專利名稱：：氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種針對氣化爐的預(yù)測型PID控制方法，結(jié)合常規(guī)PID控制器和預(yù)測控制方法實現(xiàn)對氣化爐系統(tǒng)的有效控制，屬于熱化學(xué)反應(yīng)工程、能動力工程和自動控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：煤氣化是一種重要的清潔能源生產(chǎn)方式，氣化爐則是煤氣化過程的核心部件。由于涉及到許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，氣化爐是一個復(fù)雜的多變量、大滯后、非線性及高耦合系統(tǒng)，且對各種擾動的影響都很敏感，其相應(yīng)的控制理論和應(yīng)用都不太成熟。針對氣化爐的高品質(zhì)控制方法是氣化爐安全可靠運行的保證，也是目前氣化爐在大規(guī)模應(yīng)用和推廣過程中亟待解決的問題?，F(xiàn)有的氣化爐控制方法主要分為兩種(1)基于經(jīng)典控制理論的常規(guī)控制方法，如常規(guī)的PID(比例積分微分)控制方法等；(2)基于現(xiàn)代控制理論的高級控制方法，如模型預(yù)測控制(MPC)等。這兩種方法在實際應(yīng)用中都存在不足。例如，常規(guī)的PID控制方法，雖然容易實施，但是由于其算法只是根據(jù)當(dāng)前時刻和前兩個采樣時刻的設(shè)定值與輸出之間的偏差進行計算，對于氣化爐這樣的大滯后對象，控制作用沒有提前動作，無法獲得令人滿意的控制效果；而普通的模型預(yù)測控制(MPC)，由于算法的復(fù)雜性，會占據(jù)大量的控制器資源，尤其是針對氣化爐這樣的高耦合多變量過程，這樣的控制方法難以在現(xiàn)有的通用控制系統(tǒng)的軟硬件平臺上實施。如果在當(dāng)前時刻能預(yù)測出未來第￡個采樣時刻的輸出J7(/t+i)，而PID控制器能根據(jù)未來的控制偏差e("-i-j;(;t+i:)進行計算，則PID控制器能提前￡個采樣周期改變控制作用，這對大滯后的氣化爐過程是至關(guān)重要的?；谶@樣的思想，本發(fā)明提出如圖1所示的預(yù)測型PID控制器(LP-PID)。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種氣化爐預(yù)測型比例積分微分(PID)控制方法，將傳統(tǒng)PID控制與預(yù)測控制結(jié)合，應(yīng)用預(yù)測模型預(yù)測系統(tǒng)未來輸出，使PID控制器根據(jù)未來時刻的控制偏差對氣化爐進行運算，該發(fā)明是用于解決氣化爐系統(tǒng)大滯后對象，控制作用沒有提前動作，普通的控制方法難以在現(xiàn)有的通用控制系統(tǒng)的軟硬件平臺上實施，即氣化爐被控對象難以被有效控制的方法。技術(shù)方案本發(fā)明公開一種氣化爐的預(yù)測型比例積分微分(PID)控制方法，該方法的具體實施歩驟如下歩驟l:在氣化爐系統(tǒng)的控制回路中，控制器根據(jù)變量預(yù)測器的輸出量及控制系統(tǒng)的參考輸入量，利用參考輸入量減去變量預(yù)測器的輸出量，初值設(shè)置為5^+"=:KA)，得到控制器的入口偏差，控制器根據(jù)入口偏差計算輸出控制量"(A)，其中/t為當(dāng)前采樣時刻；/(々)是當(dāng)前采樣時刻被控過程的輸出；歩驟2:利用氣化爐被控過程數(shù)學(xué)模型，在獲得對象純延遲之后確定預(yù)測歩長丄，根據(jù)步驟l)的輸出控制量"("，按照預(yù)測控制理論預(yù)測被控對象，獲得第丄個采樣時刻的預(yù)測輸出值70+乙)；步驟3:將步驟2的輸出值？^+"作為歩驟1中變量預(yù)測器的輸出量，重復(fù)計算輸出控制量"(W;步驟4:將最終的輸出控制量"O)作為氣化爐控制回路的控制輸入，完成對氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制。