直接蒸汽发电槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制

王万召，铁 玮，谭 文



直接蒸汽发电槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制

王万召1，铁 玮2，谭 文3

（1.河南城建学院，河南 平顶山 467036；2.河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467099；3.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206）

直接蒸汽发电（DSG）槽式太阳能集热器蒸汽温度具有大滞后、非线性、动态特性随工况变化明显及无法精确建模等特点，常规的PID控制方案难以取得满意的控制效果。本文基于自抗扰控制思想，通过引入虚拟控制量，对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度去除纯滞后环节的剩余对象设计自抗扰控制器，获得与其相应的虚拟控制量。然后利用跟踪微分器由虚拟控制量推测得到实际控制量，从而控制减温水流量调节蒸汽温度。实验仿真结果表明，本文提出的自抗扰控制方案能够在不同蒸汽压力工况下，克服DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象动态特性变化和大滞后，对蒸汽温度指令信号阶跃实现快速准确跟踪，全程无超调，调节品质明显优于传统PID控制方案。

自抗扰控制；DSG槽式太阳能集热器；蒸汽温度；大滞后；扩张状态观测器；调节品质

近年来，随着太阳能发电技术的快速发展，直接蒸汽发电（DSG）槽式太阳能热力发电系统凭借结构简单、运行成本低和发电效率高等优点得到了迅速发展[1-2]。DSG槽式太阳能集热器直接将水作为循环工质，在集热管中吸收太阳辐射能，将水转变为蒸汽推动汽轮机发电。由于太阳辐射能是一种低品质能源，要利用这种低品位能源，DSG槽式太阳能集热系统的集热通道必须很长，这使DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度具有大滞后和大惯性的特点[3-4]。在实际运行中，又由于太阳辐射的周期性和间歇性，使DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度成为一个典型的大滞后、大惯性、参数时变的非线性对象，常规的PID控制方法难以取得理想的控制效果[5-8]。

为此，研究者提出了一些有效的解决方案，文献[9-10]基于预测控制和多模型控制原理，提出了DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度多模型切换受限增量广义预测控制方案；文献[11]基于反馈线性化控制算法，提出了DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度反馈线性化串级控制方案。总之，DSG槽式太阳能出口蒸汽温度控制受到广大科研工作者越来越多的关注，此方面研究致力于寻求适合高效的控制方法，促进槽式太阳能热发电系统的稳定运行和效率提升[12]。

本文基于自抗扰控制（ADRC）思想提出一种新型的控制方案，并将其应用于DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度控制系统，解决常规PID控制器难于应对的大惯性、大滞后、参数时变、非线性等控制难题。

自抗扰控制是由我国著名系统与控制专家韩京清在20世纪80年代末首次提出，其最突出的特点是把作用于被控对象的所有不确定因素归结为“未知扰动”，通过设计一种扩展状态观测器（ESO），根据被控对象的输入输出数据对“未知扰动”进行估计，依据估计结果进行补偿，从而实现对难以准确建模的非线性对象的有效控制[13]。然而，经典自抗扰控制技术一般只适用于简单三阶以下惯性对象，而对诸如本文DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度一类具有大滞后特征的被控对象还不能使用[14-16]。

本文拟通过引入虚拟控制量，解决具有大滞后的非线性时变对象的控制难题，并将其应用于DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制，最后通过仿真实验检验提出的控制方案的可行性和有效性。

1 蒸汽温度对象动态特性

DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度的控制是通过调节安装在最后一级集热器入口处的喷水减温器的减温水流量进行的。由于太阳能集热器管路很长，加之太阳辐射情况经常变化，这使出口蒸汽温度具有很大的滞后和惯性；并且在不同工况下蒸汽温度对象动态特性变化也较大：可见，蒸汽温度是一个典型的大滞后、大惯性、时变非线性对象，自动控制难度很大。

