一种基于前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法与流程

1.本发明属于自动控制领域，尤其是涉及一种基于前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法。


背景技术：

2.汽轮发电机是由汽轮机和发电机两部分组成，其作用是利用蒸汽通过汽轮叶轮转动，带动发电机转子在励磁绕组磁场转动，切割磁力线产生电能。在汽轮发电机主蒸汽压力控制的应用场景中，现场汽轮发电机主要控制目标是主蒸汽压力，通过控制系统实现控制。现有的周期性专家控制器具有趋势控制模式和快速响应模式的方法，能够根据被控变量的变化趋势通过执行器及时调节被控变量的值，并且克服控制周期的限制实现快速响应，但是其趋势控制模式仅根据蒸汽压力p的变化率调整控制，输出周期比较单一，在周期确定后无法再动态调整。
3.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种基于周期性专家控制器的控制方法”，其公告号cn111930032a，该方法包括：获取控制器的计数值和被控变量的值，将被控变量的值与预设的常规控制参数进行比较；根据比较结果结合快速响应参数对被控变量进行控制；同时，在计数值未达到预设的控制周期时，基于预设的趋势控制参数对被控变量进行控制；在计数值达到控制周期时将计数值归1。该专利在传统的周期性专家控制器的基础上增加了趋势控制模式和快速响应模式，虽然能够根据被控变量的变化趋势通过执行器及时调节被控变量的值，提高了周期性专家控制器的灵敏度和控制效果，但仍然存在着其趋势控制模式仅根据蒸汽压力p的变化率调整控制，输出周期比较单一，在周期确定后无法再动态调整的问题。


技术实现要素：

4.本发明是为了克服现有技术的控制方法仅根据蒸汽压力p的变化率调整控制，输出周期比较单一，在周期确定后无法再动态调整的问题，提供一种基于前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法，包括以下步骤：s1：识别发电机功率负荷，确定加减负荷的发电机；s2：根据发电机组出口低低压蒸汽总管压力和蒸汽压力的变化趋势情况，赋予相应的状态类型和控制输出周期；
7.s3：根据状态类型判断蒸汽压力所满足的输出条件，根据满足的输出条件进行控制器控制输出；所述满足的输出条件包括控制器前馈复杂专家控制计算相关条件和输出预测控制相关条件。本发明的一种基于前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法，根据发电机组出口低低压蒸汽总管压力和蒸汽压力的变化趋势情况调整控制，不单单依靠低低压蒸汽压力作为反馈进行控制，还考虑发电机负荷和入口蒸汽压力对低低压蒸汽压力的干扰，可以避免单一反馈控制出现调整不及时造成的波动，同时克服发电机负荷和入口蒸汽
压力引起的波动；通过该技术使得控制器可以智能的判断低低压蒸汽压力当前时刻的危险性，并动态调整输出周期。
8.作为本发明的优选方案，所述s1具体包括以下步骤：s11：获取每台发电机的对应的开关状态、实时负荷以及负荷上限；s12：将开关状态为0的发电机排除控制过程之外，将开关状态为1的发电机保留在控制过程中，并将发电机按照发电机的实时负荷进行排序；s13：按照排序顺序对保留在控制过程中的发电机的实时负荷与其对应的负荷上限进行比较，若发电机的实时负荷大于其对应的负荷上限，则判定该发电机不允许增加负荷，最终按照排序顺序确定负荷最大的发电机需要减负荷；负荷最小的发电机需要加负荷。本发明自动识别发电机负荷情况，自动分配加减负荷的发电机，通过该技术可以减低人为判断不及时和出错的情况；本发明控制器利用发电机负荷和入口蒸汽压力作为前馈结合出口蒸汽压力反馈的复杂专家控制算法，得到输出值与阈值比较进行控制输出。通过该技术不单单依靠低低压蒸汽压力作为反馈进行控制，还考虑发电机负荷和入口蒸汽压力对低低压蒸汽压力的干扰，可以避免单一反馈控制出现调整不及时造成的波动，同时克服发电机负荷和入口蒸汽压力引起的波动。
