一种通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测控制的方法
【专利摘要】本发明公开了一种通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测控制的方法，该方法将火电机组再热汽温系统看出一个2×1的多变量系统，基于新型性能指标，设计多变量预测控制器，同时控制再热汽温减温喷水阀门开度和烟气挡板开度。在该性能指标中，一方面基于对单步预测偏差及预测偏差变化率的要求，简化算法，实现快速控制，还能通过调整预测长度和预测偏差变化率权值有效调整控制系统的控制性能，另外一方面在指标中加入了减温喷水阀门开度的动态限制，该部分性能参数在控制过程中自适应变化，在提升再热汽温控制质量的同时，可减少喷入再热蒸汽的减温水量，有效提高机组的循环效率。
【专利说明】一种通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测控制的方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热工自动控制【技术领域】，具体涉及一种通过性能指标实现再热汽温多 变量协调预测控制的方法。
【背景技术】
[0002] 再热汽温是火电厂热力系统中的重要参数，再热汽温控制品质的优劣直接影响到 整个机组的安全和经济运行，再热汽温控制系统是机组的重要控制系统之一。然而无论采 用蒸汽侧控制还是烟气侧控制，再热汽温对象都具有较大的延迟和惯性，再热汽温较难控 制。目前，考虑到烟气挡板调节的可控性和精度都较差，一般采用两个独立的PID控制器分 别实现蒸汽侧和烟气侧的调节，其中蒸汽侧的调节作为辅助调节。这种控制方法，一方面针 对大惯性的再热汽温对象控制效果较差，同时蒸汽侧和烟气侧无法实现协调控制，蒸汽侧 的减温喷水会影响机组的经济性。
[0003] 也有一些先进控制策略的再热汽温控制方案，比如单变量预测控制、普通多变量 预测控制等。但是这些方法一方面算法复杂，计算量大，无法实现工程在线应用，另外一方 面控制算法中缺乏有效的控制参数对系统控制性能进行调节，不利于工程应用。同时，这些 方法没有考虑机组的经济性，蒸汽侧减温喷水量无法优化，不能够实现蒸汽侧和烟气侧的 协调控制。
【发明内容】
[0004] 发明目的：针对上述问题，提出一种通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测 控制的方法，可以解决再热汽温调节动静态偏差大，蒸汽侧喷水量无法优化，影响机组经济 性，以及普通预测控制计算量大，无法实现在线控制，缺乏有效控制参数对控制系统性能进 行调节等问题。
[0005] 技术方案：本发明提出一种新型性能指标，据此设计多变量预测控制器，并将其应 用于再热汽温的控制系统中。在该指标中以烟气侧调节为主，协调控制烟气侧挡板开度和 蒸汽侧减温喷水阀门开度量；指标中主要考虑再热汽温的单步预测偏差和预测偏差变化率 的关系，同时在指标中添加蒸汽侧减温喷水阀门开度量的自适应限制，在控制过程中动态 优化蒸汽侧减温喷水量，在保证再热汽温控制品质的同时，实现机组的经济运行。
[0006] 本发明的实现步骤如下：
[0007] 步骤1 :获取再热汽温对象的阶跃响应模型，在稳态的工况下，分别作减温喷水阀 门开度和烟气挡板开度的开环阶跃响应试验，获取系统响应数据，使用阶跃响应模型辨识 方法，辨识得到减温喷水阀门开度一再热汽温和烟气挡板开度一再热汽温的传递函数模 型；
[0008] 步骤2 :选择采样周期T，T首先满足香农定理，然后使T95/T取值 在10到25之间，Τ95为再热汽温过渡过程上升到95 %的调节时间，通过对 步骤1中的传递函数模型进行离散化，得到再热汽温对象的CARIMA模型为： A(z l)y(k) = [Bx(z ') B2(z 1)
【权利要求】
1. 一种通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测控制的方法，其包括以下步骤： 步骤1 :获取再热汽温对象的阶跃响应模型，在稳态的工况下，分别作减温喷水阀门开 度和烟气挡板开度的开环阶跃响应试验，获取系统响应数据，使用阶跃响应模型辨识方法， 辨识得到减温喷水阀门开度一再热汽温和烟气挡板开度一再热汽温的传递函数模型； 步骤2 :选择采样周期T，T首先满足香农定理，然后使T95/T取值在10到25之间，T95为 再热汽温过渡过程上升到95%的调节时间，通过对步骤1中的传递函数模型进行离散化， 得到再热汽温对象的CARIMA模型为：廣z
式中雄'} = 1·?
