專利名稱：燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)混合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)的預(yù)測比例積分控
制(預(yù)測PI)與比例控制(p)的混合控制方法。
背景技術(shù)：
燃煤鍋爐是電力生產(chǎn)部門的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其要求是供給合格的蒸汽，使燃煤鍋 爐發(fā)汽量適應(yīng)負(fù)荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個(gè)主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。然而燃煤 鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的被控對象，輸入量與輸出量之間相互關(guān)聯(lián)。對于鍋爐汽包水位系統(tǒng) 來說蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化引起蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度變化的同時(shí)，也引起汽包水位發(fā)生 變化；燃料量的變化直接影響蒸汽壓力，過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓的變化，同時(shí) 又接著影響汽包水位；給水量的變化直接影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度也 有影響；減溫水的變化會(huì)導(dǎo)致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致汽包水位等的 變化。這些不利因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制手段精度不高，又進(jìn)一步導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)控制參數(shù)不穩(wěn) 定，產(chǎn)品合格率低，鍋爐效率低下。目前實(shí)際工業(yè)中燃煤鍋爐的汽包水位控制基本上采用傳 統(tǒng)的簡單的控制手段，控制參數(shù)完全依賴技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，使生產(chǎn)成本增加，控制效果很不理 想。我國燃煤鍋爐控制與優(yōu)化技術(shù)比較落后，能耗居高不下，控制性能差，自動(dòng)化程度低，很 難適應(yīng)節(jié)能減排以及間接環(huán)境保護(hù)的需求，這其中直接的影響因素之一便是燃煤鍋爐系統(tǒng) 的控制方案問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是針對現(xiàn)有的燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)控制技術(shù)的不足之處，提供一 種燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)混合控制方法，具體是基于預(yù)測PI與比例控制的混合控制方法。 該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制方式的不足，保證控制具有較高的精度和穩(wěn)定性的同時(shí)，也保證形 式簡單并滿足實(shí)際工業(yè)過程的需要。 本發(fā)明方法首先基于燃煤鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)建立過程模型，挖掘出基本 的過程特性；然后基于該過程模型建立比例控制回路；最后通過計(jì)算預(yù)測PI控制器的參 數(shù)，將比例控制與燃煤鍋爐汽包水位對象整體實(shí)施預(yù)測PI控制。 本發(fā)明的技術(shù)方案是通過數(shù)據(jù)采集、過程辨識、預(yù)測機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、優(yōu)化等手段，
確立了一種燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)的預(yù)測PI與比例控制的混合控制方法，利用該方法可
有效提高控制的精度。 本發(fā)明方法的步驟包括 (1)利用燃煤鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)建立過程模型，具體方法是
首先建立燃煤鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集N組實(shí)時(shí)過 程運(yùn)行數(shù)據(jù)，將采集的實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的樣本集合，表示為{Xi， y (i)} i = /， i = 1，2，…，N， &表示第i組工藝參數(shù)的輸入數(shù)據(jù)，y(i)表示第i組工藝參數(shù)的輸出值。
然后以該汽包水位實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)集合為基礎(chǔ)建立基于最小二乘法的離散差分方程形式的局部受控自回歸滑動(dòng)平均模型 yL(k) = OtX，①=[a' 一' 2，…，a' n，b' 。，b' n…，b' m—JT
X=[y(k_l)，…，y(k-n)，u(k-d-l)， ...，u(k-d-m)]T 其中，yjk)表示當(dāng)前時(shí)刻過程模型的工藝參數(shù)的輸出值，X表示過程模型的工藝
參數(shù)的過去時(shí)刻的輸入和輸出數(shù)據(jù)的集合，u(k)表示當(dāng)前過程模型工藝參數(shù)對應(yīng)的控制變
