基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法及系統的製作方法
2023-04-24 04:39:51 1
專利名稱：基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱工過程控制技術領域，特別是涉及一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法以及一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制系統。
背景技術：
電廠熱工系統的自動控制一直是控制界研究的熱點問題之一，隨著社會經濟的飛速發展，生產系統的工況條件日益複雜，要求日益提高，控制系統往往呈現出多變量、強耦合、工況範圍廣、控制性能綜合性要求高等特點，使這一問題的研究變得更加複雜。與傳統的發電機組相比，直流式超超臨界發電方式更高效、能耗更低、更加環保，這對於日益增長的集約型、經濟型、環保型的現代企業的要求是非常符合的。但是超超臨界機組的複雜性和控制品質的高標準，對控制方式提出了更高的要求。汽溫控制的質量難以保證是由多種因素造成的，如一、負荷、減溫水量等；二、在各種擾動作用下汽溫對象具有非線性、時變 等特性，使控制難度加大；三、汽溫對象具有大遲延、大慣性的特點。尤其隨著機組容量和參數的提高，蒸汽過熱受熱面比例加大，使其遲延和慣性更大，從而進一步加大了控制的難度。同時，超超臨界機組汽溫被控對象的動態特性隨鍋爐負荷的變化而變化，在實際運行環境中各種內外擾動也比較多。目前，此類控制系統所採用的控制器大多是PID(比例-積分-微分)型控制器，或是在PID控制的基礎上採取一些自適應措施後組成的自適應PID控制器。但是，由於傳統的PID控制器在本質上是滯後調節，從而導致PID型汽溫控制系統在控制品質上存在許多不足。
發明內容
基於此，有必要針對上述傳統的PID型汽溫控制系統在控制品質上存在不足的問題，提供一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法及系統。一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，包括以下步驟進行多變量預測控制器的前期設計，確定控制變量、被控變量以及擾動變量；所述控制變量包括一級減溫噴水、二級減溫噴水、再熱減溫噴水以及煙氣擋板開度；所述被控變量包括主汽溫、再熱汽溫；對過程對象的模型進行辨析，通過施加階躍擾動，建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型；根據建立的階躍響應模型，進行多變量預測控制器的仿真和參數調整；啟動多變量預測控制器，將預測控制器從仿真狀態切換到實際在線運行和控制狀態，並將所述多變量預測控制器的輸出施加到被控對象上，進行實時控制。一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制系統，包括前期設計模塊，用於進行多變量預測控制器的前期設計，確定控制變量、被控變量以及擾動變量；所述控制變量包括一級減溫噴水、二級減溫噴水、再熱減溫噴水以及煙氣擋板開度；所述被控變量包括主汽溫、再熱汽溫；模型辨析模塊，用於對過程對象的模型進行辨析，通過施加階躍擾動，建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型；仿真和參數調整模塊，用於根據建立的階躍響應模型，進行多變量預測控制器的仿真和參數調整；啟動模塊，用於啟動多變量預測控制器，將預測控制器從仿真狀態切換到實際在線運行和控制狀態，並將所述多變量預測控制器的輸出施加到被控對象上，進行實時控制。通過以上的方案可以看出，本發明的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法及系統，結合超超臨界機組汽溫的動態特性，將多變量預測控制技術應用到超超臨界機組的氣溫控制中，建立了能夠表示多輸入變量與多輸出變量之間關係的階躍響應模型，從而能夠更好地克服幹擾維持穩定，並且始終保證了鍋爐過熱汽溫在要求的範圍內，解決了傳統的PID型汽溫控制系統在控制品質上存在不足的問題，具有較好的應用前景。
