專利名稱：基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水泥生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法。

背景技術(shù)：
水泥分解爐是新型干法水泥生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔著生料中絕大部分碳酸鹽的分解任務(wù)，有效控制水泥分解爐溫度，進而保證合適的生料分解率，對整條熟料生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。
分解爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在分解爐內(nèi)，煤粉、三次風(fēng)、預(yù)熱后的生料以及回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)煔?，通過噴騰，實現(xiàn)氣料充分混合，完成燃燒、分解。在這一過程中，風(fēng)、煤、料三者之間發(fā)生了大量的放熱和吸熱反應(yīng)，表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動態(tài)特性；在工業(yè)現(xiàn)場，由于煤粉和生料的流量計量裝置距離分解爐較遠，致使分解爐溫度的控制具有明顯的大滯后特性，實驗表明，過程的滯后時間與時間常數(shù)之比大于0.6；另外，由于生料流量和成分的波動較大，造成分解爐溫度受到了較大的擾動影響。因此，水泥分解爐溫度控制具有較為明顯的非線性、大滯后及大擾動的特點。
目前，分解爐溫度的控制方法主要有兩種類型(1)PID控制；(2)各種智能控制(如模糊控制、模糊預(yù)測控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等)。研究表明，當滯后時間與過程的時間常數(shù)之比大于0.3時，PID控制就難以獲得好的控制效果。雖然對其改進后能夠比普通PID控制效果更好一些，但是并沒有從根本上解決大滯后所帶來的不利影響。智能控制方法的通用性較強，它通過模仿操作員的經(jīng)驗，取得了比PID控制更好的控制效果，但是卻難以有效地反映對象動態(tài)特性，而且還具有計算量大、實時性差的缺點。因此，有必要從水泥分解爐自身特點出發(fā)尋找一種新的控制方法，有針對性的解決水泥分解爐溫度控制的實際問題。


發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)對水泥分解爐溫度控制存在的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠克服非線性、大滯后和大擾動的影響，具有前饋補償?shù)乃喾纸鉅t溫度約束史密斯廣義預(yù)測控制(Smith Generalized PredictiveControl，Smith-GPC)方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 本發(fā)明基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，其特征在于包括以下步驟 變量選取選取煤粉流量為控制變量，生流流量為前饋變量，分解爐溫度為被控變量； 模型辨識針對煤粉流量與分解爐溫度之間的控制通道和生料流量與分解爐溫度之間的擾動通道，基于最小二乘法和滯后時間估計法相結(jié)合的模型辨識器，利用學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)得到水泥分解爐控制通道和擾動通道的脈沖傳遞函數(shù)模型； 優(yōu)化計算在當前時刻t，利用過去的輸入輸出信息和預(yù)測的未來輸入信息，通過辨識得到的脈沖傳遞函數(shù)模型，預(yù)測未來的輸出狀態(tài)

并設(shè)定輸出值的參考軌跡w；將輸出預(yù)測值

與參考軌跡w進行比較，應(yīng)用二次型性能指標的控制器進行滾動優(yōu)化，計算當前時刻的控制增量Δu，然后與原來的控制動作值相加得到應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作值u； 約束處理考慮控制變量u(即喂煤流量)及其變化率的上下限、被控變量(即分解爐溫度)的上下限，組成輸入輸出約束條件，對控制變量和被控變量分別進行約束限幅處理； 前饋補償基于在先辨識得到的擾動通道模型和控制通道模型，建立前饋補償控制器，利用動態(tài)補償原理計算當前時刻t應(yīng)加于系統(tǒng)的前饋控制動作值ud。
所述模型辨識器能夠估計系統(tǒng)滯后時間，其形式為 式中，L表示預(yù)測的最大滯后時間，

為模型方程中控制變量前的系數(shù)的估計值，

為滯后時間的估計值。
所述優(yōu)化計算得到的控制增量形式為 式中，lyi，lui和fi分別為輸出預(yù)測值、過去的輸入值和輸出量參考軌跡的系數(shù)，Δu(t)為控制增量，

