[發明專利]一種基于ORC余熱回收系統的快速動態矩陣控制方法

有效

• 申請號: 202111180425.1
• 申請日: 2021-10-11
• 公開（公告）號: CN113848723B
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 謝磊;石堯;張志銘;古紹武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 彭劍

本發明公開了一種基于ORC余熱回收系統的快速動態矩陣控制方法，包括：(1)選擇有機朗肯循環的輸入變量、輸出變量和有機工質種類，獲取用于辨識的測試數據，對測試數據進行預處理并通過最小二乘辨識法獲得有機朗肯循環的有限階躍響應模型；(2)確定有機朗肯循環的輸出設定值及輸入輸出約束；(3)選擇動態矩陣控制的模型時域、預測時域、控制時域、輸入輸出權重系數；(4)使用基于SVD分解的雙模式快速動態矩陣控制策略對有機朗肯余熱回收系統進行控制，直至追蹤到輸出參考值。利用本發明，可以快速準確地跟蹤至優化層給出的設定值，避免ORC系統出現故障，可廣泛應用于基于有機朗肯循環的余熱回收系統。

技術領域

本發明屬于過程控制領域，尤其是涉及一種基于ORC余熱回收系統的快速動態矩陣控制方法。

背景技術

提高工業過程中的能量利用效率是當前緩解能源危機與環境壓力的主要手段之一。在當前已有的減小能耗的方法中，有機朗肯循環系統由于其在低溫余熱回收過程中的有效性與可靠性而得到了廣泛的應用。有機朗肯循環系統主要由蒸發器，膨脹機，冷凝器與工質泵構成，各元件較為簡單且易于獲取。此外，有機朗肯循環系統在減小大氣污染排放量方面亦有突出表現。為了提升有機朗肯循環系統性能以更好地應用有機朗肯循環系統余熱回收技術，在過去的幾十年里，人們對其做了大量的研究，包括有機工質的選擇，系統熱力性能分析，系統建模，系統優化等方面。

由于ORC系統的非線性、多變量耦合特性，當負載需求發生變化或余熱不穩定時，不合理的控制方案可能導致被控變量偏離設定值，甚至超出約束限制。因此，一個好的控制器對于ORC系統來說是不可或缺的。

盡管對有機朗肯循環系統的研究眾多，目前只有相對較少的文獻涉及到有機朗肯循環系統的控制，并可以按照控制方法主要分為兩類：PID控制與先進控制方法。盡管先進控制算法(MPC)相比較于傳統控制策略 (PID)在控制有機朗肯循環系統上更具優勢，然而隨著預測時域和控制時域維度，變量個數的增長，MPC和非線性MPC的在線計算時間也隨之變大。如果不能在一次采樣周期內計算得到控制輸入量的值，可能無法實現設定值跟蹤甚至導致ORC系統出現故障。近年來，科研人員針對上述問題提供了一種顯式MPC方法，然而其存在存儲空間和在線查找時間的局限性，導致應用并不廣泛。因此，急需一種快速穩定、可以廣泛應用的MPC方法。

發明內容

本發明提供了一種基于ORC余熱回收系統的快速動態矩陣控制方法，具有快速、可行、易于實施等特點，具有很高的實際應用價值。

一種基于ORC余熱回收系統的快速動態矩陣控制方法，包括以下步驟：

(1)選擇有機朗肯循環的輸入變量、輸出變量和有機工質種類，獲取用于辨識的測試數據，對測試數據進行預處理并通過最小二乘辨識法獲得有機朗肯循環的有限階躍響應模型；

(2)確定有機朗肯循環的輸出設定值以及輸入輸出約束；

(3)選擇動態矩陣控制的模型時域、預測時域、控制時域、輸入權重系數和輸出權重系數；

(4)使用基于SVD分解的雙模式快速動態矩陣控制策略對有機朗肯余熱回收系統進行控制，直至追蹤到輸出參考值。

本發明可以利用所提出的快速動態矩陣控制方法使得基于有機朗肯循環的余熱回收系統快速，準確地跟蹤到根據序貫方法給出的輸出變量設定值，避免可能出現的無法在控制周期內得到控制輸入量的值，導致無法實現設定值跟蹤甚至導致有機朗肯循環系統故障，為當前應用廣泛的有機朗肯循環系統的工業控制提供了解決方案。

進一步地，步驟(1)中，有機朗肯循環的輸入變量為工質泵轉速、膨脹機轉速以及冷凝空氣的質量流量，輸出變量為過熱值、蒸發壓力和冷凝壓力，有機工質種類為R245fa。

獲取用于辨識的測試數據的方法包括但不限于開環階躍測試方法、開環偽隨機二進制序列測試方法和閉環激勵測試方法。