專利名稱：燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)混合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的預(yù)測比例積
分控制(預(yù)測PI)與比例積分控制(PI)的混合控制方法。
背景技術(shù)：
燃煤鍋爐是電力生產(chǎn)部門的重要動力設(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)。對于過熱蒸汽溫度系統(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；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；減溫水的變化直接影響過熱蒸汽溫度、 蒸汽壓力發(fā)生變化。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。目前實際工業(yè)中燃煤鍋爐的過熱蒸汽溫度 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，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)有的燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)控制技術(shù)的不足之處，提 供一種燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)混合控制方法，具體是基于預(yù)測比例積分與比例積分微 分控制的混合控制方法。該方法彌補了傳統(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，也保證形式簡單并滿足實際工業(yè)過程的需要。 本發(fā)明方法首先基于燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度實時過程數(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積分控制回路；最后通過計算預(yù)測PI控制
器的參數(shù)，將比例積分控制與燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度對象整體實施預(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、優(yōu)化等手段，
確立了一種燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的預(yù)測PI與比例積分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)利用燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度實時過程數(shù)據(jù)建立過程模型，具體方法是
首先建立燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度實時運行數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集N組實 時過程運行數(shù)據(jù)，將采集的實時過程運行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動的樣本集合，表示為{Xi， y(i)} i = 1，2，…，N，其中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。 然后以該過熱蒸汽溫度實時過程運行數(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)實際過程的輸出變量階次、輸入變量階次、實際過程的時滯。
采用的辨識手段為 = 。A— R(yt) = P(A: - 1)X4 [X〖P(A: - 1)XA + 1
其中，E和P為辨識中的兩個矩陣，P(0)-^(^〉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)計過熱蒸汽溫度過程模型的比例積分控制器，具體 方法是 a.將過程模型的比例積分控制器停留在手動操作狀態(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h(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量
綱形式y(tǒng)j(k)，具體是X(A) = a(A)/a(①) 其中，yj①)是過程模型的比例積分控制器的輸出有階躍變化時的過程模型輸出
yjk)的穩(wěn)態(tài)值。b.選取滿足X") = 0.39,乂(&) = 0.63的兩個計算點K和k2，，依據(jù)下式計算比例 積分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為過程模型的比例積分控制器輸出的階躍變化幅度。
c.計算過程模型的比例積分控制器的參數(shù)，具體是
Kc = 1. 2T/K t
I\ = 2 t 其中K。為比例積分控制器的比例參數(shù)，1\為比例積分控制器的積分參數(shù)。
(3)設(shè)計預(yù)測比例積分比例積分控制器，具體步驟是 d.將過程模型的比例積分控制器停留在自動操作狀態(tài)，操作撥盤使其輸入有階躍 變化，由記錄儀表記錄實時過程的輸出，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)是過程模型的比例積分控制器的輸入有階躍變化時的過程模型輸出 y(k)的穩(wěn)態(tài)值。 e.選取滿足y (k3) = 0. 39， y (k4) = 0. 63的另兩個計算點k3和k4，依據(jù)下式計算 預(yù)測比例積分比例積分控制器所需要的參數(shù)&， 1\和t工
& = y ( °o ) /qi
1\ = 2 (k3_k4)
其中，系統(tǒng)調(diào)用推理機(jī)采用最小二乘法進(jìn)行過熱蒸汽溫度過程模型參數(shù)的辨識，
這些參數(shù)包括元素百中變量的個數(shù)和具體數(shù)值。 <formula>formula see original document page 7</formula> <formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>0061] 其中y(k)是實際過熱蒸汽溫度測量值，①kTXk是過熱蒸汽溫度過程模型的輸出 值。 這個過程是第一步推理過程。這個第一步推理是初步挖掘?qū)嶋H過熱蒸汽溫度回路 的基本特性。 (2)設(shè)計過熱蒸汽溫度過程模型的比例積分控制器，具體方法是典型的響應(yīng)曲線 法。
第一步將過熱蒸汽溫度比例積分控制器停留在"手動操作"狀態(tài)，操作進(jìn)空氣量 的撥盤使進(jìn)空氣量控制器輸出有個階躍變化，由記錄儀表記錄過熱蒸汽溫度過程模型的輸 出值，將過熱蒸汽溫度過程模型輸出值h(k)的響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成無量綱形式y(tǒng)j(k):
y:W"丄("/AK) 其中，①)是過熱蒸汽溫度過程模型輸出yjk)的穩(wěn)態(tài)值。第二步選取2個計算點，:^^) = 0.39，;;:02) = 0.63，依據(jù)以下計算公式計算過
熱蒸汽溫度比例積分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為過熱蒸汽溫度比例積分控制器輸出的階躍變化幅度。 第三步依據(jù)第二步計算出的K， T和t整定過熱蒸汽溫度比例積分控制器的參
數(shù) Kc = 1. 2T/K t
I\ = 2 t 其中K。， Ti， Td分別為比例積分控制器的比例參數(shù)，積分參數(shù)。
(3)設(shè)計過熱蒸汽溫度過程的預(yù)測PI-PI控制器，具體方法是 針對設(shè)計的過熱蒸汽溫度比例積分控制器和過程模型組成的基本控制回路建立
該鍋爐過熱蒸汽溫度實時運行過程數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集過熱蒸汽溫度實時過程
運行數(shù)據(jù)，依據(jù)過熱蒸汽溫度實時過程運行數(shù)據(jù)建立預(yù)測PI-PI控制所需的預(yù)測模型，基
