内容简介
《自抗扰控制——设计、仿真与试验（下册）》主要论述自抗扰控制器设计方法、参数整定规则及其在能源动力控制系统中的仿真模拟与现场试验。《自抗扰控制——设计、仿真与试验（下册）》在理论分析的基础上，通过大量仿真实验详尽地讨论了自抗扰控制的应用，主要包括单变量与多变量系统的控制器设计与参数整定，气化炉、锅炉、汽轮机、发电机、飞行器、水轮发电机组、分布式能源系统等实际对象控制的仿真模拟，以及火电机组控制的现场应用试验。
精彩书摘
第1章 气化炉的自抗扰控制
本章围绕着ALSTOM(阿尔斯通)气化炉的自抗扰控制展开研究，主要介绍ALSTOM气化炉模型及其控制要求，研究ALSTOM气化炉的自抗扰控制，讨论ALSTOM气化炉自抗扰控制参数的优化，给出ALSTOM气化炉非脆弱性能鲁棒性比较，阐述线性自抗扰控制在ALSTOM气化炉控制系统中的应用，并介绍基于ALSTOM气化炉的自抗扰控制设计实例，*后设计有执行器速率饱和约束的自抗扰控制器，并应用于ALSTOM气化炉上。
1.1 ALSTOM气化炉
通用电气阿尔斯通公司开发了一种基于空气气化联合循环(air blown gasification cycle， ABGC)87MW示范电厂的洁净煤发电技术。ABGC是一种集成了喷流床煤气化技术、高温煤气净化技术、常压循环流化床技术和联合循环发电技术的清洁高效的洁净煤发电系统。由于ABGC融合了整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle， IGCC)、增压流化床燃烧(pressurized fluidized bed combustion，PFBC)和循环流化床燃烧(circulating fluidized bed combustion，CFBC)的优势，系统较简单，技术难度小，污染物排放量少，热效率高，因此具有很高的商业化价值[1]。
气化炉是ABGC系统中的关键设备。通用电气阿尔斯通机械工程中心分别于2002年和2004年公布了气化炉基准问题的**轮、第二轮“挑战信息包”[2，3]。在第二轮“挑战信息包”中，包含Asmar等[4]提出ALSTOM气化炉的比例-积分(proportional-integral，PI)控制方法，但是在0%负荷下的正弦扰动测试中，压力值超出限幅。之后，许多学者利用多目标优化算法、先进的控制方法与系统辨识等模型近似的方法进行控制，然而这些方法执行困难。通过分析ALSTOM气化炉系统已有的控制方法和其复杂的结构发现，系统未知的内部模型以及性能测试中强的外界扰动成为设计该模型控制方法的两大障碍。根据系统的特点，本章利用对系统模型依赖少且具有强抗扰能力的自抗扰控制方法实现ALSTOM气化炉的控制，收到不错的效果。
1.1.1 线性模型和控制要求
通用电气阿尔斯通能源技术中心基于英国洁净煤发电集团ABGC示范电站中的增压喷流床气化炉，建立了该气化炉在全负荷范围内的线性模型，并发布了气化炉控制的基准问题[2，3]。所采用的气化炉是ABGC87MW示范电厂的一部分，采用喷流床气化概念设计。煤粉和吸附剂由增压空气和蒸汽运送，喷入气化炉内。气化炉里，空气和蒸汽对固体进行流化，同时与煤中的碳和挥发分发生化学反应，生成低热值燃气(大约为4.5MJ/kg)，燃气经净化后进入燃气轮机，余下的灰分、石灰和未完全反应的碳从气化炉的底部或顶部排出。
ALSTOM气化炉是一个强非线性和强耦合的多变量系统，具有5个控制输入量和4个输出量，见图1.1.1。控制输入量包括进口空气流量、进口蒸汽流量、煤粉流量、吸附剂(石灰)流量和排出煤焦流量，输出量为床料质量、燃气热值、燃气温度和燃气压力。另外，下游燃气透平进气阀门的调节，会对气化炉的压力产生扰动，带来扰动输入量压力扰动。通用电气阿尔斯通能源技术中心提供了气化炉在三个典型运行负荷下(100%、50%和0%负荷)的线性模型，采用状态空间描述如下：
(1.1.1)
其中，的维数分别是，下脚标i=1，2，3分别代表100%、50%和0%负荷；X为系统状态变量；U为控制输入量；Y为输出量；d为扰动量。
