一種廣義預(yù)測工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種廣義預(yù)測控制工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法。在常規(guī)的廣義預(yù)測控制算法中，直接將優(yōu)化控制量作用于被控對象，對模型要求極高，若被控對象與預(yù)測算法內(nèi)置的模型偏差較大，則極易引起控制系統(tǒng)發(fā)散。本發(fā)明用數(shù)學(xué)模型來擬合脫硝出口NOx的動(dòng)態(tài)過程，通過將模型模擬信號(hào)和實(shí)際測量信號(hào)的偏差引入預(yù)測控制優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)行模型校正控制，以獲得魯棒性較強(qiáng)的高質(zhì)量的控制品質(zhì)。本發(fā)明保證了機(jī)組節(jié)能環(huán)保運(yùn)行；獲得了魯棒性較強(qiáng)的高質(zhì)量的控制品質(zhì)，機(jī)組在AGC狀態(tài)時(shí)出口NOx波動(dòng)幅度大為減少，加強(qiáng)了機(jī)組按環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)運(yùn)行。
【專利說明】
一種廣義預(yù)測工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及超臨界機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)的控制方法，具體地說是一種廣義預(yù)測控制 工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超臨界機(jī)組的脫硝控制系統(tǒng)具有非線性、大遲延和擾動(dòng)因素多等特點(diǎn)，一般調(diào)峰 機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)荷劇烈波動(dòng)，燃料量（即煤量)和風(fēng)量的變化對機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)存在較大 的擾動(dòng)，為保證機(jī)組的安全環(huán)保運(yùn)行，在規(guī)定負(fù)荷下，對機(jī)組出口NOx控制提出了較高的要 求，即要將其控制在額定值的+15mg/m 3~-15mg/m3范圍內(nèi)，而目前的脫硝控制系統(tǒng)較難控制 在上述范圍內(nèi)。
[0003] 在常規(guī)廣義預(yù)測控制系統(tǒng)中，有已知模型和未知模型兩種，若已知模型則可以直 接通過求解丟番圖方程、計(jì)算矩陣及控制律得出控制量;若未知模型則首先需要在線辨識(shí) 模型，再通過求解丟番圖方程等步驟得出控制量。在常規(guī)的廣義預(yù)測控制算法中，直接將優(yōu) 化控制量作用于被控對象，對模型要求極高，若被控對象與預(yù)測算法內(nèi)置的模型偏差較大， 則極易引起控制系統(tǒng)發(fā)散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，提供一種廣義預(yù)測控 制工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法，其用數(shù)學(xué)模型來擬合脫硝出口 N0X的動(dòng)態(tài)過程，通過 將模型模擬信號(hào)和實(shí)際測量信號(hào)的偏差引入預(yù)測控制優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)行模型校正控制，以獲 得魯棒性較強(qiáng)的高質(zhì)量的控制品質(zhì)。
[0005] 為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種廣義預(yù)測工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的 方法，其步驟如下：
[0006] 1)獲取控制對象的數(shù)學(xué)模型
[0007] 采取特性試驗(yàn)的方法來獲取控制對象的數(shù)學(xué)模型，獲得的模型結(jié)構(gòu)為一階加遲延 的形式，如下式所示：
[0009]上式中，G為傳遞函數(shù)，k為模型增益系數(shù)，T為慣性時(shí)間，S為頻域傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué) 算子，τ為延遲時(shí)間，根據(jù)特性試驗(yàn)曲線獲得模型中的參數(shù)k、T和τ ;
[0010] 2)設(shè)計(jì)廣義預(yù)測算法流程及控制系統(tǒng)
[0011] 廣義預(yù)測算法流程如下：在獲取控制對象的數(shù)學(xué)模型特性后，首先進(jìn)行模型離散 化，設(shè)置采樣周期、預(yù)測時(shí)域、控制時(shí)域，根據(jù)模型離散后的特性參數(shù)求解丟番圖方程，預(yù)測 未來時(shí)刻控制對象的輸出，根據(jù)未來時(shí)刻的情況求解性能指標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)控制律；
[0012] 上述的廣義預(yù)測算法與控制對象的數(shù)學(xué)模型G組成廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)；
[0013] 3)設(shè)計(jì)模型校正系統(tǒng)
