CN101709867B - 燃煤锅炉汽包水位***混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃煤锅炉汽包水位***混合控制方法。本发明方法首先基于燃煤锅炉汽包水位实时过程数据建立过程模型，挖掘出基本的过程特性；然后基于该过程模型建立比例控制回路；最后通过计算预测PI控制器的参数，将比例控制与燃煤锅炉汽包水位对象整体实施预测PI控制。本发明方法弥补了传统控制的不足，并有效地方便了控制器的设计，保证控制性能的提升，同时满足给定的生产性能指标。本发明提出的控制技术可以有效减少理想汽包水位工艺参数与实际汽包水位工艺参数之间的误差，进一步弥补了传统控制器的不足，同时保证控制装置操作在最佳状态，使生产过程的汽包水位工艺参数达到严格控制。

Description

燃煤锅炉汽包水位***混合控制方法

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种燃煤锅炉汽包水位***的预测比例积分控制(预测PI)与比例控制(P)的混合控制方法。

背景技术

燃煤锅炉是电力生产部门的重要动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使燃煤锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。然而燃煤锅炉设备是一个复杂的被控对象，输入量与输出量之间相互关联。对于锅炉汽包水位***来说：蒸汽负荷发生变化引起蒸汽压力和过热蒸汽温度变化的同时，也引起汽包水位发生变化；燃料量的变化直接影响蒸汽压力，过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压的变化，同时又接着影响汽包水位；给水量的变化直接影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度也有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力发生变化，进一步导致汽包水位等的变化。这些不利因素导致传统的控制手段精度不高，又进一步导致后续生产控制参数不稳定，产品合格率低，锅炉效率低下。目前实际工业中燃煤锅炉的汽包水位控制基本上采用传统的简单的控制手段，控制参数完全依赖技术人员经验，使生产成本增加，控制效果很不理想。我国燃煤锅炉控制与优化技术比较落后，能耗居高不下，控制性能差，自动化程度低，很难适应节能减排以及间接环境保护的需求，这其中直接的影响因素之一便是燃煤锅炉***的控制方案问题。

发明内容

本发明的目标是针对现有的燃煤锅炉汽包水位***控制技术的不足之处，提供一种燃煤锅炉汽包水位***混合控制方法，具体是基于预测PI与比例控制的混合控制方法。该方法弥补了传统控制方式的不足，保证控制具有较高的精度和稳定性的同时，也保证形式简单并满足实际工业过程的需要。

本发明方法首先基于燃煤锅炉汽包水位实时过程数据建立过程模型，挖掘出基本的过程特性；然后基于该过程模型建立比例控制回路；最后通过计算预测PI控制器的参数，将比例控制与燃煤锅炉汽包水位对象整体实施预测PI控制。

本发明的技术方案是通过数据采集、过程辨识、预测机理、数据驱动、优化等手段，确立了一种燃煤锅炉汽包水位***的预测PI与比例控制的混合控制方法，利用该方法可有效提高控制的精度。

本发明方法的步骤包括：

(1)利用燃煤锅炉汽包水位实时过程数据建立过程模型，具体方法是：

首先建立燃煤锅炉汽包水位实时运行数据库，通过数据采集装置采集N组实时过程运行数据，将采集的实时过程运行数据作为数据驱动的样本集合，表示为{X_i，y(i)}_i＝1 ^N，i＝1，2，…，N，X_i表示第i组工艺参数的输入数据，y(i)表示第i组工艺参数的输出值。

然后以该汽包水位实时过程运行数据集合为基础建立基于最小二乘法的离散差分方程形式的局部受控自回归滑动平均模型：

y_L(k)＝Φ^TX，Φ＝[a′₁，a′₂，…，a′_n，b′₀，b′₁，…，b′_m-1]^T

X＝[y(k-1)，…，y(k-n)，u(k-d-1)，…，u(k-d-m)]^T

其中，y_L(k)表示当前时刻过程模型的工艺参数的输出值，X表示过程模型的工艺参数的过去时刻的输入和输出数据的集合，u(k)表示当前过程模型工艺参数对应的控制变量，k为当前的递推步数，Φ表示通过辨识得到的模型参数的集合，T表示矩阵的转置，n，m，d+1分别为对应实际过程的输出变量阶次、输入变量阶次、实际过程的时滞。

采用的辨识手段为：

${\mathrm{\Φ}}_k={\mathrm{\Φ}}_{k-1}+\stackrel{\‾}{K}\left(k\right)[y\left(k\right)-{\mathrm{\Φ}}_k^T{X}_k]$

