一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法。
【背景技術】
[0002] 由于歷史原因，層燃鍋爐是目前我國民間和工業(yè)界應用最為廣泛的鍋爐類型之 一。然而，該類鍋爐不僅燃燒效率低，而且對環(huán)境影響特別惡劣。近些年來，隨著原材價格不 斷高升，以及我國在低碳環(huán)保方面的要求也越來越嚴苛，如何提高層燃鍋爐的燃燒效率，已 成為社會各界廣為關注的問題之一。目前我國層燃鍋爐的燃燒效率遠低于國際平均水平。 其主要原因是，目前層燃鍋爐的燃燒熄滅界限還主要依靠人工通過裸眼觀測手動完成。然 而熄滅界限的誤差將直接關系到層燃鍋爐的燃燒效率。一來，如果熄滅點離爐膛前端太近， 會造成燃料燃燒不充分，而且大大降低了鍋爐的有效燃燒面積，使得爐膛溫度很難達到預 定設定值。為了保證足夠的熱源，鍋爐不得不延長運行時間，結果造成進一步的能源浪費； 另一方面，如果熄滅界限離爐膛后端太近，不僅燃料無法充分燃燒；而且，溫度過高的燃料 層在離開爐排末端時，不僅會嚴重損壞爐排末端設備，而且過高溫度的爐渣在進入渣槽后 遇水會產生大量的酸性氣體。揮發(fā)后的酸性氣體會直接腐蝕爐膛內部機構，從而大大降低 了鍋爐的使用壽命。因此，本專利提出了一種鍋爐控制系統(tǒng)，它可以使爐膛燃燒熄滅界線始 終穩(wěn)定工作在最佳區(qū)域，便于充分利用爐膛內燃料，減少酸性氣體的產生，保護爐膛內部設 備。同時，在確保供暖品質的同時，使得燃料處于最合理、最節(jié)省的供給工況。
[0003] 層燃鍋爐系統(tǒng)是一個存在大時延、非線性、強耦合的系統(tǒng)，經線性化處理后，系統(tǒng) 易體現(xiàn)出高階、非最小相位特性。為了提高層燃鍋爐的實時控制效果，目前業(yè)界比較推 崇的控制方法為：基于多變量MPC(Model Predictive Control，模型預測控制）算法的 APC(Advanced Process Control，先進過程控制）技術。然而，目前MPC在實際工程應用中 存在諸多問題，比如鍋爐的大時延問題、強非線性問題、輸入/輸出強耦合問題、關鍵參數(shù) 難確定（如熄滅界限）等。該發(fā)明專利提供了一套高效、智能、應用廣泛的層燃鍋爐多變量 控制與實時優(yōu)化策略，以解決目前存在的諸多問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決主要技術問題是提供一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的 方法，控制過程迅速、穩(wěn)定、抗干擾性強。
[0005] 為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提供了一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化 的方法，其特征在于包括如下步驟：
[0006] 1)將層燃鍋爐的控制轉化為3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題；所述3 變量輸入包括引風轉速Ui、鼓風轉速u 2、爐排速度u3;所述4變量輸出包括爐膛溫度y i、爐 膛負壓y2、含氧量h、火焰媳滅位置y<;
[0007] 2)將所述多變量控制問題拆分為兩個帶前饋反饋功能的多變量控制器相互耦合 的控制問題；其中，第一控制器的反饋控制變量在第二控制器中以前饋預測變量的形式出 現(xiàn)；第二控制器的反饋控制變量在第一控制器中以前饋預測變量的形式出現(xiàn)；對所述兩個 帶前反饋功能的多變量控制問題分別進行狀態(tài)空間升階轉換，將當前時刻輸入信號的增量 作為新的輸入信號進行控制；
[0008] 3)對經過狀態(tài)空間轉換后的兩個帶前饋反饋功能的多變量控制問題基于當前時 刻拆分成過去和將來作用兩部分，并轉化為求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題；
[0009] 4)通過鍋爐排速度區(qū)間，劃分不同的層燃鍋爐模型組，通過模型組自動切換解決 層燃鍋爐的強非線性問題。
[0010] 在一較佳實施例中：所述3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題具體表達 為：
【主權項】
1. 一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 將層燃鍋爐的控制轉化為3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題；所述3變量 輸入包括引風轉速Ui、鼓風轉速U2、爐排速度U3;所述4變量輸出包括爐膛溫度y1、爐膛負 壓72、含氧量73、火焰焰滅位置y4; 2) 將所述多變量控制問題拆分為兩個帶前饋反饋功能的多變量控制器相互禪合的控 制問題；其中，第一控制器的反饋控制變量在第二控制器中W前饋預測變量的形式出現(xiàn)； 第二控制器的反饋控制變量在第一控制器中W前饋預測變量的形式出現(xiàn)；對所述兩個帶前 反饋功能的多變量控制問題分別進行狀態(tài)空間升階轉換，將當前時刻輸入信號的增量作為 新的輸入信號進行控制； 3) 對經過狀態(tài)空間轉換后的兩個帶前饋反饋功能的多變量控制問題基于當前時刻拆 分成過去和將來作用兩部分，并轉化為求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題； 4) 通過鍋爐排速度區(qū)間，劃分不同的層燃鍋爐模型組，通過模型組自動切換解決層燃 鍋爐的強非線性問題。