于該預(yù)測模型設(shè)計相應(yīng)的過熱蒸汽溫度實時過程預(yù)測PI-PI控制器，具體步驟是 第一步將過熱蒸汽溫度比例積分控制器停留在"自動操作"狀態(tài)，操作過熱蒸汽
溫度比例積分控制器的輸入使過熱蒸汽溫度比例積分控制器的輸入有個階躍變化，由記錄
儀表記錄過熱蒸汽溫度實時過程的輸出，將過熱蒸汽溫度實時過程輸出值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)是過熱蒸汽溫度實時過程輸出y(k)的穩(wěn)態(tài)值。
第二步選取2個計算點，y(k3) =0.39，y(k4) = 0. 63，依據(jù)以下計算公式計算過 熱蒸汽溫度預(yù)測PI-PI控制器所需要的參數(shù)&， 1\和t工 & = y ( °o ) /qi I\ = 2 (k3_k4) t ! = 2k3_k4 其中，Ql為過熱蒸汽溫度比例積分控制器輸入的階躍變化幅度。 第三步將第二步得到的參數(shù)轉(zhuǎn)化為拉普拉斯形式的局部受控傳遞函數(shù)模型
:K力i -& ^ = 1~~7e
《(" 々+ 1 其中，y(s)表示當(dāng)前時刻過熱蒸汽溫度過程模型輸出值的拉普拉斯變換，qjs)表 示過熱蒸汽溫度過程模型的比例積分控制器輸入的拉普拉斯變換。
入！ = 1\
L丄=t丄 第四步依據(jù)第三步計算出的模型參數(shù)整定過熱蒸汽溫度預(yù)測PI-PI控制器的參 數(shù)，具體方法是 ①對該對象設(shè)計預(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)G 2(力=1e-v 々+ 1 入2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時間常數(shù)，L2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時
滯，L2 = b ; ②控制器的傳遞函數(shù)G。Js)可由下式來表示
々+ l Gcl = ~~^ ③依據(jù)步驟②得到當(dāng)前的控制參數(shù)值u(s)。
,、(V + l —一)，、 = ——;-少O)
^ + 權(quán)利要求
燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)混合控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)利用燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度實時過程數(shù)據(jù)建立過程模型，具體方法是首先建立燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度實時運行數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集N組實時過程運行數(shù)據(jù)，將采集的實時過程運行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動的樣本集合，表示為{Xi，y(i)}i＝1N，i＝1，2，…，N，其中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；然后以該過熱蒸汽溫度實時過程運行數(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)，…，u(k-d-m)]T其中yL(k)表示當(dāng)前時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)實際過程的輸出變量階次、輸入變量階次、實際過程的時滯；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)計過熱蒸汽溫度過程模型的比例積分控制器，具體方法是a.將過程模型的比例積分控制器停留在手動操作狀態(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(∞)是過程模型的比例積分控制器的輸出有階躍變化時的過程模型輸出yL(k)的穩(wěn)態(tài)值；b.選取滿足的兩個計算點k1和k2，，依據(jù)下式計算比例積分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為過程模型的比例積分控制器輸出的階躍變化幅度；c.計算過程模型的比例積分控制器的參數(shù)，具體是Kc＝1.2T/KτT＝2τ其中Kc為比例積分控制器的比例參數(shù)，Ti為比例積分控制器的積分參數(shù)；(3)設(shè)計預(yù)測比例積分比例積分控制器，具體步驟是d.將過程模型的比例積分控制器停留在自動操作狀態(tài)，操作撥盤使其輸入有階躍變化，由記錄儀表記錄實時過程的輸出，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(∞)是過程模型的比例積分控制器的輸入有階躍變化時的過程模型輸出y(k)的穩(wěn)態(tài)值；e.選取滿足y(k3)＝0.39，y(k4)＝0.63的另兩個計算點k3和k4，依據(jù)下式計算預(yù)測比例積分比例積分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為過程模型的比例積分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)模型的時間常數(shù)，L1為局部受控傳遞函數(shù)模型的時滯，y(s)表示當(dāng)前時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積分控制器輸入的拉普拉斯變換；λ1＝T1L1＝τ1g.依據(jù)步驟f計算出的模型參數(shù)整定預(yù)測比例積分比例積分控制器的參數(shù)，具體方法是①對該對象設(shè)計預(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>λ2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時間常數(shù)，L2為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的時滯，L2＝L1；②預(yù)測比例積分比例積分控制器的傳遞函數(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)測比例積分比例積分控制器的參數(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>F2009101557914C00014.tif,F2009101557914C00015.tif,F2009101557914C00016.tif,F2009101557914C00017.tif,F2009101557914C00018.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)混合控制方法。本發(fā)明方法首先基于燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度實時過程數(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積分控制回路；最后通過計算預(yù)測PI控制器的參數(shù)，將比例積分控制與燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度對象整體實施預(yù)測PI控制。本發(fā)明方法彌補了傳統(tǒng)控制的不足，并有效地方便了控制器的設(shè)計，保證控制性能的提升，同時滿足給定的生產(chǎn)性能指標(biāo)。本發(fā)明提出的控制技術(shù)可以有效減少理想過熱蒸汽溫度工藝參數(shù)與實際過熱蒸汽溫度工藝參數(shù)之間的誤差，進(jìn)一步彌補了傳統(tǒng)控制器的不足，同時保證控制裝置操作在最佳狀態(tài)，使生產(chǎn)過程的過熱蒸汽溫度工藝參數(shù)達(dá)到嚴(yán)格控制。
文檔編號F22G5/20GK101709869SQ20091015579
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)明者張樂, 張日東, 葛銘, 薛安克, 鄒洪波 申請人:杭州電子科技大學(xué)