一种用于自动控制的附加控制器设计方法

摘要

本发明涉及一种用于自动控制的附加控制器设计方法，属于自动控制技术领域。本设计方法包括采用基于近似动态规划的附加学结构的在线自趋优控制的技术，使控制器的设计不依赖精确数学模型，通过在线学给出最优附加控制器。本设计方法可以在被控对象的在线运行中进行，无需停机就可以进行控制器的参数设计；可以根据用户设定的控制效果评价函数改善控制对象的控制效果，能广泛适用于各类控制对象，满足多种控制要求。本设计方法对控制对象的参数和结构变化具有自适应能力，能使控制对象始终保持最优性能，提高控制系统在各类条件下的运行效益。

主权项

一种应用于电力系统的负荷频率自动控制的附加控制器设计方法，其特征在于该设计方法包括以下步骤：(1)电力系统负荷频率控制对象为：$x_{k+1}=x_k+T\left[\begin{array}{cccc}-1/T_P& K_P/T_P& 0& 0\\ 0& -1/T_T& 1/T_T& 0\\ -1/\left({\mathrm{RT}}_G\right)& 0& -1/T_G& -1/T_G\\ K_E& 0& 0& 0\end{array}\right]x_k+T\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1/T_G\\ 0\end{array}\right]u_k$其中，T为采样间隔，T_G为发电机调速器时间常数，R为调速器下垂系数，K_E为调速器积分增益，T_T为发电机原动机时间常数，K_P为系统增益，T_P为系统时间常数，x为控制对象的状态，k为控制对象状态的采样时间，k＝1,2,3...，x＝[Δf ΔP_g ΔX_g ΔE]^T，Δf为频率偏差，ΔP_g为发电机有功功率偏差，ΔX_g为调速器位置输出偏差，ΔE为积分环节输出偏差，可认为x(1)＝Δf，x(2)＝ΔP_g，x(3)＝ΔX_g，x(4)＝ΔE，u_k是原控制器和附加控制器叠加后的控制器输入；(2)发电机原有的一次、二次调频的输出可表达为u_o,k＝u_o(x_k)，在发电机控制系统中加入一个附加控制器u_s,k＝u_s(x_k)，其中u_s,k表示附加控制器输出的控制参数，将附加控制器输出的控制参数u_s,k与原控制器输出的控制参数u_o,k叠加后的控制参数u_k＝u_o,k+u_s,k作用于控制对象；(3)将附加控制器初始化为零输出控制器，其中上标0表示迭代次数，初始化时令迭代次数i＝0；(4)利用下式，计算得到在附加控制器的作用下控制对象在第k个采样点的控制效果U(x_k,u_k)：U(x_k,u_s,k)＝P(x_k)+u_s,k^TRu_s,k其中，P(x_k)为控制对象的状态控制效果，P(x_k)是控制对象在第k个采样时刻的状态向量x_k的正定函数，即P(x_k)≥0，P(x_k)＝0当且仅当x_k＝0时成立，为控制对象的附加控制参数控制效果，R是一个正定矩阵，且当且仅当u_s,k＝0时成立；在本方法中，令：$U(x_k,u_{s,k})=R_f{\mathrm{\Delta f}}_k^2+R_u{u}_{s,k}^2$R_f,R_u为两个自定的正系数；(5)定义控制对象从第k个采样点开始的累积控制效果为：$Q(x_k,u_{s,k})=\underset{i=k}{\overset{\infty }{\Sigma }}U(x_i,u_s(x_i\left)\right)$建立一个控制对象的累积控制效果逼近函数如下：Q(x_k,u_s,k)＝W^TΦ(x_k,u_k)其中，Φ(x_k,u_k)是累积控制效果逼近函数的基函数向量，基函数向量为控制对象的状态分量x_k(1),x_k(2),x_k(3),…的偶次多项式组合，在本方法中选取基函数向量Φ(x_k,u_s,k)为状态分量的全部二次组合，即W为控制效果逼近函数的参数向量，参数向量的计算过程如下：(5‐1)采集控制对象的N个状态向量，根据N个状态向量，计算得到控制效果逼近函数的基函数向量Φ(x_k,u_k)，并分别计算每相邻两个采样点的基函数向量之差将计算得到的多个基函数向量之差按时间顺序按行排列成矩阵，记为将计算得到的控制效果按时间顺序按行排列成向量，记为(5‐2)通过下式计算第i次迭代的累积控制效果逼近函数的参数向量W⁽ⁱ⁾：其中是的伪逆；伪逆又称为Moore－Penrose伪逆，常用于求解线性最小二乘问题；(6)设定一个控制对象的累积控制效果逼近函数的训练精度ε_V，取值范围为10^‑6‑10²，若控制对象在相邻两次迭代的累积控制效果逼近函数之差的绝对值小于训练精度ε_V，则得到附加控制器若控制对象在相邻两次迭代的累积控制效果逼近函数之差的绝对值大于或等于训练精度ε_V，则进行步骤(7)；(7)更新迭代次数，使i＝i+1；(8)采用下式，更新附加控制器：$u_{s,k}^{\left(i\right)}=u_s^{\left(i\right)}\left(x_k\right)=\arg \underset{u_{s,k}}{min}{Q}^{\left(i\right)}(x_k,u_{s,k});$其中表示使累积控制效果Q⁽ⁱ⁾(x_k,u_s,k)取最小值时附加控制器的参数，更新完成后返回步骤(5)。