一種中速磨煤機(jī)的多變量推斷預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及火力發(fā)電廠控制領(lǐng)域，特別是涉及中速磨煤機(jī)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍋爐制粉系統(tǒng)是火電廠的重要組成部分，其運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性直接影響 到鍋爐機(jī)組的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性。隨著火電機(jī)組容量和參數(shù)的不斷提高，火電廠普遍采 用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)。目前，300麗的機(jī)組配套4臺(tái)中速磨煤機(jī)，600~KKKMW的機(jī)組 配套5臺(tái)，單臺(tái)中速磨最大出力是45t/h。傳統(tǒng)的中速磨煤機(jī)控制方案是以冷風(fēng)閥門開度和 熱風(fēng)閥門開度作為控制量，一次風(fēng)量和出口溫度作為被控量，采用PID前饋解耦方法進(jìn)行 控制，兩個(gè)單回路分別是由熱風(fēng)控制一次風(fēng)流量，冷風(fēng)調(diào)節(jié)出口溫度。
[0003]中速磨煤機(jī)系統(tǒng)是耦合性強(qiáng)、大滯后、多輸入-多輸出的非線性系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性 隨著運(yùn)行工況的變化而大范圍變化，傳統(tǒng)的PID加解耦的控制手段很難做到精確的控制， 從而會(huì)導(dǎo)致機(jī)組對(duì)AGC指令響應(yīng)變差，磨煤機(jī)出口溫度控制不穩(wěn)定，影響運(yùn)行的安全性與 經(jīng)濟(jì)性。另一方面，由于磨煤機(jī)出口煤量難以在線測(cè)量，因此傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在機(jī)組變負(fù)荷的 情況下及時(shí)調(diào)整磨煤機(jī)的出口煤量，使得負(fù)荷響應(yīng)與指令之間存在較大的延遲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，且在變負(fù)荷時(shí)能夠及時(shí) 調(diào)整磨煤機(jī)出口煤量，有效縮短延遲時(shí)間的中速磨煤機(jī)的多變量推斷預(yù)測(cè)控制方法。
[0005] 技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明所述的中速磨煤機(jī)的多變量推斷預(yù)測(cè)控制方法，包括如下的步驟：
[0007] S1 :建立中速磨煤機(jī)的模型：
^a
[0008] 中諫磨煤機(jī)的一汝風(fēng)量R、磨煤機(jī)講口風(fēng)淵和給煤機(jī)瞵時(shí)流量Ff分別為：
[0009]
[0010]
[0011] Ff=ωflf (3)
[0012] 其中，μ。為冷風(fēng)閥門開度，μh為熱風(fēng)閥門開度，ω$給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，1 f為給煤機(jī)皮 帶長(zhǎng)度；
[0013] 狀態(tài)方程為：
[0014]
[0015] 其中，f為狀態(tài)方程，Mraal為磨煤機(jī)內(nèi)存煤量，為磨煤機(jī)出口溫度，a為原煤的 灰分，m為原煤的水分，h。為原煤的可磨性系數(shù)，ω_為分離器轉(zhuǎn)速，Ta為磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫，TOTal為原煤溫度；
[0016] 觀測(cè)方程為：
[0017]
[0018] 其中，h為觀測(cè)方程，Δρ為磨煤機(jī)進(jìn)出口壓差；
[0019] 輸出方程為：
[0020]
[0021] 其中，為磨煤機(jī)出口煤量；
[0022] S2 :對(duì)磨煤機(jī)的模型進(jìn)行辨識(shí)，得到磨煤機(jī)的狀態(tài)空間模型為：
[0023]
[0024] 其中，矩陣A，B，C，D均由辨識(shí)得到，X(k)為狀態(tài)量，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻；
[0025] S3 :求解被控量的預(yù)測(cè)值f(/():
[0026]
