[發(fā)明專利]一種新型火電機(jī)組負(fù)荷多變量預(yù)測控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410349168.3
• 申請日: 2014-07-22
• 公開（公告）號: CN104122797A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雎剛;錢曉穎;陳歡樂
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務(wù)所 32250
• 代理人: 王斌

1.一種新型火電機(jī)組負(fù)荷多變量預(yù)測控制方法，其步驟如下：

步驟1：分別以汽機(jī)調(diào)門開度u₁，鍋爐燃燒率u₂為階躍量，獲取機(jī)組負(fù)荷y₁和主蒸汽壓力y₂的階躍響應(yīng)值；通過最小二乘系統(tǒng)辨識方法對上述響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到下列傳遞函數(shù)：以汽機(jī)調(diào)門開度u₁為輸入，負(fù)荷y₁為輸出的汽機(jī)調(diào)門—負(fù)荷傳遞函數(shù)G₁₁；以鍋爐燃燒率u₂為輸入，負(fù)荷y₁為輸出的燃燒率—負(fù)荷傳遞函數(shù)G₁₂；以汽機(jī)調(diào)門開度u₁為輸入，主蒸汽壓力y₂為輸出的汽機(jī)調(diào)門—主蒸汽壓力傳遞函數(shù)G₂₁；以鍋爐燃燒率u₂為輸入，主蒸汽壓力y₂為輸出的燃燒率—主蒸汽壓力傳遞函數(shù)G₂₂；

步驟2：選擇采樣時間T，T首先滿足香農(nóng)定理，然后使T₉₅/T取值在10到25之間，T₉₅為機(jī)組負(fù)荷升至設(shè)定值95％的過程時間；對上述傳遞函數(shù)模型進(jìn)行離散化，得到負(fù)荷控制系統(tǒng)的CARIMA模型：A1(z-1)y1(k)=B1,1(z-1)u1(k-1)+B1,2(z-1)u2(k-1)+1Δϵ1(k);]]>A2(z-1)y2(k)=B2,1(z-1)u1(k-1)+B2,2(z-1)u2(k-1)+1Δϵ2(k);]]>式中z^-1為后移算子，Δ＝1-z^-1；Ai(z-1)=1+Σl=1naiai,lz-l,Bi,j(z-1)=Σl=0nbi,jbi,jlz-l,]]>i＝1,2,j＝1,2，na_i和nb_i,j分別為多項(xiàng)式A_i(z^-1)和B_i,j(z^-1)階次，a_i,l和分別為多項(xiàng)式A_i(z^-1)和B_i,j(z^-1)中z^-l項(xiàng)的系數(shù)；y₁(k)，y₂(k)分別為機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力在k時刻的輸出值；u₁(k-1)，u₂(k-1)分別為汽機(jī)調(diào)門開度和鍋爐燃燒率在k-1時刻的控制量，ε₁(k)和ε₂(k)為均值為0的白噪聲；

步驟3：構(gòu)造丟番圖方程：1＝E_i,j(z^-1)A_i(z^-1)Δ+z^-jF_i,j(z^-1)，求得多項(xiàng)式E_i,j(z^-1)和多項(xiàng)式F_i,j(z^-1)，其中Ei,j(z-1)=Σl=0j-1ej,liz-l,Fi,j(z-1)=Σl=0naifj,liz-l,]]>和分別為多項(xiàng)式E_i,j(z^-1)和F_i,j(z^-1)中z^-l項(xiàng)的系數(shù)，i＝1,2分別代表負(fù)荷對象和主蒸汽壓力對象，j＝N_i-1,N_i，N_i為對應(yīng)預(yù)測時域長度；

步驟4：定義算式：Gji,1(z-1)=Ei,j(z-1)Bi,1(z-1),Gji,2(z-1)=Ei,j(z-1)Bi,2(z-1),]]>求得：Gji,1(z-1)=Σl=0j+nbi,1-1gj,li,1z-l,Gji,2(z-1)=Σl=0j+nbi,2-1gj,li,2z-l,]]>式中分別為多項(xiàng)式和中z^-l項(xiàng)的系數(shù)，i＝1,2，j＝N_i-1,N_i；

步驟5：構(gòu)造一維向量：Gi,Ni-1=[gNi-1,Ni-2i,1,...,gNi-1,Ni-1-Nu1i,1,gNi-1,Ni-2i,2,...,gNi-1,Ni-1-Nu2i,2],]]>Gi,Ni=[gNi,Ni-1i,1,...gNi,Ni-Nu1i,1,gNi,Ni-1i,2,...,gNi,Ni-Nu2i,2],]]>式中i＝1,2，Nu₁為汽機(jī)調(diào)門開度的控制時域長度，Nu₂為鍋爐燃燒率的控制時域長度，Nu₁、Nu₂一般取1或2；

步驟6：該控制系統(tǒng)在線實(shí)時記錄控制系統(tǒng)從開始運(yùn)行至采樣k時刻的汽機(jī)調(diào)門開度和鍋爐燃燒率的控制信號{u₁(k-1),u₁(k-2),…u₁(1)}，{u₂(k-1),u₂(k-2),…u₂(1)}，以及機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力的測量數(shù)據(jù){y₁(k),y₁(k-1),…y₁(1)}，{y₂(k),y₂(k-1),…y₂(1)}，同時記錄相應(yīng)控制量的增量{Δu₁(k-1),Δu₁(k-2),…Δu₁(1)}，{Δu₂(k-1),Δu₂(k-2),…Δu₂(1)}，并接收預(yù)測控制系統(tǒng)的機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值y_r,1(k)和主蒸汽壓力設(shè)定值y_r,2(k)；定義中間控制變量：

f1,j=Σi=0na1ff,i1y(k-i)+Σi=1nb1,1gj,j+1-i1,1Δu1(k-i)+Σi=1nb1,2gj,j+1-i1,2Δu2(k-i)(j=N1-1,N1);]]>

f2,j=Σi=0na2ff,i2y(k-i)+Σi=1nb2,1gj,j+1-i2,1Δu1(k-i)+Σi=1nb2,2gj,j+1-i,2,2Δu2(k-i)(j=N2-1,N2);]]>

