一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于歷史原因，層燃鍋爐是目前我國民間和工業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的鍋爐類型之 一。然而，該類鍋爐不僅燃燒效率低，而且對(duì)環(huán)境影響特別惡劣。近些年來，隨著原材價(jià)格不 斷高升，以及我國在低碳環(huán)保方面的要求也越來越嚴(yán)苛，如何提高層燃鍋爐的燃燒效率，已 成為社會(huì)各界廣為關(guān)注的問題之一。目前我國層燃鍋爐的燃燒效率遠(yuǎn)低于國際平均水平。 其主要原因是，目前層燃鍋爐的燃燒熄滅界限還主要依靠人工通過裸眼觀測(cè)手動(dòng)完成。然 而熄滅界限的誤差將直接關(guān)系到層燃鍋爐的燃燒效率。一來，如果熄滅點(diǎn)離爐膛前端太近， 會(huì)造成燃料燃燒不充分，而且大大降低了鍋爐的有效燃燒面積，使得爐膛溫度很難達(dá)到預(yù) 定設(shè)定值。為了保證足夠的熱源，鍋爐不得不延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，結(jié)果造成進(jìn)一步的能源浪費(fèi)； 另一方面，如果熄滅界限離爐膛后端太近，不僅燃料無法充分燃燒；而且，溫度過高的燃料 層在離開爐排末端時(shí)，不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞爐排末端設(shè)備，而且過高溫度的爐渣在進(jìn)入渣槽后 遇水會(huì)產(chǎn)生大量的酸性氣體。揮發(fā)后的酸性氣體會(huì)直接腐蝕爐膛內(nèi)部機(jī)構(gòu)，從而大大降低 了鍋爐的使用壽命。因此，本專利提出了一種鍋爐控制系統(tǒng)，它可以使?fàn)t膛燃燒熄滅界線始 終穩(wěn)定工作在最佳區(qū)域，便于充分利用爐膛內(nèi)燃料，減少酸性氣體的產(chǎn)生，保護(hù)爐膛內(nèi)部設(shè) 備。同時(shí)，在確保供暖品質(zhì)的同時(shí)，使得燃料處于最合理、最節(jié)省的供給工況。
[0003] 層燃鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)存在大時(shí)延、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，經(jīng)線性化處理后，系統(tǒng) 易體現(xiàn)出高階、非最小相位特性。為了提高層燃鍋爐的實(shí)時(shí)控制效果，目前業(yè)界比較推 崇的控制方法為：基于多變量MPC(Model Predictive Control，模型預(yù)測(cè)控制）算法的 APC(Advanced Process Control，先進(jìn)過程控制）技術(shù)。然而，目前MPC在實(shí)際工程應(yīng)用中 存在諸多問題，比如鍋爐的大時(shí)延問題、強(qiáng)非線性問題、輸入/輸出強(qiáng)耦合問題、關(guān)鍵參數(shù) 難確定（如熄滅界限）等。該發(fā)明專利提供了一套高效、智能、應(yīng)用廣泛的層燃鍋爐多變量 控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，以解決目前存在的諸多問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決主要技術(shù)問題是提供一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的 方法，控制過程迅速、穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)。
[0005] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化 的方法，其特征在于包括如下步驟：
[0006] 1)將層燃鍋爐的控制轉(zhuǎn)化為3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題；所述3 變量輸入包括引風(fēng)轉(zhuǎn)速Ui、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速u 2、爐排速度u3;所述4變量輸出包括爐膛溫度y i、爐 膛負(fù)壓y2、含氧量h、火焰媳滅位置y<;
[0007] 2)將所述多變量控制問題拆分為兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制器相互耦合 的控制問題；其中，第一控制器的反饋控制變量在第二控制器中以前饋預(yù)測(cè)變量的形式出 現(xiàn)；第二控制器的反饋控制變量在第一控制器中以前饋預(yù)測(cè)變量的形式出現(xiàn)；對(duì)所述兩個(gè) 帶前反饋功能的多變量控制問題分別進(jìn)行狀態(tài)空間升階轉(zhuǎn)換，將當(dāng)前時(shí)刻輸入信號(hào)的增量 作為新的輸入信號(hào)進(jìn)行控制；
[0008] 3)對(duì)經(jīng)過狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制問題基于當(dāng)前時(shí) 刻拆分成過去和將來作用兩部分，并轉(zhuǎn)化為求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題；
