专利名称：：气化炉的预测型比例积分微分控制方法
技术领域：
：本发明是一种针对气化炉的预测型PID控制方法，结合常规PID控制器和预测控制方法实现对气化炉系统的有效控制，属于热化学反应工程、能动力工程和自动控制领域。
背景技术：
：煤气化是一种重要的清洁能源生产方式，气化炉则是煤气化过程的核心部件。由于涉及到许多复杂的化学反应过程，气化炉是一个复杂的多变量、大滞后、非线性及高耦合系统，且对各种扰动的影响都很敏感，其相应的控制理论和应用都不太成熟。针对气化炉的高品质控制方法是气化炉安全可靠运行的保证，也是目前气化炉在大规模应用和推广过程中亟待解决的问题。现有的气化炉控制方法主要分为两种(1)基于经典控制理论的常规控制方法，如常规的PID(比例积分微分)控制方法等；(2)基于现代控制理论的高级控制方法，如模型预测控制(MPC)等。这两种方法在实际应用中都存在不足。例如，常规的PID控制方法，虽然容易实施，但是由于其算法只是根据当前时刻和前两个采样时刻的设定值与输出之间的偏差进行计算，对于气化炉这样的大滞后对象，控制作用没有提前动作，无法获得令人满意的控制效果；而普通的模型预测控制(MPC)，由于算法的复杂性，会占据大量的控制器资源，尤其是针对气化炉这样的高耦合多变量过程，这样的控制方法难以在现有的通用控制系统的软硬件平台上实施。如果在当前时刻能预测出未来第￡个采样时刻的输出J7(/t+i)，而PID控制器能根据未来的控制偏差e("-i-j;(;t+i:)进行计算，则PID控制器能提前￡个采样周期改变控制作用，这对大滞后的气化炉过程是至关重要的。基于这样的思想，本发明提出如图1所示的预测型PID控制器(LP-PID)。
发明内容技术问题本发明的目的是提供一种气化炉预测型比例积分微分(PID)控制方法，将传统PID控制与预测控制结合，应用预测模型预测系统未来输出，使PID控制器根据未来时刻的控制偏差对气化炉进行运算，该发明是用于解决气化炉系统大滞后对象，控制作用没有提前动作，普通的控制方法难以在现有的通用控制系统的软硬件平台上实施，即气化炉被控对象难以被有效控制的方法。技术方案本发明公开一种气化炉的预测型比例积分微分(PID)控制方法，该方法的具体实施歩骤如下歩骤l:在气化炉系统的控制回路中，控制器根据变量预测器的输出量及控制系统的参考输入量，利用参考输入量减去变量预测器的输出量，初值设置为5^+"=:KA)，得到控制器的入口偏差，控制器根据入口偏差计算输出控制量"(A)，其中/t为当前采样时刻；/(々)是当前采样时刻被控过程的输出；歩骤2:利用气化炉被控过程数学模型，在获得对象纯延迟之后确定预测歩长丄，根据步骤l)的输出控制量"("，按照预测控制理论预测被控对象，获得第丄个采样时刻的预测输出值70+乙)；步骤3:将步骤2的输出值？^+"作为歩骤1中变量预测器的输出量，重复计算输出控制量"(W;步骤4:将最终的输出控制量"O)作为气化炉控制回路的控制输入，完成对气化炉的预测型比例积分微分控制。所述输出控制量"("为丰H"K(i+V;+7;/蔣)一^(i+2v:r》(/:—i)+iy^/7;啾-2)式中，尺p，7;，7;分别为比例积分微分调节器的比例增益、积分时间和微分时间；《S，w(A:—l)为当前和前一采样时刻的比例积分微分输出，e(巧,e(A:-l)，e(A:-2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻、前两个采样时刻的比例积分微分入口偏差；7;为采样时间间隔。步骤2中的被控过程的数学模型为CARIMA模型△式中，少(",m("^("分别为被控过程在&时刻的输出、输入及均值为零的白噪声序列；A=l—《—\v4(《—",5(《—"是如下后移算子g^的多项式物-')4+^+…+U-"6fl,为^多项式的系数；6,为S多项式的系数；"。为^多项式的阶数；叫为B多项式的阶数。上述步骤l)的入口偏差由参考输入和变量预测器的输出量获得，即未来时刻系统输出信号，相减获得。步骤3)重复计算输出控制量"(O次数不少于二次。预测型PID控制器(LP-PID)的计算过程为①设置变量预测器的输出初值为？(*+"=少&)。②计算PID控制器的输出控制量为"0t)。PID控制器的入口偏差为4^=/-;(A:+丄)。