一种风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定方法

本发明涉及一种风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定方法，属于热工自动控制。

背景技术：

1、风热机组是一种利用风力机直接驱动热泵系统制热的高效环保供暖技术，由风力机子系统和热泵子系统耦合而成。在额定风速范围以上，可通过调节风力机桨距角使热泵子系统冷凝器侧的供暖回水温度维持在设定值。风热机组供暖回水温度的控制存在两个难点：一是系统存在多源不可测集总扰动，包括外扰(如风速变化)和内扰(如参数摄动和未建模动态)；二是热泵子系统存在热滞性，导致风力机侧的动态特性和热泵侧不匹配。

2、最优模型预测抗干扰控制器(optimal model based disturbance predictiveand rejection control,odprc)可以很好地解决以上控制难点，这得益于odprc具有处理迟延、变量约束、可保证标称闭环系统稳定性等优点。此外，odprc最鲜明的特色是同时包含对集总扰动当前时刻及其未来一段时间动态的有机前馈补偿机制，能够在补偿风力机侧和热泵侧的动力不匹配问题的同时提高控制器的抗干扰能力。有望在风热机组控制领域发挥重要作用。

3、如何基于风热机组的运行特性进行控制器参数的整定是odprc设计中较为关键的步骤，但是目前相关研究较少，且现有参数整定方法也基本是在时域范围内展开的，所得结果无法直观反映与保证风热机组的闭环稳定性，这使得系统在odprc控制下存在失稳的风险，进而影响风热机组的安全稳定运行。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定方法，能够直观反映与保证风热机组的闭环稳定性，避免系统在odprc控制下存在失稳的风险，保证风热机组的安全稳定运行。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定方法，包括以下步骤：

4、基于拉普拉斯运算推导风热机组最优模型预测抗干扰控制器的频域形式；

5、根据频域形式的控制律求解风热机组开环传递函数，确定控制器的待整定参数；

6、基于频域特性法分析待整定参数对风热机组闭环系统稳定裕度的影响；

7、根据待整定参数对闭环系统稳定裕度的影响对待整定参数进行重要性排序，结合重要性排序的结果和期望的风热机组闭环系统稳定裕度，对待整定参数进行整定。

8、所述基于拉普拉斯运算推导风热机组最优模型预测抗干扰控制器的频域形式包括：

9、对时域形式最优模型预测抗干扰控制器进行简化，具体地，风热机组最优模型预测抗干扰控制器的时域形式为：

10、

11、式中，uk和xk分别是k时刻风热机组的控制输入变量和状态变量，uk为桨距角，xk为冷凝器侧供暖回水温度，是k时刻系统集总扰动d的观测值，由扩张状态观测器，即eso估计得到，是扰动预估序列，由扰动预估器在线预估得到，na是预估序列长度，rk+1是供暖回水温度设定值，kx,kd,kdf和kr是控制器设计阶段需确定的参数，其计算方式如下：

12、k为反馈增益，[mx,mt；mu,mc]＝[a-i,b；c,0]-1，c＝cm，nc为瞬态调节区步长，q和r为权重系数，ps可根据lyapunov方程计算得到，φ＝a-bk，pcn,hcn,dcn分别为pc,hc,dc的最后一行。

13、考虑集总扰动的一步预测，即na＝1，且定义慢时变扰动和之间存在线性关系因此最优模型预测抗干扰控制器(1)简化为：

14、

15、式中，kdg＝kd+kdf·kf，

16、进而得到控制律(2)的频域表达形式为：

17、

18、式中，s为拉普拉斯算子，u(s),x(s),r(s)分别为uk,xk,rk的拉普拉斯表达式；

19、根据阶跃响应实验获取风热机组的传递函数，具体地，在某一典型工况下，将桨距角u作阶跃变化，其他参数保持不变，根据阶跃响应数据获得风热机组的传递函数gp(s)，

20、

21、式中，y(s)是冷凝器侧供暖回水温度的拉普拉斯表达式，a和b是辨识得到的参数；

22、基于拉普拉斯运算法则推导频域形式的eso，以获得的表达式，具体地，时域形式的eso如式(5)所示：

23、

24、式中，z1和z2分别为状态变量和集总扰动观测值，即am和bm为风热机组模型参数，l＝[β01,β02]t为待设计的参数。

25、基于拉普拉斯运算法则，推导eso(5)的频域表达式为：

26、

27、式中，z1(s)、z2(s)分别代表变量z1、z2的拉普拉斯表达式，

28、推导风热机组最优模型预测抗干扰控制律的频域表达式，具体地，将风热机组的传递函数(4)及频域形式的eso(6)代入控制律(3)，经推导整理得到频域形式的二自由度控制形式：

29、u(s)＝gc(s)[gf(s)r(s)-y(s)] (7)

30、式中，等效控制器gc(s)和等效前置滤波器gf(s)的表达式分别为

31、

32、

33、所述根据频域形式的控制律求解风热机组开环传递函数，确定控制器的待整定参数包括：

34、求解风热机组在最优模型预测抗干扰控制器作用下的开环传递函数，具体地，根据式(7)所示的闭环系统等效二自由度控制结构，并结合开环传递函数的定义，计算风热机组的开环传递函数为：