控制输入量和输出量在三种负荷下的稳态值见表1.1.1。可以看到，随着负荷的降低，控制输入量的稳态值均明显减小；燃气压力和温度也降低，床料质量保持不变，而燃气热值随着负荷的减小略有增加。
该气化炉系统的控制要求为，根据100%负荷模型设计控制系统，然后分别在三种负荷下进行如下性能测试。
(1)在100%负荷下，从30s开始压力发生–0.2bar的阶跃扰动(对应于发电负荷变化时燃气透平阀门位置调整引起的阶跃变化)，输入量和输出量应当满足指定的要求。仿真5min(300s)并计算燃气热值和压力的绝对积分误差(integral absolute error，IAE)指标。
(2)在100%负荷下，扰动输入量发生幅值为0.2bar、频率为0.04Hz的正弦波扰动(对应于电网频率变化引起的燃气透平阀门的低频动作)，输入量和输出量应当满足指定的要求。仿真5min(300s)并计算燃气热值和压力的IAE指标。
(3)同样的测试用于50%和0%负荷，以检验系统的鲁棒性能。
输入量的限幅和限速要求见表1.1.2，输出量的限制如下：
(1)燃气热值的变化量在±10kJ/kg范围内，且偏差尽可能小；
(2)压力的变化量在±0.1bar范围内，且偏差尽可能小；
(3)床料质量的变化量在标称值的5%范围内；
(4)温度的变化量在±1℃范围内，且偏差尽可能小。
1.1.2 非线性模型和控制要求
通用电气阿尔斯通能源技术中心在2002年6月发布了气化炉的非线性模型。模型采用ACSL(Advanced Continuous Simulation Language)开发，可与
目录
目录
前言
第1章 气化炉的自抗扰控制 1
1.1 ALSTOM气化炉 1
1.1.1 线性模型和控制要求 1
1.1.2 非线性模型和控制要求 4
1.2 ALSTOM气化炉的自抗扰控制 5
1.2.1 自抗扰控制方法简介 6
1.2.2 ALSTOM气化炉自抗扰控制方法设计 8
1.2.3 ALSTOM气化炉性能测试 18
1.2.4 小结 26
1.3 ALSTOM气化炉自抗扰控制方法参数的优化 27
1.3.1 优化过程及结果 27
1.3.2 性能测试 31
1.3.3 小结 37
1.4 ALSTOM气化炉非脆弱性能鲁棒性比较 38
1.4.1 ALSTOM气化炉自抗扰控制、PI控制方法非脆弱性能鲁棒性实验 38
1.4.2 小结 43
1.5 线性自抗扰控制在ALSTOM气化炉控制系统中的应用 44
1.5.1 一路线性自抗扰控制方法设计 44
1.5.2 两路线性自抗扰控制方法设计 50
1.5.3 小结 57
1.6 ALSTOM气化炉自抗扰控制设计实例 57
1.6.1 基于基准控制律的自抗扰控制方法设计及仿真结果 57
1.6.2 小结 64
1.7 有执行器速率饱和约束的自抗扰控制设计在ALSTOM
气化炉上的应用 65
参考文献 73
第2章 锅炉、汽轮机和发电机的自抗扰控制 76
2.1 火电单元机组机炉协调自抗扰控制 76
2.1.1 汽包锅炉单元机组的数学模型 77
2.1.2 机炉协调自抗扰控制系统设计 78
2.1.3 仿真实验与结果分析 80
2.1.4 小结 83
2.2 亚临界机组机炉协调控制的适应性非线性控制 83
2.2.1 机炉模型 84
2.2.2 机炉协调控制系统设计 85
2.2.3 仿真实验与结果分析 88
2.2.4 小结 96
2.3 发电机组汽轮机调门开度和励磁系统的非线性鲁棒协调控制 96
2.3.1 单机无穷大系统设计 97
2.3.2 多机电力系统设计 103
2.3.3 小结 111
2.4 单元机组机炉电非线性鲁棒协调控制 111
2.4.1 数学模型 112
2.4.2 控制律 114
2.4.3 仿真实验与结果分析 119
2.4.4 小结 132
2.5 基于逆解耦和自抗扰控制的超超临界燃煤机组负荷控制 132
2.5.1 基于凝结水节流的超超临界机组负荷控制方法设计 133