9.作为本发明的优选方案，所述s2具体为：对被控变量蒸汽压力划分区间和状态类型，根据发电机组出口低低压蒸汽总管压力实测值p和压力趋势判断发电机的状态类型并赋予对应的控制输出周期，所述区间包括正常区间、上次危险区间、上危险区间、下次危险区间、下危险区间，所述状态类型有e、h1、h2、h3、h4、l1、l2、l3、l4九种类型。本发明通过不同区间内低低压蒸汽压力实测值的变化情况，将低低压蒸汽压力实时状态进一步划分，同时赋予相应的控制输出周期，通过该技术可以使得控制器可以智能的判断低低压蒸汽压力当前时刻的危险性，动态调整控制效果的强弱和输出快慢，达到代替人的效果。
10.作为本发明的优选方案，所述s2具体包括以下步骤：s21：设置控制输出周期自适应相关参数，包括目标值sp、上次危险区间与正常区间边界值mh、下次危险区间与正常区间边界值ml、上危险区间与上次危险边界值mhh、下危险区间与下次危险边界值mll；s22：获取发电机组的出口低低压蒸汽总管压力实测值p；s23：当ml《p《mh时，状态为e，赋予控制输出周期为t4；当mh≤p《mhh时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为h3，赋予控制输出周期为t2；若压力趋势为负方向，则状态为h4，赋予控制输出周期为t3；当mll《p≤ml时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为l4，赋予控制输出周期为t3；若压力趋势为负方向，则状态为l3，赋予控制输出周期为t2；当mhh≤p时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为h1，赋予控制输出周期为t1；若压力趋势为负方向，则状态为h2，赋予控制输出周期为t2；当p≤mll时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为l2，赋予控制输出周期为t2；若压力趋势为负方向，则状态为l1，赋予控制输出周期为t1。本发明可以根据生产要求，自动将低低压蒸汽压力实测值范围划分成危险区间、次危险区间和正常区间等等，通过该技术可以针对低低压蒸汽压力的波动范围动态多区间的划分，划分的更细致，避免固定区间划分的限制和考虑到实际压力的波动物理意义；且通过不同区间内低低压蒸汽压力实测值的变化情况，将低低压蒸汽压力实时状态进一步划分，同时赋予相应的控制输出周期，通过该技术可以使得控制器可以智能的判断低低压蒸汽压力当前时刻的危险性，动态调整控制效果的强弱和输出快慢，达到代替人的效果。
11.作为本发明的优选方案，所述s3中满足控制器前馈复杂专家控制计算相关条件进
行控制器控制输出具体过程如下：s31：针对状态类型为e、h3、l3、h4、l4的发电机，计算出口蒸汽压力反馈输出值fk1_out1、入口蒸汽压力前馈输出值qk1_out1、发电机负荷前馈输出值qk2_out1，并进行求和得到单步控制器输出值zj_out1；s32：计算专家控制输出累计值zj_q1；s33：对专家控制输出累计值zj_q1与累计输出阈值zj_q_max1进行比较，若专家控制输出累计值zj_q1大于累计输出阈值zj_q_max1，则进行控制器控制输出，否则，返回s1。
12.作为本发明的优选方案，所述s3中满足输出预测控制相关条件进行控制器控制输出具体过程如下：针对状态类型为h1、l1、h2、l2的发电机，结合加减负荷与发电机负荷之间的模型，进行自适应周期预测控制控制器输出，并只输出第一步。本发明辨识脉冲信号与蒸汽压力之间的模型，基于模型关系预测未来多步脉冲信号输出和蒸汽压力变化趋势，只输出第一步，进行滚动预测，通过该技术可以实现对未来控制的预测，输出第一步时，直观了解目标变量后面的变化趋势，对控制有把握，避免控制输出后对目标变量影响效果的未知，且考虑历史控制输出对未来的影响。