所述輸出控制量"("為豐H"K(i+V;+7;/蔣)一^(i+2v:r》(/:—i)+iy^/7;啾-2)式中，尺p，7;，7;分別為比例積分微分調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間；《S，w(A:—l)為當(dāng)前和前一采樣時刻的比例積分微分輸出，e(巧,e(A:-l)，e(A:-2)分別為當(dāng)前采樣時刻、前一采樣時刻、前兩個采樣時刻的比例積分微分入口偏差；7;為采樣時間間隔。步驟2中的被控過程的數(shù)學(xué)模型為CARIMA模型△式中，少(",m("^("分別為被控過程在&時刻的輸出、輸入及均值為零的白噪聲序列；A=l—《—\v4(《—",5(《—"是如下后移算子g^的多項式物-')4+^+…+U-"6fl,為^多項式的系數(shù)；6,為S多項式的系數(shù)；"。為^多項式的階數(shù)；叫為B多項式的階數(shù)。上述步驟l)的入口偏差由參考輸入和變量預(yù)測器的輸出量獲得，即未來時刻系統(tǒng)輸出信號，相減獲得。步驟3)重復(fù)計算輸出控制量"(O次數(shù)不少于二次。預(yù)測型PID控制器(LP-PID)的計算過程為①設(shè)置變量預(yù)測器的輸出初值為？(*+"=少&)。②計算PID控制器的輸出控制量為"0t)。PID控制器的入口偏差為4^=/-;(A:+丄)。PID控制器的輸出控制量為,="("i)"p(i+r"7;+7;/，)-^(i+2vr>("i)"2)(1)式中，a^，7;,7;分別為pid調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間；w(S,m(A:—1)為當(dāng)前和前一采樣時刻的PID輸出，^e^-l)，e(A:—2)分別為當(dāng)前采樣時刻、前一采樣時刻、前兩個采樣時刻的PID入口偏差；7;為采樣時間間隔。③根據(jù)被控過程數(shù)學(xué)模型及上一歩計算的控制作用w(&)，預(yù)測過程在未來第丄個采樣時刻的輸出值;("丄)。被控過程的數(shù)學(xué)模型為如下CARIMA(ControlledAuto-RegressiveIntegratedMovingAverage,被控自回歸積分滑動平均)模型1XKA)=1-0+《("/△(2)式中，K"，"("^(W分別為被控過程在A時刻的輸出、輸入及均值為零的白噪聲序列；A^l—f1;、萬(《—"是如下后移算子^1的多項式。(3)丑(f)"o—+~W,J過程輸出在未來第A個采樣時刻的預(yù)測值為+丄)=(g—1+丄一1)+FL)y(&)(4)式中(一)=^(《-1)=g。+g(1+...+g叔一'(5)多項式￡(^—",(《一)可通過以下Diophantine(丟番圖，古希臘數(shù)學(xué)家)方程獲得1=五^-')必+^^(《—')(6)式中，對于沒有不穩(wěn)定極點的被控過程，可取未來控制增量的次數(shù)為1，即有Aw(A:)=孝)—w(眾一1)Aw(A:+/)=+/)—i/(A:+/—1)=0J(8)(/=1，2,..-,^-1)將式(8)、(5)代入式(4)可直接求得輸出在未來第丄個采樣時刻的預(yù)測值為5(A:+丄)=W1+1C)碎-1)+^A"W(9)式中，9"《—1)=十…+^+"(("6—1)，="("l)，,為第②步所計算的PID輸出。'④根據(jù)上面所計算的輸出預(yù)測+返回到第②歩進行重復(fù)計算，直至連續(xù)二次計算的PID輸出基本不變?yōu)橹梗话阈柚貜?fù)計算3至5次。⑤將最終的控制信號"("作用于實際過程，確保預(yù)測型PID控制器能提前丄個采樣周期動作。有益效果本發(fā)明通過結(jié)合現(xiàn)有氣化爐控制方法的優(yōu)點，提出預(yù)測型PID控制方法，在傳統(tǒng)的PID算法基礎(chǔ)上，應(yīng)用于氣化爐被控過程的控制，使控制系統(tǒng)提前動作，PID控制器可以根據(jù)未來時刻的控制偏差進行運算，可以有效地克服氣化爐大滯后特性，顯著提高控制系統(tǒng)品質(zhì)，且底層采用常規(guī)的PID控制算法，可以方便地在現(xiàn)有通用控制系統(tǒng)軟硬件平臺實施，簡單易行，調(diào)節(jié)效果顯著。圖1是本發(fā)明預(yù)測型PID控制器結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明采用預(yù)測型PID控制方法的氣化爐系統(tǒng)實施例框圖。