[發明專利]一種火電機組過熱汽溫多模型擾動估計預測控制方法

有效

• 申請號: 201310279686.8
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103322553A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 趙慧榮;沈炯;李益國
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F22G5/12
• 分類號: F22G5/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種火電機組過熱汽溫多模型擾動估計預測控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

（1）在穩態工況下，將過熱汽溫系統切換到手動狀態，以減溫噴水流量為輸入進行過熱汽溫的開環階躍響應試驗，利用兩點法求出過熱汽溫對減溫噴水流量的傳遞函數W(s)(℃/(kg/s))；

（2）根據線性系統理論的系統實現方法，將過熱汽溫對減溫噴水流量的傳遞函數W(s)(℃/(kg/s))轉換為系統狀態空間模型x·=Ax+Buy=Cx+Du,]]>其中[A,B,C,D]為系統矩陣，x為過熱汽溫系統的狀態，y為過熱汽溫系統的輸出，u為預測控制器的輸出；

（3）建立n種類型擾動模型分別擴增過熱汽溫系統狀態，得到n個擴增系統狀態模型[ⁱA^a,ⁱB^a,ⁱC^a,ⁱD^a],其中ⁱD^a＝0,i=1,2,...,n，所述擴增系統狀態空間模型的結構如式（1）和式（2）所示：

其中，表示k時刻擴增的狀態向量，包括兩個子向量ⁱx_k和ⁱx_k表示k時刻過熱汽溫系統原有的狀態向量，表示k時刻第i個擾動模型的擾動、擾動變化率或周期的狀態；ω_k-1表示k-1時刻過程噪聲，v_k表示k時刻輸出噪聲；

采用式（3）和式（4）簡潔表達式（1）和式（2）為：

xkai=Aaixk-1ai+Baiuk-1+Ωaiωk-1---(3)]]>

yki=Caixkai+vk---(4)]]>

其中代表xkidkai,]]>ⁱA^a代表A1iA2iA3iA4i,]]>ⁱB^a代表B1iB2i,]]>ⁱC^a代表[ⁱC₁?ⁱC₂];

（4）采用卡爾曼濾波方法對n個擴增系統狀態模型分別進行狀態估計，如式（5）、式（6）和式（7）：

x^k|k-1ai=Aaix^k-1|k-1ai+Baiuk-1---(5)]]>

x^k|kai=x^k|k-1a+Lkii(yk-Caix^k|k-1ai)---(6)]]>

y^k|k-1i=Caix^k|k-1ai---(7)]]>

在狀態未知情況下，首先使用式（5）和式（7）預估狀態和輸出再通過式（6）由實際輸出y_k和預估輸出間的誤差來矯正過熱汽溫系統狀態得到新的預估狀態和輸出狀態估計增益矩陣ⁱL_k通過通過求解Riccati方程獲得，Riccati方程中的Qi代表輸入噪聲項的協方差，Ri代表輸出噪聲項的協方差，卡爾曼濾波參數Qi/Ri為預測控制器的一個調節參數；

（5）采用貝葉斯概率加權方法對n個擴增系統狀態模型進行加權平均，獲得過熱汽溫的P步平均預測值，應用預測控制算法計算最佳減溫噴水流量，將計算得到的最佳減溫噴水流量作為過熱汽溫系統的控制輸入量，具體包括如下步驟：

（51）根據預估輸出通過式（8）計算實際輸出y_k與預估輸出間的偏差ⁱε_k,并根據偏差ⁱε_k計算各個擴增系統狀態模型的權重ⁱw_k:

ϵki=yk-y^k|k-1i---(8)]]>

（52）通過遞推貝葉斯公式計算各擾動模型與過熱汽溫系統的匹配概率，通過上一時刻的匹配概率ⁱρ_k-1遞推獲得當前時刻的匹配概率ⁱρ_k，如式（9）：

ρki=exp(-12ϵkTiΛϵkii)ρk-1iΣj=14exp(-12ϵkTjΛϵkji)ρk-1j---(9)]]>

設定下限值δ，當上一時刻的匹配概率ⁱρ_k-1低于下限值δ時，以下限值δ置換ⁱρ_k-1后帶入式（9）進行ⁱρ_k計算；貝葉斯概率加權矩陣ⁱΛ為預測控制器的一個調節參數；

（53）對各擾動模型與熱汽溫系統的匹配概率進行規格化處理，如式（10）：wki=ρkiΣj=14ρkjρki>δ0ρki<δ---(10)]]>

（55）根據式（11）計算過熱汽溫的P步平均預測值：

y‾k+j|k=Σi=14wkiy^k+j|ki---(11)]]>

其中表示第i個擴增系統狀態模型的預測輸出值，ⁱw_k表示第i個擴增系統狀態模型的權值，為所有擴增系統狀態模型的平均預測輸出值，j=1,2,…,P；

（56）計算減溫噴水流量控制量增量Δu_k，取式（12）性能指標函數式：

其中，Y_sp為過熱汽溫設定值，為過熱汽溫的P步平均預測矩陣，ΔU＝[Δu_k,Δu_k+1,…,Δu_k+m-1]^T，W_y為誤差權矩陣和W_u為控制量權矩陣；

每一采樣時刻進行一次式（12）的優化計算，獲得m時域的最佳系統控制輸入增量只以當前時刻的控制輸入增量Δu_k對當前過熱汽溫系統實施控制，計算減溫噴水流量控制量u_k，如式（13）：

u_k＝u_k-1+Δu_k????（13）

（6）設置預測控制器的調節參數，包括采樣時間Ts、預測步數P、減溫噴水流量控制步數M、輸出誤差權矩陣Wy、控制權矩陣Wu、n個擴增系統狀態模型對應的卡爾曼濾波參數Qi/Ri和貝葉斯概率加權矩陣Λi，i=1,2,…,n；

（7）向過熱汽溫系統輸入減溫噴水流量控制量u_k，獲得熱汽溫系統實際輸出y_k。