2.5.2 超超临界机组模型 134
2.5.3 超超临界直流炉特性分析 134
2.5.4 超超临界机组负荷解耦控制方法设计 135
2.5.5 仿真实验与结果分析 138
2.5.6 小结 142
2.6 结合前馈的自抗扰控制在机炉协调控制系统中的应用 143
2.6.1 机轮协调控制系统设计 144
2.6.2 机炉协调控制系统的自抗扰控制方法设计 145
2.6.3 仿真实验与结果分析 148
2.6.4 小结 151
2.7 循环流化床机组自抗扰协调控制 152
2.7.1 问题描述 153
2.7.2 控制系统结构 156
2.7.3 仿真实验与结果分析 159
2.7.4 小结 166
2.8 基于DEB的亚临界火电机组自抗扰协调控制 167
2.8.1 过程介绍 167
2.8.2 面向直接能量平衡控制的非线性建模 169
2.8.3 模型简化 172
2.8.4 参数辨识及校验 174
2.8.5 DEB控制结构的解耦性分析 179
2.8.6 基于多目标优化的DEB-ADRC方法 182
2.8.7 小结 186
2.9 基于增益调度的自抗扰控制 186
2.9.1 问题描述 187
2.9.2 自抗扰控制的增益调度设计 192
2.9.3 仿真实验与结果分析 199
2.9.4 小结 206
2.10 过热汽温系统的非线性自抗扰控制 207
2.10.1 过热汽温自抗扰控制仿真实例一 208
2.10.2 过热汽温自抗扰控制仿真实例二 210
2.10.3 小结 212
2.11 过热汽温系统的线性自抗扰控制 212
2.11.1 过热汽温模型 213
2.11.2 过热汽温串级控制结构 214
2.11.3 设计目标 214
2.11.4 自抗扰控制串级控制参数整定方法 214
2.11.5 过热汽温串级控制系统参数整定结果 216
2.11.6 仿真实验与结果分析 219
2.11.7 小结 223
2.12 自抗扰控制在循环流化床机组燃烧系统中的应用 224
2.12.1 循环流化床机组燃烧系统 224
2.12.2 循环流化床机组燃烧系统的自抗扰控制方法设计 226
2.12.3 仿真实验与结果分析 227
2.12.4 小结 232
2.13 结合简单解耦的自抗扰控制在循环流化床机组
燃烧系统中的应用 232
2.13.1 控制系统设计 233
2.13.2 仿真实验与结果分析 234
2.13.3 小结 238
2.14 自抗扰控制在炉膛压力控制系统中的应用 238
2.14.1 问题描述 239
2.14.2 控制器设计 240
2.14.3 仿真实验与结果分析 244
2.14.4 小结 254
2.15 基于BICO的自抗扰控制设计在流化床燃烧机组的应用 255
2.15.1 问题分析和控制结构 255
2.15.2 控制结构的
试读
第1章 气化炉的自抗扰控制
本章围绕着ALSTOM(阿尔斯通)气化炉的自抗扰控制展开研究，主要介绍ALSTOM气化炉模型及其控制要求，研究ALSTOM气化炉的自抗扰控制，讨论ALSTOM气化炉自抗扰控制参数的优化，给出ALSTOM气化炉非脆弱性能鲁棒性比较，阐述线性自抗扰控制在ALSTOM气化炉控制系统中的应用，并介绍基于ALSTOM气化炉的自抗扰控制设计实例，*后设计有执行器速率饱和约束的自抗扰控制器，并应用于ALSTOM气化炉上。
1.1 ALSTOM气化炉
通用电气阿尔斯通公司开发了一种基于空气气化联合循环(air blown gasification cycle， ABGC)87MW示范电厂的洁净煤发电技术。ABGC是一种集成了喷流床煤气化技术、高温煤气净化技术、常压循环流化床技术和联合循环发电技术的清洁高效的洁净煤发电系统。由于ABGC融合了整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle， IGCC)、增压流化床燃烧(pressurized fluidized bed combustion，PFBC)和循环流化床燃烧(circulating fluidized bed combustion，CFBC)的优势，系统较简单，技术难度小，污染物排放量少，热效率高，因此具有很高的商业化价值[1]。
