直接蒸汽發(fā)電槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制

王萬(wàn)召，鐵 瑋，譚 文

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直接蒸汽發(fā)電槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制

王萬(wàn)召1，鐵 瑋2，譚 文3

（1.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467099；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206）

直接蒸汽發(fā)電（DSG）槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度具有大滯后、非線性、動(dòng)態(tài)特性隨工況變化明顯及無(wú)法精確建模等特點(diǎn)，常規(guī)的PID控制方案難以取得滿意的控制效果。本文基于自抗擾控制思想，通過(guò)引入虛擬控制量，對(duì)DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度去除純滯后環(huán)節(jié)的剩余對(duì)象設(shè)計(jì)自抗擾控制器，獲得與其相應(yīng)的虛擬控制量。然后利用跟蹤微分器由虛擬控制量推測(cè)得到實(shí)際控制量，從而控制減溫水流量調(diào)節(jié)蒸汽溫度。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，本文提出的自抗擾控制方案能夠在不同蒸汽壓力工況下，克服DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度對(duì)象動(dòng)態(tài)特性變化和大滯后，對(duì)蒸汽溫度指令信號(hào)階躍實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確跟蹤，全程無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方案。

自抗擾控制；DSG槽式太陽(yáng)能集熱器；蒸汽溫度；大滯后；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；調(diào)節(jié)品質(zhì)

近年來(lái)，隨著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，直接蒸汽發(fā)電（DSG）槽式太陽(yáng)能熱力發(fā)電系統(tǒng)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低和發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展[1-2]。DSG槽式太陽(yáng)能集熱器直接將水作為循環(huán)工質(zhì)，在集熱管中吸收太陽(yáng)輻射能，將水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝苿?dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。由于太陽(yáng)輻射能是一種低品質(zhì)能源，要利用這種低品位能源，DSG槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱通道必須很長(zhǎng)，這使DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度具有大滯后和大慣性的特點(diǎn)[3-4]。在實(shí)際運(yùn)行中，又由于太陽(yáng)輻射的周期性和間歇性，使DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度成為一個(gè)典型的大滯后、大慣性、參數(shù)時(shí)變的非線性對(duì)象，常規(guī)的PID控制方法難以取得理想的控制效果[5-8]。

為此，研究者提出了一些有效的解決方案，文獻(xiàn)[9-10]基于預(yù)測(cè)控制和多模型控制原理，提出了DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度多模型切換受限增量廣義預(yù)測(cè)控制方案；文獻(xiàn)[11]基于反饋線性化控制算法，提出了DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度反饋線性化串級(jí)控制方案。總之，DSG槽式太陽(yáng)能出口蒸汽溫度控制受到廣大科研工作者越來(lái)越多的關(guān)注，此方面研究致力于尋求適合高效的控制方法，促進(jìn)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和效率提升[12]。

本文基于自抗擾控制（ADRC）思想提出一種新型的控制方案，并將其應(yīng)用于DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)，解決常規(guī)PID控制器難于應(yīng)對(duì)的大慣性、大滯后、參數(shù)時(shí)變、非線性等控制難題。

自抗擾控制是由我國(guó)著名系統(tǒng)與控制專家韓京清在20世紀(jì)80年代末首次提出，其最突出的特點(diǎn)是把作用于被控對(duì)象的所有不確定因素歸結(jié)為“未知擾動(dòng)”，通過(guò)設(shè)計(jì)一種擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器（ESO），根據(jù)被控對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)“未知擾動(dòng)”進(jìn)行估計(jì)，依據(jù)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)難以準(zhǔn)確建模的非線性對(duì)象的有效控制[13]。然而，經(jīng)典自抗擾控制技術(shù)一般只適用于簡(jiǎn)單三階以下慣性對(duì)象，而對(duì)諸如本文DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度一類具有大滯后特征的被控對(duì)象還不能使用[14-16]。

本文擬通過(guò)引入虛擬控制量，解決具有大滯后的非線性時(shí)變對(duì)象的控制難題，并將其應(yīng)用于DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度控制，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)提出的控制方案的可行性和有效性。

