一种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，该方法通过预测机炉协调系统负荷参数的变化趋势并提前调整汽机阀门开度、燃料量和总给水流量，能够较好地克服机炉协调系统大惯性、大延迟的特点，提高控制系统对机组负荷变化的响应速度，改善系统的动态调节品质；在预测控制器中引入输入加权因子，采用当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度预测控制量的加权平均作为实际预测控制器的控制量，对控制输入起到柔化和滤波作用，能较好地抑制系统输入的振荡，具有较好控制效果。
【专利说明】
-种基于改进输入加权预测控制器的机妒协调控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，属于热能动 力工程和自动控制领域。
【背景技术】
[0002] 火电机组朝着高参数、大容量方向不断发展，同时火电机组自动化水平和控制性 能的提高也日益迫切。超临界机组协调控制系统的主要任务就是把汽轮机和锅炉作为一体 进行控制，使机组满足快速响应负荷指令的要求。火电机组机炉协调系统是被控特性非常 复杂的过程，具有非线性、大时延、强禪合的特点，其模型参数随工况负荷的变化而大幅度 变动。WPID控制为基础的常规控制方案却无法达到令人满意的调节效果，导致大幅变工况 下控制品质变差，影响机组正常运行的经济性和安全性。因此采用先进的控制方法，研究火 电机组机炉协调控制的优化策略，对提高火电机组的整体自动化水平，保证机组安全可靠 运行具有重要意义。
[0003] 预测控制最早于1978年被提出来，是建立在W脉冲响应模型为基础上的模型预测 启发式控制或称为模型算法控制。预测控制的出发点与传统PID控制不同:通常的PID控制， 是根据过程当前的和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入，而预测控 制不但利用当前的和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，W滚 动确定当前的最优输入策略。因此，从基本思想看，预测控制优于PID控制。由于运类W非参 数模型为基础的预测控制算法具有建模简单、实现容易和鲁棒性好等优点而得到广泛应 用，取得显著的经济效益。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于改进输入加权 预测控制器的机炉协调控制方法，该方法能较好地抑制系统输入的振荡，具有较好控制效 果，能够有效改善协调控制系统的品质。
[0005] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，包括控制系统和预测控 制器，在预测控制器中引入输入加权因子，采用当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度 预测控制量的加权平均作为实际预测控制器的控制量，预测控制器根据该控制量得到控制 增量，控制系统根据该控制增量得到预测输出实现机炉的协调控制。
[0007] 优选的：当前时刻k实际预测控制器的控制量ui化)为：
[0008；
[0009]其中，Nu表示控制时域长度，U化+j-1)表示第k+j-1时刻的预测控制量，丫（j)表示 控制时域长度下第j个加权因子。
[0010]优选的:控制时域长度下第j个加权因子Y (j)的大小如下表示：
[001U (l)当丫（l) = l,丫（j)=0,k = 2,3,...,Nu时，u(；k)=u(k-l)+Au化）。Au(k)表示k 时刻系统对未来控制时域长度的控制增量，此时，改进的输入加权预测控制器为常规预测 控制器。
[0012] (2)当丫（ 1) = 1，〇< 丫（ j)《1，k = 2，3，…，Nu时，改进的输入加权预测控制器能抑 制U化)的振荡。
[0013] 具体包括W下步骤：
[0014] 步骤1:根据超临界机组特性设置控制系统的输入参数和输出参数，输入参数包括 汽机阀口开度、燃料量、总给水流量。输出参数包括负荷、分离器溫度、主汽压力。