[0027] 其中，各矩陣的表達(dá)形式如下：
[0028]
[0029]
[0030] L?-〇
/-〇 .」
[0035] 其中，y(k)為被控量的反饋值，U(k)為控制量，Δu(k)為控制增量，N為控制器的 預(yù)測(cè)時(shí)域，N。為控制器的控制時(shí)域；
[0036]S4 :結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和磨煤機(jī)模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法對(duì)磨煤機(jī)出口煤 量進(jìn)行估計(jì)，具體過(guò)程如下：
[0037] 首先對(duì)狀態(tài)方程f和觀測(cè)方程h進(jìn)行線性化處理，得到線性化后的矩陣F和Η如 下：
[0038]
[0039]
[0040]記X= [Mcoal，TJ，Ζ= [Δp，TJ，u= [Ff，F(xiàn)a，Ta，ωsep]，設(shè)Ρ為X的協(xié)方差矩陣， Q、R分別是X、Z噪聲的協(xié)方差矩陣，則可以由上一采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)得到當(dāng)前的狀態(tài)量，其算 法如下：
[0041] X(k|k-1)=f[X(k-1 |k-l)] (18)
[0042]P(k|k-1) =F(k-l)P(k-l|k-l)FT(k-l)+Q(19)
[0043] Kg (k) =P(kIk-1)H(k)T[H(k)P(kIk-1)HT (k) +R] (20)
[0044] X(k|k) =X(k|k-1)+Kg(k) {Z(k)-h[X(k|k-l)，u(k-l)]} (21)
[0045] P(k|k) = [I-Kg(k)H(k)]P(k|k-l) (22)
[0046] 其中，Kg(k)為卡爾曼濾波增益，I為單位矩陣；
[0047] 由此得到當(dāng)前時(shí)刻的X(kIk)，進(jìn)而可知此時(shí)磨煤機(jī)內(nèi)存煤量Mraal (k)，然后根據(jù)公 式（6)求得磨煤機(jī)出口煤量
[0048] S5 :對(duì)狀態(tài)量x(k)進(jìn)行估計(jì)：
[0049] 設(shè)x(k)的協(xié)方差矩陣為戶，雄)為狀態(tài)量的估計(jì)值，i(F)，_v(F)的噪聲協(xié)方差矩陣 為估計(jì)過(guò)程如下：
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 由此得到狀態(tài)量的估計(jì)值i⑷幻，并令χ(Λ) =i·⑷幻；
[0056]S6:由步驟S4得到當(dāng)前時(shí)刻的磨煤機(jī)出口煤量，由此得到當(dāng)前時(shí)刻控制器的 被控量反饋值 >>).通過(guò)計(jì)算以下目標(biāo)函數(shù)求得下一時(shí)刻的控制量U(k)，具體過(guò)程如下：
[0057] 設(shè)定目標(biāo)函數(shù)Jk:
[0058]
[0059] 其中，(〇2均為單位矩陣；
[0060] 將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行改寫，寫成如下二次規(guī)劃形式：
[0061]
[0062]
[0063] 其中，各矩陣表示如下：
[0064]
[0065]
[0066] E(k) =Yref(k)-?x(k)-ru(k-l) (32)
[0071] 其中，Yref (k)為被控量的設(shè)定值，ΛU咖為控制增量的上限，Λ1]咖為控制增量的下 限，umax為控制量的上限，Umin為控制量的下限，Ymax為被控量的上限，Ymin為被控量的下限， Gy為公式（15)，b為公式（31);
[0072] 下一時(shí)刻的控制量U(k)為：
[0073] U{k) =U(k-l) +[l0 - 0]Δ{7(^·) (37)
[0074] S7 :判斷中速磨煤機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)是否停止運(yùn)行：如果停止運(yùn)行，則進(jìn)行步驟 S8 ;否則，返回步驟S3,更新被控量的預(yù)測(cè)值f(/小并對(duì)下一時(shí)刻的出口煤量進(jìn)行估計(jì)；
[0075] S8 :結(jié)束。
[0076] 進(jìn)一步，所述N的取值為80~120,N。的取值為控制時(shí)域取5~8。