具體實施方式本發(fā)明的具體實施步驟如下步驟l)在氣化爐系統(tǒng)的控制回路中，控制器根據(jù)變量預(yù)測器的輸出量及控制系統(tǒng)的參考輸入量，利用參考輸入量減去變量預(yù)測器的輸出量，得到控制器的入口偏差，控制器根據(jù)入口偏差計算輸出控制量"(A)，其中/t為當(dāng)前采樣時刻；步驟2)利用氣化爐被控過程數(shù)學(xué)模型，在獲得對象純延遲之后確定預(yù)測歩長L，根據(jù)步驟1)的輸出控制量"W,按照預(yù)測控制理論預(yù)測被控對象，獲得第丄個采樣時刻的輸出值+丄)；歩驟3)將歩驟2)的輸出值？Ot+"作為歩驟l)中變量預(yù)測器的輸出量，重復(fù)計算輸出控制量w(A);步驟4)將最終的輸出控制量"(A)作為氣化爐控制回路的控制輸入，完成對氣化爐的預(yù)測型PID控制。根據(jù)圖1所示的預(yù)測型PID控制器結(jié)構(gòu)框圖，具體實施方法為①根據(jù)氣化爐設(shè)計和運行參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場試驗曲線，獲得氣化爐被控過程數(shù)學(xué)模型；②根據(jù)技術(shù)方案中所提供的歩驟進行預(yù)測型PID控制算法的編程；③將所編制程序裝入控制系統(tǒng)存儲器中；④進行預(yù)測型PID控制方法的離線和在線調(diào)試，并最終將該控制方法投運，確保氣化爐被控過程可以安全穩(wěn)定地運行。圖2為采用預(yù)測型PID控制方法的某氣化爐系統(tǒng)示意圖。該氣化爐系統(tǒng)的主要工藝流程為在氣化爐中煤(或其它含碳能源)、水蒸汽、空氣(或者來自空氣分離裝置的氧氣)在一定的溫度和壓力條件下經(jīng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，轉(zhuǎn)換為中低熱值的煤氣輸出，煤氣經(jīng)過凈化后，送入燃?xì)廨啓C燃燒做功或者作為合成原料進行回收。根據(jù)工藝特點，該氣化爐系統(tǒng)的操縱變量選取為氣化爐排渣量、入口空氣質(zhì)量流量、給煤質(zhì)量流量、入口水蒸汽質(zhì)量流量以及入口石灰石質(zhì)量流量(WLS);需要進行調(diào)節(jié)的四個被控變量分別為氣化爐出口煤氣熱值、氣化爐床料總質(zhì)量、氣化爐內(nèi)煤氣壓力以及煤氣溫度。由于入爐的石灰石量和煤粉量是成比例的(l:10)，不是一個獨立的操縱變量，因此整個氣化爐被控過程實質(zhì)上是一個4X4的多變量對象。對于氣化爐系統(tǒng)，主要的外界擾動來自于燃?xì)廨啓C工況的變化，因此，將燃?xì)廨啓C的入口壓力(PSINK)作為一個主要的外界擾動量。本發(fā)明提出的氣化爐的預(yù)測型PID控制方法對多變量的氣化爐系統(tǒng)進行分散控制。通過RGA(相對增益矩陣)分析、有效相對增益矩陣(ERGA)分析或者奇異值分解(SVD)等方法確定操縱變量一被控變量之間的配對關(guān)系。相對增益矩陣的計算可以按照如下的簡便方法進行A=《□(《-1)其中K表示系統(tǒng)開環(huán)增益矩陣，表示矩陣對應(yīng)元素的相乘。例如，對該氣化爐在某一工況下，對系統(tǒng)四個輸入分別做10%指令階躍增試驗，通過系統(tǒng)響應(yīng)曲線分析，可以得到系統(tǒng)開環(huán)增益矩陣K<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>利用上式，可以計算在某一工況下系統(tǒng)的RGA如下表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根據(jù)相對增益矩陣分析的結(jié)果，可以得到方案一中操縱變量和被控變量之間的搭配關(guān)系，艮P:(1)煤氣焓值由給煤量調(diào)節(jié)，煤量的改變影響產(chǎn)物可燃物質(zhì)的成分，從而影響煤氣的焓值；(2)床料由排渣量來調(diào)節(jié)，排渣量的變化影響到總的物料平衡；(3)煤氣壓力由空氣量調(diào)節(jié)，空氣量的變化可以快速改變煤氣壓力；(4)煤氣溫度由蒸汽量調(diào)節(jié)，蒸汽量的變化可以快速改變氣化爐系統(tǒng)的溫度。