[0014] 將控制量同時(shí)輸入實(shí)際控制對象和控制對象的數(shù)學(xué)模型G，求得偏差后，進(jìn)入廣義 預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行修正，實(shí)際控制對象的輸出和數(shù)學(xué)模型G輸出均采用增量式，保證系 統(tǒng)輸出在投入后才有信號(hào)，投入前為〇;
[0015] 4)確定采樣周期、預(yù)測時(shí)域和控制時(shí)域
[0016] 通過控制對象的數(shù)學(xué)模型得知被控對象的過渡過程時(shí)間Ts，在過渡過程時(shí)間內(nèi)采 樣次數(shù)設(shè)置在5~16次，如果將采樣周期記為T。，則采樣周期為?ν = ?ν?6;
[0017] 通過控制對象數(shù)學(xué)模型G得知慣性時(shí)間Τ和延遲時(shí)間τ，預(yù)測時(shí)域大于Τ+τ，此時(shí)廣 義預(yù)測算法才能有效計(jì)算最優(yōu)控制量;控制時(shí)域的設(shè)置至少大于一個(gè)采樣周期，控制時(shí)域 越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，控制時(shí)域減小，系統(tǒng)的魯棒性增強(qiáng)；
[0018] 5)將上述的廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)中。
[0019] 本發(fā)明與基于模型在線辨識(shí)的GPC控制系統(tǒng)的區(qū)別在于不進(jìn)行在線辨識(shí)，因?yàn)橄?統(tǒng)存在噪聲，在線辨識(shí)的模型存在較大的誤差，嚴(yán)重影響到控制品質(zhì)。本發(fā)明通過將模型模 擬信號(hào)和實(shí)際測量信號(hào)的偏差引入預(yù)測控制優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)行模型校正控制，最終獲得魯棒 性車父強(qiáng)的尚質(zhì)量的控制品質(zhì)。
[0020] 進(jìn)一步，將模型校正系統(tǒng)引入廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型來擬合脫硝出 口 Ν0Χ的動(dòng)態(tài)過程，通過將模型模擬信號(hào)和實(shí)際測量信號(hào)的偏差引入廣義預(yù)測優(yōu)化控制系 統(tǒng)，進(jìn)行模型校正控制，最終獲得魯棒性較強(qiáng)的控制品質(zhì)。
[0021] 進(jìn)一步，實(shí)際控制對象和數(shù)學(xué)模型的輸入信號(hào)均為預(yù)測指令，當(dāng)兩個(gè)對象一致時(shí)， 校正信號(hào)為0,當(dāng)兩個(gè)對象不一致或?qū)嶋H控制對象中參雜有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，校正信號(hào)較大，預(yù) 測指令就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，最終使控制響應(yīng)保持在設(shè)定值附近。
[0022] 本發(fā)明將模型校正引入優(yōu)化控制系統(tǒng)中，用數(shù)學(xué)模型來模擬機(jī)組出口NOx的動(dòng)態(tài) 過程，通過模型校正來提高預(yù)測系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
[0023] 本發(fā)明具有以下有益效果:保證了機(jī)組節(jié)能環(huán)保運(yùn)行；獲得了魯棒性較強(qiáng)的高質(zhì) 量的控制品質(zhì)，機(jī)組在AGC狀態(tài)時(shí)出口 NOx波動(dòng)幅度大為減少，加強(qiáng)了機(jī)組按環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo) 運(yùn)行。
【附圖說明】
[0024] 圖1為廣義預(yù)測算法流程圖（圖中算法流程，主要分為設(shè)置采樣周期、時(shí)域、求解丟 番圖方程、計(jì)算矩陣及控制律等）。
[0025] 圖2為本發(fā)明的廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)圖（圖中，A表示控制反饋信號(hào)，B表示模型 校正反饋信號(hào)，C表示模型校正系統(tǒng)）。
[0026] 圖3為本發(fā)明廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)的工程SAMA圖（圖中，A表示廣義預(yù)測優(yōu)化控 制系統(tǒng)，B表示模型校正系統(tǒng)）。
[0027] 圖4為采用本發(fā)明的機(jī)組處于AGC狀態(tài)下370MW-450MW負(fù)荷變動(dòng)時(shí)出口 NOx響應(yīng)曲 線圖（通過實(shí)際應(yīng)用；圖中，A表示實(shí)際負(fù)荷，B表示出口 NOx控制曲線）。
[0028] 圖5為采用常規(guī)方法的機(jī)組處于AGC狀態(tài)下380MW-460MW負(fù)荷變動(dòng)時(shí)出口 NOx響應(yīng) 曲線圖（通過實(shí)際應(yīng)用；圖中，A表不實(shí)際負(fù)荷，B表不出口NOx控制曲線）。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合說明書附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0030] 一、廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0031] 本發(fā)明的預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0032] 在圖2中，廣義預(yù)測算法(其流程圖見圖1)內(nèi)部置入控制對象數(shù)學(xué)模型，即噴氨流 量閥開度對出口NOx的數(shù)學(xué)模型，用該模型去模擬實(shí)際控制對象。在模型校正系統(tǒng)中，實(shí)際 控制對象與控制對象數(shù)學(xué)模型存在一定的偏差，尤其當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)特 性發(fā)生改變時(shí)，偏差會(huì)進(jìn)一步加大，此時(shí)需要將偏差信號(hào)送入廣義預(yù)測算法中進(jìn)行校正，可 以有效提高廣義預(yù)測算法的魯棒性。