量，k為當(dāng)前的遞推步數(shù)，百表示通過辨識得到的模型參數(shù)的集合，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，n，
m， d+1分別為對應(yīng)實(shí)際過程的輸出變量階次、輸入變量階次、實(shí)際過程的時(shí)滯。 采用的辨識手段為 = CD" +每)b(/c)-①X ] 峰)=P(A: - l)XJX:P(A - 1)XA + ,廣
P,[H賦]P(A:-
其中，E和P為辨識中的兩個(gè)矩陣，P(0):^(5〉106), Y為遺忘因子，f為單位矩陣。
(2)采用典型的響應(yīng)曲線法設(shè)計(jì)汽包水位過程模型的比例控制器，具體方法是
a.將過程模型的比例控制器停留在手動(dòng)操作狀態(tài)，操作撥盤使其輸出有階躍變 化，由記錄儀表記錄過程模型的輸出值，將過程模型輸出值yjk)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱
形式y(tǒng)^(k)，具體是= 其中，yj①)是過程模型的比例控制器的輸出有階躍變化時(shí)的過程模型輸出 A(k)的穩(wěn)態(tài)值。 b.選取滿足乂(A) = 0.39,_y:(A:2) = 0.63的兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)、和k2，依據(jù)下式計(jì)算比例 控制器所需要的參數(shù)K、T和t :
K = yL ( °° ) /q
T = 2 (k「k2)
t = 2k「k2 其中，q為過程模型的比例控制器輸出的階躍變化幅度。
c.計(jì)算過程模型的比例控制器的參數(shù)，具體是
Kc = 1. 2T/K t 其中Kc為比例控制器的比例參數(shù)。
(3)設(shè)計(jì)預(yù)測比例積分比例控制器，具體步驟是 d.將過程模型的比例控制器停留在自動(dòng)操作狀態(tài)，操作撥盤使其輸入有階躍變 化，由記錄儀表記錄實(shí)時(shí)過程的輸出，將過程輸出值y(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱形式 y、k)，具體是y*(k) =y(k)/y(— 其中，y (①)是過程模型的比例控制器的輸入有階躍變化時(shí)的過程模型輸出y (k) 的穩(wěn)態(tài)值。 e.選取滿足y (k3) = 0. 39， y (k4) = 0. 63的另兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)k3和k4，依據(jù)下式計(jì)算 預(yù)測比例積分比例控制器所需要的參數(shù)1\和t工
& = y ( °o ) /qi
I\ = 2 (k3_k4)
t , = 2k「k4
CD4 =①h + ,,-<DX]
= P(A — l)X JX，(A: - 1)X* + 1
P(" = [U (A;-l)/r
其中y (k)是實(shí)際汽包水位測量值，OkTXk是汽包水位過程模型的輸出值。
這個(gè)過程是第一步推理過程。這個(gè)第一步推理是初步挖掘?qū)嶋H汽包水位回路的基 本特性。
(2)設(shè)計(jì)汽包水位過程模型的比例控制器，具體方法是典型的響應(yīng)曲線法。
第一步將汽包水位比例控制器停留在"手動(dòng)操作"狀態(tài)，操作進(jìn)水量的撥盤使進(jìn) 水量控制器輸出有個(gè)階躍變化，由記錄儀表記錄汽包水位過程模型的輸出值，將汽包水位 過程模型輸出值K(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱形式y(tǒng)j(k):_y: (A:) = _y￡ (A:) /義(oo) 其中，①)是汽包水位過程模型輸出yjk)的穩(wěn)態(tài)值。第二步選取2個(gè)計(jì)算點(diǎn)，^(4) = 0.39，_y:(A2) = 0.63 ，依據(jù)以下計(jì)算公式計(jì)算汽 包水位比例控制器所需要的參數(shù)T和t :
K = yL(°°)/q
T = 2 (k「k2)
t = 2k「k2 其中，q為汽包水位比例控制器輸出的階躍變化幅度。
第三步依據(jù)第二步計(jì)算出的K， T和t整定汽包水位比例控制器的參數(shù)
Kc = 1. 2T/K t 其中，K。為汽包水位比例控制器的比例參數(shù)。
(3)設(shè)計(jì)汽包水位過程的預(yù)測PI-P控制器，具體方法是 針對設(shè)計(jì)的汽包水位比例控制器和過程模型組成的基本控制回路建立該鍋爐汽 包水位實(shí)時(shí)運(yùn)行過程數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集汽包水位實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)，依據(jù)汽 包水位實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)建立預(yù)測PI-P控制所需的預(yù)測模型，基于該預(yù)測模型設(shè)計(jì)相應(yīng) 的汽包水位實(shí)時(shí)過程預(yù)測PI-P控制器，具體步驟是 第一步將汽包水位比例控制器停留在"自動(dòng)操作"狀態(tài)，操作汽包水位比例控制 器的輸入使汽包水位比例控制器的輸入有個(gè)階躍變化，由記錄儀表記錄汽包水位實(shí)時(shí)過程 的輸出，將汽包水位實(shí)時(shí)過程輸出值y(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱形式/(k):
y*(k) = y(k)/y( °o ) 其中，y(①)是汽包水位實(shí)時(shí)過程輸出y(k)的穩(wěn)態(tài)值。 第二步選取2個(gè)計(jì)算點(diǎn)，y(k3) =0.39，y(k4) = 0. 63，依據(jù)以下計(jì)算公式計(jì)算汽 包水位預(yù)測PI-P控制器所需要的參數(shù)Kn 1\和t工
& = y ( °o ) /qi
1\ = 2(1^4)
