一種改進(jìn)的Alstom氣化爐預測控制

一種改進(jìn)的Alstom氣化爐預測控制楊小龍 ,等一~種改進(jìn)的Alstom氣化爐預測控制Improved Predictive Control for Alstom Gasifier楊小龍'張正剛2了維明'(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院' ,江蘇南京210000;蘇州紫興紙業(yè)有限公司”,江蘇蘇州215011)摘要:Alstom 能源技術(shù)中心給出了氣化爐在全工況下的Matlab非線(xiàn)性模型。為了解決Alstom 氣化爐非線(xiàn)性、強耦合以及大慣性特點(diǎn)所帶來(lái)的控制問(wèn)題,設計了一種模型預測控制器。首先在局部工況點(diǎn)建立離線(xiàn)線(xiàn)性模型,在所建模型基礎上設計控制器,應用灰色理論GM(1,1)在誤差校正環(huán)節預測未來(lái)時(shí)刻由于模型不匹配產(chǎn)生的誤差,以此來(lái)提高控制器輸出的精度。仿真結果表明,在壓力擾動(dòng)測試中,即使各控制量受到嚴格的約束,各輸出量的偏差仍能維持在規定的范圍內,滿(mǎn)足了Alsom 氣化爐的控制要求。關(guān)鍵詞: Alstom 氣化爐非線(xiàn)性系統 離線(xiàn)建模 模型預測控制 灰 色預測誤差校正中圖分類(lèi)號: TP32文獻標志碼: AAbstract: Alstom Energy Technology Center has given the Matlab nonlinear model for gasifier under full operating condition. In order to solvethe control problem caused by the non-linearity , tight coupling and large inertia of the gasifier from Alstom, the model predictive contoller hasbeen designed. Firstly, the off line linear model is set up under some of the local operating conditions, then on the basis of the modelestablished, the controller is designed. By adopting grey theory GM(1,1), in the eror correction stage, the eror that generated due to modelmismatch in future is predicted, thus the accuracy of controller output is enhanced. The simulation results indicate that in pressure disturbancetests, even control variables are given strict constraints, the deviation of each variable still keeps within a predetermnined range ; this satisfies thecontrol requirements for Alstom gasifier.Keywords: Alstom gasifier Non-linear system Ofline modeling Model predictive control Grey theory prediction error correction性系統的全局控制。同時(shí),通過(guò)引人灰色預測理論來(lái)0引言預測未來(lái)時(shí)刻的誤差范圍,能夠在擾動(dòng)條件下使響應整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( integrated gasification更加迅速、超調更小。combinedeycle,IGCC)作為--種高效清潔利用煤炭的1建模過(guò)程以及描述過(guò)程方式正8益受到重視,已經(jīng)成為國內外研究的熱點(diǎn)"Alstom能源技術(shù)中心基于英國一座聯(lián)合循環(huán)示范電站Alstom氣化爐模型是基于一臺87 MW噴流床氣中的增壓噴流床氣化爐，建立了該氣化爐在全工況范化爐的實(shí)時(shí)運行數據建立的,因此具有很高的精度。圍內的模型,并發(fā)布了氣化爐控制的基準問(wèn)題,列出了如圖1所示是Alstom氣化爐簡(jiǎn)要工作流程。一系列基準測試項目及其系統控制約束條件。煤氣熱值模型預測控制( model predictive control , MPC)由法”吸入口壓力國Adersa公司的Richalet 于1978年提出，能夠用于處→煤氣壓力→煤氣溫度理常規PID控制很難處理的問(wèn)題[27。模型預測控制是煤炭及石灰石床料量基于線(xiàn)性模型建立起來(lái)的,因此在非線(xiàn)性系統中并不水蒸氣總是有效,因為非線(xiàn)性系統很難建立--個(gè)偏差較小的壓縮空氣渣線(xiàn)性模型,雖然有時(shí)可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行建模,但是數圖1 Alstom 氣化爐的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖據的龐大使得控制變得不可實(shí)現。