預測型PID算法在氣化爐控制系統中的研究

江西電力第34卷 2010年 第4期47文章編號:1006 348X(2010)04 -0047-04預測型PID算法在氣化爐控制系統中的研究鄢波,王巖(江西省電力科學(xué)研究院,江西南昌330096)摘要: 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)兼顧了能源高效利用和環(huán)境保護,是發(fā)電行業(yè)一個(gè)新的發(fā)展方向,而氣化爐則是煤氣化過(guò)程的核心部件。圍繞氣化爐的非線(xiàn)性高耦合、大延遲的動(dòng)態(tài)特性,首先對氣化爐進(jìn)行了機理分析,建立了機理模型,然后將預測PID算法應用于氣化爐控制系統,并基于matlabsimulink對系統進(jìn)行仿真，證明預測PID控制具.有良好的控制精度,響應速度快,其控制效果優(yōu)于常規PID控制方式。關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);氣化爐;預測PID控制;模型預測控制中團分類(lèi)號:TM571文獻標識碼:BL -Predictive PID Algorithm in Gasifer Control systemYAN Bo, WANG Yan(jiangpi Electric Power Research Insitute, Nanchang 330096, Jiangxi Province, China)Abstract: The Integrated Gasifcation Combined Cycle (CCC) technology, a development orientation of power generation,is highly concerned for its charateriation of both high eficiency and environment fiendly. Gasifier is the key technologyof the ICCC. The mechanism of the selected gasifer is analyzed and the corresponding mechanism model is establishedaccording to the dynamic charaterstics of nonlinear, highly coupled and large delay. Then the L -Predictive PIDalgorithm is applied to gasifier control system. Simulation of the system is processed based on matlab simulink. The resultshows that L-Predictive PID control has characteritics of good robustness, fat response and better control.Key word: integrated gasification combined cycle; gasifier, L-Predictive PID; model predictive control0引言1氣化爐控制的基本思路上世紀70年代初期的石油危機給世界帶來(lái)巨對于像氣化爐這樣多變量、大滯后、強非線(xiàn)性以大影響和沖擊。西方主要工業(yè)國家政府從本國經(jīng)濟及高靈敏的過(guò)程,首先要考慮其多變量之間的關(guān)系，發(fā)展和國家安全的戰略角度考慮，推行能源多樣化盡量將-個(gè)多輸人-多輸出(MIMO)的系統解耦成的政策,并鼓勵發(fā)電行業(yè)燃料多樣化。為若千個(gè)單輸人-單輸出(SISO)的系統。通過(guò)變量IGCC主要以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎,是一配對,將復雜的變量關(guān)系對應的控制需求映射到幾種不補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán),其燃料煤氣以煤個(gè)經(jīng)典的單回路控制系統集中。在工程上，需要對氣化形式獲取。氣化爐則是煤氣化過(guò)程的核心部件,多變量系統的控制回路進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)分析,以確定氣化爐控制系統是IGCC系統整體協(xié)調控制的基多變量控制系統中各變量之間的關(guān)聯(lián)程度，從而確礎。氣化爐基于流化床氣化工藝，是一個(gè)煤、空氣以定最佳的操縱變量被控變量搭配。相對增益知陣及水蒸汽發(fā)生氣化反應的反應器。在煤氣化過(guò)程中,(RCA)是其中最常用的分析方法。相對增益矩陣分經(jīng)過(guò)處理的煤,與空氣和水蒸汽進(jìn)入氣化爐,在一定析方法的基本原理是:對于一個(gè)具有N個(gè)被控變量的溫度和壓力下進(jìn)行復雜的化學(xué)反應過(guò)程，產(chǎn)生低中國煤化工統,輸入山對輸出熱值的煤氣,煤灰以及未反應的碳作為灰渣排出。