13.作为本发明的优选方案，所述控制输出周期t1《t2《t3《t4。t1周期响应最敏感，t4周期响应最弱。
14.因此，本发明具有以下有益效果：
15.1、可以自动识别发电机负荷情况，自动分配加减负荷的发电机，可以减低人为判断不及时和出错的情况；
16.2、可以根据生产要求，自动将低低压蒸汽压力实测值范围划分成危险区间、次危险区间和正常区间等等，可以针对低低压蒸汽压力的波动范围动态多区间的划分，可以划分的更细致，避免固定区间划分的限制和考虑到实际压力的波动物理意义；
17.3、通过不同区间内低低压蒸汽压力实测值的变化情况，将低低压蒸汽压力实时状态进一步划分，同时赋予相应的控制输出周期，可以使得控制器可以智能的判断低低压蒸汽压力当前时刻的危险性，动态调整控制效果的强弱和输出快慢，达到代替人的效果；
18.4、控制器利用发电机负荷和入口蒸汽压力作为前馈结合出口蒸汽压力反馈的复杂专家控制算法，得到输出值与阈值比较进行控制输出，不单单依靠低低压蒸汽压力作为反馈进行控制，还考虑发电机负荷和入口蒸汽压力对低低压蒸汽压力的干扰，可以避免单一反馈控制出现调整不及时造成的波动，同时克服发电机负荷和入口蒸汽压力引起的波动；
19.5、辨识脉冲信号与蒸汽压力之间的模型，基于模型关系预测未来多步脉冲信号输出和蒸汽压力变化趋势，只输出第一步，进行滚动预测，可以实现对未来控制的预测，输出第一步时，直观了解目标变量后面的变化趋势，对控制有把握，避免控制输出后对目标变量影响效果的未知，且考虑历史控制输出对未来的影响。
附图说明
20.图1是现有技术三台并联组成的发电机组工艺简图；
21.图2是本发明的前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法流程图；
22.图3为发电机组负荷分配结构逻辑图；
23.图4为控制输出周期自适应的区间划分和控制输出周期示意图；
24.图5为控制器前馈复杂专家控制计算结构逻辑图；
25.图6为某类状态的控制器前馈复杂专家控制计算逻辑图；
26.图7为控制器输出结构逻辑图；
27.图8为加减负荷脉冲信号与出口蒸汽压力模型关系图；
28.图9为自适应周期模型预测示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
30.针对某厂三台并联组成的发电机组，实施生产控制要求分配三台发电机负荷，如图1所示工艺流程。
31.三台相同最高负荷3mw的发电机并联，从低压分汽缸分别进入三台发电机，出口为0.18mpa低低压蒸汽供下游装置使用。该段主要控制目标：保证三台发电机负荷相近的前提下，保证0.18mpa蒸汽压力的稳定。另外整个过程最重要也是最难的部分就是在未达到发电机满负荷功率的前提下，发电机可以随蒸汽压力的变化，自动改变负荷(自动确定改变负荷的发电机)，保证蒸汽压力的稳定。主要控制难点有以下几点：1、当需要改变负荷时，需要操作员人为判断三台发电机负荷情况，存在判断不及时情况；2、操作员根据压力大小手动调节增减负荷按钮实现入口蒸汽压力的平稳控制，存在调节不及时造成压力的大幅波动；3、调节加减负荷按钮属于脉冲信号，不是连续变量，无法打自调；4、传统控制器控制输出周期是固定的，无法根据蒸汽压力变化趋势调整加减负荷的频率。
