一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法
【專利說明】-種改進(jìn)的鍋妒汽包水位控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及鍋爐的自動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是結(jié)合了預(yù)測(cè)控制與卡爾曼濾波的鍋爐汽 包水位自動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 鍋爐是工廠的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，為了保證提供合格的蒸汽，必須使鍋爐的蒸發(fā)量隨 時(shí)適應(yīng)負(fù)荷設(shè)備的需要量。工業(yè)鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā) 量并維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。水位高度是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要 參數(shù)?，F(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對(duì)減少，水位變化速度很快，非 常容易產(chǎn)生滿溢或是燒干的危險(xiǎn)。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離的效果，使汽包出口的 飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損，葉片斷裂等事故，也 會(huì)增加過熱器管壁上的結(jié)垢；水位過低，造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷 壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸事故。
[0003] 目前，鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制方法有許多種，比如CN200910175389汽包鍋爐水 位控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)控制方法，是利用爐膛壓力與汽包壓力組成的前饋信號(hào)來克服"虛 假水位";CN201310256617 -種汽包的水位控制方法，則是通過給水量與蒸發(fā)量的差值來實(shí) 現(xiàn)控制；但是缺乏全局優(yōu)化與實(shí)時(shí)更新的效果。CN200910155793燃煤鍋爐汽包水位系統(tǒng)混 合控制方法，是通過最小二乘的辨識(shí)模型，然后利用預(yù)測(cè)PI控制與P控制的方法對(duì)汽包水 位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；CN201210492396 -種鍋爐汽包水位自適應(yīng)PID控制方法，是通過建立云 模型控制器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)過程；兩者建立過程模型方法不同，而且不處理測(cè)量噪聲，從而使得 控制效果也有所區(qū)別。
[0004] 一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法是利用預(yù)測(cè)控制與卡爾曼濾波來穩(wěn)定地調(diào)節(jié) 水位控制過程的曲線，使得建立的過程模型更加精確，水位波動(dòng)的幅度更加小，安全性能更 高，控制效果更好。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方 法，可W明顯減小測(cè)量噪聲與汽包水位波動(dòng)的方差，有效提高過程系統(tǒng)的控制精度，并且易 于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，所述的控制 方法利用預(yù)測(cè)控制和卡爾曼濾波結(jié)合的形式對(duì)鍋爐汽包的水位進(jìn)行跟蹤控制，具體步驟包 括：
[0007] (a)機(jī)理建模：建立汽包水位與水量閥口之間的機(jī)理模型，水流量作為操作變量， 汽包水位作為被控變量；
[0008] 化）線性處理：對(duì)模型進(jìn)行線性化，得到汽包水位與水流量之間的線性模型；
[0009] (C)參數(shù)確定：選取采樣周期T，動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，得到模型系數(shù)曰1，曰2.....過,，仿真 調(diào)優(yōu)確定其他參數(shù)；
[0010] (d)參考軌跡確定：確定柔化系數(shù)a,從水位上升過程的實(shí)時(shí)值y(k)出發(fā)向設(shè)定值 光滑過度的一條曲線；
[0011] (e)優(yōu)化計(jì)算：水位傳感變送器獲得水位的實(shí)時(shí)測(cè)量值y(k)，結(jié)合（a)中建立的機(jī) 理模型，經(jīng)過卡爾曼濾波算法，消除測(cè)量噪聲，得到卡爾曼濾波后的測(cè)量值故，與參考曲線 Yr比較，計(jì)算偏差e。
[0012] (f)在線校正：對(duì)預(yù)測(cè)值校正，移位設(shè)置該時(shí)刻溫度預(yù)測(cè)初值Yw，得到水流量變化 增量AU，調(diào)節(jié)閥口開度，由控制增量計(jì)算控制量U并輸出，最后計(jì)算輸出預(yù)測(cè)值Yw。