y的:YHCNMHG收稿日期:2010 08-18作者簡(jiǎn)介:郗波(1982-),男,東南大學(xué)碩士,長(cháng)期從事火電廠(chǎng)熱控工作。江西電力第34卷 2010年 第4期_48=(融小小出)(1)u(k)=u(k-1)+K,(1+TJ/T;+T, /T)e(k)(4)-K,(1+2T/T,)e(k-1)+K,T/Te(k-2)式中:(3y/8u) ,表示除u;以外其他回路都開(kāi)環(huán)時(shí)4;式中:K,T,To分別為PID調節器的比例增益、積分對y,的增益;(ay/ou) .示u除以外其他回路都時(shí)間和微分時(shí)間;u(k),u(k-1)為當前和前一采樣閉環(huán)時(shí)yy對y的增益。.時(shí)刻的PID輸出,e(k),e(k-1),e(k-2)分別為當前相對增益λ;描述了當其他控制回路加人時(shí)對采樣時(shí)刻、前一采樣時(shí)刻以及前兩個(gè)采樣時(shí)刻的y-u控制回路的影響程度,入越接近1,則表明該控PID人口偏差;T,為采樣時(shí)間間隔。制回路受到其他回路的影響越小,反之則表明該回3)根據被控過(guò)程數學(xué)模型及上一步計算的控制路受到其他回路的影響越大。在相對增益矩陣的每作用u(k),預測過(guò)程在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的輸出一行(或者列)中分別選取數值最大的元素,相應的值y (k+L)。輸入輸出配對關(guān)系即為最佳控制變量一被控變量被控過(guò)程的數學(xué)模型為如下CARIMA (被控自搭配。同時(shí),由于相對增益是不同條件下兩個(gè)增益回歸積分滑動(dòng)平均)模型:的比值,因此是無(wú)量綱的,故不受單位和量綱的影A(q~)y(k)=B(q~)u(k-1)+E(k)/O(5)響,對非線(xiàn)性也不敏感。.式中:y(k),u(k),ξ(k)分別為被控過(guò)程在k時(shí)刻的2預測PID控制(LP-PID)算法研究輸出、輸入及均值為零的白噪聲序列;O=1-q";A(q~),B(q")是如下后移算子q'的多項式?，F有的氣化爐控制方法主要分為兩種:{ A(+=++..+a.q”(6)1)基于經(jīng)典控制理論的常規控制方法,如常規( B(q")=b+b.+..+baxq*的PID(比例積分微分)控制方法等;過(guò)程輸出在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的預測值為:2)基于現代控制理論的高級控制方法,如模型y(k+L)= Gr (q~) Ou(k+L-1)+ F:(q")y(k) (7)預測控制(MPC)等。常規的PID控制方法,雖然容對于沒(méi)有不穩定極點(diǎn)的被控過(guò)程,可取未來(lái)控易實(shí)施,但是由于其算法只是根據當前時(shí)刻和前兩制增量的次數為1,即有:個(gè)采樣時(shí)刻的設定值與輸出之間的偏差進(jìn)行計算，SOu(k)=u(k)-u(k-1)對于氣化爐這樣的大滯后對象,控制作用沒(méi)有提前( Ou(k+i)=u(k+i)- -u(k+i-1)=0(8)動(dòng)作,無(wú)法獲得令人滿(mǎn)意的控制效果;而普通的模(i=1,2,.. ,L-1)型預測控制(MPC),由于算法的復雜性,會(huì )占據大量由此,可直接求得輸出在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的控制器資源,尤其是針對氣化爐這樣的高耦合多的預測值為:變量過(guò)程,這樣的控制方法難以在現有的通用控制y(k+()=F{ q"})(k)+G{q")Ou (x 1)+gu-Ou k) (9)系統的軟硬件平臺上實(shí)施。4)根據上面所計算的輸出預測y(k+L),返回到氣化爐預測型PID 控制方法將傳統PID控制第2)步進(jìn)行重復計算,直至連續二次計算的PID輸與預測控制結合,應用預測模型預測系統未來(lái)輸出基本不變?yōu)橹?一般需重復計算3~5次)。出,使PID控制器根據未來(lái)時(shí)刻的控制偏差對氣化5)將最終控制信號u()作用于實(shí)際過(guò)程,確保:爐進(jìn)行運算。該方法是用于解決氣化爐系統大滯后預測型PID控制器提前L個(gè)采樣周期動(dòng)作。對象,在傳統的PID算法基礎上,應用預測模型預3應用舉例測系統未來(lái)L步的輸出,使PID控制器根據未來(lái)時(shí)刻的控制偏差進(jìn)行運算，使控制系統提前動(dòng)作,提圖1所示為預測型PID控制器(LP-PID)結構高控制系統品質(zhì)。示意圖。預測型PID控制器(P-PID)的計算過(guò)程為:預測型比例積分徽分調節器IP-PID1)置“變量預測器“的輸出初值(2)母定值Roe(k)[ PIDu(k)被控過(guò)程輸出y(k)y(k+L)= y(k)。中國煤化工2)計算PID控制器的輸出u(k)。