本發(fā)明提出的氣化爐預(yù)測型PID控制方法底層的PID控制器采用增量式PID算法，基本的算法為樸"(")""i+Vt;+7;/7;)孝)一/^(i+2V:)半-i)+^V7X"2)其中u(k),u(k-l)為當(dāng)前和上一時刻的PID輸出，Kp,Ti，Td分別為比例增益、積分時間和微分時間；e(k)，e(k-l),e(k-2)分別為當(dāng)前時亥ij、上一時刻以及前兩個時刻的PID入口偏差。該PID還具有輸入死區(qū)、前饋、手自動切換、跟蹤、幅值限制、速率限制以及抗積分飽和等功能。以氣化爐內(nèi)煤氣溫度一入口水蒸氣質(zhì)量流量這一動態(tài)環(huán)節(jié)為例，首先通過系統(tǒng)辨識的方法，建立該動態(tài)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型-44.88(245s+1)^r-srwVsj—,、z、3(16"+1)(2"+1)選取采樣時間為ls，對該系統(tǒng)進行離散化，得到離散的動態(tài)環(huán)節(jié)模型-週6余1)+5扁#-2)-3.6262#-3)+0.87726余4)二-O層峰-l)-0.0Q22w(A:-2)+O.O022w(A:-3)+0蕭碎-4)由此便獲得了該動態(tài)環(huán)節(jié)的變量預(yù)測器，可以用于預(yù)測該環(huán)節(jié)在未來時刻的輸出。通過選取合適的預(yù)測歩長，便可以對該回路進行預(yù)測型PID控制?；舅惴棰僭O(shè)置變量預(yù)測器的輸出初值為;(*+丄)=^(^0。②計算PID控制器的輸出控制量為"。PID控制器的入口偏差為e("=/—^(A:+I);PID控制器的輸出控制量為"(":"("i)"p(i+V7;+7;/7]剛-、(i+2Vt;),-i)+、r2)式中，^，；7;分別為PID調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間；"("，"("l)為當(dāng)前和前一采樣時刻的PID輸出，e(/t)，e()t-1),e(;t-2)分別為當(dāng)前采樣時刻、前一采樣時刻、前兩個采樣時刻的PID入口偏差7;為采樣時間間隔。③根據(jù)被控過程數(shù)學(xué)模型及上一步計算的控制作用"Ot)，預(yù)測過程在未來第丄個采樣時刻的輸出值^""。被控過程的數(shù)學(xué)模型為如下CARIMA模型為上面計算所得。l')yW=-1)+式中，少(A:),M(A:)，《("分別為被控過程在A:時刻的輸出、輸入及均值為零的白噪聲序列；A二l一^"1,」(《一)，B(《一)是如下后移算子《一的多項式。j(《—')^l+a^一+…+^r一"。J物-6。+Z^-+…+k""過程輸出在未來第￡個采樣時刻的預(yù)測值為過程輸出在未來第丄個采樣時刻的預(yù)測值為-;(/t+Z)=<^(《一1)A孝+Z-1)+FLC式中&(f1)=&(f1Wf1)=g0+1+…+((""")多項式五(《一)，F(xiàn)(g—1)可通過以下Diophantine方程獲得式中，對于沒有不穩(wěn)定極點的被控過程，可取未來控制增量的次數(shù)為1，即有Am(A:+/)=+/)-+/-1)=0(,=l,2,..,n)根據(jù)上面的式子，可直接求得輸出在未來第丄個采樣時刻的預(yù)測值為^+丄)=&)X"+8丄(《-1)A孝-1)+^一辟)式中，&i)=&++…+4"—，Aw("=--1),,為第②步所計算的PID輸出。根據(jù)上面所計算的輸出預(yù)測；;(;t+"，返回到第②步進行重復(fù)計算，直至連續(xù)四次計算的PID輸出基本不變?yōu)橹?。將最終的控制信號作用于實際過程，確保預(yù)測型PID控制器能提前丄個采樣周期動作。由此便完成對氣化爐內(nèi)煤氣溫度一入口水蒸氣質(zhì)量流量這一控制回路進行了預(yù)測型PID控制。依此類推，對氣化爐其余控制回路實施本發(fā)明所提出的預(yù)測型PID控制算法。