PID控制器的输出控制量为,="("i)"p(i+r"7;+7;/，)-^(i+2vr>("i)"2)(1)式中，a^，7;,7;分别为pid调节器的比例增益、积分时间和微分时间；w(S,m(A:—1)为当前和前一采样时刻的PID输出，^e^-l)，e(A:—2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻、前两个采样时刻的PID入口偏差；7;为采样时间间隔。③根据被控过程数学模型及上一歩计算的控制作用w(&)，预测过程在未来第丄个采样时刻的输出值;("丄)。被控过程的数学模型为如下CARIMA(ControlledAuto-RegressiveIntegratedMovingAverage,被控自回归积分滑动平均)模型1XKA)=1-0+《("/△(2)式中，K"，"("^(W分别为被控过程在A时刻的输出、输入及均值为零的白噪声序列；A^l—f1;、万(《—"是如下后移算子^1的多项式。(3)丑(f)"o—+~W,J过程输出在未来第A个采样时刻的预测值为+丄)=(g—1+丄一1)+FL)y(&)(4)式中(一)=^(《-1)=g。+g(1+...+g叔一'(5)多项式￡(^—",(《一)可通过以下Diophantine(丢番图，古希腊数学家)方程获得1=五^-')必+^^(《—')(6)式中，对于没有不稳定极点的被控过程，可取未来控制增量的次数为1，即有Aw(A:)=孝)—w(众一1)Aw(A:+/)=+/)—i/(A:+/—1)=0J(8)(/=1，2,..-,^-1)将式(8)、(5)代入式(4)可直接求得输出在未来第丄个采样时刻的预测值为5(A:+丄)=W1+1C)碎-1)+^A"W(9)式中，9"《—1)=十…+^+"(("6—1)，="("l)，,为第②步所计算的PID输出。'④根据上面所计算的输出预测+返回到第②歩进行重复计算，直至连续二次计算的PID输出基本不变为止，一般需重复计算3至5次。⑤将最终的控制信号"("作用于实际过程，确保预测型PID控制器能提前丄个采样周期动作。有益效果本发明通过结合现有气化炉控制方法的优点，提出预测型PID控制方法，在传统的PID算法基础上，应用于气化炉被控过程的控制，使控制系统提前动作，PID控制器可以根据未来时刻的控制偏差进行运算，可以有效地克服气化炉大滞后特性，显著提高控制系统品质，且底层采用常规的PID控制算法，可以方便地在现有通用控制系统软硬件平台实施，简单易行，调节效果显著。图1是本发明预测型PID控制器结构框图。图2是本发明采用预测型PID控制方法的气化炉系统实施例框图。具体实施方式本发明的具体实施步骤如下步骤l)在气化炉系统的控制回路中，控制器根据变量预测器的输出量及控制系统的参考输入量，利用参考输入量减去变量预测器的输出量，得到控制器的入口偏差，控制器根据入口偏差计算输出控制量"(A)，其中/t为当前采样时刻；步骤2)利用气化炉被控过程数学模型，在获得对象纯延迟之后确定预测歩长L，根据步骤1)的输出控制量"W,按照预测控制理论预测被控对象，获得第丄个采样时刻的输出值+丄)；歩骤3)将歩骤2)的输出值？Ot+"作为歩骤l)中变量预测器的输出量，重复计算输出控制量w(A);步骤4)将最终的输出控制量"(A)作为气化炉控制回路的控制输入，完成对气化炉的预测型PID控制。根据图1所示的预测型PID控制器结构框图，具体实施方法为①根据气化炉设计和运行参数，结合现场试验曲线，获得气化炉被控过程数学模型；②根据技术方案中所提供的歩骤进行预测型PID控制算法的编程；③将所编制程序装入控制系统存储器中；④进行预测型PID控制方法的离线和在线调试，并最终将该控制方法投运，确保气化炉被控过程可以安全稳定地运行。图2为采用预测型PID控制方法的某气化炉系统示意图。该气化炉系统的主要工艺流程为在气化炉中煤(或其它含碳能源)、水蒸汽、空气(或者来自空气分离装置的氧气)在一定的温度和压力条件下经一系列复杂的化学反应过程，转换为中低热值的煤气输出，煤气经过净化后，送入燃气轮机燃烧做功或者作为合成原料进行回收。根据工艺特点，该气化炉系统的操纵变量选取为气化炉排渣量、入口空气质量流量、给煤质量流量、入口水蒸汽质量流量以及入口石灰石质量流量(WLS);需要进行调节的四个被控变量分别为气化炉出口煤气热值、气化炉床料总质量、气化炉内煤气压力以及煤气温度。由于入炉的石灰石量和煤粉量是成比例的(l:10)，不是一个独立的操纵变量，因此整个气化炉被控过程实质上是一个4X4的多变量对象。