$\stackrel{\‾}{K}\left(k\right)=P(k-1)X_k[X_k^{T}P(k-1)X_k+\mathrm{\γ}{]}^{-1}$

其中，K和P为辨识中的两个矩阵，

γ为遗忘因子，为单位矩阵。

(2)采用典型的响应曲线法设计汽包水位过程模型的比例控制器，具体方法是：

a.将过程模型的比例控制器停留在手动操作状态，操作拨盘使其输出有阶跃变化，由记录仪表记录过程模型的输出值，将过程模型输出值y_L(k)的响应曲线转换成无量纲形式y_L ^*(k)，具体是：

其中，y_L(∞)是过程模型的比例控制器的输出有阶跃变化时的过程模型输出y_L(k)的稳态值。

b.选取满足

的两个计算点k₁和k₂，依据下式计算比例控制器所需要的参数K、T和τ：

K＝y_L(∞)/q

T＝2(k₁-k₂)

τ＝2k₁-k₂

其中，q为过程模型的比例控制器输出的阶跃变化幅度。

c.计算过程模型的比例控制器的参数，具体是：

K_c＝1.2T/Kτ

其中K_c为比例控制器的比例参数。

(3)设计预测比例积分比例控制器，具体步骤是：

d.将过程模型的比例控制器停留在自动操作状态，操作拨盘使其输入有阶跃变化，由记录仪表记录实时过程的输出，将过程输出值y(k)的响应曲线转换成无量纲形式y^*(k)，具体是：y^*(k)＝y(k)/y(∞)

其中，y(∞)是过程模型的比例控制器的输入有阶跃变化时的过程模型输出y(k)的稳态值。

e.选取满足y(k₃)＝0.39，y(k₄)＝0.63的另两个计算点k₃和k₄，依据下式计算预测比例积分比例控制器所需要的参数K₁，T₁和τ₁：

K₁＝y(∞)/q₁

T₁＝2(k₃-k₄)

τ₁＝2k₃-k₄

其中，q₁为过程模型的比例控制器输入的阶跃变化幅度。

f.将步骤e得到的参数转化为拉普拉斯形式的局部受控传递函数模型：

$\frac{y\left(s\right)}{q_1\left(s\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}{e}^{-L_{1}s}$

其中，s为拉普拉斯变换算子，λ₁为局部受控传递函数模型的时间常数，L₁为局部受控传递函数模型的时滞，y(s)表示当前时刻过程模型的输出值的拉普拉斯变换，q₁(s)表示过程模型的比例控制器输入的拉普拉斯变换。

λ₁＝T₁

L₁＝τ₁

g.依据步骤f计算出的模型参数整定预测比例积分比例控制器的参数，具体方法是：

①对该对象设计预测比例积分控制器；选定期望的闭环传递函数模型为G_q2(s)

$G_{q2}\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{2}s+1}{e}^{-L_{2}s}$

λ₂为期望的闭环传递函数模型的时间常数，L₂为期望的闭环传递函数模型的时滞，L₂＝L₁；

②预测比例积分比例控制器的传递函数G_c1(s)可由下式来表示

$G_{c1}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}{({\mathrm{\λ}}_{2}s+1-e^{-L_{2}s})}$

③依据步骤②得到当前的预测比例积分比例控制器的参数值u(s)

$u\left(s\right)=\frac{({\mathrm{\λ}}_{2}s+1-e^{-L_{2}s})}{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}y\left(s\right)$

本发明提出的一种基于数据驱动的模型选取和预测PI-P混合控制方法弥补了传统控制的不足，并有效地方便了控制器的设计，保证控制性能的提升，同时满足给定的生产性能指标。

本发明提出的控制技术可以有效减少理想汽包水位工艺参数与实际汽包水位工艺参数之间的误差，进一步弥补了传统控制器的不足，同时保证控制装置操作在最佳状态，使生产过程的汽包水位工艺参数达到严格控制。

具体实施方式

以循环流化床锅炉***汽包水位过程控制为例：

这里以该***汽包水位回路的控制作为例子加以描述。汽包水位不仅受到减温器中减温水量的影响，同时也受燃料流量，空气流量和蒸汽流量的影响。调节手段采用进水量，其余的影响作为不确定因素。

(1)建立该循环流化床锅炉***的汽包水位过程模型。

通过数据采集装置采集实时过程汽包水位运行数据，将采集的实时过程汽包水位运行数据作为数据驱动的样本集合采用最小二乘法推理，建立基于最小二乘法的离散差分方程形式的汽包水位过程模型。

其中，***调用推理机采用最小二乘法进行汽包水位过程模型参数的辨识，这些参数包括元素Φ中变量的个数和具体数值。

${\mathrm{\Φ}}_k={\mathrm{\Φ}}_{k-1}+\stackrel{\‾}{K}\left(k\right)[y\left(k\right)-{\mathrm{\Φ}}_k^T{X}_k]$

