多变量广义预测控制优化的循环流化床锅炉燃烧过程控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于锅炉燃烧过程控制技术领域，设及一种多变量广义预测控制优化的循 环流化床锅炉燃烧过程多变量比例积分微分（PID)控制方法，尤其是一种多变量广义预测 控制优化的循环流化床锅炉燃烧过程控制方法。
【背景技术】
[0002] 循环流化床锅炉（CFBB)具有燃料适应性广、低污染燃烧、负荷调节能力强等优 点，近年来在发电、供热、炼钢、化工等行业中得到越来越广泛的应用。燃烧过程是循环流化 床锅炉的一个主要系统，燃烧过程的控制品质直接影响到循环流化床锅炉运行的安全性与 经济性。
[0003] 目前循环流化床锅炉燃烧过程的控制方法基本采用传统多变量比例积分微分 (PID)控制，PID控制具有实施方便、模型依赖性低、原理简单等优点，但由于燃烧过程具有 强禪合、多变量、慢时变、大滞后等复杂特性，传统多变量PID的控制质量不高，导致锅炉燃 烧效率低、磨损严重和厂用电高等问题，很难适应节能减排W及环境保护的需求。
[0004] 广义预测控制（GPC)是一种先进的计算机控制技术，适用于难W建立精确的数学 模型且动态过程复杂的工业生产过程。循环流化床锅炉燃烧过程是一个典型的多变量、强 禪合、非线性、动态过程复杂的控制系统，同样难W建立精确的数学模型。中国专利"一种循 环流化床锅炉燃烧过程多变量控制方法"，申请号CN201110422623. 4,公开了一种循环流化 床锅炉燃烧过程多变量广义预测控制方法，运种单纯的多变量广义预测控制方法虽然在理 论上能够提高燃烧过程控制品质，但由于该控制方法建立在约束优化问题描述和求解的基 础上，对计算机的环境和培训维护成本较高，不如多变量PID控制器形式简洁、易于理解和 掌握，实施难度大，难于实际应用到循环流化床锅炉燃烧过程控制中。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对多变量广义预测控制方法的应用不足之处，提供一种多变量 广义预测控制优化的循环流化床锅炉燃烧过程控制方法，该方法将多变量广义预测控制和 多变量PID控制技术结合，控制品质高、形式简单、实现方便，尤其适用于具有强禪合、多变 量、慢时变、大滞后等复杂特性的循环流化床锅炉燃烧过程的控制。
[0006] 为解决现有技术的上述技术问题，本发明采用W下技术方案：
[0007] -种多变量广义预测控制优化的循环流化床锅炉燃烧过程多变量PID控制方法， 其特征在于该方法包括W下步骤：
[0008] 步骤1、初始化循环流化床锅炉燃烧过程控制器设计参数：床溫、主蒸汽压力和炉 膛出口烟气含氧量预测步数Pi、？2、P3,床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量控制加权 系数ri、。、床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量参考轨迹系数01、02、03,多变量 渐消记忆递推最小二乘法辨识初值與巧、P(〇)，遗忘因子μ;
[0009] 步骤2、根据采集的循环流化床锅炉燃烧过程的过程变量数据，通过多变量渐消记 忆递推最小二乘法辨识建立燃烧过程的模型；
[0010] 步骤3、根据多变量广义预测控制的特性对PIDi、ΡΙ〇2、PI化控制器参数进行优化 整定，并将整定结果解禪；
[0011] 步骤4、根据步骤3得到的ΡΙ化、ΡΙ〇2、ΡΙ化控制器参数，分别构成控制量控制给煤 量、一次风量和二次风量，进而控制床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量；
[0012] 步骤5、进入下一个时刻，返回步骤2,重复进行步骤2到步骤5的过程。
[0013] 上述的步骤3的具体过程为：
[0014] 3-曰、根据丢番图方程组计算后移算子q1的多项式巧、听听听、巧、巧、巧.'=U、；
[0015] 3-b、建立循环流化床锅炉燃烧过程k+j时刻床溫预测值yip(k+j)、k+j时刻主蒸汽 压力预测值y2p(k+j)和k+j时刻炉膛出口烟气含氧量预测值y3p化+j);