圖I為本發明的一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法流程示意圖；圖2為本發明實施例中汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應曲線圖；圖3為本發明的一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制系統的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖以及具體的實施例，對本發明的技術方案作進一步的描述。如圖I所示，一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟S101，進行多變量預測控制器的前期設計，主要是確定控制變量、被控變量以及擾動變量等。在應用多變量預測控制器時，必須對過程對象非常熟悉。所以在這個步驟中，設計人員需要熟悉過程對象的相關知識，與操作和技術人員進行交流，完成控制器的前期設計。因為變量的選擇與整個工藝過程關係非常密切，需要和技術人員多次交流以確定多變量預測控制器的控制變量、擾動變量及過程變量。與現有技術不同的是，本發明將一級減溫噴水、二級減溫噴水、再熱減溫噴水以及煙氣擋板開度作為所述控制變量；將主汽溫、再熱汽溫作為被控變量。其中，所述主汽溫包括屏式過熱器出口汽溫、末級過熱器出口汽溫；所述再熱汽溫包括低再熱器出口汽溫、高再熱器出口汽溫。另外，作為一個較好的實施例，本發明中將煤質變動、電網負荷波動作為幹擾變量。步驟S102，對過程對象的模型進行辨析，通過施加階躍擾動，建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型。這個階躍響應模型可以用來表示多個輸入變量和多個輸出變量之間的關係，即通過該階躍響應模型矩陣，可以在知道輸入的情況下對輸出進行預測。作為一個較好的實施例，在所述步驟SlOl進行多變量預測控制器的前期設計之後、步驟S102對過程對象的模型進行辨析之前，還可以包括步驟對過程對象的數據進行 測試。本實施例中的測試過程具體可以包括步驟S1011，判斷所述多變量預測控制器所涉及變量的信號是否正常。設計人員需 要一定時間確認多變量預測控制器所涉及變量的信號是否正常，變量所涉及的變送器或者 閥門如果出現故障都要修復，以確保多變量預測控制器的順利投入步驟S1012，如果確認多變量預測控制器投入所涉及的變量均正常，則進一步進行 過程對象的測試。測試是通過對每一個輸入變量進行擾動試驗，同時記錄、採集過程對象的 數據。過程對象的測試工作非常關鍵，如果測試準確，那麼得到的對象的模型就比較精確， 有了精確的模型，多變量預測控制器試運行所花的時間就可以大大的減少，同時可以使控 制器長期穩定運行。在上述數據測試完成後，即可進入建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型的 步驟。所述對過程對象的模型進行辨析、通過施加階躍擾動建立汽溫系統的多輸入多輸出 階躍響應模型的過程具體可以包括如下根據所述對過程對象進行測試得到的數據來進行過程對象的模型辨識，將過程對 象測試時所得到的數據通過系統辨識得到系統的傳遞函數矩陣，進而建立所述階躍響應模型。對於複雜工況的系統，在一定的工況段範圍內，將複雜工況的機組模型近似為階 段線性模型處理，則機組汽溫的多輸入多輸出階躍響應模型矩陣可以建立成如下形式
權利要求
1.一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，包括以下步驟 進行多變量預測控制器的前期設計，確定控制變量、被控變量以及擾動變量；所述控制變量包括一級減溫噴水、二級減溫噴水、再熱減溫噴水以及煙氣擋板開度；所述被控變量包括主汽溫、再熱汽溫； 對過程對象的模型進行辨析，通過施加階躍擾動，建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型； 根據建立的階躍響應模型，進行多變量預測控制器的仿真和參數調整； 啟動多變量預測控制器，將預測控制器從仿真狀態切換到實際在線運行和控制狀態，並將所述多變量預測控制器的輸出施加到被控對象上，進行實時控制。
2.根據權利要求I所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，在所述進行多變量預測控制器的前期設計之後、對過程對象的模型進行辨析之前，還包括步驟對過程對象的數據進行測試；具體包括判斷所述多變量預測控制器所涉及變量的信號是否正常；若是，則對每一個輸入變量進行擾動試驗，並記錄、採集過程對象的數據。
3.根據權利要求I所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，在所述進行多變量預測控制器的仿真和參數調整之後、啟動多變量預測控制器之前，還包括步驟 將所述多變量預測控制器首先以預測試運行模式運行預定時間，以檢驗程序是否正常運行以及檢驗模型的準確性；在該試運行模式下，所述多變量預測控制器完成各種運算，但多變量預測控制器的輸出不加到被控對象上，只觀察和跟蹤控制變量和被控變量的變化趨勢，當控制變量和被控變量的變化趨勢滿足實際工況後，則進入啟動多變量預測控制器的步驟。