[0009] 4)通過鍋爐排速度區(qū)間，劃分不同的層燃鍋爐模型組，通過模型組自動(dòng)切換解決 層燃鍋爐的強(qiáng)非線性問題。
[0010] 在一較佳實(shí)施例中：所述3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題具體表達(dá) 為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 將層燃鍋爐的控制轉(zhuǎn)化為3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題；所述3變量 輸入包括引風(fēng)轉(zhuǎn)速Ui、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速U2、爐排速度U3;所述4變量輸出包括爐膛溫度y1、爐膛負(fù) 壓72、含氧量73、火焰焰滅位置y4; 2) 將所述多變量控制問題拆分為兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制器相互禪合的控 制問題；其中，第一控制器的反饋控制變量在第二控制器中W前饋預(yù)測(cè)變量的形式出現(xiàn)； 第二控制器的反饋控制變量在第一控制器中W前饋預(yù)測(cè)變量的形式出現(xiàn)；對(duì)所述兩個(gè)帶前 反饋功能的多變量控制問題分別進(jìn)行狀態(tài)空間升階轉(zhuǎn)換，將當(dāng)前時(shí)刻輸入信號(hào)的增量作為 新的輸入信號(hào)進(jìn)行控制； 3) 對(duì)經(jīng)過狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制問題基于當(dāng)前時(shí)刻拆 分成過去和將來作用兩部分，并轉(zhuǎn)化為求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題； 4) 通過鍋爐排速度區(qū)間，劃分不同的層燃鍋爐模型組，通過模型組自動(dòng)切換解決層燃 鍋爐的強(qiáng)非線性問題。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法，其特征在 于；所述3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題具體表達(dá)為：
(1) gu表示第j個(gè)操控變量與第i個(gè)被控變量間的傳遞函數(shù)模型；由于爐排速度u3對(duì)爐 膛負(fù)壓y2、含氧量y3的影響小，因此g23、g33該里取值為0,即：
(2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法，其特征在 于；所述兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制器控制問題具體表達(dá)為：
其中，Yi、Y2為被控矢量，U1、&為輸入矢量，D1、為擾動(dòng)矢量； 比較上式可見，引風(fēng)轉(zhuǎn)速Ui、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速U2與爐膛溫度y1、爐膛負(fù)壓72、含氧量ys形成閉 環(huán)反饋控制回路，而爐排速度U3與爐膛溫度y1形成的前饋預(yù)測(cè)控制回路；同理，爐排速度U3 與火焰焰滅位置y4形成閉環(huán)反饋控制回路，而引風(fēng)轉(zhuǎn)速U1、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速U2與火焰焰滅位置y4 形成的前饋預(yù)測(cè)控制回路。 將式4和式6進(jìn)行歸納，可W寫出一類控制的通式， Y = G化GdD (7) 其中，Y是m維被控矢量，G是m*n的控制矩陣，U是n維輸入矢量，Gd是m*q的擾動(dòng)矩 陣，D是q維擾動(dòng)矢量，該里的m〉0,n〉0,q> 0,且都為整數(shù)； 首先將G和Gd轉(zhuǎn)換為空間狀態(tài)表達(dá)式： ^k) =GU化-TJ+GdD化-Td2) 做 進(jìn)一步寫為；Y化）=Y'巧" （9) 其中Tdi為輸入最大時(shí)延，Td2為擾動(dòng)最大時(shí)延；Y'為操控響應(yīng)，Y"為擾動(dòng)響應(yīng)； 對(duì)Y'、Y"分別進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換： 首先，對(duì)Y'進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換，可得：
(10) 其中x(k)為狀態(tài)變量，U化-TJ為輸入變量，A為系統(tǒng)矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩 陣。本控制方案的特點(diǎn)在于，對(duì)式10進(jìn)行了進(jìn)一步狀態(tài)升階操作，狀態(tài)空間表達(dá)式10可W 轉(zhuǎn)化為：
