计算，然后接入第四模块；第四模块根据冷水温度设定值与实际值的偏差、第二模块计算的燃料量控制序列和第五模块输出的预测误差，计算最佳的烟气旁路阀阀门开度。

微型燃气轮机冷电联供系统模块1是由全回热微型燃气轮机和溴化锂单效吸收式制冷机系统组成。

基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制方法，包括以下步骤：

(1)设置控制器参数；

gpc控制器(广义预测控制模块)的参数：预测时域p＝20，控制时域m＝10，误差权系数控制权系数

hngpdc控制器(基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块)的参数：预测时域控制时域误差权系数控制权系数

(2)采集mgt-ccp系统的转速数据，利用gpc控制器计算燃料量，对转速进行控制，具体包括以下步骤：

(21)建立燃料量和转速之间的arx模型：

a(z)yt＝b(z)ut-1+δt/△(1)；

其中，a(z)＝1+a1z^-1+a2z^-2+...+anz^-n，n和nb分别是多项式a(z)和b(z)的阶次，z^-1是后移算子，a1,a2,…,an和是模型的参数，yt是t时刻的转速，ut-1是t-1时刻的燃料量，δt是随机干扰，△是差分算子。

(22)通过下式计算转速t+j时刻的预测值

其中，参数gj,0,…,gj,j-1根据gj的系数获得，△ut+j-1是t+j-1时刻的燃料量的增量，ej和fj通过下面式子求解：

ej+1＝ej+fj,0z^-1,e1＝1.

(23)根据转速测量值和预测模型输出值yt，对转速t+j时刻的预测值进行修正：

其中，et是t时刻的转速预测误差，是t时刻的转速测量值，yt是t时刻的预测模型输出值。

(24)计算最优燃料量ut，进而对转速进行控制：

ut＝ut-1+k(g^tqg+r)^-1g^t(w-l-het)(4)；

其中，ut是t时刻的燃料量，ut-1是t-1时刻的燃料量；k＝[10…0]1×m；w是参考轨迹矩阵，w＝[ωt+1…ωt+p]^t，ωt+p是转速参考轨迹；lj(t)＝(gj-gj,0-gj,1z^-1-…-gj,j-1z^-(j-1))△ut+j-1+fjyt。

(3)利用hngpdc控制器计算烟气旁路阀开度，对冷水温度进行控，具体包括以下步骤：

(31)建立燃料量、烟气旁路阀开度和冷水温度之间的hammerstein模型：

其中，nc和nd分别是多项式和的阶次，z^-1是后移算子，和是模型的参数，f1和f2是非线性函数，是t-j时刻的烟气旁路阀开度，是t时刻的冷水温度，是随机干扰。

(32)计算冷水温度预测值：

其中，参数根据的系数获得，△ut+j-1是t+j-1时刻的烟气旁路阀开度的增量，和通过下面式子求解：

(33)根据转速测量值、冷水温度测量值和转速预测模型输出值、冷水温度预测模型输出值，对冷水温度t+j时刻的预测值进行修正：

其中，是t时刻的预测误差矩阵，是t时刻的冷水温度测量值。

(34)计算最优烟气旁路阀门开度进而对冷水温度进行控制：

其中，是t时刻的燃料量，是t-1时刻的燃料量；w是参考轨迹矩阵，是转速参考轨迹；

(4)下一个采样周期，重复步骤(2)和(3)。

为了对比说明本发明方法的优越性，设计了常规的pi控制器，参数选择如下：转速pi控制器参数，比例系数kp1＝8.3×10^-8，积分系数ki1＝7.6×10^-9；冷水温度pi控制器参数，比例系数kp2＝40，积分系数ki2＝0.13。

为了全面验证本发明的有效性，设计了下面3组实验：

实验1：冷水温度和转速跟踪实验，仿真结果如图2-图5所示。图2是实验1中转速仿真结果拟合曲线；图3是实验1中冷水温度仿真结果拟合曲线；图4是实验1中燃料量仿真结果拟合曲线；图5是实验1中烟气旁路阀开度仿真结果拟合曲线；从图2和图3可以看出，本发明方法相比常规的pi控制器，冷负荷和电负荷跟踪速度快、且无超调。从图2和图3可以看出，本发明方法相比常规的pi控制器，控制器输出波动更小，有利于执行器保护。

实验2：解耦效果验证实验，转速设定值先阶跃变化，然后以正弦形式变化，冷水温度设定值固定不变，仿真结果如图6-图9所示。图6是实验2中转速仿真结果拟合曲线；图7是实验2中冷水温度仿真结果拟合曲线；图8是实验2中燃料量仿真结果拟合曲线；图9是实验2中烟气旁路阀开度仿真结果拟合曲线。从仿真结果可以看出，本发明方法控制下冷水温度波动明显减小，表明本发明方法解耦效果相比常规的pi控制有明显改善。

实验3：未知输入扰动实验，先后在燃料量和烟气旁路阀加图10和图11所示的未知扰动，仿真结果如图12-图15所示。图12是实验3中转速仿真结果拟合曲线；图13是实验3中冷水温度仿真结果拟合曲线；图14是实验3中燃料量仿真结果拟合曲线；图15是实验3中烟气旁路阀开度仿真结果拟合曲线。从仿真结果可以看出，本发明方法相比常规的pi控制器，对于未知输入扰动消除时间明显缩短、且偏离设定值幅度明显减小，大幅提高了mgt-ccp系统的安全性。

综合实验1、实验2和实验3的结果，本发明方法相比现有技术，转速和冷水温度跟踪速度快、且无超调，提高了mgt-ccp系统的灵活性；另外本发明方法抗干扰性能比现有控制技术更好，受未知干扰影响更小，未知干扰消除时间更短，增强了mgt-ccp系统的安全性。

总之，本发明的一种基于广义预测控制的微型燃气轮机冷电联供控制系统及控制方法，控制系统包括：微型燃气轮机冷电联供系统模块、广义预测控制模块、基于arx模型的预测误差计算模块、基于hammerstein模型的非线性广义预测解耦控制模块和基于hammerstein模型的预测误差计算模块；第三模块根据燃料量和微型燃气轮机转速进行预测误差计算，然后接入第二模块；第二模块根据微型燃气轮机转速设定值和微型燃气轮机实际转速的偏差以及第三模块的输入，计算出最佳的燃料量；第五模块根据燃料量、烟气旁路阀阀门开度和冷水温度进行预测误差计算，然后接入第四模块；第四模块根据冷水温度设定值与实际值的偏差、第二模块计算的燃料量控制序列和第五模块输入，计算最佳的烟气旁路阀阀门开度；本发明系统有效克服mgt-ccp系统存在的非线性、强耦合、存在未知干扰等复杂特性。本发明方法相比现有技术，转速和冷水温度跟踪速度快、且无超调，提高了mgt-ccp系统的灵活性；另外本发明方法抗干扰性能比现有控制技术更好，受未知干扰影响更小，未知干扰消除时间更短，增强了mgt-ccp系统的安全性。