[0016] 3-C、建立床溫多步预测值Yi，主蒸汽压力多步预测值Y2,炉膛出口烟气含氧量多 步预测值Y3;
[0017] 3-t建立床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量的目标函数Ji化)、J2化)、 山化)，床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量的控制步数Mi、M2、M3值取1 ;
[001引 3-e、将给煤量增量Δι?ι化)、一次风量增量Δι?2化)、二次风量增量Au3(k)形式进 行变换，代入目标函数Ji化)、J2化)、山化）中进行优化，并将优化结果进行解禪处理，得到公 式：
[0019]
[003引 ei化)、ei化-1)、ei化-?分别是k时刻、k-1时刻、k-2时刻床溫参考轨迹值和实 际值之间的误差；θ2化)、θ2化-1)、θ2化-2)分别是k时刻、k-1时刻、k-2时刻主蒸汽压力参 考轨迹值和实际值之间的误差；化)、化-1)、化-2)分别是k时刻、k-1时刻、k-2时刻 炉膛出口烟气含氧量参考轨迹值和实际值之间的误差；ri，。为控制加权系数；马是k时 刻床溫预测误差，焉是k时刻主蒸汽压力预测误差，是k时刻炉膛出口烟气含氧量预测误 差；hi、h2、h3为床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量预测误差校正矩阵；f1、f2、f3为床 溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量自由运动项；Pi、？2、P3为床溫预测步数、主蒸汽压力 预测步数和炉膛出口烟气含氧量预测步数，Pi、P2、P3取值不同；Μ1、M2、Ms为床溫、主蒸汽压 力和炉膛出口烟气含氧量的控制步数；ri、。、。为床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量 的控制加权系数；Ylf、Y2f、Y3f为床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量不同时刻参考轨迹 值组成的矩阵；yir(k4)、Yzr化+j)、y3r化+j)为k+j时刻床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气 含氧量参考轨迹的值；β1、β2、03为床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量参考轨迹系 数；k时刻床溫设定值为似、y2s似、y3s(k)分别为k时刻床溫、主蒸汽压力、炉膛出口烟 气含氧量设定值；yi(k)表示k时刻床溫的实际输出，y2(k)表示k时刻主蒸汽压力的实际 输出，Y3化）表不k时刻炉膛出口烟气含氧量的实际输出；Ii，I2,13为单位矩阵；AU1(k-1)、 A%化-1)、A1I3化-1)分别表示k-1时亥Ij的给煤量增量、一次风量增量和二次风量增量。
[0036] 3-f、利用步骤3-e公式计算k时刻PI化、ΡΙ〇2、PI化控制器的参数：
[0037]
[0038]其中，Vi似=[V1。似，V。似，V。似]Τ，Vz似=[V2。似，V21似，V22似]Τ， V3化）=[V 30化)，V 31化)，V 32化)]T;k P1化）、kii化）、k"化）是k时刻给煤量的PIDi控制器 的比例、积分、微分系数；kp2化)、ki2化)、kd2(k)是k时刻一次风量的ΡΙ〇2控制器的比例、积 分、微分系数；kp3化)、ki3化)、kd3(k)是k时刻二次风量的ΡΙ化控制器的比例、积分、微分系 数。
[0039]在上述步骤4中，k时刻的给煤量、一次风量和二次风量为：
[0043] 其中，Ui化)、％化)、叫似分别表示k时刻的给煤量、一次风量和二次风量， Ui化-1)、％化-1)、1?化-1)分别表不k-1时刻的给煤量、一次风量和二次风量。
[0044] 在上述步骤3中，所述的床溫、主蒸汽压力和炉膛出口烟气含氧量的预测步数Pi、 Ρζ、Ρ池