<?ζ 1 , Βχ(ζ ι)=
bLiz 1 , Β2(? ι)=
yz ^，ζ-1 为后移算子，Δ = l-厂1，y(k)为k时刻的再热汽温测量值，Ul(k-1)为k-1时刻减温喷水阀门开度控制量， u2(k-l)为k-Ι时刻烟气挡板开度控制量，ε (k)为白噪声，&1、1^、1^分别为多项式4(厂1)， 131(2-1)和132(2-1)中厂 1的系数，11￡1、11131、11132分另1|为多项式八（2 -1)，131(2-1)和132(2-1)的阶次 ； 步骤3 :根据丟番图方程1 = A(厂1) Λ +ζ-$(ζ，解得控制变量多项式： Ejiz l)--
^jZ 1 , F^z ')=
% 其中 分别为多项式 E^z-1) ^(z-1)中 z_i 的 系数，j = N-l，N，N为预测时域长度，其选择需大于再热汽温系统的纯延迟时间； 步骤 4 :定义多项式 G;(z-^ = ? G〗(z-3 = ? 求得：
；X " ... 1 G;(z--) = g)jZ-1 ,
，式中，g;·,，gL 分别为多项式 和 G^Z...|)中厂1 项的系数；定义 _/) =
:uy(k-ih
?'/： Δμ,(Ι-0+
己、Δη办-/)，式 中，Aujk-i), i = 1···ηΜ，Au2(k-i), i = 1…nb2分别表示在k-i时刻减温喷水阀门开度 和烟气挡板开度的输出控制量的增量，j = N-1，N ; 步骤5:按下式对再热汽温系统未来第k+N-1和k+N时刻的输出进行预测： y (k+j | k) = G」· Δ U+fj (j = N-1. N),式中，y (k+j | k)为未来k+j时刻再热汽温预 测值，Gj为一维行向量，其中=[&」>Λ :t Gx - [gv_ % ...| , · * 'gX X ^χει, ? ιΛ：....11 * % ^Λ\：ν--Λ;ι?： 丨，Nu^Ni^分别为减温喷水阀门开度和烟气挡板开 度的控制时域长度；AU = [Aujk)，…，Aujk+Nufl), Au2(k),…，Au2(k+Nu2_l)]，其中 AUiGi+i), i = 0…Nufl，Au2(k+i), i = 0…Nu2_l分别表示在k时刻对未来k+i时刻减 温喷水阀门开度和烟气挡板开度输出控制量增量的估计值； 步骤6 :根据新型性能指标：+ Μ + +
?# + /)，计算减温喷水 阀门开度控制量增量△ + 〇〇和烟气挡板开度控制量增量△%〇〇 ; 式中，e(k+N) =y(k+N|k)-}^(k)为第k+N时刻的预测偏差，式中yjk)为再热汽温在k 时刻的设定值；对应e (k+N-1)为k+N-1时刻的预测偏差；ce (k+N) = e (k+N)-e (k+N-1)为 k+N时刻的预测偏差变化率；Ul(k+i)为k+i时刻减温喷水阀门开度控制量的估计值； 入，和λ9为控制参数，般取值范围为[〇,5]，\2按下式在过程控制中自适应变
h为系数，取值范围为[0,1]，将步骤5中的未来预测值带入上 述性能指标中，并通过极值必要条f
= 〇求得： AU = _(ΡΤ · P+QT · RT · R · Q)-1 · [h · P+uJk-l) · LT · RT · R · Q]T， 式中，P = GN+ λ i · GN- λ i · Gh, h = fN-yr (k) + λ i · (ffD , I =[1,1,,
Q2 为 NUl XNu2 零矩阵，Q = [Qu Q2]，
步骤7 :计算减温喷水阀门开度控制量+仏）luJk-D + AuJk)，和烟气挡板开度控制 量112(1〇=112(1^-1) +厶112(1〇，式中，111(1^-1)和112(1^-1)分另1|为减温喷水阀门开度和烟气挡 板开度在k-Ι时刻的对应控制量； 步骤8 :根据执行机构限制及实际运行情况，设定控制量约束，减温喷水阀门开度约束 上下限为[%，_，111，_￡]，烟气挡板开度约束上下限为[112，_，11 2，_￡]，如果1^(1〇>1^，_，则令 屮00 =\·，八屮⑵=ui;眶-UiQi-l);如果屮⑵<11^，则令屮⑵=1^_，八屮〇〇 = Ui,mm-Ui(k-1), i = 1, 2 ； 步骤9 :控制系统输出Ul(k)和112(1〇到相应执行机构，在之后的每个采样周期内重复 执行步骤5到步骤9。
2. 根据权利要求1所述通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测控制的方法，其特 征在于：该预测控制系统预测时域长度N选择上只需大于纯延迟时间，同时控制时域长度 Nu取[1，5]之间内的数值。
3. 根据权利要求1所述的的一种通过性能指标实现再热汽温多变量协调预测控制的 方法，其特征在于：通过调节预测时域长度N来有效调节控制系统的快速性，通过调节控制 参数λ 1有效调节控制系统的稳定性。
【文档编号】G05D23/00GK104102134SQ201410351300
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】雎刚, 钱晓颖, 陈欢乐 申请人:东南大学