火電機組鍋爐過熱汽溫的約束模型預(yù)測控制研究

1引言隨著我國的電力工業(yè)的發(fā)展，電力企業(yè)對火電機組控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。鍋爐過熱汽溫是火電機組重要的被控參數(shù)之，目前國內(nèi)火電機組控制系統(tǒng)仍普遍采用，控制器，由于鍋爐過熱汽溫過程具有較大的慣性和滯后，常規(guī)的，控制系統(tǒng)往往不能很好地將其控制在預(yù)定的范圍內(nèi)1.預(yù)測控制是20世紀70年代后期產(chǎn)生的類新型控制技術(shù)由于其對有大慣性大滯后特性的工業(yè)過程具有很好的控制品質(zhì)和魯棒性，因而受到人們的廣泛重視2.研究明，預(yù)測控制對熱工過程在實際應(yīng)用中，受執(zhí)行機構(gòu)如閥門擋板等的制約，過程的有效控制輸入總是在個有限范圍內(nèi)外，執(zhí)行機構(gòu)的動作需要定的行程時間，控制算法也要對控制量的變化速度加以限制。在控制算法中考慮這些客觀物理條件的限制就是對控制施加硬約束。盡管預(yù)測控制具有很強的處理各種約束的能力3，但是，目前已有的預(yù)測控制方法是通過反復(fù)在線求解個帶不等約束的次優(yōu)化問來實現(xiàn)約束預(yù)測控制的，其控制算法涉及在線迭代求解或矩陣在線求逆34，因此算法較復(fù)雜，在線計算量大，不利于工程應(yīng)用。工程應(yīng)用總是要求控制算法越簡單越好，特別是國內(nèi)大型火電機組普遍采用了，3，而，05的實現(xiàn)客觀上要求控制算法不能太復(fù)雜。為此，本文作者針對控制輸入受約束問，提出了種新的約束模型預(yù)測控制算法，并將其應(yīng)用于火電機組鍋爐過熱汽溫控制中，仿真研究結(jié)果明，該算法具有優(yōu)良的控制性能，并且算法簡單在線計算量小，有利于工程實現(xiàn)。

　　2具有輸入硬約束的模型預(yù)測控制算法Bq=b0+b1q+，+bnbqnb過程的第步輸出預(yù)測值可通過如下的遞推算法計算+7為未來各時刻過程所受擾動的預(yù)測值，由下式估算其中0為當(dāng)前時刻過程輸出的測量值。式3假定未來各時刻過程所受的擾動恒定不變，其大小為當(dāng)前時刻過程輸出的測量值與模型輸出值之差。

　　其中為過程輸出的設(shè)定值。設(shè)過程當(dāng)前和未來的控制量大小恒為前時刻的控制輸入量〃1時，過程的步預(yù)測差為+.假定過程的增益為正，如果+0，明當(dāng)前時刻的控制量以應(yīng)大于前時刻的控制量以即0應(yīng)大于0；如果60+0，明當(dāng)前時刻的控制量以0應(yīng)小于前時刻的控制量以即4，應(yīng)小于0.因此在確定當(dāng)前時刻的控制輸收穡日期2⑴0606；修訂日期2⑴0726入時，可根據(jù)60+的符號確定控制量的變化方向。考慮如下的控制量硬約束條件3仿真研究為控制量變化的上限，則預(yù)測控制律可取為廣顯然，只要1和2在，1區(qū)間取值，就能保證滿足式5和式6的約束條件。

　　控制量的約束條件，要獲得滿意的控制品質(zhì)還必須確定控制量的變化大小。顯然，而+的絕對值越小，1么〃，1應(yīng)越小，因此4和2的取值應(yīng)越+的絕對值越大，1以，1應(yīng)越為驗證本文的約束預(yù)測控制算法的有效性，現(xiàn)以某火電機組鍋爐過熱汽溫為被控過程進行仿真研究。

　　心分別為，1主調(diào)節(jié)器，2，分別為調(diào)節(jié)對象及其導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)，附鞏12分別為導(dǎo)前汽溫和過熱汽溫測量單元，各環(huán)大，1和，2的取值也應(yīng)越大。為此取控制，取心=25，主調(diào)節(jié)器2采用預(yù)測控制，其等效的預(yù)測控制系統(tǒng)2，中為等效被控過程+為過程當(dāng)前和未來的控制量大小分別恒為，和時，過程的步預(yù)測偏差這里引入己++是為了提高預(yù)測控制的性能。1+或6左+的絕對值越小，明以0的取值應(yīng)距如，和越近，因此1和2的取值應(yīng)越大；反之，亦然。

　　因此式8和式9實際上是根據(jù)過程當(dāng)前和未來的控制量大小分別恒為以和時過程的步預(yù)測偏差的大小來決定當(dāng)前時刻的控制輸入的變化量。下面給出完整的預(yù)測控制算法步驟確定控制量的下限和上限以，和，以及控制量變化的上限，設(shè)置預(yù)測步數(shù)和參數(shù)的值；由式2式3和式4計算過程當(dāng)前和未來的控制量大小分別恒為以4和時過程的步預(yù)測偏差6，+1+和62左+根據(jù)式7式8和式9計算當(dāng)前時刻的4及相應(yīng)的以左；取采樣周期為58，對取進行2變換加零階保持器，得如下等效過程的模型本文算法本文算法，咖算法1而控制系統(tǒng)其它各環(huán)節(jié)均不變。4為對象慣復(fù)假定預(yù)測控制器輸出的控制量的上下限分別為腿=50饑和認=50孤，控制量變化的上限為=40.取控制參數(shù)=10，3=0.8，3為當(dāng)作+100階躍變化時，過熱汽溫控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。為說明約束預(yù)測控制的性能，中同時給出了采用廣義預(yù)測控制的過熱汽溫控制仿真曲線，廣義預(yù)測控制的仿真采用了文獻1給出的設(shè)計參數(shù)。顯然，本文提出的約束預(yù)測控制算法具有很好的控制品質(zhì)。

　　般來說，過熱汽溫過程的慣性會受積灰等因素的影響而變大。假定變化后的對象模型為性變大后預(yù)測控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。假定對象的增益發(fā)生變化，02的分之由1.125變大為2.0，5為對象增益變大后預(yù)測控制系統(tǒng)仿真結(jié)果。從4和好的魯棒性。

　　大量仿真研究結(jié)果明，約束預(yù)測控制算法的參數(shù)和的取值對控制性能大，控制輸入變化加快，系統(tǒng)動態(tài)偏差減小，但系統(tǒng)的魯棒性減弱；反之，亦然。因此，在實際應(yīng)用中可通過改變參數(shù)和4結(jié)論目前國內(nèi)火電機組控制系統(tǒng)采用的控制技術(shù)趨于保守，已遠遠落后于控制理論及其相應(yīng)的控制技術(shù)的發(fā)展。如何將些先進的控制技術(shù)應(yīng)用于熱工過程的控制，以提高火電機組控制系統(tǒng)的性能，是個值得研究的課。本文作者針對目前已有的約束預(yù)測控制方法存在將其應(yīng)用于火電機組鍋爐過熱汽溫控制，仿真研究結(jié)果明本文提出的約束預(yù)測控制算法是有效的。由于該約束模型預(yù)測控制算法避免了在線迭代求解或矩陣在線求逆等問，因此算法較為簡單，在線計算量小，為預(yù)測控制在熱工過程控制中的應(yīng)用提供了方便。