DSG槽式太阳能集热器在不同出口蒸汽压力下的蒸汽温度模型变化很大[8]，具体情况如下。

1） 出口蒸汽压力为3 MPa时蒸汽温度模型

2） 出口蒸汽压力为6 MPa时蒸汽温度模型

3） 出口蒸汽压力为10 MPa时蒸汽温度模型

4） 由式(1)—式(3)模型参数变化可知，DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度在不同出口压力下，呈现明显参数时变性，而且均具有很大的滞后。

2 蒸汽温度自抗扰控制

本文提出的DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制系统结构如图1所示。图1中，TD（tracking differentiator）为跟踪微分器，NLSEF（non-linear state error feedback）为非线性状态反馈控制器，ESO（extended state observer）为扩张状态观测器，1为DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象，01为1去除纯滞后的剩余对象。

图1 DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制结构

2.1 虚拟控制量

对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象而言，由于集热器管道很长，喷水减温器安装在最后一级集热器入口处，导致出口蒸汽温度与减温水流量之间存在很大的滞后，因而与实际控制量之间存在很大的滞后[8]。DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象可表示为1个惯性环节串联1个纯滞后环节：

引入1个虚拟控制量

则

于是，可先对01()设计自抗扰控制器，然后再根据式(7)向前推测得到实际控制量，用于控制减温水流量。

由于

则

式中：st( )为最速控制综合函数，具体形式可参见文献[13]；为采样周期；为采样序列；为决定跟踪快慢的参数。

于是，可得

进而，由式(9)可得

式中作为一个可调参数，需要在系统整定时，通过调试获得。

2.2 无纯滞后对象的自抗扰控制器

式中为决定跟踪快慢的参数。

则

依据对象01()的动态特性和控制目标要求，取=1 s，=0.002，可得在给定单位阶跃变化时，跟踪微分器的过渡过程如图2所示。

对象01()采用状态方程可表示为：

式中：(1,2,)为由对象01()的状态变量1和2构成的非线性时变函数，其精确模型未知；为外部扰动；为对象输入；为输入增益；为对象01()输出。

将式(15)中的未知动态特性(1,2,)和外部扰动合并，表示为

式(17)为对象01()的扩张状态。通过设计非线性扩张状态观测器（ESO）可估计出状态3，即实现了对象未知动态特性和外部扰动的估计。因此，可构建非线性扩张状态观测器

式中：1、2、3均为扩张状态观测器（ESO）的系数；al( )为饱和函数，可抑制信号的抖振，具体形式为

式中，和为饱和函数的内部参数，在系统整定时确定其值。

采用非线性扩张状态观测器式(18)可实现

为了验证非线性扩张状态观测器的性能，针对出口蒸气压力为3 MPa时蒸汽温度去除纯滞后环节的对象01()，施加单位阶跃信号，ESO的主要参数分别取1=1.0、2=0.5、3=0.05，可得ESO的 3个状态1、2、3，01()的2个状态1、2以及扩张状态3。扩张状态观测器跟踪状态曲线如图3所示。由图3可知ESO对01()的状态以及扩张状态实现了良好的观测与跟踪。

图3 扩张状态观测器跟踪状态曲线

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

对采用式(15)描述的对象01()，采用式(21)补偿律进行控制

由于ESO已经把对象的未知动态和外部扰动统一估计为3，式(15)可变换为：

这样通过ESO把含有未知扰动的非线性不确定对象转化为积分串联型对象，基于状态反馈控制思想，可得非线性状态反馈控制律

式中：1为设定值的过渡信号1与ESO的输出1之差；2为设定值微分的过渡信号2与ESO的输出2之差；通过整定选择合适的1和2，可以保证控制器取得良好的动态性能和抗干扰性能。

3 实验仿真及分析

为验证本文提出的DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽温度自抗扰控制方案的优越性和可靠性，选取蒸汽出口压力分别为3、6、10 MPa共3种工况进行仿真，并与传统的PID控制方案进行比较。