[0015] 在稳定工况下，分别W汽机阀口开度、燃料量、总给水流量为阶跃量，获取负荷、分 离器溫度、主汽压力的阶跃响应值，并得到对应的阶跃响应系数如咕…，4,其中，i表示第 i个阶跃响应模型，N表示阶跃响应的时域长度。
[0016] 步骤2:设置预测控制器的相关参数，包括优化时域P、控制时域M、误差权矩阵Q、控 制权矩阵R。
[0017] 步骤3:控制系统的预测输出由公式Ym化）=A- AUm化)+Y。化)可得，其中，Ym化)表 示k时刻控制系统对未来时刻的预测输出向量。YD(k)表示k时刻控制系统对未来时刻的预 测初值向量。A Um化)表示k时刻系统对未来时刻的控制增量向量。A表示由步骤1中的阶跃 响应响应系数组成的动态矩阵。
[0018] 步骤4:在稳定工况下，采集控制系统当前时刻负荷、分离器溫度、主汽压力的测量 值y化)。将测量值赋给控制系统的预测初值及预测输出作为初始状态，即：
[0019] Ym化）= [ym化+l)ym化+2)...5?化+P)]T = y化）? Iixp。
[0020] Y〇(k) = [y0(k+l)y0化+2)...y0(k+P)]T = y(k) ? Iixp。
[00別]其中，ym化+P)表示k+P时刻的控制系统的预测输出，y。化+P)表示表示k+P时刻控制 系统对未来时刻的预测初值，IiXP表示1 X P的全1矩阵。
[0022] 步骤5:根据步骤2设置的预测控制器的相关参数W及步骤4得到的k时刻控制系统 对未来时刻的预测输出向量Ym化)和k时刻控制系统对未来时刻的预测初值向量Y。化)选取 性能指标：
[0023] _ _
最小，J化)表示性能 指标，即
'求得预测控制器控制增量向量A Um化）。
[0024] 其中，W化)表示未来时刻的目标设定值向量，是预先设定的。
[0025] 控制增量向量：AUm化）=[Au化）Au化+1)…Au化+M-1)]t。
[00%] 根据公式U化）=U化-I)+A U化)求得未来控制时域长度的控制量U化+j-1) J = I，
[0027]其中，A U化)表示k时刻系统对未来控制时域长度的控制增量，U化+j-1)表示k时 刻系统对未来控制时域长度的控制量。
[0028] 将当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度预测控制量的加权平均作为实际预 测控制器的控制量。根据步骤3中的预测输出公式计算并更新控制系统的预测输出Ym(k+ Do
[0029] 步骤6:采集控制系统在k+1时刻的实际输出y化+1)和系统预测输出Ym(k+1)比较 得到输出偏差e化+1)，并用输出偏差修正控制系统的预测输出Ym化+1)。即将修正后的预测 输出值初始化k+1时刻时的控制系统预测初值Yd化+1)，反复执行步骤5到步骤6,进行控制 系统输出的预测和修正，将修正后的预测输出反馈给控制系统实现机炉的协调控制。
[0030] 所述步骤3中阶跃响应响应系数组成的动态矩阵A:
[0031]
[0032] ；
[0033]
[0034] 其中，m表示第m个控制变量，上述矩阵的每一行向量[a,為诚]表示k时刻系 统输出对第i控制输入的阶跃响应系数。
[0035] 优选的:所述阶跃响应的时域长度N取20~50。
[0036] 优选的：优化时域P选择等于过程单位阶跃响应达到其稳态值所需过渡时间的一 半所需的采样次数。
[0037] 优选的:控制时域长度M取小于10。
[0038] 优选的：控制时域长度M选择方法为。
[0039] O
[0040] 有益效果：本发明提供的一种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方 法，相比现有技术，具有W下有益效果：
[0041] 采用动态矩阵控制能够较好地克服机炉协调系统大惯性、大延迟的特点，提高控 制系统对机组负荷变化的响应速度，改善系统的动态调节品质。在预测控制器中引入输入 加权因子，采用当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度预测控制量的加权平均作为实际 预测控制器的控制量，对控制输入起到柔化和滤波作用，能较好地抑制系统输入的振荡，具 有较好控制效果。
