本发明属于生物质热电联产过程自动控制领域，涉及一种生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法。
背景技术：
生物质是一种高效、可利用的可再生清洁燃料，如我国广大农村生产的稻杆、麦秆、玉米杆等秸秆、木质纤维素和农产品加工业下脚料等，可替代煤炭、石油和天然气等石化燃料产生电力，将减少人类对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。目前欧美国家建设了成熟的生物质燃烧发电厂，证明生物质发电和供热的热电联产具有显著的经济效益、能源效益和环境效益，而且回收如废弃的秸秆等还可以增加农民收入。不同于煤等矿物质石化燃料，由于不同品种和产地的生物质，其固定碳、水分、灰分等成分比例不同，加上回收时预处理手段和当地气候的影响，造成了生物质燃料品质的差异很大。考虑到循环流化床锅炉对燃料品质的适应性较好，因此循环流化床生物质热电联产技术近几年在我国发展十分迅速。在循环流化床生物质热电联产过程中，流化床锅炉的主蒸汽压力的变化表示锅炉的蒸汽产量和用电-热负荷的耗汽量不相适应，这时必须相应地调节生物质燃料的供应量，以改变流化床锅炉的蒸汽产量。在生物质热电联产单元机组中，流化床锅炉主蒸汽压力控制与汽机负荷控制是相互关联的，锅炉的蒸汽压力控制系统的任务就是及时调整生物质燃料量，使锅炉的蒸汽量输出与汽轮机对外界负荷需求而需要的能量输入相适应，其标志是流化床锅炉主蒸汽压力的稳定。通过对现有生物质热电联产循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法的文献的检索发现，目前生物质热电联产循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法主要有：蒸汽压力常规pid调节控制方法、蒸汽压力模糊调节控制方法和蒸汽压力神经网络调节控制方法，但循环流化床锅炉主蒸汽压力的常规pid调节控制方法由于控制器参数是离线确定，不会随生物质燃料品质变化而改变，因此不能很好的稳定由于生物质燃料品质差异大造成的蒸汽压力波动；同样由于生物质燃料品质的差异大，需要采用大量的模糊度函数，使得环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法的计算量较大；而基于神经网络控制技术的生物质热电联产循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法则需要大量的工业数据样本用于离线训练生物质燃烧过程模型参数，以保证得到较为准确的蒸汽压力与生物质燃料量之间的动态关系，这些生物质热电联产循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法对于生物质燃料频繁波动的品质的蒸汽调节效果的收敛速度缓慢，理解抽象，而且应用过程复杂。因为生物质燃料品质的频繁波动以及用户需求的周期变化，但循环流化床锅炉主蒸汽压力调节的实时性、快速性和准确性要求高，因此，尽管生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节方法研究取得了一些研究成果，但近年来相关学者对于这个具有挑战性的重要难题仍然进行了大量地研究和探讨，以满足生物质热电联产过程对高品质的循环流化床自动控制技术的迫切需要。
技术实现要素：
为了克服现有生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节方法的理解抽象、在线计算复杂和应用过程复杂的不足，本发明提供一种理解直观、设计简单、易于实现的生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法，所述方法包括如下步骤：
1)、考虑生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力与生物质燃料量的离散时间动态模型，参见式(1)：
其中，k表示控制器采样时刻；x1表示循环流化床锅炉的主蒸汽压力，mpa；x2表示循环流化床锅炉主蒸汽压力的变化速度；x3表示循环流化床锅炉主蒸汽压力的变化加速度；m表示用于燃烧的生物质燃料量，t/h；常数g表示循环流化床锅炉蒸汽压力的稳态增益；常数t1、t2、ts和τ分别表示循环流化床锅炉汽包压力时间常数、蒸汽压时间常数、采样周期和时滞，s；
2)、根据生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节的目标值xr，计算循环流化床锅炉生物质燃料量的稳态目标值mr，参见式(2)：
mr＝xr/g(2)
3)、定义变量z1＝x1-xr和v＝m-mr，代入式(1)，建立生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力与生物质燃料量的状态空间模型，参见式(3)：
z(k+1)＝az(k)+bv(k)(3)
其中，列向量z＝[z1,x2,x3]t，上标t表示向量转置；矩阵a和b分别为
4)、给定一个参数a>0，计算生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制系统在k时刻的生物质燃烧量，参见式(4)：
其中，矩阵p为正定对称矩阵，通过matlab函数care计算，参见式(5)：
其中，矩阵i3为3阶单位矩阵；
5)、在线测量生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力的实时量值，根据式(4)实时计算循环流化床锅炉的生物质燃烧量，循环流化床锅炉燃烧自动调节控制系统根据生物质燃烧量的计算结果实时调整进入气缸内的生物质燃烧量，如此周而复始，实现生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力对目标值xr的调节控制目标。
本发明的技术构思为：针对生物质热电联产过程循环流化床锅炉的实际主蒸汽压力偏离最佳目标值的问题，建立生物质热电联产过程循环流化床锅炉的主蒸汽压力与生物质燃烧量的离散时间状态空间模型，根据蒸汽压力目标值计算生物质燃烧量稳态目标值，进而设计一个生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力自动调节控制器，实现生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力对目标值的自动调节控制。
本发明主要执行部分在生物质热电联产过程循环流化床锅炉控制计算机上运行实施。本方法应用过程可以大致分为3个阶段：
1、参数设置，包括模型参数和调节控制器参数：在模型导入界面中，输入模型式(1)中常数g、t1、t2、ts和τ的值和蒸汽压力目标值xr；在调节控制器参数设置界面中，输入调节控制器参数a；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元ram中保存；