对于气化炉系统，主要的外界扰动来自于燃气轮机工况的变化，因此，将燃气轮机的入口压力(PSINK)作为一个主要的外界扰动量。本发明提出的气化炉的预测型PID控制方法对多变量的气化炉系统进行分散控制。通过RGA(相对增益矩阵)分析、有效相对增益矩阵(ERGA)分析或者奇异值分解(SVD)等方法确定操纵变量一被控变量之间的配对关系。相对增益矩阵的计算可以按照如下的简便方法进行A=《□(《-1)其中K表示系统开环增益矩阵，表示矩阵对应元素的相乘。例如，对该气化炉在某一工况下，对系统四个输入分别做10%指令阶跃增试验，通过系统响应曲线分析，可以得到系统开环增益矩阵K<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>利用上式，可以计算在某一工况下系统的RGA如下表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根据相对增益矩阵分析的结果，可以得到方案一中操纵变量和被控变量之间的搭配关系，艮P:(1)煤气焓值由给煤量调节，煤量的改变影响产物可燃物质的成分，从而影响煤气的焓值；(2)床料由排渣量来调节，排渣量的变化影响到总的物料平衡；(3)煤气压力由空气量调节，空气量的变化可以快速改变煤气压力；(4)煤气温度由蒸汽量调节，蒸汽量的变化可以快速改变气化炉系统的温度。本发明提出的气化炉预测型PID控制方法底层的PID控制器采用增量式PID算法，基本的算法为朴"(")""i+Vt;+7;/7;)孝)一/^(i+2V:)半-i)+^V7X"2)其中u(k),u(k-l)为当前和上一时刻的PID输出，Kp,Ti，Td分别为比例增益、积分时间和微分时间；e(k)，e(k-l),e(k-2)分别为当前时亥ij、上一时刻以及前两个时刻的PID入口偏差。该PID还具有输入死区、前馈、手自动切换、跟踪、幅值限制、速率限制以及抗积分饱和等功能。以气化炉内煤气温度一入口水蒸气质量流量这一动态环节为例，首先通过系统辨识的方法，建立该动态环节的传递函数模型-44.88(245s+1)^r-srwVsj—,、z、3(16"+1)(2"+1)选取采样时间为ls，对该系统进行离散化，得到离散的动态环节模型-週6余1)+5扁#-2)-3.6262#-3)+0.87726余4)二-O層峰-l)-0.0Q22w(A:-2)+O.O022w(A:-3)+0蕭碎-4)由此便获得了该动态环节的变量预测器，可以用于预测该环节在未来时刻的输出。通过选取合适的预测歩长，便可以对该回路进行预测型PID控制。基本算法为①设置变量预测器的输出初值为;(*+丄)=^(^0。②计算PID控制器的输出控制量为"。PID控制器的入口偏差为e("=/—^(A:+I);PID控制器的输出控制量为"(":"("i)"p(i+V7;+7;/7]刚-、(i+2Vt;),-i)+、r2)式中，^，；7;分别为PID调节器的比例增益、积分时间和微分时间；"("，"("l)为当前和前一采样时刻的PID输出，e(/t)，e()t-1),e(;t-2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻、前两个采样时刻的PID入口偏差7;为采样时间间隔。③根据被控过程数学模型及上一步计算的控制作用"Ot)，预测过程在未来第丄个采样时刻的输出值^""。被控过程的数学模型为如下CARIMA模型为上面计算所得。l')yW=-1)+式中，少(A:),M(A:)，《("分别为被控过程在A:时刻的输出、输入及均值为零的白噪声序列；A二l一^"1,」(《一)，B(《一)是如下后移算子《一的多项式。j(《—')^l+a^一+…+^r一"。J物-6。+Z^-+…+k""过程输出在未来第￡个采样时刻的预测值为过程输出在未来第丄个采样时刻的预测值为-;(/t+Z)=<^(《一1)A孝+Z-1)+FLC式中&(f1)=&(f1Wf1)=g0+1+…+((""")多项式五(《一)，F(g—1)可通过以下Diophantine方程获得式中，对于没有不稳定极点的被控过程，可取未来控制增量的次数为1，即有Am(A:+/)=+/)-+/-1)=0(,=l,2,..,n)根据上面的式子，可直接求得输出在未来第丄个采样时刻的预测值为^+丄)=&)X"+8丄(《-1)A孝-1)+^一辟)式中，&i)=&++…+4"—，Aw("=--1),,为第②步所计算的PID输出。