[0033] 在圖2所示的廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)中，實(shí)際控制對象和對象模型的輸入信號(hào)均 為預(yù)測指令，因此當(dāng)兩個(gè)對象一致時(shí)，校正信號(hào)為〇,當(dāng)兩個(gè)對象不一致或?qū)嶋H對象中參雜 有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，校正信號(hào)較大，預(yù)測指令就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，最終使控制響應(yīng)保持在設(shè)定 值附近。
[0034] 二、工程SAMA圖與設(shè)計(jì)步驟
[0035] 在工程實(shí)際中，需要根據(jù)SAMA圖進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，本發(fā)明的工程SAMA圖如圖3所示。
[0036] 在圖3所示的SAMA圖中，給出了廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)和模型校正系統(tǒng)具體的的 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，具體設(shè)計(jì)步驟如下：
[0037] 1)獲取控制對象的模型
[0038]采取特性試驗(yàn)的方法來獲取對象的數(shù)學(xué)模型，因?yàn)樵撓到y(tǒng)不要求模型非常精確， 因此根據(jù)特性試驗(yàn)獲得的模型可以滿足要求，獲得的模型結(jié)構(gòu)為一階加遲延的形式，如式 (1)所示：
[0040]根據(jù)特性試驗(yàn)曲線獲得模型中的參數(shù)k、T和τ。
[0041 ] 2)設(shè)計(jì)廣義預(yù)測算法流程及優(yōu)化控制系統(tǒng)
[0042] 廣義預(yù)測算法流程如圖1所示（圖中的兩個(gè)公式分別為(GGT+AirU^GTG+Air 1GT[yr-Fy(t)-HAu(t-l)]),
[0043] 在獲取控制對象模型特性后，首先進(jìn)行模型離散化，設(shè)置采樣周期、預(yù)測時(shí)域、控 制時(shí)域等，根據(jù)模型離散后的特性參數(shù)求解丟番圖方程，預(yù)測未來時(shí)刻被控對象的輸出，根 據(jù)未來時(shí)刻的情況求解性能指標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)控制律。該算法與控制對象數(shù)學(xué)模型G組成 優(yōu)化控制系統(tǒng)，如圖3中A所指示的部分。
[0044] 3)設(shè)計(jì)模型校正系統(tǒng)
[0045]模型校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3中B所示部分，將控制量同時(shí)輸入實(shí)際對象和對象模型G， 求得偏差后，進(jìn)入廣義預(yù)測控制系統(tǒng)進(jìn)行修正。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，實(shí)際對象的輸出和模型輸出 均采用了增量式，保證系統(tǒng)輸出在投入后才有信號(hào)，投入前為〇。
[0046] 4)采樣周期、預(yù)測時(shí)域、控制時(shí)域的確定
[0047] 在獲得被控對象的數(shù)學(xué)模型后，可以得知被控對象的過渡過程時(shí)間1^，在過渡過 程時(shí)間內(nèi)一般采樣次數(shù)設(shè)置在5~16次，如果將采樣周期記為T。，則可以設(shè)置采樣周期為T c = Ts/16〇
[0048] 通過試驗(yàn)獲得被控對象數(shù)學(xué)模型G后，可得知對象慣性時(shí)間T、延遲時(shí)間τ，預(yù)測算 法中，預(yù)測時(shí)域應(yīng)該大于Τ+τ，此時(shí)預(yù)測算法才能有效計(jì)算最優(yōu)控制量?？刂茣r(shí)域的設(shè)置至 少應(yīng)該大于一個(gè)采樣周期，控制時(shí)域越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，控制時(shí)域減小，系統(tǒng)的魯棒 性增強(qiáng)。
[0049] 三、實(shí)際應(yīng)用
[0050]將本發(fā)明應(yīng)用于某電廠600MW超臨界機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)荷指令按12MW/ min速率變化，機(jī)組處于AGC狀態(tài)時(shí)，獲得的機(jī)組出口 NOx響應(yīng)曲線如圖5所示。
[0051 ] 在圖5中，實(shí)際負(fù)荷由370MW變化到450MW，機(jī)組出口NOx控制在在+10/-10mg/m3以 內(nèi)。而且整個(gè)AGC過程主汽溫度比較平穩(wěn)。