2. 根據權利要求1所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法，其特征在 于；所述3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題具體表達為：
(1) gu表示第j個操控變量與第i個被控變量間的傳遞函數(shù)模型；由于爐排速度u3對爐 膛負壓y2、含氧量y3的影響小，因此g23、g33該里取值為0,即：
(2)。
3. 根據權利要求2所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法，其特征在 于；所述兩個帶前饋反饋功能的多變量控制器控制問題具體表達為：
其中，Yi、Y2為被控矢量，U1、&為輸入矢量，D1、為擾動矢量； 比較上式可見，引風轉速Ui、鼓風轉速U2與爐膛溫度y1、爐膛負壓72、含氧量ys形成閉 環(huán)反饋控制回路，而爐排速度U3與爐膛溫度y1形成的前饋預測控制回路；同理，爐排速度U3 與火焰焰滅位置y4形成閉環(huán)反饋控制回路，而引風轉速U1、鼓風轉速U2與火焰焰滅位置y4 形成的前饋預測控制回路。 將式4和式6進行歸納，可W寫出一類控制的通式， Y = G化GdD (7) 其中，Y是m維被控矢量，G是m*n的控制矩陣，U是n維輸入矢量，Gd是m*q的擾動矩 陣，D是q維擾動矢量，該里的m〉0,n〉0,q> 0,且都為整數(shù)； 首先將G和Gd轉換為空間狀態(tài)表達式： ^k) =GU化-TJ+GdD化-Td2) 做 進一步寫為；Y化）=Y'巧" （9) 其中Tdi為輸入最大時延，Td2為擾動最大時延；Y'為操控響應，Y"為擾動響應； 對Y'、Y"分別進行狀態(tài)空間轉換： 首先，對Y'進行狀態(tài)空間轉換，可得：
(10) 其中x(k)為狀態(tài)變量，U化-TJ為輸入變量，A為系統(tǒng)矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩 陣。本控制方案的特點在于，對式10進行了進一步狀態(tài)升階操作，狀態(tài)空間表達式10可W 轉化為：
升階狀態(tài)矩陣(A&0由原狀態(tài)空間表達式10中的系數(shù)矩陣（A，B，C)構成； 同理，對Y"進行狀態(tài)空間轉換，可得：
升階狀態(tài)矩陣(A5, 〇由原狀態(tài)空間表達式12中的系數(shù)矩陣（A，B，C)構成；r'是一 個滿足因果關系的擾動，在預測周期內該擾動保持不變； 該里將增量AU(k) =U(k)-U(k-l)作為系統(tǒng)的輸入信號，包括控制變量與擾動變量， 并結合狀態(tài)變量進行控制。
4.根據權利要求3所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法，其特征在 于：所述步驟3的具體過程為： 設定預測過程中的當前時刻為k，給定輸入的控制步長為Hu，即輸入序列的時間跨度 為；AUk-AUk+Hu_i;輸出的預測步長Hp，即從預測當前時刻的下一步開始，輸出軌跡的時間 跨度為Yw一Yk+Hp; 將式11的操控輸入信號和式13的擾動輸入信號基于當前時刻k拆分成過去和將來作 用兩部分，轉換后的狀態(tài)空間表達式如下所示：
(14) 每A!7p(/c).和6郵A馬從）分別指過去的操控信號輸入和擾動信號輸入的作用部分， 馬A巧從).和如馬(0分別指未來預測的操控信號輸入和擾動信號輸入的作用部分； 其中，操控信號輸入的各個系數(shù)詳細表達為：

5.根據權利要求4所述的一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法，其特征在 于；將式14中的技心巧(70貨為0,則式11、13可W簡化為：
(巧） 其中，（?、Q分別是由f、Q構成的輸出系數(shù)矩陣，可分別表示成： C=di巧拓?！珊蚎二diag府，旬，…，旬}。 通過式7和式15,可W總結得出：
式16由未知的未來輸入響應項巧(/〇和已知的過去輸入響應項組成，對該兩部分 進行整理，可將優(yōu)化問題轉化成式17所示的求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題：
該里的Q是輸出的權重矩陣，R是輸入的權重矩陣；Ytht是預測信號的目標值，Q'、R' 是由式17推到所得的等價權重矩陣。線性約束條件< 7是指輸入/輸出 的物理約束，W及其線性變化速率。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種層燃鍋爐的多變量控制與實時優(yōu)化的方法，包括如下步驟：1)將層燃鍋爐的控制轉化為3變量輸入和4變量輸出的多變量控制問題；2)將所述多變量控制問題拆分為兩個帶前饋反饋功能的多變量控制器相互耦合的控制問題；對所述兩個帶前反饋功能的多變量控制問題分別進行狀態(tài)空間升階轉換，將當前時刻輸入信號的增量作為新的輸入信號進行控制；3)對經過狀態(tài)空間轉換后的兩個帶前饋反饋功能的多變量控制問題基于當前時刻拆分成過去和將來作用兩部分，并轉化為求帶有約束條件的二次規(guī)劃最優(yōu)解問題；4)通過鍋爐排速度區(qū)間，劃分不同的層燃鍋爐模型組，通過模型組自動切換解決層燃鍋爐的強非線性問題。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104850008
【申請?zhí)枴緾N201510116161
【發(fā)明人】褚丹雷, 劉浩
【申請人】廈門奧普拓自控科技有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年3月17日