根据上面所计算的输出预测；;(;t+"，返回到第②步进行重复计算，直至连续四次计算的PID输出基本不变为止。将最终的控制信号作用于实际过程，确保预测型PID控制器能提前丄个采样周期动作。由此便完成对气化炉内煤气温度一入口水蒸气质量流量这一控制回路进行了预测型PID控制。依此类推，对气化炉其余控制回路实施本发明所提出的预测型PID控制算法。1权利要求1、一种气化炉的预测型比例积分微分控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤1在气化炉系统的控制回路中，控制器根据变量预测器的输出量及控制系统的参考输入量，利用参考输入量减去变量预测器的输出量，初值设置为<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>y</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2008101244300002C1.tif"wi="31"he="5"top="60"left="26"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>得到控制器的入口偏差，控制器根据入口偏差计算输出控制量u(k)，其中k为当前采样时刻；y(k)是当前采样时刻被控过程的输出；步骤2利用气化炉被控过程数学模型，在获得对象纯延迟之后确定预测步长L，根据步骤1的输出控制量u(k)，按照预测控制理论预测被控对象，获得第L个采样时刻的预测输出值id="icf0002"file="A2008101244300002C2.tif"wi="20"he="4"top="98"left="83"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>步骤3将步骤2的输出值id="icf0003"file="A2008101244300002C3.tif"wi="16"he="5"top="107"left="87"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>作为步骤1中变量预测器的输出量，重复计算输出控制量u(k)；步骤4将最终的输出控制量u(k)作为气化炉控制回路的控制输入，完成对气化炉的预测型比例积分微分控制。2、如权利要求l所述的气化炉的预测型比例积分微分控制方法，其特征在于所述输出控制量"("为.<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，《p，;,7^分别为比例积分微分调节器的比例增益、积分时间和微分时间；w(A:)，M^—l)为当前和前一采样时刻的比例积分微分输出，e(《,e(A:-l),e^-2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻、前两个釆样时刻的比例积分微分入口偏差;7;为采样时间间隔。3、如权利要求l所述的气化炉的预测型比例积分微分控制方法，其特征在于步骤2中的被控过程的数学模型为CARIMA模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，y(A:)，w(^)，《("分别为被控过程在A:时刻的输出、输入及均值为零的白噪声序列；A=l—《—\"是如下后移算子《—'的多项式a,为乂多项式的系数；6,为S多项式的系数；"。为乂多项式的阶数；叫为丑多项式的阶数。全文摘要气化炉的预测型比例积分微分控制方法，针对气化炉被控过程非线性、大滞后及强耦合的特点，该方法利用常规PID控制算法的鲁棒性和易实现性等优点，结合预测控制方法对大滞后对象的有效性，将预测控制思想用于常规PID控制算法中，使用变量预测器预测气化炉被控对象在L个时刻后的输出，参考输入与该变量预测器的输出相减，作为PID调节器入口偏差，通过数次计算，使得两次计算得到的控制器输出基本不变后，再将此控制作用输出，实现调节器的提前动作，在气化炉工况发生较大范围变化时，仍然取得良好的控制品质。该气化炉预测性PID算法简单，容易在现有商业控制系统软硬件平台上实施。文档编号G05B13/02GK101329553SQ200810124430公开日2008年12月24日申请日期2008年7月4日优先权日2008年7月4日发明者丁维明,向文国,吕剑虹,科吴,亮赵申请人:东南大学