為d步超前的輸出預(yù)測值，d為系統(tǒng)滯后時間，na為被控變量系數(shù)的最高階次，nb為控制變量系數(shù)的最高階次，w(t)為輸出量的參考軌跡，N為總預(yù)測步長。
所述輸入輸出約束條件為 式中，umax和umin分別為喂煤流量的上下限；dumax和dumin分別為喂煤流量變化幅度的上下限；ymax和ymin分別為分解爐溫度的上下限；t表示時間；u(t)為煤粉流量；y(t)為分解爐溫度。
所述前饋補償控制器引用生料流量作為前饋變量對分解爐溫度進行補償，前饋補償控制器模型計算方法為 式中，Gf(s)為擾動通道傳遞函數(shù)，G(s)為控制通道傳遞函數(shù)，Gd(s)為前饋補償控制器模型傳遞函數(shù)。
本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點 1.無需使用經(jīng)驗知識，只需使用輸入輸出數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)模型參數(shù)和滯后時間的在線辨識，辨識過程簡單，可調(diào)參數(shù)少； 2.充分利用史密斯預(yù)估控制的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，補償了純滯后時間，同時利用廣義預(yù)測控制技術(shù)的優(yōu)點，引入?yún)⒖架壽E和滾動優(yōu)化技術(shù)，使分解爐溫度很好地克服了純滯后的影響，平穩(wěn)達到設(shè)定值，跟蹤性能好，魯棒性強； 3.充分利用了可測擾動(生料流量)，將其作為前饋變量，有效地抑制了生料流量波動帶來的擾動影響； 4.充分考慮了系統(tǒng)的約束條件，有效地設(shè)定了控制變量和被控變量的調(diào)整范圍，防止了系統(tǒng)變量發(fā)生跳變。



圖1為控制對象水泥分解爐的示意簡圖； 圖2為史密斯廣義預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖； 圖3為具有前饋補償?shù)募s束史密斯廣義預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖。

具體實施例方式 本發(fā)明基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法包括以下步驟 變量選取選取煤粉流量為控制變量，生流流量為前饋變量，分解爐溫度為被控變量； 模型辨識針對煤粉流量與分解爐溫度之間的控制通道和生料流量與分解爐溫度之間的擾動通道，基于最小二乘法和滯后時間估計法相結(jié)合的模型辨識器，利用學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)得到水泥分解爐控制通道和擾動通道的脈沖傳遞函數(shù)模型； 優(yōu)化計算在當前時刻t，利用過去的輸入輸出信息和預(yù)測的未來輸入信息，通過辨識得到的脈沖傳遞函數(shù)模型，預(yù)測未來的輸出狀態(tài)

并設(shè)定輸出值的參考軌跡w；將輸出預(yù)測值

與參考軌跡w進行比較，應(yīng)用二次型性能指標的控制器進行滾動優(yōu)化，計算當前時刻的控制增量Δu，然后與原來的控制動作值相加得到應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作值u； 約束處理考慮控制變量u(即喂煤流量)及其變化率的上下限、被控變量(即分解爐溫度)的上下限，組成輸入輸出約束條件，對控制變量和被控變量分別進行約束限幅處理。
前饋補償控制基于在先辨識得到的擾動通道模型和控制通道模型，建立前饋補償控制器，利用動態(tài)補償原理計算當前時刻t應(yīng)加于系統(tǒng)的前饋控制動作值ud； 下面對本發(fā)明方法的各步驟進行分別闡述。
變量選取如圖1所示，水泥分解爐的輸入有生料、煤粉、三次風(fēng)和煙氣，其中煙氣流量和溫度無法控制，三次風(fēng)流量可以通過送風(fēng)管道上的電動閥門來調(diào)節(jié)，但是由于三次風(fēng)流量和溫度與入窯二次風(fēng)之間具有很強的耦合，通常不調(diào)節(jié)，剩下的可調(diào)變量只有生料流量和煤粉流量；分解爐溫度是唯一的被控變量，它直接反映了生料入窯分解率?；谝陨戏治觯诔浞挚紤]工藝要求的前提下，本發(fā)明將生料流量作為前饋變量、煤粉流量作為控制變量，來控制分解爐溫度。
模型辨識模型辨識主要包括喂煤流量與分解爐溫度之間的控制通道和生料流量與分解爐溫度之間的擾動通道兩個模型的辨識過程。
1.控制通道模型 依據(jù)過程特點，分解爐模型可以表示成如下形式 A(z-1)y(t)＝z-dB(z-1)u(t-1)+C(z-1)ξ(t)/Δ (1) 其中 A(z-1)＝1+a1z-1+…+anaz-na B(z-1)＝b0+b1z-1+…+bnbz-nb C(z-1)＝c0+c1z-1+…+cncz-nc 式中，z-1為后移算子，表示后退一個采樣周期的相應(yīng)的量；d為滯后時間；Δ＝1-z-1為差分算子；y(t)為分解爐溫度；u(t)為喂煤流量；ξ(t)為隨機干擾；A(z-1)、B(z-1)和C(z-1)分別為y(t)、u(t)和ξ(t)的系數(shù)。
當C(z-1)＝1時，式(1)可以寫為 Δy(t)＝-a1Δy(t-1)-…-anaΔy(t-na) (2) +b0Δu(t-d-1)+…+bnbΔu(t-d-nb-1)+ξ(t) 上式可表示為
式中
θ＝[a1，…，ana，b0，…，bnb]T 在此，應(yīng)用帶遺忘因子的最小二乘法來估計模型參數(shù)