1 蒸汽溫度對(duì)象動(dòng)態(tài)特性

DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在最后一級(jí)集熱器入口處的噴水減溫器的減溫水流量進(jìn)行的。由于太陽(yáng)能集熱器管路很長(zhǎng)，加之太陽(yáng)輻射情況經(jīng)常變化，這使出口蒸汽溫度具有很大的滯后和慣性；并且在不同工況下蒸汽溫度對(duì)象動(dòng)態(tài)特性變化也較大：可見(jiàn)，蒸汽溫度是一個(gè)典型的大滯后、大慣性、時(shí)變非線性對(duì)象，自動(dòng)控制難度很大。

DSG槽式太陽(yáng)能集熱器在不同出口蒸汽壓力下的蒸汽溫度模型變化很大[8]，具體情況如下。

1） 出口蒸汽壓力為3 MPa時(shí)蒸汽溫度模型

2） 出口蒸汽壓力為6 MPa時(shí)蒸汽溫度模型

3） 出口蒸汽壓力為10 MPa時(shí)蒸汽溫度模型

4） 由式(1)—式(3)模型參數(shù)變化可知，DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度在不同出口壓力下，呈現(xiàn)明顯參數(shù)時(shí)變性，而且均具有很大的滯后。

2 蒸汽溫度自抗擾控制

本文提出的DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，TD（tracking differentiator）為跟蹤微分器，NLSEF（non-linear state error feedback）為非線性狀態(tài)反饋控制器，ESO（extended state observer）為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，1為DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度對(duì)象，01為1去除純滯后的剩余對(duì)象。

圖1 DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制結(jié)構(gòu)

2.1 虛擬控制量

對(duì)DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度對(duì)象而言，由于集熱器管道很長(zhǎng)，噴水減溫器安裝在最后一級(jí)集熱器入口處，導(dǎo)致出口蒸汽溫度與減溫水流量之間存在很大的滯后，因而與實(shí)際控制量之間存在很大的滯后[8]。DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度對(duì)象可表示為1個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)1個(gè)純滯后環(huán)節(jié)：

引入1個(gè)虛擬控制量

則

于是，可先對(duì)01()設(shè)計(jì)自抗擾控制器，然后再根據(jù)式(7)向前推測(cè)得到實(shí)際控制量，用于控制減溫水流量。

由于

則

式中：st( )為最速控制綜合函數(shù)，具體形式可參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]；為采樣周期；為采樣序列；為決定跟蹤快慢的參數(shù)。

于是，可得

進(jìn)而，由式(9)可得

式中作為一個(gè)可調(diào)參數(shù)，需要在系統(tǒng)整定時(shí)，通過(guò)調(diào)試獲得。

2.2 無(wú)純滯后對(duì)象的自抗擾控制器

式中為決定跟蹤快慢的參數(shù)。

則

依據(jù)對(duì)象01()的動(dòng)態(tài)特性和控制目標(biāo)要求，取=1 s，=0.002，可得在給定單位階躍變化時(shí)，跟蹤微分器的過(guò)渡過(guò)程如圖2所示。

對(duì)象01()采用狀態(tài)方程可表示為：

式中：(1,2,)為由對(duì)象01()的狀態(tài)變量1和2構(gòu)成的非線性時(shí)變函數(shù)，其精確模型未知；為外部擾動(dòng)；為對(duì)象輸入；為輸入增益；為對(duì)象01()輸出。

將式(15)中的未知?jiǎng)討B(tài)特性(1,2,)和外部擾動(dòng)合并，表示為

式(17)為對(duì)象01()的擴(kuò)張狀態(tài)。通過(guò)設(shè)計(jì)非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）可估計(jì)出狀態(tài)3，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)象未知?jiǎng)討B(tài)特性和外部擾動(dòng)的估計(jì)。因此，可構(gòu)建非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器

式中：1、2、3均為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）的系數(shù)；al( )為飽和函數(shù)，可抑制信號(hào)的抖振，具體形式為