$\stackrel{\‾}{K}\left(k\right)=P(k-1)X_k[X_k^{T}P(k-1)X_k+\mathrm{\γ}{]}^{-1}$

其中y(k)是实际汽包水位测量值，Φ_k ^TX_k是汽包水位过程模型的输出值。

这个过程是第一步推理过程。这个第一步推理是初步挖掘实际汽包水位回路的基本特性。

(2)设计汽包水位过程模型的比例控制器，具体方法是典型的响应曲线法。

第一步：将汽包水位比例控制器停留在“手动操作”状态，操作进水量的拨盘使进水量控制器输出有个阶跃变化，由记录仪表记录汽包水位过程模型的输出值，将汽包水位过程模型输出值y_L(k)的响应曲线转换成无量纲形式y_L ^*(k)：

$y_L^{*}\left(k\right)=y_L\left(k\right)/y_L(\∞)$

其中，y_L(∞)是汽包水位过程模型输出y_L(k)的稳态值。

第二步：选取2个计算点，

依据以下计算公式计算汽包水位比例控制器所需要的参数T和τ：

K＝y_L(∞)/q

T＝2(k₁-k₂)

τ＝2k₁-k₂

其中，q为汽包水位比例控制器输出的阶跃变化幅度。

第三步：依据第二步计算出的K，T和τ整定汽包水位比例控制器的参数：

K_c＝1.2T/Kτ

其中，K_c为汽包水位比例控制器的比例参数。

(3)设计汽包水位过程的预测PI-P控制器，具体方法是：

针对设计的汽包水位比例控制器和过程模型组成的基本控制回路建立该锅炉汽包水位实时运行过程数据库，通过数据采集装置采集汽包水位实时过程运行数据，依据汽包水位实时过程运行数据建立预测PI-P控制所需的预测模型，基于该预测模型设计相应的汽包水位实时过程预测PI-P控制器，具体步骤是：

第一步：将汽包水位比例控制器停留在“自动操作”状态，操作汽包水位比例控制器的输入使汽包水位比例控制器的输入有个阶跃变化，由记录仪表记录汽包水位实时过程的输出，将汽包水位实时过程输出值y(k)的响应曲线转换成无量纲形式y^*(k)：

y^*(k)＝y(k)/y(∞)

其中，y(∞)是汽包水位实时过程输出y(k)的稳态值。

第二步：选取2个计算点，y(k₃)＝0.39，y(k₄)＝0.63，依据以下计算公式计算汽包水位预测PI-P控制器所需要的参数K₁，T₁和τ₁：

K₁＝y(∞)/q₁

T₁＝2(k₃-k₄)

τ₁＝2k₃-k₄

其中，q₁为汽包水位比例控制器输入的阶跃变化幅度。

第三步：将第二步得到的参数转化为拉普拉斯形式的局部受控传递函数模型：

$\frac{y\left(s\right)}{q_1\left(s\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}{e}^{-L_{1}s}$

其中，s为拉普拉斯变换算子，λ₁为模型的时间常数，L₁为局部受控传递函数模型的时滞，y(s)表示当前时刻过程模型的输出值的拉普拉斯变换，q₁(s)表示过程模型的比例控制器输入的拉普拉斯变换。

λ₁＝T₁

L₁＝τ₁

第四步：依据第三步计算出的模型参数整定汽包水位预测PI-P控制器的参数，具体方法是：

①对水位对象设计预测比例积分控制器。选定期望的闭环传递函数模型为G_q2(s)

$G_{q2}\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{2}s+1}{e}^{-L_{2}s}$

λ₂为期望的闭环传递函数模型的时间常数，L₂为期望的闭环传递函数模型的时滞，L₂＝L₁；

②控制器的传递函数G_c1(s)可由下式来表示

$G_{c1}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}{({\mathrm{\λ}}_{2}s+1-e^{-L_{2}s})}$

③依据步骤②得到当前的控制器的参数值u(s)。

$u\left(s\right)=\frac{({\mathrm{\λ}}_{2}s+1-e^{-L_{2}s})}{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}y\left(s\right)$

Claims (1)

1.燃煤锅炉汽包水位***混合控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)利用燃煤锅炉汽包水位实时过程数据建立过程模型，具体方法是：

首先建立燃煤锅炉汽包水位实时运行数据库，通过数据采集装置采集N组实时过程运行数据，将采集的实时过程运行数据作为数据驱动的样本集合，表示为{X_i，y(i)_i＝1 ^N，i＝1，2，…，N，X_i表示第i组工艺参数的输入数据，y(i)表示第i组工艺参数的输出值；