式中，μ為遺忘因子，通常取0.95＜μ＜1；K(t)為權(quán)因子，P(t)為正定的協(xié)方差陣。
這里，分解爐模型可以用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來表示，其離散差分形式為 Δy(t)＝-a1Δy(t-1)+bΔu(t-d-1)+ξ(t) (7) 為了實時估計時滯d，將B(z-1)＝bz-d展開為 BL(z-1)＝b0+b1z-1+…+bLz-L(8) 式中，L代表可能最大的純滯后時間，則式(7)變?yōu)? Δy(t)＝-a1Δy(t-1)+b0Δu(t-1)+b1Δu(t-2)+…+bLΔu(t-L-1)+ξ(t) (9) 根據(jù)上述步驟辨識后，等式B(z-1)＝bz-d的參數(shù)b和d可以用零頻率時的模型匹配得到。
令ω＝0時，

與

的零階和一階導(dǎo)數(shù)相等，即 由以上兩式可以導(dǎo)出 對

取整即可得到滯后時間估計值 式中，

為B(z-1)的估計變量，

和

分別為系數(shù)b和滯后時間d的估計值。
2.擾動通道模型 對于生料流量的擾動通道，其模型可以表示為 其中 Af(z-1)＝1+af1z-1+…+afnaz-fna Bf(z-1)＝bf0+bf1z-1+…+bfnbz-fnb Cf(z-1)＝cf0+cf1z-1+…+cfncz-fnc 式中，df為生料滯后時間；y(t)為分解爐溫度；f(t)表示生料流量；ξ(t)為隨機干擾；Af(z-1)、Bf(z-1)和Cf(z-1)分別為y(t)、f(t)和ξ(t)的系數(shù)。
由于其模型參數(shù)辨識過程與控制通道相同，這里就不再贅述。
史密斯廣義預(yù)測控制 1.預(yù)測模型 為了利用模型(1)導(dǎo)出j步后輸出y(t+j)的預(yù)測值，引入丟番圖方程 1＝Rj(z-1)AΔ+z-jSj(z-1) (16) 其中 Rj(z-1)＝1+rj，1z-1+...+rj，j-1z-(j-1) Sj(z-1)＝sj，0+sj，1z-1+...+sj，naz-na 在式(1)兩端乘以RjΔzj后可得 RjAΔy(t+j)＝z-dRjBΔu(t+j-1)+RjCξ(t+j) 將式(16)代入上式，化簡后得到 y(t+d+j)＝RjBΔu(t+j-1)+Sjy(t+d)+RjCξ(t+d+j) 顯然，上式右邊前兩項與第三項不相關(guān)，如將前兩項看成最優(yōu)預(yù)測，則第三項即為預(yù)測誤差，即 因此j步導(dǎo)前最優(yōu)預(yù)測，即預(yù)測模型為 進一步的，對于j＝1，2，...，N可得 這里，G，H和S分別是維數(shù)為N×N，N×nb和N×na+1的常數(shù)矩陣。上式可以寫成 其中 u＝[Δu(t)，Δu(t+1)，…，Δu(t+N-1)]T u1＝[Δu(t-1)，Δu(t-2)，…，Δu(t-nb)]T 式(19)中右邊的Hu1+Sy1應(yīng)為系統(tǒng)過去的已知信息，但y1中的變量值需要進行校正，其具體計算方法為 2.滾動優(yōu)化 與普通廣義預(yù)測控制相同，采用對輸出誤差和控制增量加權(quán)的二次型性能指標 式中，N1和N2分別是最小和最大評價時域；w(t+j)是未來設(shè)定值或參考軌跡；Δu(t)是控制增量；