[0013] 作為優(yōu)選，所述（d)步驟中，柔化系數(shù)a的選擇對(duì)于汽包水位的控制效果具有非常 大的影響，a越小，參考軌跡快速性更好，但是魯棒性能降低，需要根據(jù)鍋爐汽包的具體工況 確定。
[0014] 作為優(yōu)選，所述（e)步驟中，控制方法是對(duì)結(jié)合了預(yù)測(cè)控制的滾動(dòng)優(yōu)化、實(shí)時(shí)控制 與卡爾曼濾波的消除測(cè)量噪聲運(yùn)兩類控制的優(yōu)點(diǎn)，控制效果更好。
[0015] 作為優(yōu)選，所述（e)步驟中，線性處理是采用基于動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法，它將卡 爾曼濾波后的水位測(cè)量值岐，與參考曲線yf比較，得到偏差e來對(duì)水位預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正。
[0016] 作為優(yōu)選，所述（f)步驟中，卡爾曼濾波算法是通過對(duì)汽包水位測(cè)量值y和預(yù)測(cè)模 型的輸出值ym化）進(jìn)行更新，從而獲得消除測(cè)量噪聲后的汽包水位值_皆。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法在工作過程中，通 過模型預(yù)測(cè)控制與卡爾曼濾波的結(jié)合，在機(jī)理建模、得到系統(tǒng)模型的情況下，有效地消除了 汽包水位過程的建模和測(cè)試噪聲；不同于傳統(tǒng)的PID控制與一般的預(yù)測(cè)控制，使用本方法 控制鍋爐的汽包水位，閥口動(dòng)作平穩(wěn)，有利于長(zhǎng)期有效的控制，而且可W快速準(zhǔn)確跟蹤期望 的水位曲線，減少能量的消耗和過程的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，使裝置運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)合理的位 置，有效地提高過程系統(tǒng)的反應(yīng)速度和控制精度，并且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。
[0018] 本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。 【【附圖說明】】
[0019] 圖1是本發(fā)明一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法的影響水位因素的數(shù)學(xué)模型；
[0020] 圖2是本發(fā)明一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法的控制框圖； 【【具體實(shí)施方式】】
[0021] 參閱圖1、圖2，本發(fā)明，具體步驟包括：
[0022] 步驟一、建立汽包水位與水量閥口之間的機(jī)理模型，水流量作為操作變量，汽包水 位作為被控變量；
[0023] 步驟二、對(duì)模型進(jìn)行線性化，得到汽包水位與水流量之間的線性模型；
[0024] 步驟S、選取采樣周期T，動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，得到模型系數(shù)曰1，曰2.....卻，仿真調(diào)優(yōu)確 定其他參數(shù)；
[00巧]步驟四、確定柔化系數(shù)曰，從水位上升過程的實(shí)時(shí)值y(k)出發(fā)向設(shè)定值光滑過度 的一條曲線；
[00%] 步驟五、水位傳感變送器獲得水位的實(shí)時(shí)測(cè)量值y化)，結(jié)合（a)中建立的機(jī)理模 型，經(jīng)過卡爾曼濾波算法，消除測(cè)量噪聲，得到卡爾曼濾波后的測(cè)量值護(hù)，與參考曲線yf比 較，計(jì)算偏差e，然后進(jìn)行對(duì)預(yù)測(cè)值校正，移位設(shè)置該時(shí)刻溫度預(yù)測(cè)初值Yw。，得到控制增量 AU，調(diào)節(jié)閥口開度，由控制增量計(jì)算控制量U并輸出，最后計(jì)算輸出預(yù)測(cè)值V。
[0027] 所述步驟二中，由于模型具有很強(qiáng)的非線性，因此將采用多模型的預(yù)測(cè)控制方法， 在不同的工作點(diǎn)上，對(duì)模型進(jìn)行分段線性化，具體工作點(diǎn)的選取需要結(jié)合工藝要求。
[0028] 步驟=中，離線計(jì)算，模型預(yù)測(cè)控制有很多參數(shù)可W離線算出，減少在線計(jì)算的工 作時(shí)間，離線計(jì)算的步驟為：
[0029] 1)根據(jù)對(duì)象類型和動(dòng)態(tài)特性，選取采樣周期；
[0030] 2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，得到模型系數(shù)曰1，曰2……a,；
[0031] 3)模型預(yù)測(cè)控制含有大量的參數(shù)，需要通過仿真調(diào)優(yōu)確定，在本過程中，整定的順 序依次為：
[0032] 優(yōu)化時(shí)域P，控制時(shí)域M，輸出偏差權(quán)矩陣Q，控制增量權(quán)矩陣R，控制系數(shù)山反饋校 正系數(shù)h。 陽〇3引本發(fā)明工作過程：