1權(quán)利要求1、一種氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟1在氣化爐系統(tǒng)的控制回路中，控制器根據(jù)變量預(yù)測器的輸出量及控制系統(tǒng)的參考輸入量，利用參考輸入量減去變量預(yù)測器的輸出量，初值設(shè)置為<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>y</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2008101244300002C1.tif"wi="31"he="5"top="60"left="26"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>得到控制器的入口偏差，控制器根據(jù)入口偏差計算輸出控制量u(k)，其中k為當(dāng)前采樣時刻；y(k)是當(dāng)前采樣時刻被控過程的輸出；步驟2利用氣化爐被控過程數(shù)學(xué)模型，在獲得對象純延遲之后確定預(yù)測步長L，根據(jù)步驟1的輸出控制量u(k)，按照預(yù)測控制理論預(yù)測被控對象，獲得第L個采樣時刻的預(yù)測輸出值id="icf0002"file="A2008101244300002C2.tif"wi="20"he="4"top="98"left="83"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>步驟3將步驟2的輸出值id="icf0003"file="A2008101244300002C3.tif"wi="16"he="5"top="107"left="87"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>作為步驟1中變量預(yù)測器的輸出量，重復(fù)計算輸出控制量u(k)；步驟4將最終的輸出控制量u(k)作為氣化爐控制回路的控制輸入，完成對氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制。2、如權(quán)利要求l所述的氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制方法，其特征在于所述輸出控制量"("為.<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，《p，;,7^分別為比例積分微分調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間和微分時間；w(A:)，M^—l)為當(dāng)前和前一采樣時刻的比例積分微分輸出，e(《,e(A:-l),e^-2)分別為當(dāng)前采樣時刻、前一采樣時刻、前兩個釆樣時刻的比例積分微分入口偏差;7;為采樣時間間隔。3、如權(quán)利要求l所述的氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制方法，其特征在于步驟2中的被控過程的數(shù)學(xué)模型為CARIMA模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，y(A:)，w(^)，《("分別為被控過程在A:時刻的輸出、輸入及均值為零的白噪聲序列；A=l—《—\"是如下后移算子《—'的多項式a,為乂多項式的系數(shù)；6,為S多項式的系數(shù)；"。為乂多項式的階數(shù)；叫為丑多項式的階數(shù)。全文摘要氣化爐的預(yù)測型比例積分微分控制方法，針對氣化爐被控過程非線性、大滯后及強耦合的特點，該方法利用常規(guī)PID控制算法的魯棒性和易實現(xiàn)性等優(yōu)點，結(jié)合預(yù)測控制方法對大滯后對象的有效性，將預(yù)測控制思想用于常規(guī)PID控制算法中，使用變量預(yù)測器預(yù)測氣化爐被控對象在L個時刻后的輸出，參考輸入與該變量預(yù)測器的輸出相減，作為PID調(diào)節(jié)器入口偏差，通過數(shù)次計算，使得兩次計算得到的控制器輸出基本不變后，再將此控制作用輸出，實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的提前動作，在氣化爐工況發(fā)生較大范圍變化時，仍然取得良好的控制品質(zhì)。該氣化爐預(yù)測性PID算法簡單，容易在現(xiàn)有商業(yè)控制系統(tǒng)軟硬件平臺上實施。文檔編號G05B13/02GK101329553SQ200810124430公開日2008年12月24日申請日期2008年7月4日優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日發(fā)明者丁維明,向文國,呂劍虹,科吳,亮趙申請人:東南大學(xué)