是系統(tǒng)輸出的j步超前預(yù)測；δ(j)和λ(j)為加權(quán)序列。
利用預(yù)測模型，最小化上面的性能指標J，得到控制律為 Δu(t)＝(GTQδG+Qλ)-1GTQδ(w-Hu1-Sy1) (22) 這里，w＝[w(t+d+1)…w(t+d+N)]T。
式(22)可以寫成下面的形式 這里，M＝GTQδG+Qλ和R＝GTQδ的維數(shù)是N×N，P0＝-GTQδS的維數(shù)是N×na+1，P1＝-GTQδH的維數(shù)是N×nb；Qδ和Qλ是權(quán)重矩陣；令q為M-1的第一行，則 因此，控制增量Δu(t)可寫成 式中，

rji和qj分別是矩陣R和q的元素。令qP0＝[ly1，ly2，...lyna+1]，qP1＝[lu1，lu2，...，lunb]，則式(25)可寫成 式中，系數(shù)lyi，lui和fi是ai，bi，N，δ(i)和λ(i)的函數(shù)。
在實際操作中，分解爐溫度為工藝設(shè)定值穩(wěn)定控制，令w(t+d+i)等于溫度設(shè)定值r(t)。參考軌跡可寫成 [w(t+d+1)...w(t+d+N)]＝[1...1]r(t) (27) 所以，控制增量就可以寫成下面的形式 Δu(t)＝qP0y1+qP1u1+lrr(t) (28) 式中， 史密斯廣義預(yù)測控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。對于每一組參數(shù)N，δ(i)和λ(i)，控制器系數(shù)(lyi，lui；fi)都需要重新計算，而

的數(shù)值則通過史密斯結(jié)構(gòu)的預(yù)測模型來求得，這也正是史密斯廣義預(yù)測控制的特點之所在。
約束處理 考慮輸入輸出約束 式中，umax和umin分別為喂煤流量的上下限；dumax和dumin分別為喂煤流量變化幅度的上下限；ymax和ymin分別為分解爐溫度的上下限；t表示時間；u(t)為煤粉流量；y(t)為分解爐溫度。
前饋補償控制 在分解爐溫度的控制方案中，前饋補償控制器的作用是補償生料流量f(t)波動對分解爐溫度y(t)的干擾?？紤]到分解爐溫度控制的過程特點，其控制通道和擾動通道的傳遞函數(shù)可以分別表示為 所以，前饋補償控制器具有以下形式 式中，Kd為靜態(tài)前饋系數(shù)，