步驟7：按下式對機(jī)組負(fù)荷在未來第k+N₁-1和k+N₁時刻的輸出和主蒸汽壓力在未來第k+N₂-1和k+N₂時刻的輸出值進(jìn)行預(yù)測：

y₁(k+j|k)＝G_1,j·ΔU+f_1,j(j＝N₁-1,N₁)

y₂(k+j|k)＝G_2,j·ΔU+f_2,j(j＝N₂-1,N₂)

式中，y₁(k+j|k)為未來k+j時刻機(jī)組負(fù)荷預(yù)測值，y₂(k+j|k)為未來k+j時刻主蒸汽壓力的預(yù)測值，ΔU＝[Δu₁(k),…,Δu₁(k+Nu₁-1),Δu₂(k),…,Δu₂(k+Nu₂-1)]，式中Δu₁(k+i),i＝0…Nu₁-1，Δu₂(k+i),i＝0…Nu₂-1分別表示在k時刻對未來k+i時刻汽機(jī)調(diào)門開度和鍋爐燃燒率的輸出控制量增量的估計值；

步驟8：按下列各式求取機(jī)組負(fù)荷在k+N₁時刻的預(yù)測偏差e₁(k+N₁)和預(yù)測偏差變化率ce₁(k+N₁)，主蒸汽壓力在k+N₂時刻的預(yù)測偏差e₂(k+N₂)和預(yù)測偏差變化率ce₂(k+N₂)：

e_i(k+N_i)＝y(tǒng)_i(k+N_i|k)-y_r,i(k+N_i)

e_i(k+N_i-1)＝y(tǒng)_i(k+N_i-1|k)-y_r,i(k+N_i-1)

ce_i(k+N_i)＝e_i(k+N_i)-e_i(k+N_i-1)

式中，i＝1,2，分別代表機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力；y_r,i(k+N_i-1)和y_r,i(k+N_i)分別為設(shè)定值y_r,i(k)在k+N_i-1和k+N_i時刻的預(yù)測值，取y_r,i(k+N_i-1)＝y(tǒng)_r,i(k+N_i)，按下式計算：

y_r,i(k+N_i)＝y(tǒng)_r,i(k)+α·N_i·δ

式中，δ為設(shè)定值的變化速率；α為可調(diào)參數(shù)，在[0,1]間取值，通過調(diào)整α的值大小來調(diào)整控制系統(tǒng)跟蹤設(shè)定值變化的快慢，α取大則控制系統(tǒng)跟蹤設(shè)定值變快，反之則變慢，在設(shè)定值不變或設(shè)定值階躍變化時，α取為0；

步驟9：根據(jù)新型性能指標(biāo)：

J＝[e₁(k+N₁)+λ₁·ce₁(k+N₁)]²+α·[e₂(k+N₂)+λ₂·ce₂(k+N₂)]²

來計算汽機(jī)調(diào)門指令u₁(k)和鍋爐燃燒率指令u₂(k)。式中，λ₁和λ₂分別為機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力的預(yù)測偏差變化率，一般取0～5；α為權(quán)值系數(shù)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力間相對變化關(guān)系進(jìn)行選擇；

將步驟7中的未來預(yù)測值帶入上述性能指標(biāo)中，并通過極值必要條件求得：

ΔU=-(M1T·M1+QT·M2T·M2·Q)-1·[h1·M1+α·h2·M2]T]]>

式中，M1=G1,N1+λ1·(G1,N1-G1,N1-1),M2=G2,N2+λ2·(G2,N2-G2,N2-1),Q=α·I(Nu1+Nu2),]]>h1=f1,N1-yr,1(k+N1)+λ1·(f1,N1-f1,N1-1),h2=f2,N2-yr,2(k+N2)+λ2·(f2,N2-f2,N2-1);]]>

步驟10：計算汽機(jī)調(diào)門開度控制量u₁(k)＝u₁(k-1)+Δu₁(k)，和鍋爐燃燒率控制量u₂(k)＝u₂(k-1)+Δu₂(k)；

步驟11：根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)限制及實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)定控制量約束，汽機(jī)調(diào)門開度約束上下限為[u_1,min，u_1,max]，鍋爐燃燒率約束上下限為[u_2,min，u_2,max]，如果u_i(k)＞u_i,max，則令u_i(k)＝u_i,max,Δu_i(k)＝u_i,max-u_i(k-1)；如果u_i(k)＜u_i,min，則令u_i(k)＝u_i,min,Δu_i(k)＝u_i,min-u_i(k-1)，i＝1,2；

步驟12：控制系統(tǒng)輸出u₁(k)和u₂(k)到相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在之后的每個采樣周期內(nèi)重復(fù)執(zhí)行步驟6到步驟12。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型火電機(jī)組負(fù)荷多變量預(yù)測控制方法，其特征在于：該預(yù)測控制系統(tǒng)預(yù)測時域長度N₁和N₂選擇上只需大于對應(yīng)對象的純延遲時間，同時控制時域長度Nu₁和Nu₂，其取[1，5]之間內(nèi)的數(shù)值。