气化炉是ABGC系统中的关键设备。通用电气阿尔斯通机械工程中心分别于2002年和2004年公布了气化炉基准问题的**轮、第二轮“挑战信息包”[2，3]。在第二轮“挑战信息包”中，包含Asmar等[4]提出ALSTOM气化炉的比例-积分(proportional-integral，PI)控制方法，但是在0%负荷下的正弦扰动测试中，压力值超出限幅。之后，许多学者利用多目标优化算法、先进的控制方法与系统辨识等模型近似的方法进行控制，然而这些方法执行困难。通过分析ALSTOM气化炉系统已有的控制方法和其复杂的结构发现，系统未知的内部模型以及性能测试中强的外界扰动成为设计该模型控制方法的两大障碍。根据系统的特点，本章利用对系统模型依赖少且具有强抗扰能力的自抗扰控制方法实现ALSTOM气化炉的控制，收到不错的效果。
1.1.1 线性模型和控制要求
通用电气阿尔斯通能源技术中心基于英国洁净煤发电集团ABGC示范电站中的增压喷流床气化炉，建立了该气化炉在全负荷范围内的线性模型，并发布了气化炉控制的基准问题[2，3]。所采用的气化炉是ABGC87MW示范电厂的一部分，采用喷流床气化概念设计。煤粉和吸附剂由增压空气和蒸汽运送，喷入气化炉内。气化炉里，空气和蒸汽对固体进行流化，同时与煤中的碳和挥发分发生化学反应，生成低热值燃气(大约为4.5MJ/kg)，燃气经净化后进入燃气轮机，余下的灰分、石灰和未完全反应的碳从气化炉的底部或顶部排出。
ALSTOM气化炉是一个强非线性和强耦合的多变量系统，具有5个控制输入量和4个输出量，见图1.1.1。控制输入量包括进口空气流量、进口蒸汽流量、煤粉流量、吸附剂(石灰)流量和排出煤焦流量，输出量为床料质量、燃气热值、燃气温度和燃气压力。另外，下游燃气透平进气阀门的调节，会对气化炉的压力产生扰动，带来扰动输入量压力扰动。通用电气阿尔斯通能源技术中心提供了气化炉在三个典型运行负荷下(100%、50%和0%负荷)的线性模型，采用状态空间描述如下：
(1.1.1)
其中，的维数分别是，下脚标i=1，2，3分别代表100%、50%和0%负荷；X为系统状态变量；U为控制输入量；Y为输出量；d为扰动量。
控制输入量和输出量在三种负荷下的稳态值见表1.1.1。可以看到，随着负荷的降低，控制输入量的稳态值均明显减小；燃气压力和温度也降低，床料质量保持不变，而燃气热值随着负荷的减小略有增加。
该气化炉系统的控制要求为，根据100%负荷模型设计控制系统，然后分别在三种负荷下进行如下性能测试。
(1)在100%负荷下，从30s开始压力发生–0.2bar的阶跃扰动(对应于发电负荷变化时燃气透平阀门位置调整引起的阶跃变化)，输入量和输出量应当满足指定的要求。仿真5min(300s)并计算燃气热值和压力的绝对积分误差(integral absolute error，IAE)指标。
(2)在100%负荷下，扰动输入量发生幅值为0.2bar、频率为0.04Hz的正弦波扰动(对应于电网频率变化引起的燃气透平阀门的低频动作)，输入量和输出量应当满足指定的要求。仿真5min(300s)并计算燃气热值和压力的IAE指标。
(3)同样的测试用于50%和0%负荷，以检验系统的鲁棒性能。
输入量的限幅和限速要求见表1.1.2，输出量的限制如下：
(1)燃气热值的变化量在±10kJ/kg范围内，且偏差尽可能小；
(2)压力的变化量在±0.1bar范围内，且偏差尽可能小；
(3)床料质量的变化量在标称值的5%范围内；
(4)温度的变化量在±1℃范围内，且偏差尽可能小。
1.1.2 非线性模型和控制要求
通用电气阿尔斯通能源技术中心在2002年6月发布了气化炉的非线性模型。模型采用ACSL(Advanced Continuous Simulation Language)开发，可与