t ! = 2k3_k4 其中，Ql為汽包水位比例控制器輸入的階躍變化幅度。
L丄=t丄 第四步依據(jù)第三步計(jì)算出的模型參數(shù)整定汽包水位預(yù)測PI-P控制器的參數(shù)，具 體方法是
①對水位對象設(shè)計(jì)預(yù)測比例積分控制器。選定期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型為Gq2(s)<formula>formula see original document page 8</formula>
入2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時(shí)間常數(shù)，L2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時(shí) L1;
② 控制器的傳遞函數(shù)Gd(s)可由下式來表示
cl、 乂 (V + l-e-v)
③ 依據(jù)步驟②得到當(dāng)前的控制器的參數(shù)值u(s)。
々+ 權(quán)利要求
燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)混合控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)利用燃煤鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)建立過程模型，具體方法是首先建立燃煤鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集N組實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)，將采集的實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的樣本集合，表示為{Xi，y(i)i＝1N，i＝1，2，…，N，Xi表示第i組工藝參數(shù)的輸入數(shù)據(jù)，y(i)表示第i組工藝參數(shù)的輸出值；然后以該汽包水位實(shí)時(shí)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)集合為基礎(chǔ)建立基于最小二乘法的離散差分方程形式的局部受控自回歸滑動(dòng)平均模型 <mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>L</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup> <mi>&Phi;</mi> <mi>T</mi></msup><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>&Phi;</mi><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>b</mi> <mn>0</mn> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>b</mi> <mn>1</mn> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup> <mi>b</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>]</mo> </mrow> <mi>T</mi></msup> </mrow>X=[y(k-1),…,y(k-n),u(k-d-1),…，(k-d-m)]T其中yL(k)表示當(dāng)前時(shí)刻過程模型的工藝參數(shù)的輸出值，X表示過程模型的工藝參數(shù)的過去時(shí)刻的輸入和輸出數(shù)據(jù)的集合，u(k)表示當(dāng)前過程模型工藝參數(shù)對應(yīng)的控制變量，k為當(dāng)前的遞推步數(shù)，Φ表示通過辨識得到的模型參數(shù)的集合，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，n，m，d+1分別為對應(yīng)實(shí)際過程的輸出變量階次、輸入變量階次、實(shí)際過程的時(shí)滯；采用的辨識手段為 <mrow><msub> <mi>&Phi;</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>&Phi;</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><mover> <mi>K</mi> <mo>&OverBar;</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msubsup> <mi>&Phi;</mi> <mi>k</mi> <mi>T</mi></msubsup><msub> <mi>X</mi> <mi>k</mi></msub><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mover> <mi>K</mi> <mo>&OverBar;</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>k</mi></msub><msup> <mrow><mo>[</mo><msubsup> <mi>X</mi> <mi>k</mi> <mi>T</mi></msubsup><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mi>&gamma;</mi><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup> </mrow>其中k和P為辨識中的兩個(gè)矩陣，γ為遺忘因子，為單位矩陣；(2)采用響應(yīng)曲線法設(shè)計(jì)汽包水位過程模型的比例控制器，具體方法是a.