基于多變量pid-pfc的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的技術(shù)領(lǐng)域，特別是基于多變量PID-PFC的鍋爐燃 燒系統(tǒng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)水平越來越高，燃?xì)忮仩t本身具有眾多的優(yōu)越特性，而且其控 制簡(jiǎn)單，方式相當(dāng)靈活，運(yùn)送與裝配都方便易行，因此其具有相當(dāng)明朗的應(yīng)用前景，是必然 的未來趨勢(shì)。鍋爐系統(tǒng)可以看作是多輸入多輸出(Μπω)的復(fù)雜模型，文獻(xiàn)[張振興，丁寶，燃 氣熱水鍋爐智能控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006:14-21.Karnopp D C， Margolis D L ? Rosenberg R C. System d-ynamics；mode ling and simulation of mechatronic systems[M] .New York: John Wiley and Sons Inc，2000:46_52·]分析了其 動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明鍋爐系統(tǒng)可以相對(duì)的分為三個(gè)分別獨(dú)立的系統(tǒng)模型：1)鍋爐燃燒系統(tǒng)， 2)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，3)蒸汽過熱系統(tǒng)。
[0003] 在如今實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，后兩個(gè)系統(tǒng)模型的控制方法已經(jīng)相對(duì)成熟，趨于完善，但是 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制卻不盡如人意，因?yàn)樗且环蔷€性時(shí)變多變量系統(tǒng)，且其強(qiáng)耦合、擾動(dòng) 劇烈并幅值變化相當(dāng)大。文獻(xiàn)[谷洋洋，李來春，張紹娟，等.基于智能PID控制的燃?xì)忮仩t燃 燒控制系統(tǒng)研究[J].熱能動(dòng)力工程，2015，30(3) :413-416.]的PID控制方法是比較早期的 理論方法，相對(duì)難實(shí)現(xiàn)有效控制需求。文獻(xiàn)[Satoru Gotoa，Masatoshi Nakamura，Shiro Matsumura.Aut-0matic realization of human experience for controlling variable pressure boilers[J].Control Engineering Practice，2002，10:15-22·]進(jìn)一步 有針對(duì)性設(shè)計(jì)了混合式智能控制方法，將PID、專家和前饋三種控制結(jié)合起來，融合三者優(yōu) 勢(shì)于一身，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，但是該方法仍存在計(jì)算過程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)等的缺點(diǎn)。
[0004] 預(yù)測(cè)控制是近年來發(fā)展起來的一類新型的計(jì)算機(jī)控制算法。其適用于不易建立精 確數(shù)字模型且動(dòng)態(tài)過程復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)，所以它一出現(xiàn)就受到國(guó)內(nèi)外工程界的重視，并已 在石油、化工、冶金、機(jī)械等工業(yè)部門的控制系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。電機(jī)系統(tǒng)是個(gè)典型 的多變量、強(qiáng)耦合、動(dòng)態(tài)過程復(fù)雜的控制系統(tǒng)，同樣難于建立精確的數(shù)學(xué)模型，但同時(shí)又是 一個(gè)快速系統(tǒng)，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制在線計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，可能伴隨不明的控制規(guī)律，不適 用于感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。在這種背景下，預(yù)測(cè)函數(shù)(PFC)控制方法應(yīng)運(yùn)而生，其基于預(yù)測(cè) 控制的基本原理發(fā)展而來，其詳細(xì)內(nèi)容可參見文獻(xiàn)[王樹青，金曉明.先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí) 例[M].北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.]。預(yù)測(cè)函數(shù)與預(yù)測(cè)控制方法的基本原理基本相同：模 型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正。其與預(yù)測(cè)控制的最大區(qū)別是注重控制量的結(jié)構(gòu)形式，認(rèn)為控 制量是一組預(yù)先選定的基函數(shù)的線性組合。在國(guó)外，PFC已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人的快速高精度跟 蹤、軍事領(lǐng)域的目標(biāo)跟蹤等快速系統(tǒng)中得到了成功的運(yùn)用。但目前尚未發(fā)現(xiàn)將PID和預(yù)測(cè)函 數(shù)控制結(jié)合并推廣到多輸入、多輸出系統(tǒng)，并將方法應(yīng)用于鍋爐燃燒系統(tǒng)控制的文獻(xiàn)、報(bào) 導(dǎo)。針對(duì)PID控制的不足，文獻(xiàn)[Sheng Wu，Ridong Zhang，Renquan Lu，F(xiàn)urong Gao.Design of dynamic matrix control based PID for residual oil outlet temperature in a coke furnace[J].Chemometrics and Intell-igent Laboratory Systems，2014(134): 110-117 .]