多模型切换DMC-PID串...R脱硝系统中应用的仿真分析_方垒.pdf

第 卷第 期 年 月热能动力工程 ，收稿日期：；修订日期：作者简介：方 垒（），男，杭州和利时自动化有限公司高级工程师文章编号：（）多模型切换 串级预测控制在 脱硝系统中应用的仿真分析方 垒（杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州）摘 要：针对火电厂 脱销系统的强非线性、大惯性和大迟延的问题，提出一种新型多模型切换 串级预测控制方案。利用改进最小二乘法辨识得到不同运行工况下的局部线性系统模型；根据约束条件，基于二次规划有效集法，求解不同运行工况下的控制器参数；通过负荷指令确定当前的工作条件，设计不同工况下各 控制器间的跟踪和无扰切换，基于负荷指令切换开关，提出 脱硝系统变工况条件下的多模型切换 串级预测控制，实现 脱硝非线性系统的全局优化控制。仿真结果表明：与传统的串级 相比，变工况试验中 串级预测控制出口 排放浓度超调量减小、响应速度提高；外部干扰试验中 串级预测控制的氨气阀门开度波动幅度减小 、出口 浓度的恢复时间减少 。关 键 词：；系统；多模型切换；无扰切换；串级预测控制中图分类号：文献标识码：引用本文格式方 垒 多模型切换 串级预测控制在 脱硝系统中应用的仿真分析 热能动力工程，（）：，（）：（，：）：，；，.，：，热能动力工程 年引 言选择性催化还原（，）脱硝技术是燃煤电厂脱除烟气中氮氧化物（）的重要方法。其工作原理为，在烟气中注入适量氨气，在催化剂的作用下生成 和。与其他脱硝技术相比，脱硝技术具有脱硝效率高、工作温度范围大及工程造价低等显著优势。在环境污染严重的背景下，脱硝技术已成为火电厂煤粉炉首选的脱硝措施。脱硝系统具有大惯性、大滞后、多扰动和非线性等特点。目前，广泛采用的脱硝控制策略只是在某一负荷点上进行设计。当机组负荷发生变化时，机组和 动态特性会发生变化。多数 脱硝控制系统采用比例积分微分（，）控制器。随着负载指令的变化，控制器在某一负荷点难以满足性能要求，造成过量喷氨增加氨逸出，使下游设备加速腐蚀；或者喷氨量过少，难以达到超低排放目标。在实际运行中，为了保证达到超低排放标准，电厂运行人员通常会将出口 排放浓度设定值调低，但这会导致更多的氨消耗和氨逸出，腐蚀设备，增加运行成本。针对 脱硝系统的控制器设计问题，文献 对各种控制策略进行了深入分析。文献基于一种串级约束动态矩阵预测控制（，）提出了，实现了喷氨量的良好控制。文献为了提高选择性非催化还原烟气脱硝系统的控制性能和调节品质，提出了一种能更好控制复杂系统的广义预测控制方法。文献利用子空间辨识技术为火电厂选择性催化还原 系统开发了基于数据驱动的扰动抑制预测控制器。文献提出了一种使用在线最小二乘支持向量机的自适应抗干扰模型预测控制（，），并使用卡尔曼滤波器来评估过程模型中不可测的干扰，克服不同干扰的能力更强。文献将反向传播（，）神经网络与预测控制相结合，利用 网络建立出口 的预测模型，然后通过 进行滚动优化控制，仿真表明，具有更好的控制品质。但是，上述工作都没有考虑 脱硝系统在变工况下的动态特性，并相应改变控制器设计。因此，本文提出了一种多模型切换 串级预测控制方法，以解决 脱硝系统在变工况下的污染物控制问题。基于改进的最小二乘法，辨识得到不同工况下的线性局部模型，结合控制量和被控量约束条件，利用二次规划有效集法设计了相应的 控制器参数。结合各 间的跟踪和无扰切换控制方法，将得到的控制器组设计为多模型切换 串级预测控制器，实现对 脱硝系统的有效控制。动态矩阵控制 动态矩阵控制器 具有控制效果好、鲁棒性强等优点，能有效克服过程中的不确定性和非线性，并且便于处理过程中控制变量和被控变量的各种约束。算法包括预测模型、滚动优化和反馈校正 部分。在 算法中，需要得到被控对象的单位阶跃响应。在适当的采样周期内，当阶跃响应基本达到稳定值时截断模型，便得到限定时间内的响应序列：，（）式中：建模时域。