將過程模型的比例控制器停留在手動(dòng)操作狀態(tài)，操作撥盤使其輸出有階躍變化，由記錄儀表記錄過程模型的輸出值，將過程模型輸出值yL(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱形式y(tǒng)L*(k)，具體是其中yL(∞)是過程模型的比例控制器的輸出有階躍變化時(shí)的過程模型輸出yL(k)的穩(wěn)態(tài)值；b.選取滿足的兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)k1和k2，依據(jù)下式計(jì)算比例控制器所需要的參數(shù)K、T和τK＝y(tǒng)L(∞)/qT＝2(k1-k2)τ＝2k1-k2其中q為過程模型的比例控制器輸出的階躍變化幅度；c.計(jì)算過程模型的比例控制器的參數(shù)，具體是Kc＝1.2T/Kτ其中Kc為比例控制器的比例參數(shù)；(3)設(shè)計(jì)預(yù)測比例積分比例控制器，具體步驟是d.將過程模型的比例控制器停留在自動(dòng)操作狀態(tài)，操作撥盤使其輸入有階躍變化，由記錄儀表記錄實(shí)時(shí)過程的輸出，將過程輸出值y(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱形式y(tǒng)*(k)，具體是y*(k)＝y(tǒng)(k)/y(∞)其中y(∞)是過程模型的比例控制器的輸入有階躍變化時(shí)的過程模型輸出y(k)的穩(wěn)態(tài)值；e.選取滿足y(k3)＝0.39，y(k4)＝0.63的另兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)k3和k4，依據(jù)下式計(jì)算預(yù)測比例積分比例控制器所需要的參數(shù)K1，T1和τ1K1＝y(tǒng)(∞)/q1T1＝2(k3-k4)τ1＝2k3-k4其中q1為過程模型的比例控制器輸入的階躍變化幅度；f.將步驟e得到的參數(shù)轉(zhuǎn)化為拉普拉斯形式的局部受控傳遞函數(shù)模型 <mrow><mfrac> <mrow><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>q</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mi>s</mi> </mrow></msup> </mrow>其中s為拉普拉斯變換算子，λ1為局部受控傳遞函數(shù)模型的時(shí)間常數(shù)，L1為局部受控傳遞函數(shù)模型的時(shí)滯，y(s)表示當(dāng)前時(shí)刻過程模型的輸出值的拉普拉斯變換，q1(s)表示過程模型的比例控制器輸入的拉普拉斯變換；λ1＝T1L1＝τ1g.依據(jù)步驟f計(jì)算出的模型參數(shù)整定預(yù)測比例積分比例控制器的參數(shù)，具體方法是①對該對象設(shè)計(jì)預(yù)測比例積分控制器；選定期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型為Gq2(s) <mrow><msub> <mi>G</mi> <mrow><mi>q</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mi>s</mi> </mrow></msup> </mrow>其中λ2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時(shí)間常數(shù)，L2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時(shí)滯，L2＝L1；②預(yù)測比例積分比例控制器的傳遞函數(shù)Gc1(s)可由下式來表示 <mrow><msub> <mi>G</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mi>s</mi> </mrow></msup><mo>)</mo> </mrow></mfrac> </mrow>③依據(jù)步驟②得到當(dāng)前的預(yù)測比例積分比例控制器的參數(shù)值u(s)。
<mrow><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mi>s</mi> </mrow></msup> </mrow> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>F2009101557933C00015.tif,F2009101557933C00016.tif,F2009101557933C00017.tif,F2009101557933C00018.tif,F2009101557933C00019.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)混合控制方法。本發(fā)明方法首先基于燃煤鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)建立過程模型，挖掘出基本的過程特性；然后基于該過程模型建立比例控制回路；最后通過計(jì)算預(yù)測PI控制器的參數(shù)，將比例控制與燃煤鍋爐汽包水位對象整體實(shí)施預(yù)測PI控制。本發(fā)明方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制的不足，并有效地方便了控制器的設(shè)計(jì)，保證控制性能的提升，同時(shí)滿足給定的生產(chǎn)性能指標(biāo)。本發(fā)明提出的控制技術(shù)可以有效減少理想汽包水位工藝參數(shù)與實(shí)際汽包水位工藝參數(shù)之間的誤差，進(jìn)一步彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制器的不足，同時(shí)保證控制裝置操作在最佳狀態(tài)，使生產(chǎn)過程的汽包水位工藝參數(shù)達(dá)到嚴(yán)格控制。
文檔編號F22D5/00GK101709867SQ20091015579
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者吳鋒, 張日東, 王建中, 王春林, 薛安克 申請人:杭州電子科技大學(xué)