基于分形与时间序列理论的锅炉热工参数动态特性分析及其控制

摘要

能源的战略地位在国民经济中非常重要，需耗用大量能源的锅炉是燃煤电厂的重要设备，开展对锅炉运行理论及优化控制方面的研究是提高节能减排技术的重要课题。锅炉汽包水位、主汽温度与主汽压力等热工参数在空间上呈现非均匀性、在时间上呈现非平衡特征，且受控于各种非线性、非稳态的耦合作用，从非线性动力学（分形等）角度研究锅炉热工参数变化规律，可以更加深刻和全面的研究其动力学特性。本论文以锅炉实际运行数据为基础，采用分形方法对汽包水位、主汽温度、主汽压力等热工参数的变化特性进行分析，在此基础上根据时间窗划分和时间序列动态回归建模方法建立参数趋势模型，然后将其应用于汽包水位等参数的多模型切换预测控制，针对这三个方面开展了以下研究工作。
　　首先，针对锅炉运行参数存在的非线性、时变性、不确定性等问题，论文从非线性理论角度出发，通过基于分形理论的时间序列的R/S（重标度极差）分析方法，对锅炉热工参数的稳态特性与动态特性进行研究，Hurst指数与时间序列分形维数表征了锅炉运行期间的热工参数变化的相关性与平稳性。首先研究锅炉热工参数时间序列的稳态特性，汽包水位、主汽温度与主汽压力变化在无标度区内存在分形特征，在锅炉不同负荷阶段其分形维数不同，负荷越高分形维数越小，体现出其变化趋向于平稳。其次针对锅炉运行中难以识别的虚假水位、负荷波动等动态现象进行研究，对于虚假水位现象，得出负荷突变过程中汽包水位分形维数变化比较明显，可以根据负荷变化情况及汽包水位分形维数变化情况辨识虚假水位，从而制定正确的控制策略来指导调节结构正确动作。对于负荷波动现象可以根据时间序列分形维数变化情况来判断，当分形维数Dτ出现突变，就说明负荷出现变化，从而为切换至相应负荷下的控制模型提供了理论依据。
　　其次，为解决锅炉热工参数的不确定性与时变性问题，针对锅炉运行中热工参数常常偏离给定基准值的波动现象进行分析，提出了偏差分形维数Dj、上升分形维数Djs及下降分形维数Djx的定义，用以判断热工参数处于上升、下降或波动区间。综合利用偏差分形维数和Hurst指数的特点，论文创新性地引入基于D+H的锅炉动态数据时间序列时间窗划分算法，在时间窗内可以明确地判断不同负荷工况下热工参数变化的上升、下降或波动状态。并选取运行数据验证了这一算法的可行性，划分适宜的时间窗有利于进行时间序列动态回归建模。
　　然后，针对锅炉运行中热工参数存在相互耦合的现象，从研究汽包水位、主汽温度、主汽压力等热工参数的时间序列角度出发，基于时间序列分析动态回归建模方法提出了基于分形的时间序列时间窗建模方法。研究了汽包水位、主汽温度、主汽压力等热工参数变化的特性及主要影响因素，分析了不同负荷阶段上升、下降、波动的三种趋势函数模型。建立了不同锅炉负荷下相应参数的时间序列趋势数学模型，经过仿真验证了该模型的均方根误差较小，符合系统动态特性辨识要求，为后续的锅炉多模型预测控制方法研究奠定了基础。
　　最后，针对锅炉运行中采用传统PID控制系统难以取得优良的控制品质的问题，提出基于分形的多模型切换预测控制策略。从由历史数据序列中总结出来的反映锅炉运行状态的五种时间窗模式出发，使用滑动时间窗方法捕获最新的运行数据进行模型匹配，在此基础上按照多模型切换策略及时进行模型切换，以适应动态特性的变化，从而实现预测控制。论文设计了针对汽包水位系统、主汽温度系统、主汽压力系统等不同特点的多模型切换预测控制策略，经过计算机仿真及实际应用研究，表明该控制策略优于传统的PID控制和基于固定模型的预测函数控制，极大地提高了系统的鲁棒性与稳定性。