PID控制器的人口偏差:e(k) =R-~y(k+L) (3)MYHCNMHG面)PID控制器的輸出為:圈1預劃型PID控制器(LP-PID)結構示意圉江西電力第34卷 2010年 第4期49 .在氣化爐中煤、水蒸汽,氧氣在一定的溫度和手自動(dòng)切換.跟蹤、幅值限制.速率限制以及抗積分壓力條件下經(jīng)一系列復雜的化學(xué)反應過(guò)程,轉換為飽和等功能。中低熱值的煤氣輸出,煤氣經(jīng)過(guò)凈化后,送人燃氣以氣化妒內煤氣溫度一入口水蒸氣質(zhì)量流量這輪機燃燒做功或者作為合成原料進(jìn)行回收。根據工一動(dòng)態(tài)環(huán)節為例.首先通過(guò)系統辨識的方法.建立該藝特點(diǎn),該氣化爐系統的操縱變量選取為:氣化爐動(dòng)態(tài)環(huán)節的傳遞所數模型排渣量、人口氧氣質(zhì)量流量、給煤質(zhì)量流量、人口水Gr.m(s)=--42.7(164s+1).(11)蒸汽質(zhì)量流量;需要進(jìn)行調節的四個(gè)變量(被控變.(505+1)(128s+1)量)分別為:氣化爐出口煤氣熱值、氣化爐床料總質(zhì)選取采樣時(shí)間為1s,加入零階保持器.對該系量、氣化爐內煤氣壓力以及煤氣溫度。整個(gè)氣化妒統進(jìn)行離散化,得釗離散的動(dòng)態(tài)環(huán)節模型:被控過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)4x4的多變量對象。對于氣y(k)-2.9646y(k-1 )+0.9606y(k-2)-0.9650y(k- -3)化爐系統,主要的外界擾動(dòng)來(lái)自于燃氣輪機工況的.=-0.0046u(h-1)+00002u(k- 2 )+0.0045u(k-3)變化,因此,將燃氣輪機的人口壓力作為一個(gè)主要.+e(k)/O .(12)的外界擾動(dòng)量。由此便獲得廣該動(dòng)態(tài)環(huán)節的變量預測器,可以氣化爐的預測型PID控制方法對多變量的氣用于預測該環(huán)節在未來(lái)時(shí)刻的輸出。通過(guò)選取合適化爐系統進(jìn)行分散控制。通過(guò)相對增益矩陣(RCA)的預測步長(cháng)，便可以對該回路進(jìn)行預測型PID控分析、有效相對增益矩陣(ERCA)分析或者奇異值制?；舅惴?分解(SVD)等方法確定操縱變量-被控變量之間的1)置變最預測器的輸出初值y(k+L)=y(k);配對關(guān)系。2)按照上面提到的算法計算PID控制器的輸出例如:對該氣化爐在某一工況下,對系統四個(gè)u(k)。輸人分別做10%指令階躍增試驗.通過(guò)系統響應曲PID控制器的人口偏差:e(k)= R- y(k+L)。線(xiàn)分析,可以得到系統開(kāi)環(huán)增益矩陣K3)根據被控過(guò)程數學(xué)模型及上一步計算的控制14328 -46238 22239 -54 097作用u(k),預測過(guò)程在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的輸出K-5 743.9-1 388.4 4692 -692.55值y(k+L)。-671.8 13664 1 406.3 7 562.9被控過(guò)程的數學(xué)模型為如下CARIMA模型。. -2.283 20.695 -18.503 -42.7過(guò)程輸出在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的預測值為:利用矩陣K,可以計算在某一工況下系統的y(h+L)= Guq")Ou(k+L-1)+ F(qT)y(k) (13)RGA,根據相對增益矩陣分析的結果,可以得到方案式中:- -中操縱變量和被控變量之間的搭配關(guān)系，即:C{q ")=E(q*)E+(a=+=+++.r.xq1doc-) (14)1)煤氣焓值由給煤量調節,煤量的改變影響產(chǎn)對于沒(méi)有不穩定極點(diǎn)的被控過(guò)程,可取未來(lái)控物可燃物質(zhì)的成分,從而影響煤氣的焓值;制增量的次數為1,即有:2)床料由排渣量來(lái)調節,排渣量的變化影響到| Ou(k )=u(k)-u(k-1)(15)總的物料平衡;( Ou(k+i)=u(h+i)-u(k+i-1)=0 (i=1 ,2,... ,L-1)3)煤氣壓力由氧氣量調節，氧氣量的變化可以根據上面的式子,可直接求得輸出在未來(lái)第L快速改變煤氣壓力;個(gè)采樣時(shí)刻的預測值為:4)煤氣溫度由蒸汽量調節,蒸汽量的變化可以y(h+L)=F(q~)y(k)+Gi(q")Ou(k-1)+gunQuk (16)快速改變氣化爐系統的溫度。PID控制器采用增量式PID算法，基本的算法為:Au(k)=u(h)-u(k-1),u(h)為第 2)步所計算的u(k)=u(k-1l)+K(1+T/T:+T,/T)e(k)PID輸出。-K,(1+2T/T,)e(k-1)+K,TJ/Te(k-2)(10)“中國煤化工y(t+L),返回到式中:u(),u(k-1)為當前和上一時(shí)刻的PID輸出;xK,第2)fYH次計算的PID輸T,T分別為比例增益.