基于分数阶pi动态矩阵的火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热工自动控制技术领域，涉及一种火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法， 特别涉及一种基于分数阶Pi动态矩阵的火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法。
【背景技术】
[0002] 近十几年我国经济快速发展，环境污染问题日益严重，节能降耗的需求日益强烈。 电力行业发展中，随着大容量、高参数的火力发电机组的不断建设，提高机组运行效率和热 经济性非常迫切。锅炉主蒸汽温度是影响火电厂热效率的一个重要因素，调节目的是在各 种工况下主汽温都能维持较小的波动范围，以提高主蒸汽温度的设定值，进而达到更高的 热效率。
[0003] 目前，主蒸汽温度控制基本上采用串级比例积分微分（PID)控制策略，将负荷信 号、燃料量信号、主蒸汽压力信号、给水流量信号以前馈形式引入到串级系统的副调节器 中，以实现"超前"调节。但以调节参数固定不变的PID控制器来控制主蒸汽温度这种时变 的复杂对象时，控制效果仍会很不理想，经济性难以实现最佳。
[0004] 在计算机技术快速发展的今天，很多先进控制技术和方法应用于锅炉的各种控制 中。预测控制是一种在实际工业过程中发展起来的计算机控制技术，最大优点是对模型精 度要求不高，且跟踪性能好，比较适用于复杂工业过程的控制，特别是比较适合于大滞后被 控过程的自动控制。主蒸汽温度被控对象同样是一个大迟延系统，预测控制的"超前"控 制是改善主蒸汽温度控制品质的一个有效手段。中国专利《一种火电厂主蒸汽温度控制 方法》，授权号ZL201310167926. 5,提出主蒸汽温度的动态矩阵控制一比例积分微分控制 (DMC-PID)串级控制方法。分数阶PI控制相比常规PI控制控制参数的整定范围变大，控制 器能更加灵活的控制被控对象，控制效果更好，但目前未发现将分数阶PI控制和DMC技术 相结合的方法应用于火电厂锅炉主蒸汽温度控制的文献、报导。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于分数阶PI动态矩阵的火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法， 以解决现有技术不能兼顾跟踪速度和热效率优化的问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于分数阶PI动态矩阵的火电厂锅炉主蒸汽温度控制方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤A、根据火电厂锅炉主蒸汽温度系统的阶跃响应数据建立火电厂锅炉主蒸汽 温度系统的模型；
[0009] 步骤B、根据分数阶PI动态矩阵控制算法计算减温喷水量u (k);
[0010] 步骤C、根据步骤B计算得到的u(k)调节减温喷水量，对火电厂锅炉主蒸汽温度实 施控制；
[0011] 步骤D、进入下一个时刻，返回步骤B，重复进行步骤B到步骤D。
[0012] 进一步的，所述步骤A中根据火电厂锅炉主蒸汽温度系统的阶跃响应数据建立火 电厂锅炉主蒸汽温度系统的模型，采用以下方法：
[0013] AU操作减温喷水阀门使其输入减温喷水量有一个阶跃变化，记录其阶跃响应曲 线；
[0014] A2、将Al得到的阶跃响应曲线进行滤波处理，然后拟合成一条光滑曲线，记录光 滑曲线上每个采样时刻对应的脉冲响应数据，第一个采样时刻为Ts，相邻两个采样时刻间 隔的时间为Ts，采样时刻的顺序为Ts，2TS，3TS…;截取其前面N项作预测与控制的模型，N项 后面各项均令aN+1~a N，i = 1，2,…；建立火电厂锅炉主蒸汽温度对象的模型向量a :
[0015] a = [a!，a2, ...aN]T
[0016] 其中N为建模时域，T为矩阵的转置符号。
[0017] 进一步的，所述步骤B中根据分数阶PI动态矩阵控制算法计算减温喷水量u (k)， 采用以下方法：
[0018] B1、根据火电厂锅炉主蒸汽温度对象的模型向量a建立火电厂锅炉主蒸汽温度的 动态矩阵