35、

36、根据风热机组的开环传递函数确定控制器的待整定参数，具体地，由开环传递函数(10)可知，对于风热机组这个特定的被控对象和已设计的eso，参数a,b,am,bm,β01和β02是确定的，此时gop(s)的轨迹与kx、kdg和kf有关，由于kx和kdg与瞬态调节区步长nc、权重系数q和权重系数r和系数kf有关，而kf代表集总扰动变化的快慢，表示集总扰动的客观存在性，该参数不可人为进行调整，因此最终确定的待整定的控制器参数为nc,q和r。

37、稳定裕度包括相角裕度和幅值裕度，所述基于频域特性法分析待整定参数对风热机组闭环系统稳定裕度的影响包括：

38、a、基于频域特性方法分析控制器参数对风热机组闭环系统相角裕度的影响，具体地，根据相角裕度的定义，系统在特定nc(q,r)下的截止频率ωc满足幅值a(ωc)为1，即

39、a(ωc)＝|gop(jωc)|＝1                       (11)

40、据此计算得到ωc，进而求解系统的相角裕度γ，

41、γ＝180°+∠gop(jωc)                       (12)

42、相角裕度γ的含义是，如果闭环稳定的系统，其开环相频特性∠gop(jωc)再滞后γ度，则系统将处于临界稳定状态；

43、b、基于频域特性方法分析控制器参数对风热机组闭环系统的幅值裕度的影响，具体地，根据幅值裕度的定义，系统在特定nc(q,r)下的穿越频率ωx满足相角为(2k+1)π，即

44、

45、据此可计算得到ωx，进而求解系统的幅值裕度h，

46、

47、幅值裕度h的含义是，对于闭环稳定的系统，如果系统开环幅频特性|gop(jωx)|再增大h倍，则系统将处于临界稳定状态。

48、根据公式(11)～(14)，依次改变nc(q,r)，得到分别以各待整定参数nc(q,r)为自变量，以相应的相角裕度γ和幅值裕度h为因变量的数据集共3个，记为t＝{[nc,(γ1,h1)],[q,(γ2,h2)],[r,(γ3,h3)]}；

49、画出nc,q,r取不同值时的伯德图，结合数据集和伯德图分析各个待整定参数对闭环系统稳定裕度的影响。

50、所述根据待整定参数对闭环系统稳定裕度的影响对待整定参数进行重要性排序包括：

51、标准化原始数据集t，记标准化后的数据集为t0＝{[e1,(f1,f2)],[e2,(f3,f4)],[e3,(f5,f6)]}，则t0为：

52、

53、式中，xi1～xi3分别代表nc,q,r，yi1～yi6分别代表γ1,γ2,γ3,h1,h2,h3，和分别为xj和yj的平均值，sxj和syj分别为xj和yj的标准差，n为样本数，e1～e3分别是x1～x3标准化后的值，f1～f6分别是y1～y6标准化后的值。

54、根据t0，直观地判断出待整定参数nc,q,r作单位长度变化所引起的稳定裕度变化量，根据稳定裕度变化量的大小从高到低对nc,q,r进行重要性排序，按照重要性排序调整原始数据集t中相应的元素顺序，记调整后的集合为t1。

55、所述结合重要性排序的结果和期望的风热机组闭环系统稳定裕度，对待整定参数进行整定包括：

56、对待整定参数进行粗调，在集合t1中，分别查找在期望的稳定裕度范围下待整定参数大致的取值范围，结果为nc：[n1,n2]，q：[q1,q2]，r：[r1,r2]；

57、对待整定参数进行细调，以上述取值范围为指导，首先确定重要性排序最高的参数取值，将其余两个参数设置为最小稳定裕度对应的值并保持不变，在重要性排序最高的参数取值范围内依次增大该参数，记录对应的稳定裕度值，最终结合期望稳定裕度确定该参数的取值；

58、确定重要性排序为第二的参数，保持已整定的参数不变，设置其余参数为最小稳定裕度对应的值并保持不变，在重要性排序为第二的参数取值范围内依次增大该参数，记录对应的稳定裕度值，最终结合期望稳定裕度确定该参数取值；

59、依次类推，直至确定所有的待整定参数，参数整定过程结束。

60、一种风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定系统，包括：

61、频域形式推导模块，用于基于拉普拉斯运算推导风热机组最优模型预测抗干扰控制器的频域形式；

62、待整定参数确定模块，用于根据频域形式的控制律求解风热机组开环传递函数，确定控制器的待整定参数；

63、稳定裕度的影响分析模块，用于基于频域特性法分析待整定参数对风热机组闭环系统稳定裕度的影响；

64、待整定参数整定模块，用于根据待整定参数对闭环系统稳定裕度的影响对待整定参数进行重要性排序，结合重要性排序和期望的风热机组闭环系统稳定裕度，对待整定参数进行整定。

65、一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现所述的风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定方法。

66、本发明的有益效果：本发明提供的一种风热机组最优模型预测抗干扰控制器参数整定方法，根据频域特性分析首先从本质上揭示了风热机组最优模型预测抗干扰控制器的二自由度控制特性(扰动抑制与设定值跟踪)，在此基础上，从频域角度出发建立起控制器参数和风热机组系统稳定裕度之间的函数关系，制定了以风热机组闭环系统稳定裕度为指标的控制器参数整定策略，一方面通过参数整定使风热机组闭环系统具有期望的稳定裕度，能够直观反映与保证风热机组的闭环稳定性，避免系统在odprc控制下存在失稳的风险，进而实现odprc控制作用下风热机组的扰动抑制与安全稳定运行，另一方面可根据工程中期望的稳定裕度指导参数整定。