式中，和為飽和函數(shù)的內(nèi)部參數(shù)，在系統(tǒng)整定時(shí)確定其值。

采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器式(18)可實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的性能，針對(duì)出口蒸氣壓力為3 MPa時(shí)蒸汽溫度去除純滯后環(huán)節(jié)的對(duì)象01()，施加單位階躍信號(hào)，ESO的主要參數(shù)分別取1=1.0、2=0.5、3=0.05，可得ESO的 3個(gè)狀態(tài)1、2、3，01()的2個(gè)狀態(tài)1、2以及擴(kuò)張狀態(tài)3。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器跟蹤狀態(tài)曲線如圖3所示。由圖3可知ESO對(duì)01()的狀態(tài)以及擴(kuò)張狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了良好的觀測(cè)與跟蹤。

圖3 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器跟蹤狀態(tài)曲線

Fig.3 The tracking state curves of the extended state observer

對(duì)采用式(15)描述的對(duì)象01()，采用式(21)補(bǔ)償律進(jìn)行控制

由于ESO已經(jīng)把對(duì)象的未知?jiǎng)討B(tài)和外部擾動(dòng)統(tǒng)一估計(jì)為3，式(15)可變換為：

這樣通過(guò)ESO把含有未知擾動(dòng)的非線性不確定對(duì)象轉(zhuǎn)化為積分串聯(lián)型對(duì)象，基于狀態(tài)反饋控制思想，可得非線性狀態(tài)反饋控制律

式中：1為設(shè)定值的過(guò)渡信號(hào)1與ESO的輸出1之差；2為設(shè)定值微分的過(guò)渡信號(hào)2與ESO的輸出2之差；通過(guò)整定選擇合適的1和2，可以保證控制器取得良好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

為驗(yàn)證本文提出的DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽溫度自抗擾控制方案的優(yōu)越性和可靠性，選取蒸汽出口壓力分別為3、6、10 MPa共3種工況進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)的PID控制方案進(jìn)行比較。

3.1 出口蒸汽壓力為3 MPa工況

DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽壓力為3 MPa時(shí)，蒸汽溫度模型為式(1)。參考文獻(xiàn)[8]中采用抗積分飽和PID控制器進(jìn)行DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度控制，其推薦參數(shù)為比例系數(shù)P0.003 9，積分時(shí)間I=520 s。本文提出的自抗擾控制方案的主要參數(shù)為1=1.4、1=650、=0.3。分別將自抗擾控制方案和傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)：抗積分飽和PID控制方案在蒸汽溫度指令信號(hào)階躍變化時(shí)，蒸汽溫度輸出曲線波動(dòng)大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；而本文提出的自抗擾控制方案可以對(duì)蒸汽溫度階躍指令信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速精確跟蹤，無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制品質(zhì)優(yōu)良。

圖4 出口蒸汽壓力為3 MPa時(shí)蒸汽溫度仿真曲線

3.2 出口蒸汽壓力為6 MPa工況

DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽壓力為6 MPa時(shí)，蒸汽溫度模型為式(2)，參考文獻(xiàn)[8]中采用抗積分飽和PID控制器進(jìn)行DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度控制，其推薦參數(shù)為P0.007 8、I700 s。本文提出的自抗擾控制，由于通過(guò)ESO對(duì)蒸汽溫度對(duì)象的未知?jiǎng)討B(tài)特性和外部擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)了估計(jì)，并依此進(jìn)行了補(bǔ)償，控制方案具有很好的魯棒性和自適應(yīng)性。因此，自抗擾控制方案的主要參數(shù)值保持不變，依然取3 MPa工況時(shí)的整定值。

分別將自抗擾控制方案和傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案在蒸汽溫度指令信號(hào)階躍變化時(shí)蒸汽溫度輸出曲線超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；而本文提出的自抗擾控制方案可以對(duì)蒸汽溫度階躍指令信號(hào)跟蹤快速精確，無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制品質(zhì)優(yōu)良。