32.本发明提供一种基于前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法，包括以下步骤：s1：识别发电机功率负荷，确定加减负荷的发电机；s1具体包括以下步骤：s11：获取每台发电机的对应的开关状态、实时负荷以及负荷上限；s12：将开关状态为0的发电机排除控制过程之外，将开关状态为1的发电机保留在控制过程中，并将发电机按照发电机的实时负荷进行排序；s13：按照排序顺序对保留在控制过程中的发电机的实时负荷与其对应的负荷上限进行比较，若发电机的实时负荷大于其对应的负荷上限，则判定该发电机不允许增加负荷；最终按照排序顺序确定负荷最大的发电机需要减负荷；负荷最小的发电机需要加负荷。s2：根据发电机组出口低低压蒸汽总管压力和蒸汽压力的变化趋势情况，赋予相应的状态类型和控制输出周期；s2具体为：对被控变量蒸汽压力划分区间和状态类型，根据发电机组出口低低压蒸汽总管压力实测值p和压力趋势判断发电机的状态类型并赋予对应的控制输出周期，所述区间包括正常区间、上次危险区间、上危险区间、下次危险区间、下危险区间，所述状态类型有e、h1、h2、h3、h4、l1、l2、l3、l4九种类型。s2具体包括以下步骤：s21：设置控制输出周期自适应相关参数，包括目标值sp、上次危险区间与正常区间边界值mh、下次危险区间与正常区间边界值ml、上危险区间与上次危险边界值mhh、下危险区间与下次危险边界值mll；s22：获取发电机组的出口低低压蒸汽总管压力实测值p；s23：当ml《p《mh时，状态为e，赋予控制输出周期为t4；当mh≤p《mhh时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为h3，赋予控制输出周期为t2；若压力趋势为负方向，则状态为h4，赋予控制输出周期为t3；当mll《p≤ml时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为l4，赋予控制输出周期为t3；若压力趋势为负方向，则状态为l3，赋予控制输出周期为t2；当mhh≤p时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为h1，赋予控制输出周期为t1；若压力趋势为负方向，则状态为h2，赋予控制输出周期为t2；当p≤mll时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状
态为l2，赋予控制输出周期为t2；若压力趋势为负方向，则状态为l1，赋予控制输出周期为t1；控制输出周期t1《t2《t3《t4。s3：根据状态类型判断蒸汽压力所满足的输出条件，根据满足的输出条件进行控制器控制输出；所述满足的输出条件包括控制器前馈复杂专家控制计算相关条件和输出预测控制相关条件；s3中满足控制器前馈复杂专家控制计算相关条件进行控制器控制输出具体过程如下：s31：针对状态类型为e、h3、l3、h4、l4的发电机，计算出口蒸汽压力反馈输出值fk1_out1、入口蒸汽压力前馈输出值qk1_out1、发电机负荷前馈输出值qk2_out1，并进行求和得到单步控制器输出值zj_out1；s32：计算专家控制输出累计值zj_q1；s33：对专家控制输出累计值zj_q1与累计输出阈值zj_q_max1进行比较，若专家控制输出累计值zj_q1大于累计输出阈值zj_q_max1，则进行控制器控制输出，否则，返回s1；s3中满足输出预测控制相关条件进行控制器控制输出具体过程如下：针对状态类型为h1、l1、h2、l2的发电机，结合加减负荷与发电机负荷之间的模型，进行自适应周期预测控制控制器输出，并只输出第一步。
33.实施例：在该实施例中，提出了一种前馈自适应周期复杂专家控制器的控制方法，流程如图2所示，包括：
34.步骤1、自动识别发电机功率负荷，确定加减负荷的发电机。
35.针对多台发电机组协同控制，需要根据生产要求考虑各台发电机负荷上限，合理分配各台发电机的负荷。
36.发电机组负荷分配逻辑如图3所示，首先确定各台发电机的开关情况，其次判断发电机组中开关为1的各台发电机的负荷是否达到上限，利用发电机组负荷分配模块，确定哪台发电机加负荷，哪台减负荷。
37.以三台发电机组为例，具体过程如下：