当 时刻控制量有 个增量（）时，则 时刻的预测值为：?（）?（）（），（）式中：?（）预测初始值。未来各时刻的输出值为：?（）?（）（，）（），（）式中：控制时域。将式（）改写为向量形式：?（）?（）（）（）其中，第 期方 垒：多模型切换 串级预测控制在 脱硝系统中应用的仿真分析?（）?（）?（）|?（）?（）?（）|控制率变化量构成的向量表示为：（）（），（）（）在每个时刻，为了使输出预测值尽可能接近给定的期望值，同时考虑控制增量变化的速度，在时刻 增加软约束处理。使用二次型性能指标函数：（）（）?（）（）（）（），（）（，）（，）（）式中：和 误差权重矩阵和控制权重矩阵。将式（）代入式（）中，得到性能指标函数的标准二次规划形式，采用有效集法求解，使性能指标函数最小，便可得到最优控制序列。火电厂实际运行过程中存在各种噪声和干扰，为使 控制器的预测值不与实际输出产生发散偏离，需对预测模型进行反馈校正，输出误差为：（）（）?（）（）修正后的输出为：?（）?（）（），?（）?（）?（）|（）式中：权重系数组成的校正向量；?（）时刻的初始预测值。由于 系统运行的复杂性和实际物理约束，输入和输出必须满足约束：（）（）（）|（）式中：（）氨气阀开度的改变速率，；喷氨 阀 开 度，；出 口 质 量 浓 度，。控制器参数优化当 系统在变工况条件下运行时，系统的对象模型也发生剧烈变化，可能会造成系统的不稳定。对于 控制器，为了使控制器稳定，需满足条件：（）（）式中：预测时域，误差权重系数。这是 稳定性的必要条件。在求得典型工况点的 局部模型下，利用有效集法求解 二次规划问题时增加约束式（），求得不同工况下满足稳定性条件的控制器参数。多模型切换 串级预测控制 多模型辨识及约束条件电厂实际运行环境复杂，为解决有色噪声对模型参数估计的影响，采用辅助变量最小二乘法 进行 对象参数辨识。针对某电厂 超临界机组，选取高、中、低 个负荷工况点进行 控制系统内环和外环模型辨识。不同负荷下的模型参数如表 所示。辨识所得外环模型与实际运行数据对比如图 所示。表 不同工况点 脱硝系统模型 负荷 内环传递函数外环传递函数 （）（）（）热能动力工程 年图 不同负荷工况下 出口 质量浓度模型验证 从图 可知，在高、中、低 个典型负荷工况下，脱硝系统的现场实测数据与辨识模型输出的拟合精度均较为理想。虽然因为氨气阀门的非线性特性以及运行过程中内、外扰动等因素的影响，使模型输出和现场实际数据之间存在一定的静态和动态偏差，但都不是很大。所以 个负荷工况下的 脱硝控制系统模型能较好地反映 超临界机组脱硝系统的动态特性和稳态特性。为了实现 脱硝系统的全局最优控制，将运行区域划分为，和 个区域，相关约束条件：（）（）（）（）（）（）（）（）|（）串级模型 脱硝系统由内环和外环组成。内环是从喷氨阀开度到氨气流量的模型，外环是从氨气流量到 出口 质量浓度的模型。针对 脱硝系统的动态特性，提出了一种多模型切换 串级预测控制方法。内环采用 控制器，外环采用 控制器。串级预测控制系统的结构如图 所示。图 多模型 串级预测控制 图中：质量浓度设定值；实际氨气流量；氨气流量设定值。不同工况下的内环模型，不同工况下的外环模型。多 控制器的跟踪和无扰切换外环设计了 个典型负荷工况的 控制器，在 控制系统的实际应用中，需考虑人为干预和控制模式切换，由此涉及到 预测控制器的跟踪和无扰切换问题。实现无扰切换的关键是保证控制器的输出在切换的瞬间不跃变。对于 预测控制器来说，预测模型应该始终能够准确地预测出口质量浓度值。要实现这一目标，则某一工况下处于跟踪模式的 控制器（），其预测输出必须基于其他运行工况下 控制器（如）的输出进行实时计算，以确保跟踪模式下的 控制器能够准确预测被控变量的变化。在这种情况下，当控制逻辑从 切换到 时，预测控制器计算出的控制律可以沿着正确的方向前进。切换结构如图 所示。串级控制系统根据当前负荷指令确定运行区域，无扰切换至相应的控制模块和控制对象，从而实现 脱硝非线性系统的全局优化控制。