升階狀態(tài)矩陣(A&0由原狀態(tài)空間表達(dá)式10中的系數(shù)矩陣（A，B，C)構(gòu)成； 同理，對(duì)Y"進(jìn)行狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換，可得：
升階狀態(tài)矩陣(A5, 〇由原狀態(tài)空間表達(dá)式12中的系數(shù)矩陣（A，B，C)構(gòu)成；r'是一 個(gè)滿足因果關(guān)系的擾動(dòng)，在預(yù)測(cè)周期內(nèi)該擾動(dòng)保持不變； 該里將增量AU(k) =U(k)-U(k-l)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，包括控制變量與擾動(dòng)變量， 并結(jié)合狀態(tài)變量進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法，其特征在 于：所述步驟3的具體過程為： 設(shè)定預(yù)測(cè)過程中的當(dāng)前時(shí)刻為k，給定輸入的控制步長(zhǎng)為Hu，即輸入序列的時(shí)間跨度 為；AUk-AUk+Hu_i;輸出的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)Hp，即從預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的下一步開始，輸出軌跡的時(shí)間 跨度為Yw一Yk+Hp; 將式11的操控輸入信號(hào)和式13的擾動(dòng)輸入信號(hào)基于當(dāng)前時(shí)刻k拆分成過去和將來作 用兩部分，轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)空間表達(dá)式如下所示：
(14) 每A!7p(/c).和6郵A馬從）分別指過去的操控信號(hào)輸入和擾動(dòng)信號(hào)輸入的作用部分， 馬A巧從).和如馬(0分別指未來預(yù)測(cè)的操控信號(hào)輸入和擾動(dòng)信號(hào)輸入的作用部分； 其中，操控信號(hào)輸入的各個(gè)系數(shù)詳細(xì)表達(dá)為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法，其特征在 于；將式14中的技心巧(70貨為0,則式11、13可W簡(jiǎn)化為：
(巧） 其中，（?、Q分別是由f、Q構(gòu)成的輸出系數(shù)矩陣，可分別表示成： C=di巧拓?！珊蚎二diag府，旬，…，旬}。 通過式7和式15,可W總結(jié)得出：
式16由未知的未來輸入響應(yīng)項(xiàng)巧(/〇和已知的過去輸入響應(yīng)項(xiàng)組成，對(duì)該兩部分 進(jìn)行整理，可將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成式17所示的求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題：
該里的Q是輸出的權(quán)重矩陣，R是輸入的權(quán)重矩陣；Ytht是預(yù)測(cè)信號(hào)的目標(biāo)值，Q'、R' 是由式17推到所得的等價(jià)權(quán)重矩陣。線性約束條件< 7是指輸入/輸出 的物理約束，W及其線性變化速率。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種層燃鍋爐的多變量控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的方法，包括如下步驟：1)將層燃鍋爐的控制轉(zhuǎn)化為3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題；2)將所述多變量控制問題拆分為兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制器相互耦合的控制問題；對(duì)所述兩個(gè)帶前反饋功能的多變量控制問題分別進(jìn)行狀態(tài)空間升階轉(zhuǎn)換，將當(dāng)前時(shí)刻輸入信號(hào)的增量作為新的輸入信號(hào)進(jìn)行控制；3)對(duì)經(jīng)過狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)帶前饋反饋功能的多變量控制問題基于當(dāng)前時(shí)刻拆分成過去和將來作用兩部分，并轉(zhuǎn)化為求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題；4)通過鍋爐排速度區(qū)間，劃分不同的層燃鍋爐模型組，通過模型組自動(dòng)切換解決層燃鍋爐的強(qiáng)非線性問題。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104850008
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510116161
【發(fā)明人】褚丹雷, 劉浩
【申請(qǐng)人】廈門奧普拓自控科技有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日