38.步骤11、获取三台发电机的开关msw1、msw2和msw3，实时负荷m1、m2和m3，以及三台发电机分别对应的负荷上限mh1、mh2和mh3；
39.步骤12、判定三台发电机的开关是否等于1，是则将对应发电机会被考虑到控制过程中，否则排除控制过程之外；
40.步骤13、比较满足条件步骤12的发电机的实时负荷是否超对应负荷上限，若大于等于上限，测判定其不允许加负荷；
41.步骤14、比较满足条件步骤12的发电机的实时负荷大小关系；
42.步骤15、确定负荷大的发电机为需要减负荷；
43.步骤16、负荷小的发电机若满足条件步骤13，则递推次负荷小的发电机重复步骤16，若不满足则确定为需要加负荷。
44.步骤2、根据蒸汽压力的变化趋势情况，赋予相应的控制输出周期。
45.考虑到实际蒸汽压力调节过程，偏离目标值越大，控制响应越敏感的特点。对蒸汽压力处于不同区间状态下赋予不同的控制输出周期，具体区间划分和控制输出周期情况如图4。具体可视实际情况改变。
46.将被控变量蒸汽压力的区间划分成：正常区间、上下次危险区间和上下危险区间。状态类型有：e、h1、h2、h3、h4、l1、l2、l3、l4。控制输出周期：t1、t2、t3、t4。注：可根据实际情况划分区间、状态类型和控制输出周期。
47.以上述三台发电机组为例，具体过程如下：
48.步骤21、设置控制输出周期自适应模块相关参数：目标值sp、上次危险/正常区间边界mh、下次危险/正常区间边界ml、上危险/上次危险边界mhh和下危险/下次危险边界mll；虽然此处目标值sp未参与控制输出周期的赋予过程，但是目标值是其他参与数值mh、ml、mhh、mll设定的参照和依据；
49.步骤22、获取发电机组的低低压蒸汽总管压力实测值p；
50.步骤23、当ml《p《mh时，状态为e，赋予控制输出周期为t4(秒)；
51.步骤24、当mh≤p《mhh时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为h3，赋予控制输出周期为t2(秒)；若压力趋势为负方向，则状态为h4，赋予控制输出周期为t3(秒)；
52.步骤25、当mll《p≤ml时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为l4，赋予控制输出周期为t3(秒)；若压力趋势为负方向，则状态为l3，赋予控制输出周期为t2(秒)；
53.步骤26、当mhh≤p时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为h1，赋予控制输出周期为t1(秒)；若压力趋势为负方向，则状态为h2，赋予控制输出周期为t2(秒)；
54.步骤27、当p≤mll时，判断压力的趋势，若压力趋势为正方向，则状态为l2，赋予控制输出周期为t2(秒)；若压力趋势为负方向，则状态为l1，赋予控制输出周期为t1(秒)；
55.步骤28、控制输出周期t1《t2《t3《t4。t1周期响应最敏感，t4周期响应最弱。
56.步骤3、当蒸汽压力满足控制器前馈复杂专家控制计算模块相关条件时，利用前馈复杂专家控制计算模块得到输出值，并且判断输出值是否大于阈值，否，则返回步骤1；当蒸汽压力满足输出模块中预测控制相关条件时，基于脉冲信号与蒸汽压力模型计算未来多步脉冲信号的预测输出，只执行当前第一步输出。
57.由上述可知发电机组负荷分配模块确定加减负荷的发电机，控制输出周期自适应模块确定控制输出周期。该部分为本发明提出了一种前馈变周期复杂专家控制器的控制方法的核心算法部分，确定控制器的输出效应。通过前馈复杂专家控制计算模块将目标变量低低压蒸汽压力转化为发电机负荷。
58.根据控制输出周期自适应模块的划分情况把前馈复杂专家控制计算模块分成三部分：状态类型e、状态类型h3/l3和状态类型h4/l4，如图5所示。