3.1 出口蒸汽压力为3 MPa工况

DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽压力为3 MPa时，蒸汽温度模型为式(1)。参考文献[8]中采用抗积分饱和PID控制器进行DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制，其推荐参数为比例系数P0.003 9，积分时间I=520 s。本文提出的自抗扰控制方案的主要参数为1=1.4、1=650、=0.3。分别将自抗扰控制方案和传统抗积分饱和PID控制方案进行仿真对比，结果如图4所示。由图4可见：抗积分饱和PID控制方案在蒸汽温度指令信号阶跃变化时，蒸汽温度输出曲线波动大，调节时间长；而本文提出的自抗扰控制方案可以对蒸汽温度阶跃指令信号实现快速精确跟踪，无超调，调节时间短，控制品质优良。

图4 出口蒸汽压力为3 MPa时蒸汽温度仿真曲线

3.2 出口蒸汽压力为6 MPa工况

DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽压力为6 MPa时，蒸汽温度模型为式(2)，参考文献[8]中采用抗积分饱和PID控制器进行DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制，其推荐参数为P0.007 8、I700 s。本文提出的自抗扰控制，由于通过ESO对蒸汽温度对象的未知动态特性和外部扰动实现了估计，并依此进行了补偿，控制方案具有很好的鲁棒性和自适应性。因此，自抗扰控制方案的主要参数值保持不变，依然取3 MPa工况时的整定值。

分别将自抗扰控制方案和传统抗积分饱和PID控制方案进行仿真对比，结果如图5所示。由图5可以看出：传统抗积分饱和PID控制方案在蒸汽温度指令信号阶跃变化时蒸汽温度输出曲线超调较大，调节时间长；而本文提出的自抗扰控制方案可以对蒸汽温度阶跃指令信号跟踪快速精确，无超调，调节时间短，控制品质优良。

图5 出口蒸汽压力为6 MPa时蒸汽温度仿真曲线

3.3 出口蒸汽压力为10 MPa工况

DSG槽式太阳能集热器出口蒸汽压力10 MPa时，蒸汽温度模型为式(3)，文献[8]中采用抗积分饱和PID控制器进行DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度控制，其推荐参数为P0.010 8、I700 s。本文提出的自抗扰控制的主要参数值保持不变，依然取3、6 MPa工况时的整定值。分别将自抗扰控制方案和传统抗积分饱和PID控制方案进行仿真对比，结果如图6所示。由图6可以看出：传统抗积分饱和PID控制方案尽管无超调，但调节时间很长；而本文提出的自抗扰控制方案可以在蒸汽温度指令信号阶跃变化时实现快速精确跟踪，无超调，调节时间短，控制品质优良，且模型具有较好的鲁棒性和自适应性。

图6 出口蒸汽压力为10 MPa时蒸汽温度仿真曲线

4 结 语

本文基于自抗扰控制的基本思想，针对DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象具有大滞后、动态特性随工况变化大等特点，通过引入虚拟控制量对去除滞后环节的剩余部分实施自抗扰控制，然后利用跟踪微分器推测出实际的控制量。该控制方案的优点是不需要事先知道DSG槽式太阳能集热器蒸汽温度对象的准确模型，利用ESO观测出对象的不确定性和外部扰动并进行补偿，具有很好的适应性和抗干扰能力。

仿真结果表明，本文提出的自抗扰控制方法在不同工况下，在蒸汽温度指令信号阶跃变化时均能实现快速精确跟踪，全程无超调，调节时间短，控制品质优良，与传统的PID控制方案相比，具有明显的优越性，值得推广应用。

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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

王万召, 铁玮, 谭文. 直接蒸汽发电槽式太阳能集热器蒸汽温度自抗扰控制[J]. 热力发电, 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

国家自然科学基金项目(61573138)；河南省科技攻关项目(172102210180)

王万召(1972—)，男，博士，副教授，主要研究方向为智能控制及热工自动控制，30040706@hncj.edu.cn。

（责任编辑 杜亚勤）