[0052]為獲得對比效果，按常規(guī)方法，當(dāng)負(fù)荷指令按12MW/min速率變化時(shí)，機(jī)組處于AGC 狀態(tài)時(shí)，獲得的機(jī)組出口 NOx響應(yīng)曲線如圖4所示。
[0053] 在圖4中，實(shí)際負(fù)荷由380MW變化到460MW，機(jī)組出口NOx控制在+30/-30mg/m3左右。 而且整個(gè)AGC過程主汽溫度波動(dòng)幅度較大，影響到了機(jī)組的環(huán)保運(yùn)行。
[0054]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)方案作任何形式 上的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修 飾，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種廣義預(yù)測工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法，其步驟如下： 1) 獲取控制對象的數(shù)學(xué)模型 采取特性試驗(yàn)的方法來獲取控制對象的數(shù)學(xué)模型，獲得的模型結(jié)構(gòu)為一階加遲延的形 式，如下式所示：上式中，G為傳遞函數(shù)，k為模型增益系數(shù)，T為慣性時(shí)間，S為頻域傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)算子， τ為延遲時(shí)間，根據(jù)特性試驗(yàn)曲線獲得模型中的參數(shù)k、T和τ; 2) 設(shè)計(jì)廣義預(yù)測算法流程及控制系統(tǒng) 廣義預(yù)測算法流程如下:在獲取控制對象的數(shù)學(xué)模型特性后，首先進(jìn)行模型離散化，設(shè) 置采樣周期、預(yù)測時(shí)域、控制時(shí)域，根據(jù)模型離散后的特性參數(shù)求解丟番圖方程，預(yù)測未來 時(shí)刻控制對象的輸出，根據(jù)未來時(shí)刻的情況求解性能指標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)控制律； 上述的廣義預(yù)測算法與控制對象的數(shù)學(xué)模型G組成廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)； 3) 設(shè)計(jì)模型校正系統(tǒng) 將控制量同時(shí)輸入實(shí)際控制對象和控制對象的數(shù)學(xué)模型G，求得偏差后，進(jìn)入廣義預(yù)測 優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行修正，實(shí)際控制對象的輸出和數(shù)學(xué)模型G輸出均采用增量式，保證系統(tǒng)輸 出在投入后才有信號(hào)，投入前為0; 4) 確定采樣周期、預(yù)測時(shí)域和控制時(shí)域 通過控制對象的數(shù)學(xué)模型得知被控對象的過渡過程時(shí)間Ts，在過渡過程時(shí)間內(nèi)采樣次 數(shù)設(shè)置在5~16次，如果將采樣周期記為Tc，則采樣周期為Tc = Ts/16; 通過控制對象數(shù)學(xué)模型G得知慣性時(shí)間T和延遲時(shí)間τ，預(yù)測時(shí)域大于Τ+τ，此時(shí)廣義預(yù) 測算法才能有效計(jì)算最優(yōu)控制量;控制時(shí)域的設(shè)置至少大于一個(gè)采樣周期，控制時(shí)域越大， 系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，控制時(shí)域減小，系統(tǒng)的魯棒性增強(qiáng)； 5) 將上述的廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣義預(yù)測工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法，其特征在于， 將模型校正系統(tǒng)引入廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型來擬合脫硝出口 NOx的動(dòng)態(tài)過 程，通過將模型模擬信號(hào)和實(shí)際測量信號(hào)的偏差引入廣義預(yù)測優(yōu)化控制系統(tǒng)，進(jìn)行模型校 正控制，最終獲得魯棒性較強(qiáng)的控制品質(zhì)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的廣義預(yù)測工程化應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)的方法，其特征在 于， 實(shí)際控制對象和數(shù)學(xué)模型的輸入信號(hào)均為預(yù)測指令，當(dāng)兩個(gè)對象一致時(shí)，校正信號(hào)為 0,當(dāng)兩個(gè)對象不一致或?qū)嶋H控制對象中參雜有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，校正信號(hào)較大，預(yù)測指令就會(huì) 發(fā)生相應(yīng)的變化，最終使控制響應(yīng)保持在設(shè)定值附近。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK106094526SQ201610533513
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】尹峰, 李泉, 羅志浩
【申請人】國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司