59.上述三种状态类型下，分别对应不同的控制器参数。由于计算比较过程步骤相同，因此此处仅以状态类型e为例，第一组控制参数包括：出口蒸汽压力反馈输出：fk1_out1、入口蒸汽压力前馈输出：qk1_out1、发电机负荷前馈输出：qk2_out1、复杂专家控制输出：zj_out1、复杂专家控制累计输出：zj_q1、复杂专家控制累计输出阈值：zj_q_max1。
60.流程图如图6所示，步骤如下：
61.步骤31、计算出口蒸汽压力反馈输出：fk1_out1、入口蒸汽压力前馈输出：qk1_out1、发电机负荷前馈输出：qk2_out1；
62.步骤32、将前述三部分的输出进行求和得到单步控制器输出zj_out1；
63.步骤33、计算专家控制输出累计zj_q1；
64.步骤34、比较zj_q1与累计输出阈值zj_q_max1，若小于阈值则返回步骤31；若大于等于阈值，则进行控制输出。
65.本节的控制器输出模块主要功能：
66.对状态类型为e、h3/l3和h4/l4的五种状态，将前馈复杂专家控制计算模块的控制输出与控制输出周期自适应模块结合，进行周期自适应输出；
67.对状态类型为h1/l1和h2/l2的四种状态，结合加减负荷与发电机负荷之间的模型，进行自适应周期预测控制输出。
68.控制器输出模块逻辑如图7所示。
69.自适应周期模型预测控制，首先辨识加减负荷脉冲信号与出口蒸汽压力之间的模型，模型关系如图8所示。
70.基于上述模型，对未来多步脉冲信号进行预测，预测示意图如图9所示。
71.以状态类型为h1和h2为例。当出口蒸汽压力进入状态h1时，控制器输出周期变为t1。基于模型对未来三步加负荷的预测控制输出结果如下，第一步和第二步之间时间间隔为t1，第二步和第三步之间时间间隔为t2。
72.预测控制只输出第一步减负荷，预测未来时间t1间隔内，出口蒸汽压力仍处于h1状态，因此第一步和第二步之间时间间隔为t1；当第二步预测输出减负荷后，在预测未来时间t1间隔内，出口蒸汽压力会进入h2状态，因此第二步与第三步预测输出间隔变为t2，依此类推。
73.整个自适应周期模型预测控制是滚动预测，并只输出第一步。
74.因此，本发明具有以下有益效果：
75.1、可以自动识别发电机负荷情况，自动分配加减负荷的发电机。通过该技术可以减低人为判断不及时和出错的情况；
76.2、可以根据生产要求，自动将低低压蒸汽压力实测值范围划分成危险区间、次危险区间和正常区间等等。通过该技术可以针对低低压蒸汽压力的波动范围动态多区间的划分，可以划分的更细致，避免固定区间划分的限制和考虑到实际压力的波动物理意义；
77.3、通过不同区间内低低压蒸汽压力实测值的变化情况，将低低压蒸汽压力实时状态进一步划分，同时赋予相应的控制输出周期。通过该技术可以使得控制器可以智能的判断低低压蒸汽压力当前时刻的危险性，动态调整控制效果的强弱和输出快慢，达到代替人的效果；
78.4、控制器利用发电机负荷和入口蒸汽压力作为前馈结合出口蒸汽压力反馈的复杂专家控制算法，得到输出值与阈值比较进行控制输出。通过该技术不单单依靠低低压蒸汽压力作为反馈进行控制，还考虑发电机负荷和入口蒸汽压力对低低压蒸汽压力的干扰，可以避免单一反馈控制出现调整不及时造成的波动，同时克服发电机负荷和入口蒸汽压力引起的波动；
79.5、辨识脉冲信号与蒸汽压力之间的模型，基于模型关系预测未来多步脉冲信号输出和蒸汽压力变化趋势，只输出第一步，进行滚动预测。通过该技术可以实现对未来控制的预测，输出第一步时，直观了解目标变量后面的变化趋势，对控制有把握，避免控制输出后对目标变量影响效果的未知，且考虑历史控制输出对未来的影响。
80.术语解释：
81.模型预测控制：当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。
82.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明保护范围之内。