積分時(shí)間和微分時(shí)間:el(k),出基CNMHG3-5次)。e(k-1),e(k- 2)分別為當前時(shí)刻.上一時(shí)刻以及前兩個(gè)5)將最終的控制信號u(k)作用于實(shí)際過(guò)程,確時(shí)刻的PID人口偏差。該PID具有輸入死區、前饋、保預測型PID控制器能提前L個(gè)采樣周期動(dòng)作。由50江西電力第34卷 2010年 第4期i此便對氣化爐內煤氣溫度- -入 口水蒸氣質(zhì)量流量4結束語(yǔ)這一控制回路進(jìn)行了預測型PID控制。依此類(lèi)推,對某氣化爐其余三個(gè)控制回路實(shí)施本文針對IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統氣化爐展開(kāi)研究,采用預測控制策略提出控制系統方案。接下來(lái)對氣本文所提出的預測型PID控制算法?？刂撇唤y閉環(huán)階躍響應化爐的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,建立了氣化爐的數學(xué)模SVM MPC型,得到氣化爐動(dòng)態(tài)過(guò)程的傳遞函數,將預測型PIDNormnel PID|運用于氣化爐控制系統，并利用matlab simulink對氣化爐溫度和煤氣熱值的常規PID控制與模糊PID控制做了對比的仿真效果良好。參考文獻: .[1]劉尚明,王培勇,韋思亮,等ICCC氣化站的動(dòng)態(tài)建模[].燃氣輪機技術(shù),2001,15(2):27. -31.圖2氣化爐煤氣熱值控制 系統對比[2]韓志明,IGCC動(dòng)態(tài)特性研究初步[]北京:清華大學(xué)熱能結合圖1的控制系統框圖,當氧氣量階躍10%工程系,1997.時(shí),對氣化爐溫度和煤氣熱值的閉環(huán)響應過(guò)程進(jìn)行3] 段立強,林汝謀.金紅光,等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(GCC)matlab仿真,仿真結果如圖2。.技術(shù)進(jìn)展[]燃氣輪機技術(shù),2000, 13(1):9-15.從以上閉環(huán)響應過(guò)程可以看出,三種控制方式[4]韋思亮,倪維斗,劉尚明ICCC電站中氣化爐控制系統研都實(shí)現了溫度控制和熱值控制的目標,但通過(guò)對比究[J].熱能動(dòng)力工程,2002,17(6):551-554.發(fā)現,預測型PID控制系統使系統輸出響應的過(guò)渡[5]焦樹(shù)建整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(CC)[M].北京:時(shí)間短.跟蹤性能好，提高了控制精度,模糊PID控[6]焦樹(shù)建.論ICCC電站中氣化爐型的選擇[J].燃氣輪機技中國電力出版社, 1996.制方式優(yōu)于常規PID控制方法。術(shù),2002,15(2):5-14.7] Peter Schoen.Dynamie Modeling and Control of IntegratedCoal gasification Combined Cycle Units [D].Ph.D.Thesis,Netherlands Delft University of Techno logy, 1993.(上接第23頁(yè))塊主要是產(chǎn)生存儲器的地址,根據計數器的計數值計算存儲器A.B、M、N的地址。3結束語(yǔ)2.2.3存儲器部分存儲器部分相對控制器部分和運算器部分是本文通過(guò)對Montgomery算法的硬件化、并行化比較簡(jiǎn)單的模塊。存儲器部分主要包括存儲器A存.處理,設計并實(shí)現了Montgomery算法IP核,大大提儲器B、存儲器M、存儲器N、寄存器n'[0]和兩個(gè)數高了大數模乘運算的效率?；贛ontgomery IP核,據選擇器構成,主要用于加密數據和中間結構的存本文采用增加預處理的R-L模式大數模冪運算,從而實(shí)現了RSA加密算法。通過(guò)實(shí)驗證明,該RSA加.本文采用XILINX ISE8.0對大數模冪運算器IP密算法IP核能夠有效的提高RSA算法的運行速.核進(jìn)行綜合,使用MODELSIM6.0功能仿真和綜合度,節約大量時(shí)間,對電力用戶(hù)用電信息采集系統后仿真,驗證了各個(gè)模塊設計的正確性。在XILINX的運行和安全防護工作有著(zhù)非常重要的意義。ISE8.0下進(jìn)行綜合,所占用資源如表1所示:參考文獻:表1資源占用表[1] Cetin Kava Koc-Tola_ Acar.Analvzing and comparing資源數量Mo_中國煤化工s UJIEEE McroSlices2780Slice Fip Flops992CNMH G[2]李樹(shù)國,周潤德,馮建華,等.RSA巒碼協(xié)處理器的實(shí)現[J].4 input LUTs5 375電子學(xué)報,2001,11.FIF016RAMB16s8