[0019] B2、建立未来P步主蒸汽温度校正后的预测矩阵
[0020] B3、建立未来P步主蒸汽温度期望矩阵W ;
[0021] B4、基于分数阶PI型性能指标求解出减温喷水量u (k)。
[0022] 进一步的，所述步骤M中分数阶PI型性能指标为：
[0024] 其中，J为性能指标，E为当前时刻主蒸汽温度期望输出和预测值之间的偏差， Λ E为当前时刻主蒸汽温度期望输出和预测值之间偏差的增量，E,Sk-j时刻的主蒸 汽温度期望输出和预测值之间的偏差，K41是比例系数，K a = K J/，K1是积分系数，Ts为采样周期，λ为积分阶数，γ为控制加权系数，k表示当前时刻是第几个采样周期，
,9.]是二项式系数，
T为矩阵转置符 号。
[0025] 进一步的，所述步骤M中减温喷水量u (k)为：
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[0049] I为单位矩阵，氏、H2、H3为阶跃响应数据建立的动态矩阵，Aj是k时刻的主蒸 汽温度预测误差，y(k)是k时刻的主蒸汽温度实际测量值，yp(k)是k时刻的主蒸汽温度预 测值，w(k+l)是主蒸汽温度在k+1时刻的期望输出值，w(k+2)是主蒸汽温度在k+2时刻的 期望输出值，w(k+P)是主蒸汽温度在k+P时刻的期望输出值，β为参考轨迹系数，I是主 蒸汽温度的设定值，y(k)是k时刻的主蒸汽温度实际测量值，P为预测步数，yjk+l)是无 减温喷水量增量Au(k)作用时k+Ι时刻的主蒸汽温度初始预测值，yJk+2)是无减温喷水 量增量Au(k)和Au(k+1)作用时k+2时刻的主蒸汽温度初始预测值，yJk+P)是无减温喷 水量增量Λ u (k)，Λ u (k+Ι)，…，Λ u (k+Μ-Ι)作用时k+P时刻的主蒸汽温度初始预测值， u (k-Ν+Ι)是k-Ν+Ι时刻减温喷水量，u (k-N+2)是k-N+2时刻减温喷水量，u (k-N+P)是k-N+P 时刻减温喷水量，Λ u (k-N+2)是k-N+2时刻减温喷水量增量，Λ u (k-N+3)是k-N+3时刻减 温喷水量增量，Au(k-l)是k-1时刻减温喷水量增量，w(k+l-j)是主蒸汽温度在k+1-j时 刻的期望输出值，w(k+2-j)是主蒸汽温度在k+2-j时刻的期望输出值，w(k+P-j)是主蒸汽 温度在k+P-j时刻的期望输出值，yJk+1-j)是无减温喷水量增量Au(k)作用时k+1-j时 刻的主蒸汽温度初始预测值，yJk+2-j)是无减温喷水量增量Au(k)和Au(k+1)作用时 让+2-」时刻的主蒸汽温度初始预测值，1&+?-」）是无减温喷水量增量厶11(1〇，厶11〇^1)，··· ，Λ u(k+M-l)作用时k+P-j时刻的主蒸汽温度初始预测值。
[0050] 本发明提供一种兼顾跟踪速度和热效率优化的火电厂主蒸汽温度控制方法，本发 明采用以上技术方案与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0051] 1、本发明能快速且无超调的跟踪主蒸汽温度设定值，同时具有较强的负荷变化适 应能力和干扰抑制能力，可以提高主蒸汽温度的设定值来提高热效率，使整个主蒸汽温度 控制过程兼顾跟踪性能和热效率。
[0052] 2、火电厂锅炉主蒸汽温度30%负荷、44%负荷、62%负荷、88%负荷和100%负荷 五个不同工况Matlab仿真控制试验表明，本发明分数阶PI动态矩阵控制方法控制精度高， 跟踪速度快且无超调，稳态误差小，负荷变化适应能力和干扰抑制能力较强。且能通过适当 调整比例系数K41、积分系数K1、积分阶次λ使减温喷水量在保持主蒸汽温度控制精度同时 更加平滑，有利于现场执行机构的保护，同时参数K4^Kp λ具有明显的工程意义，非常适用 于工业现场。
[0053] 3、本发明方法将分数阶PI算法和动态矩阵控制技术相结合，具有分数阶PI控制 和动态矩阵控制各自的优点，同时克服了动态矩阵控制离线参数调节不便的缺点。
【附图说明】
[0054] 图1为本发明方法的流程图；
[0055] 图2为本发明方法的原理示意图；
[0056] 图3为【具体实施方式