[发明专利]基于不确定性补偿的燃烧室热声震荡模型预测控制方法

权利要求书

1.一种基于不确定性补偿的燃烧室热声震荡模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、建立燃烧震荡的机理模型；

步骤S2、对机理模型进行简化，建立半机理数学模型；

步骤S3、基于半机理数学模型，设计干扰观测器DOB，将DOB与实际对象动态之间的模型偏差、外部干扰作为集总干扰进行估计并实时补偿；

步骤S4、根据步骤S2、S3，形成不确定性补偿的模型预测控制方法；

步骤S1中所述燃烧震荡的机理模型，包括火焰模型、燃料调节环节模型和声波模型，具体如下：

火焰模型，用于计算火焰释放的热量Q_N；

燃料调节环节模型，用于计算由声波火焰控制系统产生的热量Q_c，声波火焰控制系统是用来抑制热声震荡的控制系统；

声波模型，用于获取总热量Q与燃烧系统压力p_ref之间关系，其中Q＝Q_N+Q_c；

步骤S2具体如下：

通过Riemann不变量分解将机理模型分为三个相关部分：上游声波传播通道H_up(s)，下游声波传播通道H_down(s)，由流动和燃烧引起的噪声动力学的燃烧系统的噪声源H_noise(s)；燃烧系统的线性行为使用传递函数描述，非线性动力学特性部分则采用描述函数来描述；具体地：

燃烧系统的噪声源H_noise(s)是对存在于湍流燃烧室中的宽带噪声的数学描述，H_noise(s)传递函数模型为：

H_noise(s)＝G_1n·G_2n·G_3n·G_4n；

其中，G_1n为拟合的噪声源第一特性函数、G_2n为拟合的噪声源第二特性函数、G_3n为拟合的噪声源第三特性函数、G_4n为拟合的噪声源第四特性函数，G_1n、G_2n、G_3n、G_4n分别为噪声源从低频至高频的特性传递函数；

H_down(s)涵盖了燃烧器的出口声学边界条件以及从入口参考点到燃烧室出口的声波传播和反射过程；H_down(s)传递函数模型为：

H_down(s)＝G_1d·G_2d·G_3d·G_4d；

其中，G_1d为拟合的声波通道第一特性函数、G_2d为拟合的声波通道第二特性函数、G_3d为拟合的声波通道第三特性函数、G_4d为拟合的声波通道第四特性函数，G_1d、G_2d、G_3d、G_4d分别为下游声波通道从低频至高频的特性传递函数；

对非线性行为采用描述函数法来进行表征，在燃烧系统工作的频率范围内，频率和幅值的描述能够分解为两个独立的函数；H_up(s)的输入是Riemann不变量g，故H_up(s)写为：

H_up(iω,|g|)＝N_up(|g|)L_up(iω)；

其中，H_up(iω,|g|)为上游声波通道的频率响应，i为虚数单位，ω表示频率，N_up(|g|)为幅值；L_up(s)＝G_1u·G_2u·G_3u·G_4u，其中G_1u为频率第一特性函数、G_2u为频率第二特性函数、G_3u为频率第三特性函数、G_4u为频率第四特性函数，G_1u、G_2u、G_3u、G_4u分别为频率函数从低频至高频的特性传递函数，拉普拉斯算子s＝iω,L_up(iω)为频率函数的频率响应；

步骤S4具体如下：将半机理数学模型转化为标准状态空间模型并离散化，离散状态空间模型表示为：

其中，x_k,u_k,y_k分别为k时刻下的状态变量、输入变量与输出变量，x_k+1为k+1时刻的状态变量；A,B,C分别为上述离散状态空间模型的系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵；

进一步，获得如下增广状态空间模型：

其中，x_e,k+1＝x_k+1-x_k，x_e,k+1为k+1时刻增量形式的扩增状态量，x_e,k＝x_k-x_k-1，x_e,k为k时刻增量形式的扩增状态量，y_e,k＝y_k-y_k-1为k时刻增量形式的输出量，Δu_k＝u_k-u_k-1为k时刻控制量增量，A_e，B_e，C_e分别为扩增形式的增广系统矩阵、控制矩阵和输出矩阵；

取预测时域、控制时域分别为P_n和M_n，得到Y_e,k和ΔU_e,k：

其中，Y_e,k为自k时刻开始未来P_n个时刻输出组成的向量，ΔU_e,k为自k时刻开始未来M_n个控制量增量组成的向量，y_k+i|k为k时刻预测的k+i时刻的输出量，i为大于等于1小于等于P_n的整数，[ ]_p·Pn×1表示p个P_n×1列向量，其中p为输出量个数，Δu_k+j-1表示k时刻优化所得的k+j-1时刻的控制增量，表示m个M_n×1列向量，其中m为控制量个数，j为大于等于1小于等于M_n的整数；

进一步得预测模型为：

Y_e,k＝S_xx_e,k+S_uΔU_e,k

其中，S_x，S_u分别为扩增状态矩阵和扩增控制矩阵；

最后，根据所得预测模型，通过滚动优化形成不确定性补偿的模型预测控制方法，从而获取考虑不确定性补偿的控制率。

2.根据权利要求1所述的一种基于不确定性补偿的燃烧室热声震荡模型预测控制方法，其特征在于，步骤S3中，集总干扰包括外部扰动、模型失配对燃烧系统的影响。