【附图说明】
[0042] 图1是基于改进输入加权预测控制框图。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实例仅用于说明本 发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种 等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0044] -种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，针对传统PID控制无法 解决的机炉协调控制系统大惯性、大延迟的问题，采用动态矩阵控制策略，并对预测控制器 加入输入加权因子，具有先进性，实用性强，鲁棒性好。如图1所示，包括控制系统和预测控 制器，在预测控制器中引入输入加权因子，采用当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度 预测控制量的加权平均作为实际预测控制器的控制量，预测控制器根据该控制量得到控制 增量，控制系统根据该控制增量得到预测输出实现机炉的协调控制。
[0045] 具体包括W下步骤：
[0046] 步骤1:根据超临界机组特性设置控制系统的输入参数和输出参数，输入参数包括 汽机阀口开度、燃料量、总给水流量。输出参数包括负荷、分离器溫度、主汽压力。
[0047] 在稳定工况下，分别W汽机阀口开度、燃料量、总给水流量为阶跃量，获取负荷、分 离器溫度、主汽压力的阶跃响应值，并得到对应的阶跃响应系数。;'，如…，。:V，其中，i表示第 i个阶跃响应模型，N表示阶跃响应的时域长度。阶跃响应系数ai(i = l，2,…，N)尽可能平滑 变化，所WN取20~50。
[004引步骤2:设置预测控制器的相关参数，包括优化时域P、控制时域M、误差权矩阵Q、控 制权矩阵R。
[0049] 优化时域P选择等于过程单位阶跃响应达到其稳态值所需过渡时间的一半所需的 采样次数。
[0050] 控制时域长度M取小于10为宜，一般选择规律为
[0051]
系统输出量与输入量之间的关系 比较简单的过程;系统输出量与输入量之间的关系比较复杂的过程。
[0052] 所述误差权矩阵Q = diag(qi，Q2，.. 'qp)。91，Q2，.. 'qp表示误差权参数。
[OOM] 所述控制权矩阵R = diag(;ri,r2, ...TM) Ji，r2,…TM表示控制权参数。
[0054] 步骤3:控制系统的预测输出由公式Ym化）=A ? AUm化)+Y。化)可得，其中，Ym化)表 示k时刻控制系统对未来时刻的预测输出向量。Yd ( k )表示k时刻控制系统对未来时刻的预 测初值向量。A Um化)表示k时刻系统对未来时刻的控制增量向量。A表示由步骤1中的阶跃 响应响应系数组成的动态矩阵。
[0化5]
[0056]其中，第k时刻下的动态矩阵：
[0化7]
[005引其中，m表示第m个控制变量，上述矩阵的每一行向量[如姑，…，為]表示k时刻系 统输出对第i控制输入的阶跃响应系数。
[0059] 步骤4:在稳定工况下，采集控制系统当前时刻负荷、分离器溫度、主汽压力的测量 值y化），因为是多变量系统y化)采用向量形式。将测量值赋给控制系统的预测初值及预测 输出作为初始状态，即：
[0060] Ym化）= [ym化+l)ym化+2)...5?化+P)]T = y化）? Iixp。
[006^1] Y〇(k) = [y0(k+l)y0(；k+2)...y0(k+P)]T = y(k) ? Iixp。
[00创其中，ym化+P)表示k+P时刻的控制系统的预测输出，y。化+P)表示表示k+P时刻控制 系统对未来时刻的预测初值，IiXP表示1 X P的全1矩阵。
[0063] 步骤5:根据步骤2设置的预测控制器的相关参数W及步骤4得到的k时刻控制系统 对未来时刻的预测输出向量Ym化)和k时刻控制系统对未来时刻的预测初值向量Y。化)选取 性能指标：
[0064]
最小，J(k)表示性 能指标，町
I求得预测控制器控制增量向量A IHk)。