圖5 出口蒸汽壓力為6 MPa時(shí)蒸汽溫度仿真曲線

3.3 出口蒸汽壓力為10 MPa工況

DSG槽式太陽(yáng)能集熱器出口蒸汽壓力10 MPa時(shí)，蒸汽溫度模型為式(3)，文獻(xiàn)[8]中采用抗積分飽和PID控制器進(jìn)行DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度控制，其推薦參數(shù)為P0.010 8、I700 s。本文提出的自抗擾控制的主要參數(shù)值保持不變，依然取3、6 MPa工況時(shí)的整定值。分別將自抗擾控制方案和傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案盡管無(wú)超調(diào)，但調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)；而本文提出的自抗擾控制方案可以在蒸汽溫度指令信號(hào)階躍變化時(shí)實(shí)現(xiàn)快速精確跟蹤，無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制品質(zhì)優(yōu)良，且模型具有較好的魯棒性和自適應(yīng)性。

圖6 出口蒸汽壓力為10 MPa時(shí)蒸汽溫度仿真曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于自抗擾控制的基本思想，針對(duì)DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度對(duì)象具有大滯后、動(dòng)態(tài)特性隨工況變化大等特點(diǎn)，通過(guò)引入虛擬控制量對(duì)去除滯后環(huán)節(jié)的剩余部分實(shí)施自抗擾控制，然后利用跟蹤微分器推測(cè)出實(shí)際的控制量。該控制方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要事先知道DSG槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度對(duì)象的準(zhǔn)確模型，利用ESO觀測(cè)出對(duì)象的不確定性和外部擾動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償，具有很好的適應(yīng)性和抗干擾能力。

仿真結(jié)果表明，本文提出的自抗擾控制方法在不同工況下，在蒸汽溫度指令信號(hào)階躍變化時(shí)均能實(shí)現(xiàn)快速精確跟蹤，全程無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制品質(zhì)優(yōu)良，與傳統(tǒng)的PID控制方案相比，具有明顯的優(yōu)越性，值得推廣應(yīng)用。

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Active disturbance rejection control system for steam temperature of direct steam generation trough solar collector

WANG Wanzhao1, TIE Wei2, TAN Wen3

(1. Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467036, China; 2. Henan Quality Engineering Vocational College, Pingdingshan 467099, China; 3. School of Control and Computer Engineering, North China University of Electric Power, Beijing 102206, China)

Since the steam temperature control of direct steam generation (DSG) trough solar collector exhibits large time delay, non-linearity, uncertainty, and difficult accurate modeling, the conventional PID control scheme is difficult to achieve ideal control effect. To solve this problem, based on the idea of active disturbance rejection control (ADRC), the virtual control variable is introduced. Firstly, the ADRC scheme is designed for the remaining part of the DSG trough solar collector steam temperature object after removing the pure time delay link, and the corresponding virtual control variable is obtained. Subsequently, the actual control variable is predicted by using the virtual control variable with the tracking differentiator (TD). Finally, the spraying water flow is controlled to regulate the steam temperature. The simulation results show that, the proposed ADRC scheme can overcome the changes of dynamic property and large time delay under different pressure conditions, and track the steam temperature rapidly and accurately without overshoot during the whole process. The control quality of the proposed ADRC scheme is significantly better than that of the conventional PID control scheme.

active disturbance rejection control, DSG trough solar collector, steam temperature, large time delay, extended state observer, adjustment quality

National Natural Science Foundation of China (61573138 ); Henan Province Science and Technology Research Project (172102210180)

TP273; TK514

A

10.19666/j.rlfd.201806120

王萬(wàn)召, 鐵瑋, 譚文. 直接蒸汽發(fā)電槽式太陽(yáng)能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 41-46. WANG Wanzhao, TIE Wei, TAN Wen. Active disturbance rejection control system for steam temperature of direct steam generation trough solar collector[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 41-46.

2018-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61573138)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(172102210180)

王萬(wàn)召(1972—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍盁峁ぷ詣?dòng)控制，30040706@hncj.edu.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）