第 期方 垒：多模型切换 串级预测控制在 脱硝系统中应用的仿真分析图 多 无扰切换结构 仿真验证 变工况试验为验证多模型切换 串级预测控制器的有效性，首先进行变工况试验。工况控制器参数设置：外环采用 控制器，采样周期 ，预测时域 ，控制时域 ，建模时域 ，误差加权矩阵 ，控制加权矩阵 ；内环采用 控制器，比例 ；串级 内环比例 ，积分 ，外环比例 ，积分 ，微分 。初始负荷为 。当系统稳定运行后，在第 负荷指令以 的速度上升到。仿真结果如图 和图 所示。图 变负荷工况下的氨气阀门开度响应曲线 图 变负荷工况下的 出口 质量浓度响应曲线 在串级 控制策略的作用下，氨气阀会出现较为剧烈的波动。多模型切换的 串级预测控制系统几乎没有出现氨气阀门开度的波动，从而避免了阀门的频繁动作。多模型切换的 串级预测控制可以减小系统的超调，缩短调节时间。其中，出口 质量浓度的超调量减小，响应速度提高 。外扰试验当系统处于稳态运行时，通过添加外部干扰来验证其抗干扰能力。在 的工况下，当机组稳定运行时，煤质、烟气流量、烟气温度和氨气质量浓度等的变化均会引起 入口 质量浓度的突然变化。因此，在第 ，给系统添加阶跃值为 的 入口 质量浓度的扰动。仿真结果如图 和图 所示。图 入口 质量浓度扰动下氨气阀开度响应曲线 热能动力工程 年图 入口 质量浓度扰动下出口 质量浓度响应曲线 可以看出，在外环加入 入口 质量浓度的干扰后，与传统的串级 相比，所提出的控制策略可以防止氨气阀的开度急剧变化，波动幅度降低了 。同时，出口 质量浓度的恢复时间减少 。综上，多模型切换 串级预测控制策略在变工况运行条件下是有效的，具有很强的抗干扰性，很好地解决了 脱硝系统的控制问题。结 论针对 脱硝系统的大延迟、大惯性和非线性特点，结合多模型无扰切换控制方法，提出了 脱硝的多模型切换 串级预测控制策略，较好地解决了变工况运行条件下 系统调节过程中出口 质量浓度超标的问题。与传统的串级 在变工况和抗干扰两个方面相比，多模型切换 串级预测控制策略减少了超调，缩短了调节时间，缓解了阀门的振荡，可以满足超低排放标准并保证系统的稳定运行。参考文献：，：（），闫来清 烟气脱硝系统数据驱动建模与优化控制研究 北京：华北电力大学，：，黄 宇，高 珊，李其贤，等 脱硝系统的分数阶 参数优化控制 动力工程学报，（）：，（）：杜 鸣，牛玉广，潘翔峰，等 基于改进型模糊线性自抗扰控制器的 脱硝系统优化控制 动 力工程 学报，（）：，（）：，杨婷婷，白 杨，吕 游，等 脱硝系统多目标优化控制研究 中国电机工程学报，（）：，（）：钱 虹，柴婷婷，张超凡 基于可变遗忘因子的 烟气脱硝建模与自适应预测控制研究 热能动力工程，（）：，（）：俞基安，杜 伟，胡 勇，等 基于阶梯式广义预测控制的脱硝优化控制应用 锅炉技术，（）：，（）：王天堃 基于神经网络模型及预测控制 的火电机组脱硝控制策略 中国电力，（）：，（）：，：（），来长胜，白建云，印江 广义预测控制算法在 锅炉 烟气脱硝系统中的应用 热力发电，（）：，第 期方 垒：多模型切换 串级预测控制在 脱硝系统中应用的仿真分析 ，（）：，（）：，：王富强，李晓理，于学斌 基于 预测控制的燃煤机组脱硝系统优化研究 控制工程，（）：，（）：黄德胜，王忠凯，邓继军，等 基于多模型动态矩阵控制的喷氨优 化 装 置 及 应 用 热 能 动 力 工 程，（）：，（）：邢益超，张广明，俞辉，等 多变量动态矩阵控制的优化与仿真 计算机工程与科学，（）：，（）：席裕庚 预测控制 北京：国防工业出版社，：，王志超，张志杰，赵晨阳 基于改进型辅助变量法的压力传感器建模 科学技术与工程，（）：，（）：侯玉婷，薛建中，王林，等 用于 喷氨量模型参数辨识的辅助变量递推最小二乘法 热力发电，（）：，（）：严晓久，周爱国，林建平，等 基于辅助变量法的系统参数辨识 机床与液压，（）：，（）：，（丛 敏 编辑）