4.根據權利要求I所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，在所述啟動多變量預測控制器進行實時控制之後，還包括步驟對所述多變量預測控制器進行維護；具體包括通過檢測控制變量和被控變量的實際上下限來修改約束條件，確保所述控制變量和被控變量的實際上下限在允許的範圍內，保證所述多變量預測控制器性能的最優。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於 所述主汽溫包括屏式過熱器出口汽溫、末級過熱器出口汽溫；所述再熱汽溫包括低再熱器出口汽溫、高再熱器出口汽溫； 和/或 所述幹擾變量包括煤質變動、電網負荷波動。
6.根據權利要求2所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，所述對過程對象的模型進行辨析、通過施加階躍擾動建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型的過程具體包括 根據所述對過程對象進行測試得到的數據來進行過程對象的模型辨識，將過程對象測試時所得到的數據通過系統辨識得到系統的傳遞函數矩陣，進而建立所述階躍響應模型；所述階躍響應模型矩陣建立成如下形式 Yk+1 |k 一 Yk+1 Ik-I+A A Uk 其中，Yk+1|k為模型預測輸出，Ywllri為輸出自由響應向量，AUk為控制變量增量，A為動態矩陣； 第k時刻下系統輸出對第i個控制輸入的階躍響應模型
7.根據權利要求6所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法，其特徵在於，獲得所述控制變量增量的優化值的過程具體包括 基於修正的預測起點，預測控制完成帶有約束的滾動優化過程如下
8.一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制系統，其特徵在於，包括 前期設計模塊，用於進行多變量預測控制器的前期設計，確定控制變量、被控變量以及擾動變量；所述控制變量包括一級減溫噴水、二級減溫噴水、再熱減溫噴水以及煙氣擋板開度；所述被控變量包括主汽溫、再熱汽溫； 模型辨析模塊，用於對過程對象的模型進行辨析，通過施加階躍擾動，建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型； 仿真和參數調整模塊，用於根據建立的階躍響應模型，進行多變量預測控制器的仿真和參數調整； 啟動模塊，用於啟動多變量預測控制器，將預測控制器從仿真狀態切換到實際在線運行和控制狀態，並將所述多變量預測控制器的輸出施加到被控對象上，進行實時控制。
9.權利要求要求8所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制系統，其特徵在於，還包括連接在所述前期設計模塊與模型辨析模塊之間的測試模塊，用於在所述進行多變量預測控制器的前期設計之後、對過程對象的模型進行辨析之前，對過程對象的數據進行測試；具體包括判斷所述多變量預測控制器所涉及變量的信號是否正常；若是，則對每一個輸入變量進行擾動試驗，並記錄、採集過程對象的數據。
10.權利要求要求8或9所述的基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制系統，其特徵在於，還包括與所述啟動模塊相連接的維護模塊，用於在所述啟動模塊啟動多變量預測控制器進行實時控制之後，對所述多變量預測控制器進行維護；具體包括通過檢測控制變量和被控變量的實際上下限來修改約束條件，確保所述控制變量和被控變量的實際上下限在允許的範圍內，保證所述多變量預測控制器性能的最優。
全文摘要
本發明提供一種基於多變量預測控制的超超臨界機組汽溫控制方法及系統，該方法包括以下步驟進行多變量預測控制器的前期設計，確定控制變量、被控變量以及擾動變量；所述控制變量包括一級減溫噴水、二級減溫噴水、再熱減溫噴水以及煙氣擋板開度；所述被控變量包括主汽溫、再熱汽溫；對過程對象的模型進行辨析，通過施加階躍擾動，建立汽溫系統的多輸入多輸出階躍響應模型；根據建立的階躍響應模型，進行多變量預測控制器的仿真和參數調整；啟動多變量預測控制器，將預測控制器從仿真狀態切換到實際在線運行和控制狀態，並將所述多變量預測控制器的輸出施加到被控對象上，進行實時控制。本發明能夠更好地保證鍋爐過熱汽溫在要求的範圍內。
文檔編號G05D23/19GK102707743SQ20121017438
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者張曦, 李曉楓, 王國良, 羅嘉, 閻威武, 陳世和 申請人:上海交通大學, 廣東電網公司電力科學研究院