[0077] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0078] 1)本發(fā)明將多變量模型預(yù)測(cè)控制算法用在中速磨煤機(jī)，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法 對(duì)中速磨煤機(jī)的出口煤量進(jìn)行了估計(jì)，并將其作為被控量，可以實(shí)現(xiàn)出口煤量對(duì)給煤指令 的及時(shí)跟蹤，能有效縮短磨煤機(jī)的延遲時(shí)間；
[0079] 2)本發(fā)明將中速磨煤機(jī)看為一個(gè)多輸入多輸出的對(duì)象，采用基于狀態(tài)空間的模型 預(yù)測(cè)控制算法，同時(shí)控制3個(gè)變量，實(shí)現(xiàn)了磨煤機(jī)出口煤量、出口溫度和一次風(fēng)量的有機(jī)協(xié) 調(diào)，克服了傳統(tǒng)PID單回路控制分別調(diào)節(jié)的缺陷，當(dāng)工況發(fā)生改變時(shí)，在保證出口煤量及時(shí) 跟蹤給煤指令的情況下，可以同時(shí)保證出口溫度和一次風(fēng)量的穩(wěn)定；
[0080] 3)傳統(tǒng)的PID單回路控制是單輸入單輸出控制，首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，增加 了工作量，另外由于中速磨煤機(jī)的輸入和輸出之間的耦合關(guān)系較強(qiáng)，單回路控制無(wú)法解決 多個(gè)輸入和輸出間交叉的部分，而本發(fā)明是多變量控制方法，可以克服這一缺點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0081 ] 圖1為本發(fā)明的方法框圖；
[0082] 圖2為傳統(tǒng)PID系統(tǒng)與采用了本發(fā)明方法的系統(tǒng)的出口煤量隨時(shí)間變化的仿真結(jié) 果；
[0083] 圖3為傳統(tǒng)PID系統(tǒng)與采用了本發(fā)明方法的系統(tǒng)的出口溫度隨時(shí)間變化的仿真結(jié) 果；
[0084] 圖4為傳統(tǒng)PID系統(tǒng)與采用了本發(fā)明方法的系統(tǒng)的一次風(fēng)量隨時(shí)間變化的仿真結(jié) 果；
[0085] 圖5為傳統(tǒng)PID系統(tǒng)與采用了本發(fā)明方法的系統(tǒng)的給煤機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的仿真 結(jié)果；
[0086] 圖6為傳統(tǒng)PID系統(tǒng)與采用了本發(fā)明方法的系統(tǒng)的冷風(fēng)閥門開度隨時(shí)間變化的仿 真結(jié)果；
[0087] 圖7為傳統(tǒng)PID系統(tǒng)與采用了本發(fā)明方法的系統(tǒng)的熱風(fēng)閥門開度隨時(shí)間變化的仿 真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0088] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。
[0089] 在圖1中，模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)（MPC)有三個(gè)被控量，分別是出口煤量、出口溫度 和一次風(fēng)量Fa;系統(tǒng)的控制量U-共有3個(gè)，分別是給煤機(jī)皮帶轉(zhuǎn)速ωf、冷風(fēng)閥門開度 μ。和熱風(fēng)閥門開度μh。擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)器（EKF)用于估計(jì)磨煤機(jī)出口煤量。
[0090] 本發(fā)明的中速磨煤機(jī)的多變量推斷預(yù)測(cè)控制方法，包括如下的步驟：
[0091] S1 :建立中速磨煤機(jī)的模型：
[0092] 中速磨煤機(jī)的一次風(fēng)量Fa、磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫Ta和給煤機(jī)瞬時(shí)流量Ff分別為：
[0093]
[0094]
[0095] Ff=ωflf (3)
[0096] 其中，μ。為冷風(fēng)閥門開度，μh為熱風(fēng)閥門開度，ω$給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，1 f為給煤機(jī)皮 帶長(zhǎng)度；
[0097] 狀態(tài)方程為：
[0098]
[0099] 其中，f為狀態(tài)方程，Mraal為磨煤機(jī)內(nèi)存煤量，T_為磨煤機(jī)出口溫度，a為原煤的 灰分，m