2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，控制系统进入调节控制器调试阶段，以循环流化床锅炉主蒸汽压力变化1个单位作为测试量，调整组态界面中的控制器参数a，观察循环流化床锅炉主蒸汽压力和生物质燃烧量的控制效果，由此确定一个能良好实现循环流化床锅炉主蒸汽压力调节的控制器参数；参数a的取值规则：a为正实数；参数a的调整规则：增大a的值将缩短生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节的调整时间，但增大生物质的燃烧量；相反，减小a的值将减缓生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节速度和生物质的燃烧量，但延长循环流化床锅炉主蒸汽压力的调节时间，因此，实际调试参数a时，应权衡生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力响应的超调量、调节时间、阻尼效应和生物质燃烧量之间的综合性能；
3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，启动循环流化床锅炉燃烧控制计算机的cpu读取循环流化床锅炉主蒸汽压力模型参数、主蒸汽压力目标值和最佳控制器参数，并执行“生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制程序”，通过在线测量循环流化床锅炉主蒸汽压力的实际值，实时计算循环流化床锅炉的生物质燃烧量，循环流化床锅炉燃烧自动调节控制系统根据生物质燃烧量的计算结果实时调整进入气缸内的生物质燃烧量，如此周而复始，实现生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力对目标值的自动调节控制。
本发明的有益效果主要表现在：1、生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节方法仅有一个设计参数，设计简单、容易理解、在线实施简便、实用性强；2、生物质热电联产过程循环流化床锅炉的主蒸汽压力在偏离目标值时能实现生物质燃烧量的自动调节控制，从而可以适用更复杂多样的燃烧工况，满足生物质热电联产过程循环流化床锅炉对耗汽量需求的拱给，提高生物质热电联产过程循环流化床锅炉燃烧系统运行的控制水平。
附图说明
图1为生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力实时响应曲线。
图2为生物质热电联产过程循环流化床锅炉生物质燃烧量实时曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制方法，所述方法包括如下步骤：
1)、考虑生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力与生物质燃料量的离散时间动态模型，参见式(1)：
其中，k表示控制器采样时刻；x1表示循环流化床锅炉的主蒸汽压力，mpa；x2表示循环流化床锅炉主蒸汽压力的变化速度；x3表示循环流化床锅炉主蒸汽压力的变化加速度；m表示用于燃烧的生物质燃料量，t/h；常数g表示循环流化床锅炉主蒸汽压力的稳态增益；常数t1、t2、ts和τ分别表示循环流化床锅炉汽包压力时间常数、蒸汽压时间常数、采样周期和时滞，s；
2)、根据生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节的目标值xr，计算循环流化床锅炉生物质燃料量的稳态目标值mr，参见式(2)：
mr＝xr/g(2)
3)、定义变量z1＝x1-xr和v＝m-mr，代入式(1)，建立生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力与生物质燃料量的状态空间模型，参见式(3)：
z(k+1)＝az(k)+bv(k)(3)
其中，列向量z＝[z1,x2,x3]t，上标t表示向量转置；矩阵a和b分别为
4)、给定一个参数a>0，计算生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制系统在k时刻的生物质燃烧量，参见式(4)：
m(k)＝-abtp[x1(k)-xrx2(k)x3(k)]t+mr(4)
其中，矩阵p为正定对称矩阵，通过matlab函数care计算，参见式(5)：
其中，矩阵i3为3阶单位矩阵；
5)、在线测量生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力的实时量值，根据式(4)实时计算循环流化床锅炉的生物质燃烧量，循环流化床锅炉燃烧自动调节控制系统根据生物质燃烧量的计算结果实时调整进入气缸内的生物质燃烧量，如此周而复始，实现生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力对目标值xr的调节控制目标。
本实施例为生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制过程，具体操作如下：
1、在参数设置界面中，输入生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制过程的常数值g＝5、t1＝5、t2＝90、ts＝0.25和τ＝20以及主蒸汽压力目标设定值xr＝2.5；输入控制器参数a；
2、在组态界面上点击“调试”按钮进入调试界面，启动主控计算机的cpu调用事先编制好的“生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制程序”调试确定控制器参数a，具体过程如下：根据参数a的取值与调整规则，综合考虑生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力响应的超调量、调节时间、阻尼效应和生物质燃烧量之间的综合性能，调试参数得到a＝0.005，将调试结果保存到计算机存储单元ram中；
3、点击组态界面“运行”按钮，启动生物质热电联产过程循环流化床锅炉控制计算机的cpu读取生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制过程模型参数、主蒸汽压力目标设定值和控制器参数，执行“生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力调节控制程序”，通过在线测量循环流化床锅炉的实际主蒸汽压力，调节进入循环流化床锅炉内的生物质燃烧量，实现生物质热电联产过程循环流化床锅炉对主蒸汽压力目标值xr的自动调节控制；在下一个调节周期到达时，在线测量生物质热电联产过程循环流化床锅炉的实际主蒸汽压力，之后重复整个执行过程；如此周而复始，实现生物质热电联产过程循环流化床锅炉对主蒸汽压力目标值xr的自动调节控制。
以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出优良性能的生物质热电联产过程循环流化床锅炉主蒸汽压力自动调节效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。