[0065] 其中，W化)表示未来时刻的目标设定值向量，是预先设定的。
[0066] 控制增量向量；AUm化)=[A U化）Au化+1)…A U化+M-I )]T。
[0067] 根据公式U化）=u化-I)+Au化)求得未来控制时域长度的控制量：
[006引 u(k+j-l), j = l ,2, ...M。
[0069] 其中，A U化)表示k时刻系统对未来控制时域长度的控制增量，U化+j-1)表示k时 刻系统对未来控制时域长度的控制量。
[0070] 然后采用下述改进的输入加权方法，将当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度 预测控制量的加权平均作为实际预测控制器的控制量。
[0071] 当前时刻k实际预测控制器的控制量ui化)为：
[0072]
[007；3] 其甲，Nu隶不巧制町域材受，u(k+j-U巧不第k+j-1时刻的预测控制量，丫（ j)表示 控制时域长度下第j个加权因子。
[0074]控制时域长度下第j个加权因子丫（j)的大小如下表示：
[007引（l)当丫（l) = l,丫（j)=0,k = 2,3,...,Nu时，u(；k)=u(k-l)+Au化）。Au(k)表示k 时刻系统对未来控制时域长度的控制增量，此时，改进的输入加权预测控制器为常规预测 控制器。
[0076] (2)当丫（ 1) = 1，〇< 丫（ j)《1，k = 2，3，…，Nu时，改进的输入加权预测控制器能抑 制U化)的振荡。
[0077] 由改进输入加权方法得到实际预测控制器的控制量。根据步骤3中的预测输出公 式计算并更新控制系统的预测输出Ym化+1)。
[0078] 步骤6:采集控制系统在k+1时刻的实际输出y化+1)和系统预测输出Ym(k+1)比较 得到输出偏差e化+1)，并用输出偏差修正控制系统的预测输出Ym化+1)。即将修正后的预测 输出值初始化k+1时刻时的控制系统预测初值Yd化+1)，反复执行步骤5到步骤6,进行控制 系统输出的预测和修正，将修正后的预测输出反馈给控制系统实现机炉的协调控制。
[0079] 本发明通过预测机炉协调系统负荷参数的变化趋势并提前调整汽机阀口开度、燃 料量和总给水流量，能够较好地克服机炉协调系统大惯性、大延迟的特点，提高控制系统对 机组负荷变化的响应速度，改善系统的动态调节品质；为了提高超临界机组协调控制系统 的控制品质，在预测控制器中引入输入加权因子，采用当前时刻和当前时刻对未来控制时 域长度预测控制量的加权平均作为实际预测控制器的控制量，对控制输入起到柔化和滤波 作用，能较好地抑制系统输入的振荡，具有较好控制效果。
[0080] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征在于:包括控制系 统和预测控制器，在预测控制器中引入输入加权因子，采用当前时刻和当前时刻对未来控 制时域长度预测控制量的加权平均作为实际预测控制器的控制量，预测控制器根据该控制 量得到控制增量，控制系统根据该控制增量得到预测输出实现机炉的协调控制。2. 根据权利要求1所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于:当前时刻k实际预测控制器的控制量i^k)为：其中，Nu表示控制时域长度，u(k+j-l)表示第k+j-Ι时刻的预测控制量，γ (j)表示控制 时域长度下第j个加权因子。3. 根据权利要求2所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于:控制时域长度下第j个加权因子γ (j)的大小如下表示： (1) 当丫（1) = 1，丫（」）=〇，1^ = 2,3，"_，1'111时，11(1〇=11(1^-1)+八11(1〇;八11(1〇表示1^时刻 系统对未来控制时域长度的控制增量，此时，改进的输入加权预测控制器为常规预测控制 器； (2) 当γ (1) = 1，0〈 γ (jXl，k=2,3，···，NU时，改进的输入加权预测控制器能抑制u(k) 的振荡。4. 