為一超前-滯后環(huán)節(jié)，分子為超前項，分母為滯后項，T＞Tf時具有超前特性，T＜Tf時具有滯后特性，T＝Tf時則為比例環(huán)節(jié)；τd＝τf-τ。
綜上所述，分解爐溫度控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體算法的執(zhí)行步驟如下 步驟1初始化過程，給定參數(shù)估計算法中的初始參數(shù)和控制算法中的相關(guān)參數(shù)； 步驟2利用輸入輸出數(shù)據(jù)，用公式(3)～(6)估計模型參數(shù)，得到控制通道和擾動通道的模型； 步驟3遞推計算廣義預(yù)測控制的系數(shù)q，P0，P1和R； 步驟4應(yīng)用辨識結(jié)果修正史密斯預(yù)測模型參數(shù)，計算系統(tǒng)輸出預(yù)測值； 步驟5在考慮輸入輸出約束條件的前提下，由式(25)計算t時刻的史密斯預(yù)測控制增量Δu(t)，然后與原來的控制動作值相加得到應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作值u(t)； 步驟6根據(jù)生料流量擾動實際情況，適時加入前饋補償控制器，由式(32)計算t時刻的前饋控制量ud(t)，并將其與控制動作值u(t)相加得到最終控制量uc(t)輸出給喂煤執(zhí)行機構(gòu)； 步驟7令t＝t+1，返回步驟2。
上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，其特征在于包括以下步驟
變量選取選取煤粉流量為控制變量，生流流量為前饋變量，分解爐溫度為被控變量；
模型辨識針對煤粉流量與分解爐溫度之間的控制通道和生料流量與分解爐溫度之間的擾動通道，基于最小二乘法和滯后時間估計法相結(jié)合的模型辨識器，利用學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)得到水泥分解爐控制通道和擾動通道的脈沖傳遞函數(shù)模型；
優(yōu)化計算在當前時刻t，利用過去的輸入輸出信息和預(yù)測的未來輸入信息，通過辨識得到的脈沖傳遞函數(shù)模型，預(yù)測未來的輸出狀態(tài)
，并設(shè)定輸出值的參考軌跡w；將輸出預(yù)測值
與參考軌跡w進行比較，應(yīng)用二次型性能指標的控制器進行滾動優(yōu)化，計算當前時刻的控制增量Δu，然后與原來的控制動作值相加得到應(yīng)加于系統(tǒng)的控制動作值u；
約束處理考慮控制變量u及其變化率的上下限、被控變量的上下限，組成輸入輸出約束條件，對控制變量和被控變量分別進行約束限幅處理；
前饋補償基于在先辨識得到的擾動通道模型和控制通道模型，建立前饋補償控制器，利用動態(tài)補償原理計算當前時刻t應(yīng)加于系統(tǒng)的前饋控制動作值ud。
2.按權(quán)利要求1所述的基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，其特征在于所述模型辨識器能夠估計系統(tǒng)滯后時間，其形式為
式中，L表示預(yù)測的最大滯后時間，
為模型方程中控制變量前的系數(shù)的估計值，
為滯后時間的估計值。
3.按權(quán)利要求1所述的基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，其特征在于所述優(yōu)化計算得到的控制增量形式為
式中，lyi，lui和fi分別為輸出預(yù)測值、過去的輸入值和輸出量參考軌跡的系數(shù)，Δu(t)為控制增量，
為d步超前的輸出預(yù)測值，d為系統(tǒng)滯后時間，na為被控變量系數(shù)的最高階次，nb為控制變量系數(shù)的最高階次，w(t)為輸出量的參考軌跡，N為總預(yù)測步長。
4.按權(quán)利要求1所述的基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，其特征在于所述輸入輸出約束條件為
式中，umax和umin分別為喂煤流量的上下限；dumax和dumin分別為喂煤流量變化幅度的上下限；ymax和ymin分別為分解爐溫度的上下限；t表示時間；u(t)為煤粉流量；y(t)為分解爐溫度。
5.按權(quán)利要求1所述的基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，其特征在于所述前饋補償控制器引用生料流量作為前饋變量對分解爐溫度進行補償，前饋補償控制器模型計算方法為
式中，Gf(s)為擾動通道傳遞函數(shù)，G(s)為控制通道傳遞函數(shù)，Gd(s)為前饋補償控制器模型傳遞函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于約束史密斯廣義預(yù)測控制的水泥分解爐溫度控制方法，包括變量選取選取煤粉流量為控制變量，生流流量為前饋變量，分解爐溫度為被控變量；模型辨識基于最小二乘法和滯后時間估計法相結(jié)合的模型辨識器，得到脈沖傳遞函數(shù)模型；優(yōu)化計算預(yù)測未來的輸出狀態(tài)并設(shè)定輸出值的參考軌跡w；應(yīng)用二次型性能指標的控制器進行滾動優(yōu)化，計算當前時刻的控制增量Δu，加得到控制動作值u；約束處理對控制變量和被控變量分別進行約束限幅處理；前饋補償利用動態(tài)補償原理計算當前時刻t應(yīng)加于系統(tǒng)的前饋控制動作值ud。本發(fā)明方法辨識過程簡單，可調(diào)參數(shù)少，跟蹤性能好，魯棒性強，有效抑制生料流量波動帶來的擾動影響；防止系統(tǒng)變量發(fā)生跳變。
文檔編號G05B13/04GK101751051SQ20081022933
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者王宏, 王卓, 張彥武, 苑明哲, 王天然, 吳星剛 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所