大型直流锅炉机组预测控制方法应用研究

摘要

随着工业化程度以及城镇化程度的不断提高，消费结构的不断升级，我国的能源需求量不断增长。然而我国的资源供给得不到保障、环境容纳能力较小成为了制约我国经济发展的重要因素。与此同时，能源问题与环境问题已成为当今世界被广泛关注的主要问题。如何能在全球范围内绿色经济、低碳技术蓬勃发展的时代抢占未来发展的先机需要依靠先进的科学技术。大型超（超）临界直流锅炉机组是国家重要的工业基础设施，其安全、高效、可靠的运行，对保障能源供应具有关键作用。超（超）临界机组的效率与同容量其它参数火电机组相比较有明显的提高。因此，进行超（超）临界机组先进控制技术的研究是我国电力工业发展的必然选择。预测控制主要应用计算机平台进行设计，近几十年来发展比较迅速，成为了一种比较新型的控制方法。应用预测控制技术进行设计时不必特别依赖对象的模型就能达到很好的综合控制效果，使得其被大范围地应用于实际过程控制领域。多年来预测控制在复杂工业过程中取得了巨大的成功，具有优化需求的控制问题和复杂约束优化控制的问题都可以采用预测控制方法。
　　本文以超（超）临界大型直流锅炉机组先进控制为背景，通过分析其给水流量对过热器出口温度的影响，将主汽温串级控制系统简化成一个单回路控制系统，利用基于拉盖尔函数的新型预测控制算法，研究提出了适用于大型直流锅炉机组的单变量有约束预测控制方案，即通过最小化某成本函数使未来控制信号差分Δu(k)序列最优化，成本函数的选择是基于预测输出信号与设定点信号的偏差最小化。在算法实现过程中利用一组离散拉盖尔函数近似描述未来控制轨迹ΔU，这样只需要很少的描述参数就可以得到满意的控制轨迹，计算过程简单，编程方便，算法更容易实现。基于拉盖尔函数的预测控制算法实现过程中需要对一些参数进行整定，包括拉盖尔参数(a，N)、状态变量权重矩阵Q、输入变量权重矩阵R、预测时域Np等，本文第三章介绍了这些参数的整定方法，在参数整定的过程中需要与离散时间线性二次调节器(DLQR)得出的系统闭环极点进行比较来获得最优的拉盖尔参数a和N。实际系统在运行过程中会受到各种因素的影响产生很多约束条件，本文在预测控制框架下利用二次规划法对系统进行了有约束预测控制。基于拉盖尔函数的预测控制算法使用的是离散时间状态空间矩阵模型，因此很容易将单变量预测控制方法推广到多变量预测控制。本文给出了大型直流锅炉机组的燃水比控制中间点温度和主蒸汽压力的双输入----双输出有约束预测控制方案，对其参数进行了整定，结果进行了仿真，并且与常规PID控制方法的结果进行了比较，验证了所提出的控制方案的有效性。最后为了方便以后的使用，基于PC平台开发了基于MATLAB的多变量预测控制软件包，主要模块包括:数据采集模块、模型辨识模块、模型预测模块、参数整定模块、数据输入模块、系统仿真模块、实时控制模块。此软件包对系统的硬件配置要求不是很高，具有很强的适应性和灵活性，可以满足不同的用户需求，可以对多变量控制系统进行预测控制仿真，减少参数的调节时间，提高系统的控制性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 预测控制的应用研究现状

1．2．1 预测控制发展现状

1．2．2 预测控制在大型直流锅炉控制系统的应用研究现状

1．3 本文主要工作

第二章 大型直流锅炉机组控制系统概述

2．1 大型直流锅炉工作原理

2．2 超(超)临界直流锅炉机组协调控制系统

2．2．1 超(超)临界直流锅炉单元机组协调控制系统

2．2．2 超(超)临界直流锅炉机组协调控制系统模型

2．2．3 超(超)临界直流锅炉机组协调控制策略

2．3 大型直流锅炉主汽温度控制系统

2．3．1 影响主汽温度的因素

2．3．2 主汽温度控系统模型

2．3．3 主汽温度控制策略

2．4 本章小结

第三章 大型直流锅炉机组SISO系统有约束预测控制

3．1 预测控制方法基本原理

3．2 SISO系统预测控制算法

3．2．1 SISO系统模型

3．2．2 SISO系统预测控制算法原理

3．2．3 基于拉盖尔函数的预测控制算法

3．3 基于拉盖尔函数的预测控制算法的实现及参数整定

3．3．1 算法设计步骤

3．3．2 参数整定方法

3．4 仿真研究

3．4．1 给水流量控制主汽温度方案概述

3．4．2 大型直流锅炉机组单变量系统模型

3．4．3 预测控制与常规PID方法仿真

3．4．4 抗干扰性能

3．4．5 基于拉盖尔函数的有约束预测控制仿真

3．5 本章小结

第四章 大型直流锅炉的MIMO有约束预测控制

4．1 多变量模型预测控制算法

4．1．1 MIMO系统模型

4．1．2 MIMO系统预测控制算法

4．2 基于拉盖尔函数的多变量模型预测控制的设计

4．2．1 基于拉盖尔函数的DMPC扩展到MIMO系统

4．2．2 采用拉盖尔函数的多变量有约束模型预测控制

4．3 基于拉盖尔函数的预测控制算法的实现及参数整定

4．3．1 算法设计步骤

4．3．2 参数整定方法

4．4 仿真研究

4．4．1 大型直流锅炉机组多变量系统模型

4．4．2 预测控制与常规PID方法仿真

4．4．3 抗干扰性能比较

4．4．4 MIMO系统有约束预测控制仿真

4．5 本章小结

第五章 应用软件包设计与开发

5．1 概述

5．2 软件框架

5．3 软件的特点和功能

5．4 软件应用实例

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研工作