然后以该汽包水位实时过程运行数据集合为基础建立基于最小二乘法的离散差分方程形式的局部受控自回归滑动平均模型：

$y_L\left(k\right)={\mathrm{\Φ}}^{T}X,\mathrm{\Φ}={[a_1^{\′},a_2^{\′},...,a_n^{\′},b_0^{\′},b_1^{\′},...,b_{m-1}^{\′}]}^T$

X=[y(k-1),…,y(k-n),u(k-d-1),…，(k-d-m)]^T

其中y_L(k)表示当前时刻过程模型的工艺参数的输出值，X表示过程模型的工艺参数的过去时刻的输入和输出数据的集合，u(k)表示当前过程模型工艺参数对应的控制变量，k为当前的递推步数，Φ表示通过辨识得到的模型参数的集合，T表示矩阵的转置，n，m，d+1分别为对应实际过程的输出变量阶次、输入变量阶次、实际过程的时滞；

采用的辨识手段为：

${\mathrm{\Φ}}_k={\mathrm{\Φ}}_{k-1}+\stackrel{\‾}{K}\left(k\right)[y\left(k\right)-{\mathrm{\Φ}}_k^T{X}_k]$

$\stackrel{\‾}{K}\left(k\right)=P(k-1)X_k{[X_k^{T}P(k-1)X_k+\mathrm{\γ}]}^{-1}$

其中k和P为辨识中的两个矩阵，

γ为遗忘因子，为单位矩阵；

(2)采用响应曲线法设计汽包水位过程模型的比例控制器，具体方法是：

a.将过程模型的比例控制器停留在手动操作状态，操作拨盘使其输出有阶跃变化，由记录仪表记录过程模型的输出值，将过程模型输出值y_L(k)的响应曲线转换成无量纲形式y_L ^*(k)，具体是：

其中y_L(∞)是过程模型的比例控制器的输出有阶跃变化时的过程模型输出y_L(k)的稳态值；

b.选取满足

的两个计算点k₁和k₂，依据下式计算比例控制器所需要的参数K、T和τ：

K＝y_L(∞)/q

T＝2(k₁-k₂)

τ＝2k₁-k₂

其中q为过程模型的比例控制器输出的阶跃变化幅度；

c.计算过程模型的比例控制器的参数，具体是：

K_c＝1.2T/Kτ

其中K_c为比例控制器的比例参数；

(3)设计预测比例积分比例控制器，具体步骤是：

d.将过程模型的比例控制器停留在自动操作状态，操作拨盘使其输入有阶跃变化，由记录仪表记录实时过程的输出，将过程输出值y(k)的响应曲线转换成无量纲形式y^*(k)，具体是：y^*(k)＝y(k)/y(∞)

其中y(∞)是过程模型的比例控制器的输入有阶跃变化时的过程模型输出y(k)的稳态值；

e.选取满足y(k₃)＝0.39，y(k₄)＝0.63的另两个计算点k₃和k₄，依据下式计算预测比例积分比例控制器所需要的参数K₁，T₁和τ₁：

K₁＝y(∞)/q₁

T₁＝2(k₃-k₄)

τ₁＝2k₃-k₄

其中q₁为过程模型的比例控制器输入的阶跃变化幅度；

f.将步骤e得到的参数转化为拉普拉斯形式的局部受控传递函数模型：

$\frac{y\left(s\right)}{q_1\left(s\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}{e}^{-L_{1}s}$

其中s为拉普拉斯变换算子，λ₁为局部受控传递函数模型的时间常数，L₁为局部受控传递函数模型的时滞，y(s)表示当前时刻过程模型的输出值的拉普拉斯变换，q₁(s)表示过程模型的比例控制器输入的拉普拉斯变换；

λ₁＝T₁

L₁＝τ₁

g.依据步骤f计算出的模型参数整定预测比例积分比例控制器的参数，具体方法是：

①对该对象设计预测比例积分控制器；选定期望的闭环传递函数模型为G_q2(s)

$G_{q2}\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{2}s+1}{e}^{-L_{2}s}$

其中λ₂为期望的闭环传递函数模型的时间常数，L₂为期望的闭环传递函数模型的时滞，L₂＝L₁；

②预测比例积分比例控制器的传递函数G_c1(s)可由下式来表示

$G_{c1}\left(s\right)\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}{({\mathrm{\λ}}_{2}s+1-e^{-L_{2}s})}$

③依据步骤②得到当前的预测比例积分比例控制器的参数值u(s)。

$u\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{2}s+1-e^{-L_{2}s}}{{\mathrm{\λ}}_{1}s+1}y\left(s\right)$