[0034] 本發(fā)明一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法在工作過程中，通過模型預(yù)測(cè)控制與卡 爾曼濾波的結(jié)合，在機(jī)理建模、得到系統(tǒng)模型的情況下，有效地消除了汽包水位過程的建模 和測(cè)試噪聲；不同于傳統(tǒng)的PID控制與一般的預(yù)測(cè)控制，使用本方法控制鍋爐的汽包水位， 閥口動(dòng)作平穩(wěn)，有利于長(zhǎng)期有效的控制，而且可W快速準(zhǔn)確跟蹤期望的水位曲線，減少能量 的消耗和過程的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，使裝置運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)合理的位置，有效地提高過程系統(tǒng) 的反應(yīng)速度和控制精度，并且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。
[0035] 上述實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的說明，不是對(duì)本發(fā)明的限定，任何對(duì)本發(fā)明簡(jiǎn)單變換后 的方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，其特征在于：利用預(yù)測(cè)控制和卡爾曼濾波結(jié)合 的形式對(duì)鍋爐汽包的水位進(jìn)行跟蹤控制，具體步驟包括： (a) 機(jī)理建模：建立汽包水位與水量閥門之間的機(jī)理模型，水流量作為操作變量，汽包 水位作為被控變量； (b) 線性處理：對(duì)模型進(jìn)行線性化，得到汽包水位與水流量之間的線性模型； (c) 參數(shù)確定：選取采樣周期T，動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，得到模型系數(shù)&1，&2.....a N，仿真調(diào)優(yōu) 確定其他參數(shù)； (d) 參考軌跡確定：確定柔化系數(shù)a，從水位上升過程的實(shí)時(shí)值y(k)出發(fā)向設(shè)定值光滑 過度的一條曲線； (e) 優(yōu)化計(jì)算：水位傳感變送器獲得水位的實(shí)時(shí)測(cè)量值y(k)，結(jié)合（a)中建立的機(jī)理模 型，經(jīng)過卡爾曼濾波算法，消除測(cè)量噪聲，得到卡爾曼濾波后的測(cè)量值分，與參考曲線I比 較，計(jì)算偏差e。 (f) 在線校正：對(duì)預(yù)測(cè)值校正，移位設(shè)置該時(shí)刻溫度預(yù)測(cè)初值Yn。，得到水流量變化增量 A u，調(diào)節(jié)閥門開度，由控制增量計(jì)算控制量u并輸出，最后計(jì)算輸出預(yù)測(cè)值YN1。2. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，其特征在于：所述（d)步 驟中，柔化系數(shù)a的選擇對(duì)于汽包水位的控制效果具有很大的影響，a越小，參考軌跡快速 性更好，但是魯棒性能降低，需要根據(jù)鍋爐汽包的具體工況確定。3. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，其特征在于：所述（e)步 驟中，控制方法是對(duì)結(jié)合了預(yù)測(cè)控制的滾動(dòng)優(yōu)化、實(shí)時(shí)控制與卡爾曼濾波的消除測(cè)量噪聲 這兩類控制的優(yōu)點(diǎn)，控制效果更好。4. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，其特征在于：所述（e)步 驟中，線性處理是采用基于動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法，它將卡爾曼濾波后的水位測(cè)量值長(zhǎng)，與 參考曲線I比較，得到偏差e來對(duì)水位預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正。5. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，其特征在于：所述（f)步 驟中，卡爾曼濾波算法是通過對(duì)汽包水位測(cè)量值y和預(yù)測(cè)模型的輸出值Y ni (k)進(jìn)行更新，從 而獲得消除測(cè)量噪聲后的汽包水位值
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的鍋爐汽包水位控制方法，所述的控制方法利用預(yù)測(cè)控制和卡爾曼濾波結(jié)合的形式對(duì)鍋爐汽包的水位進(jìn)行跟蹤控制，具體步驟包括：(a)機(jī)理建模；(b)線性處理；(c)參數(shù)確定；(d)參考軌跡確定：確定柔化系數(shù)a，從水位上升過程的實(shí)時(shí)值y(k)出發(fā)向設(shè)定值光滑過度的一條曲線；(e)優(yōu)化計(jì)算；(f)在線校正。本發(fā)明通過模型預(yù)測(cè)控制與卡爾曼濾波的結(jié)合，在機(jī)理建模、得到系統(tǒng)模型的情況下，有效地消除了汽包水位過程的建模和測(cè)試噪聲；不同于傳統(tǒng)的PID控制與一般的預(yù)測(cè)控制，控制鍋爐的汽包水位，閥門動(dòng)作平穩(wěn)，有利于長(zhǎng)期有效的控制，快速準(zhǔn)確跟蹤期望的水位曲線，減少能量的消耗和過程的波動(dòng)，降低生產(chǎn)成本。
【IPC分類】G05D9/12
【公開號(hào)】CN105183015
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510357772
【發(fā)明人】楊海霞, 呂碧升
【申請(qǐng)人】潘秀娟
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月23日