根据权利要求1所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于，包括以下步骤： 步骤1:根据超临界机组特性设置控制系统的输入参数和输出参数，输入参数包括汽机 阀门开度、燃料量、总给水流量;输出参数包括负荷、分尚器温度、主汽压力； 在稳定工况下，分别以汽机阀门开度、燃料量、总给水流量为阶跃量，获取负荷、分离器 温度、主汽压力的阶跃响应值，并得到对应的阶跃响应系数"其中，i表示第i个 阶跃响应模型，N表示阶跃响应的时域长度； 步骤2:设置预测控制器的相关参数，包括优化时域P、控制时域M、误差权矩阵Q、控制权 矩阵R; 步骤3:控制系统的预测输出由公式Ym(k) = A · Δ Um(k) +Y。(k)可得，其中，Ym(k)表示k时 刻控制系统对未来时刻的预测输出向量;Y。(k)表示k时刻控制系统对未来时刻的预测初值 向量；△ Um(k)表示k时刻系统对未来时刻的控制增量向量;A表示由步骤1中的阶跃响应响 应系数组成的动态矩阵； 步骤4:在稳定工况下，采集控制系统当前时刻负荷、分离器温度、主汽压力的测量值y (k);将测量值赋给控制系统的预测初值及预测输出作为初始状态，即： Ym(k) = [ym(k+l)ym(k+2)---ym(k+P)]T=y(k) · Ιιχρ； Y〇(k) = [y〇(k+l)y〇(k+2)---y〇(k+P)]T=y(k) · Ιιχρ； 其中，ym (k+P)表示k+P时刻的控制系统的预测输出，y。(k+P)表示表示k+P时刻控制系统 对未来时刻的预测初值，Ιιχρ表示1XP的全1矩阵； 步骤5:根据步骤2设置的预测控制器的相关参数以及步骤4得到的k时刻控制系统对未 来时刻的预测输出向量Ym( k)和k时刻控制系统对未来时刻的预测初值向量Y。(k)选取性能 指标：1小，J(k)表示性能指 j 标，即cAUu (k) = ?，求得预测控制器控制增量向量Δ Um〇〇 ; 其中，W(k)表示未来时刻的目标设定值向量，是预先设定的； 控制增量向量：AUM(k) = [ Au(k) Au(k+1)…Au(k+M_1)]T; 根据公式11(1〇=11(1^-1)+八11(1〇求得未来控制时域长度的控制量11(1^+」-1)，」=1，2^·· Μ； 其中，A u(k)表示k时刻系统对未来控制时域长度的控制增量，u(k+j-1)表示k时刻系 统对未来控制时域长度的控制量； 将当前时刻和当前时刻对未来控制时域长度预测控制量的加权平均作为实际预测控 制器的控制量;根据步骤3中的预测输出公式计算并更新控制系统的预测输aYm(k+i); 步骤6:采集控制系统在k+1时刻的实际输出y(k+l)和系统预测输aYm(k+l)比较得到输 出偏差e(k+l)，并用输出偏差修正控制系统的预测输出Ym(k+1);即将修正后的预测输出值 初始化k+Ι时刻时的控制系统预测初值Y〇(k+l)，反复执行步骤5到步骤6,进行控制系统输 出的预测和修正，将修正后的预测输出反馈给控制系统实现机炉的协调控制。5. 根据权利要求4所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于:所述步骤3中阶跃响应响应系数组成的动态矩阵A:其中，第k时刻下的动态矩阵： 其中，m表示第m个控制变量，上述矩阵的每一行向量[?K,…]表示k时刻系统输 出对第i控制输入的阶跃响应系数。6. 根据权利要求4所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于:所述阶跃响应的时域长度N取20~50。7. 根据权利要求4所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于:优化时域P选择等于过程单位阶跃响应达到其稳态值所需过渡时间的一半所需的采 样次数。8.根据权利要求4所述的基于改进输入加权预测控制器的机炉协调控制方法，其特征 在于:控制时域长度Μ取小于10。
【文档编号】G05B13/04GK105955030SQ201610406076
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】刘运兵
【申请人】江苏南热发电有限责任公司