基于多变量pid-pfc的锅炉燃烧系统控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锅炉燃烧系统控制的技术领域，特别是基于多变量PID-PFC的锅炉燃 烧系统控制方法。
【背景技术】
[0002] 当今社会科学技术水平越来越高，燃气锅炉本身具有众多的优越特性，而且其控 制简单，方式相当灵活，运送与装配都方便易行，因此其具有相当明朗的应用前景，是必然 的未来趋势。锅炉系统可以看作是多输入多输出(Μπω)的复杂模型，文献[张振兴，丁宝，燃 气热水锅炉智能控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006:14-21.Karnopp D C， Margolis D L ? Rosenberg R C. System d-ynamics；mode ling and simulation of mechatronic systems[M] .New York: John Wiley and Sons Inc，2000:46_52·]分析了其 动态特性，结果表明锅炉系统可以相对的分为三个分别独立的系统模型：1)锅炉燃烧系统， 2)蒸汽发生系统，3)蒸汽过热系统。
[0003] 在如今实际应用领域，后两个系统模型的控制方法已经相对成熟，趋于完善，但是 锅炉燃烧系统的控制却不尽如人意，因为它是一非线性时变多变量系统，且其强耦合、扰动 剧烈并幅值变化相当大。文献[谷洋洋，李来春，张绍娟，等.基于智能PID控制的燃气锅炉燃 烧控制系统研究[J].热能动力工程，2015，30(3) :413-416.]的PID控制方法是比较早期的 理论方法，相对难实现有效控制需求。文献[Satoru Gotoa，Masatoshi Nakamura，Shiro Matsumura.Aut-0matic realization of human experience for controlling variable pressure boilers[J].Control Engineering Practice，2002，10:15-22·]进一步 有针对性设计了混合式智能控制方法，将PID、专家和前馈三种控制结合起来，融合三者优 势于一身，发挥各自优势，但是该方法仍存在计算过程复杂、耗时长等的缺点。
[0004] 预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。其适用于不易建立精 确数字模型且动态过程复杂的工业生产，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已 在石油、化工、冶金、机械等工业部门的控制系统中得到了成功的应用。电机系统是个典型 的多变量、强耦合、动态过程复杂的控制系统，同样难于建立精确的数学模型，但同时又是 一个快速系统，传统的预测控制在线计算量大，实时性差，可能伴随不明的控制规律，不适 用于感应电机的转速控制。在这种背景下，预测函数(PFC)控制方法应运而生，其基于预测 控制的基本原理发展而来，其详细内容可参见文献[王树青，金晓明.先进控制技术应用实 例[M].北京，化学工业出版社，2005.]。预测函数与预测控制方法的基本原理基本相同：模 型预测、滚动优化、反馈校正。其与预测控制的最大区别是注重控制量的结构形式，认为控 制量是一组预先选定的基函数的线性组合。在国外，PFC已经在工业机器人的快速高精度跟 踪、军事领域的目标跟踪等快速系统中得到了成功的运用。但目前尚未发现将PID和预测函 数控制结合并推广到多输入、多输出系统，并将方法应用于锅炉燃烧系统控制的文献、报 导。针对PID控制的不足，文献[Sheng Wu，Ridong Zhang，Renquan Lu，Furong Gao.Design of dynamic matrix control based PID for residual oil outlet temperature in a coke furnace[J].Chemometrics and Intell-igent Laboratory Systems，2014(134): 110-117 .]提出一种基于PID控制的DMC控制算法，其结构相对简单，易于控制，其较好弥补 PID算法不足，但是仍有参数量较大，造成计算量大且计算耗时也较长的不足。文献 [Havlena V，Findejs J.Application of model predictive control to advanced combustion control[J].Control Engi-neering Practice，2005，13(6):671-680·]进一 步提出预测控制算法解决锅炉燃烧系统的蒸汽压力控制问题，而且较好应对了空燃比的问 题，该文献中控制算法将自回归模型(ARX)应用其中。现实应用中找到较为理想空燃比是很 难的，因此这种传统控制方法在燃料热设定值发生剧烈跳变时无法实现的。同时，文献[朱 玉璧，程相利，陶新建，等.智能控制在锅炉燃烧优化中的应用[J].中国电机工程学报， 2008,28(11) :82-86.]针对锅炉燃烧系统有效控制燃烧的过程，设计了一种非线性模型预 测控制算法，优化了算法。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供基于多变量PID-PFC的 锅炉燃烧系统控制方法，本发明将多变量PID和预测函数控制相结合，得到一种可应用于多 输入多输出系统的新型控制方法，将该方法引入到锅炉燃烧控制系统中来替代传统的PID 控制器;本方法不仅能够在锅炉燃烧系统稳态运行中提高系统运行效率，也可以在进行效 率优化的同时提高系统的响应速度，使得锅炉燃烧系统在整个运行过程中都能兼顾效率与 响应性能。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007] 根据本发明提出的基于多变量PID-PFC的锅炉燃烧系统控制方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1、将基于锅炉燃烧系统的数学模型转化为状态空间方程，得出系数矩阵Am、 Bm、Cm;
[0009]步骤2、根据下式计算控制量向量u(n):
[0010] u(n) = (RP+Ri+Rd)Tfn(0)
[0011] 其中：
[0021]其中，上标T是矩阵转置，fn(0)表示基函数在时间为0时的值，KP、Ki、Kd分别为广义 比例项系数、积分项系数和微分项系数;fw(i)为选定的基函数，i是整数且1 < i <ns，f为基 函数的值构成的矩阵，j为1到J之间整数，J是基函数的阶数;Q和R分别表示误差加权矩阵和 控制加权矩阵;q_$Pq_ 2为延时算子;ns为优化时域拟合点的个数，hi为第i个拟合点上的数 值;yp(n)为当前时刻该锅炉燃烧系统的三个输出量构成的向量，三个输出量分别为：主蒸 汽压力、氧含量和炉膛负压;C(n)为工程中设定的该锅炉燃烧系统的三个输出量构成的向 量，三个输出量分别为主蒸汽压力、氧含量和炉膛负压;T。是采样时间，T r是参考轨迹的期望 响应时间，I是单位矩阵，Xm(n)是第η时刻模型状态值；
[0022]步骤3、将控制量u(n)以可执行文件的形式加载到DSP的RAM中，DSP的CAP 口捕获单 元读取位置信号，控制量经过多变量PIDPFC控制器后得到锅炉燃烧系统的三个输出量的实 际值，这三个输出量分别为：主蒸汽压力、氧含量和炉膛负压；将这三个输出量的实际值与 预设的这三个输出量的参考值进行比较得到偏差，通过其偏差反馈调整控制量，从而控制 锅炉燃烧系统的运行。
[0023]作为本发明所述的基于多变量PID-PFC的锅炉燃烧系统控制方法进一步优化方 案，所述状态空间方程为：
[0025] 其中，Ym(k)为k时刻模型预测输出向量，Xm(k)为k时刻模型状态值向量，U(k-l)为 (k_l)时刻控制输入向量，Am、Bm、Cm为矩阵方程系数矩阵。
[0026] 作为本发明所述的基于多变量PID-PFC的锅炉燃烧系统控制方法进一步优化方 案，步骤2中基函数f (i)为单位阶跃函数。
[0027]作为本发明所述的基于多变量PID-PFC的锅炉燃烧系统控制方法进一步优化方 案，单位阶跃函数的阶数J为1。
[0028] 作为本发明所述的基于多变量PID-PFC的锅炉燃烧系统控制方法进一步优化方 案，所述~为5。
[0029] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以