提出一種基于PID控制的DMC控制算法，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制，其較好彌補(bǔ) PID算法不足，但是仍有參數(shù)量較大，造成計(jì)算量大且計(jì)算耗時(shí)也較長(zhǎng)的不足。文獻(xiàn) [Havlena V，F(xiàn)indejs J.Application of model predictive control to advanced combustion control[J].Control Engi-neering Practice，2005，13(6):671-680·]進(jìn)一 步提出預(yù)測(cè)控制算法解決鍋爐燃燒系統(tǒng)的蒸汽壓力控制問題，而且較好應(yīng)對(duì)了空燃比的問 題，該文獻(xiàn)中控制算法將自回歸模型(ARX)應(yīng)用其中。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中找到較為理想空燃比是很 難的，因此這種傳統(tǒng)控制方法在燃料熱設(shè)定值發(fā)生劇烈跳變時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，文獻(xiàn)[朱 玉璧，程相利，陶新建，等.智能控制在鍋爐燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2008,28(11) :82-86.]針對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)有效控制燃燒的過程，設(shè)計(jì)了一種非線性模型預(yù) 測(cè)控制算法，優(yōu)化了算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供基于多變量PID-PFC的 鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法，本發(fā)明將多變量PID和預(yù)測(cè)函數(shù)控制相結(jié)合，得到一種可應(yīng)用于多 輸入多輸出系統(tǒng)的新型控制方法，將該方法引入到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中來替代傳統(tǒng)的PID 控制器;本方法不僅能夠在鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，也可以在進(jìn)行效 率優(yōu)化的同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使得鍋爐燃燒系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中都能兼顧效率與 響應(yīng)性能。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提出的基于多變量PID-PFC的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、將基于鍋爐燃燒系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程，得出系數(shù)矩陣Am、 Bm、Cm;
[0009]步驟2、根據(jù)下式計(jì)算控制量向量u(n):
[0010] u(n) = (RP+Ri+Rd)Tfn(0)
[0011] 其中：

[0021]其中，上標(biāo)T是矩陣轉(zhuǎn)置，fn(0)表示基函數(shù)在時(shí)間為0時(shí)的值，KP、Ki、Kd分別為廣義 比例項(xiàng)系數(shù)、積分項(xiàng)系數(shù)和微分項(xiàng)系數(shù);fw(i)為選定的基函數(shù)，i是整數(shù)且1 < i <ns，f為基 函數(shù)的值構(gòu)成的矩陣，j為1到J之間整數(shù)，J是基函數(shù)的階數(shù);Q和R分別表示誤差加權(quán)矩陣和 控制加權(quán)矩陣;q_$Pq_ 2為延時(shí)算子;ns為優(yōu)化時(shí)域擬合點(diǎn)的個(gè)數(shù)，hi為第i個(gè)擬合點(diǎn)上的數(shù) 值;yp(n)為當(dāng)前時(shí)刻該鍋爐燃燒系統(tǒng)的三個(gè)輸出量構(gòu)成的向量，三個(gè)輸出量分別為：主蒸 汽壓力、氧含量和爐膛負(fù)壓;C(n)為工程中設(shè)定的該鍋爐燃燒系統(tǒng)的三個(gè)輸出量構(gòu)成的向 量，三個(gè)輸出量分別為主蒸汽壓力、氧含量和爐膛負(fù)壓;T。是采樣時(shí)間，T r是參考軌跡的期望 響應(yīng)時(shí)間，I是單位矩陣，Xm(n)是第η時(shí)刻模型狀態(tài)值；
[0022]步驟3、將控制量u(n)以可執(zhí)行文件的形式加載到DSP的RAM中，DSP的CAP 口捕獲單 元讀取位置信號(hào)，控制量經(jīng)過多變量PIDPFC控制器后得到鍋爐燃燒系統(tǒng)的三個(gè)輸出量的實(shí) 際值，這三個(gè)輸出量分別為：主蒸汽壓力、氧含量和爐膛負(fù)壓；將這三個(gè)輸出量的實(shí)際值與 預(yù)設(shè)的這三個(gè)輸出量的參考值進(jìn)行比較得到偏差，通過其偏差反饋調(diào)整控制量，從而控制 鍋爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行。
[0023]作為本發(fā)明所述的基于多變量PID-PFC的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法進(jìn)一步優(yōu)化方 案，所述狀態(tài)空間方程為：
[0025] 其中，Ym(k)為k時(shí)刻模型預(yù)測(cè)輸出向量，Xm(k)為k時(shí)刻模型狀態(tài)值向量，U(k-l)為 (k_l)時(shí)刻控制輸入向量，Am、Bm、Cm為矩陣方程系數(shù)矩陣。
[0026] 作為本發(fā)明所述的基于多變量PID-PFC的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法進(jìn)一步優(yōu)化方 案，步驟2中基函數(shù)f (i)為單位階躍函數(shù)。
[0027]作為本發(fā)明所述的基于多變量PID-PFC的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法進(jìn)一步優(yōu)化方 案，單位階躍函數(shù)的階數(shù)J為1。
[0028] 作為本發(fā)明所述的基于多變量PID-PFC的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法進(jìn)一步優(yōu)化方 案，所述~為5。
[0029] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以