燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制系統(tǒng)研究.pdf

1、小型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)將能源就地轉(zhuǎn)換，有效地提供電能和熱能，總能源利用率達(dá)85％以上，將會(huì)是21世紀(jì)能源技術(shù)的主流之一。在我國能源日益緊張的情況下，研究燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及其控制系統(tǒng)對于提高能源利用率具有重要意義。 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制系統(tǒng)包括了氣體流動(dòng)、燃燒與膨脹，往復(fù)式機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)換等眾多復(fù)雜的瞬變動(dòng)態(tài)過程，具有時(shí)變、非線性和多不確定性干擾等特性。在分析機(jī)組運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用非線性控制理論和智能控制理論，詳

2、細(xì)研究了機(jī)組供電質(zhì)量相關(guān)的頻率控制、勵(lì)磁控制、勵(lì)磁與頻率調(diào)節(jié)相互影響的機(jī)理及其解耦控制以及機(jī)組余熱回收及其控制等問題，并通過試驗(yàn)和仿真對提出的控制策略和方法進(jìn)行了驗(yàn)證。 1、建立燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)組，研究了機(jī)組結(jié)構(gòu)、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)改裝技術(shù)以及控制系統(tǒng)的硬件組成。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性建立了機(jī)組的機(jī)理數(shù)學(xué)模型，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對有限試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到機(jī)組輸入輸出參數(shù)間的關(guān)系曲線，用擬合關(guān)系曲線對機(jī)理數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)

3、行修正。由此得到了符合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行特性的機(jī)組數(shù)學(xué)模型。 2、研究直接以頻率值為反饋，負(fù)荷電流為前饋，采取前饋與反饋協(xié)調(diào)控制策略，通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度進(jìn)行頻率控制的方法。前饋補(bǔ)償采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(FNN)，以負(fù)載電流i及電流變化量ic作為輸入，以步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ為輸出，以反饋控制器的輸出誤差平方和最小為控制訓(xùn)練目標(biāo)。反饋控制采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(PID-NN)，設(shè)計(jì)了PID-NN各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)、連接方式、連接權(quán)值，

4、同時(shí)研究了以系統(tǒng)頻率給定值γ和機(jī)組實(shí)際頻率輸出值y為輸入，輸出誤差平方和為最小的學(xué)習(xí)算法。FNN前饋快速反應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化并做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，PID-NN通過自學(xué)習(xí)，自適應(yīng)前饋對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用并對系統(tǒng)誤差進(jìn)一步調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)偏差和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。試驗(yàn)結(jié)果表明FNN前饋補(bǔ)償與PID-NN反饋協(xié)調(diào)進(jìn)行頻率控制其效果明顯優(yōu)于PID和模糊控制，能適應(yīng)機(jī)組非線性特性和參數(shù)的變化，減少負(fù)荷突變時(shí)的頻率穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差。 3、研究基

5、于前饋／反饋?zhàn)顑?yōu)控制律的非線性勵(lì)磁控制器。研究了非線性系統(tǒng)前饋／反饋(FF／FB)最優(yōu)控制律，是在精確線性化所采用的狀態(tài)變換基礎(chǔ)上，引入非線性前饋環(huán)節(jié)，在輸出y對控制輸入u和對干擾輸入p的關(guān)系度相等的情況下，采用非線性前饋／狀態(tài)反饋?zhàn)儞Q方法來補(bǔ)償可測干擾對系統(tǒng)輸出的影響，將非線性系統(tǒng)變換為基本等價(jià)的線性系統(tǒng)，然后通過線性系統(tǒng)最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)控制器。在非線性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)中，將發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率p<,m>作為勵(lì)磁系統(tǒng)的可測干擾進(jìn)行處理，選

6、擇能很好地控制發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定和協(xié)調(diào)電磁及機(jī)械物理量的動(dòng)、靜態(tài)性能的指標(biāo)h(X)=△U<,f>+△ω為輸出函數(shù)，證明了這一輸出函數(shù)不能和干擾P塒進(jìn)行解耦，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于FF／FB最優(yōu)控制律的非線性勵(lì)磁控制算法。仿真結(jié)果表明基于FF／FB最優(yōu)控制律的非線性勵(lì)磁控制可以很好地防止由于機(jī)械功率的變化而引起的電壓偏差，具有較強(qiáng)的魯棒性，動(dòng)態(tài)控制性能優(yōu)于非線性解耦勵(lì)磁控制及常規(guī)的勵(lì)磁控制。 4、研究勵(lì)磁與頻率調(diào)節(jié)相互影響的機(jī)理，提出兩者存

7、在耦合關(guān)系，并設(shè)計(jì)了基于DRNN網(wǎng)絡(luò)的勵(lì)磁與頻率解耦控制器。研究表明勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用和電磁過渡過程對發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性是不利的，而調(diào)速系統(tǒng)對勵(lì)磁調(diào)節(jié)和電磁暫態(tài)穩(wěn)定是有益的。勵(lì)磁與頻率解耦控制系統(tǒng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器、控制器和機(jī)組組成，辨識(shí)器采用結(jié)構(gòu)簡單而有效的DRNN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，控制器采用PID算法，PID的參數(shù)由DRNN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。機(jī)理分析表明基于DRNN-PID的解耦控制能消除機(jī)組勵(lì)磁與頻率調(diào)節(jié)過程中的相互影響，單向解耦試驗(yàn)

8、結(jié)果證明了DRNN-PID解耦控制的可行性和有效性。 5、研究了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組余熱回收換熱器的結(jié)構(gòu)、布置和連接形式，冷卻系余熱采用板式熱交換器，煙氣余熱采用排氣套管換熱器和二級(jí)管殼式換熱器。研究了熱交換器數(shù)學(xué)模型和余熱回收控制方式，其控制目標(biāo)是余熱回收不影響發(fā)動(dòng)機(jī)零部件壽命和機(jī)組運(yùn)行特性。試驗(yàn)結(jié)果表明研究的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行，在中等負(fù)荷區(qū)域余熱回收效率和機(jī)組總效率高，達(dá)到86％以上。 本文取得的創(chuàng)新點(diǎn)

9、如下。 1、開發(fā)了小型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及其控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)組總效率達(dá)86％以上，可廣泛應(yīng)用于樓宇、學(xué)校、醫(yī)院、工廠、鉆井平臺(tái)等。 2、提出的建模思想為復(fù)雜系統(tǒng)模型的建立提供了新的途徑。即通過系統(tǒng)運(yùn)行特性建立系統(tǒng)簡化的數(shù)學(xué)模型，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到主要輸入輸出參數(shù)間的關(guān)系，最后利用擬合關(guān)系修正數(shù)學(xué)模型參數(shù)。 3、提出了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組頻率前饋與反饋協(xié)調(diào)控制方法。前饋補(bǔ)償采

10、用FNN算法，反饋控制采用PID-NN算法。該控制方法對其它類型的發(fā)電機(jī)組頻率控制具有通用性，研究的前饋與反饋協(xié)調(diào)控制策略也可用于其它干擾可測的復(fù)雜系統(tǒng)的控制中。 4、設(shè)計(jì)了非線性前饋/狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制律，并設(shè)計(jì)了基于此算法的非線性勵(lì)磁控制器。非線性FF/FB最優(yōu)控制律可廣泛應(yīng)用于輸出對控制輸入與對干擾輸入的關(guān)系度相等的非線性控制系統(tǒng)。 5、研究了勵(lì)磁與頻率調(diào)節(jié)相互影響的機(jī)理，并提出了基于DRNN-PID的勵(lì)磁與頻率解耦