因此,這里考慮在Fig. 1 Simplfed diagram of the production process各個(gè)負荷點(diǎn)建立局部線(xiàn)性模型,基于各個(gè)典型工況下of Alstom Gasifier設計的預測控制器的控制量的疊加，以此來(lái)實(shí)現非線(xiàn)在該氣化爐生產(chǎn)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)處理的煤粉與吸附國家863基金資助項目(編號:2006AA05114-2).氣和水萃氣運送,噴修改稿收到日期:2014-02-14。第一作者楊小龍(1989-),男,現為東南大學(xué)動(dòng)力工程及工程熱物理人氣化爐內。在中國煤化工1體進(jìn)行流專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事:熱工自動(dòng)控制方向的研究?；?同時(shí)與煤中的| YHl CNMHG為4.5M《自動(dòng)化儀表》第35卷第12期2014 年12月63- -種改進(jìn)的Alstom氣化爐預測控制楊小龍 ,等的低熱值煤氣。煤氣經(jīng)凈化后進(jìn)人燃氣輪機,余下的力(P.)。對于氣化爐而言,外界的擾動(dòng)主要是工況灰分、石灰以及未完全反應的碳以灰渣的形式從底部的變化,因此,將下游燃氣輪機的人口壓力波動(dòng)P..作排出?？梢苑治龅贸?氣化爐是一個(gè)5輸人4輸出的為主要的擾動(dòng)量(B]1。系統,由于吸附劑和煤成一定比例,因此可以簡(jiǎn)化成-Alstom建立的示范IGCC電站動(dòng)態(tài)機理模型經(jīng)過(guò)個(gè)4輸人4輸出的強非線(xiàn)性和強耦合的多變量系統。了實(shí)際數據的嚴格校驗,具有較高的準確度。Alstom控制量為進(jìn)口空氣流量(Q)、進(jìn)口蒸汽流量(..)、在公開(kāi)動(dòng)態(tài)機理模型的基礎 上,給出了檢驗控制系統煤粉流量(Q.)以及排渣量(Qa);被控量為床料質(zhì)的各種基準測試、輸人約束以及控制目標等,如表1量(M)、煤氣熱值(CV].)、煤氣溫度(T. )以及煤氣壓所示4。表1輸出與輸入量約束條件Tab. 1 Simplified diagram of the production process of Alstom gasifier輸出變量允許最大動(dòng)態(tài)偏差輸 人變量最大值/(kg.s7)允許最大變化率/(kg.s2)Crgpo煤氣熱值+0.01 MJ/kgQo排渣量3.5+0.2M床料質(zhì)量+500 kg空氣流量20.+1.0煤氣壓力+10 kPa煤流量.10.0煤氣溫度+1K .Qxm蒸汽流量6.0環(huán)境下的氣化爐模型加入如圖2(a) ~圖2(b)所示的偽2控制器的設計隨機擾動(dòng)(即系統的輸入量) ,得到如圖2(e) ~圖2(h)由于模型預測控制器是基于模型建立起來(lái)的，因此所示的系統開(kāi)環(huán)響應曲線(xiàn)。這里隨機擾動(dòng)輸人不超過(guò)在預測控制器設計之前必須先建立氣化爐局部線(xiàn)性化穩態(tài)輸人的5%,使用子空間辨識即可得到離散狀態(tài)空模型。文獻[5]給出了子空間辨識模型的方法,在間模型。100%典型工況下穩定工作運行狀態(tài),對Alstom Simulink激勵與響應曲線(xiàn)如圖2所示。-1.2.w.w.wwWwWWWW. 音4.36m30.8100 200、300 400500! 4.34100 200.300 400 50(田)排渣量激勵(e)煤氣熱值響應x101.000110000100 200 300 400 500099991000 300 400 500(b)空氣量激勵床料量響應.0x10100 200 300 400 50(e)給煤量激勵(g) 煤氣壓力響應3.1221.527 100 200300400 5001221.0(d)蒸汽量激勵(h)煤氣溫度響應圖2激勵與響應曲線(xiàn)Fig.2 The excitation and reponse curves假設某- -工況下,氣化爐的動(dòng)態(tài)特性可以用下列y(h(1)離散狀態(tài)空間表示1:由于在辨識中國煤化工D為零矩x(k+1)=Ax(h) +Bu(k)陣,因此狀態(tài)空間| YHCNMH G)4PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL. 35 No. 12 December 2014一種改進(jìn)的Alstom氣化爐預測控制 楊小龍,等x(h+1)= Ax(k) +Bu(k)Y;)+QU"QAU,其中W為參考軌跡, W=[r" (h+1)y(k)= Cx(k)+e(h)(2)r" (h+2) .... r"(h:+P)]。 其中R Q分別為輸出權重式中:h為第h個(gè)采樣周期;x∈R°;u∈R* ,y∈R'為相對與控制增量的權重矩陣。不考慮約束,可以令=0,于初始狀態(tài)的偏移量;e(k)為對象與模型之間的輸出偏差;AB、C分別為系統的狀態(tài)矩陣、輸人矩陣和輸出得到:矩陣。{AU=(P" RP+Q)-'p"R(W-f)系統初始狀態(tài)下認為x(0)= 0,u(0)= 0,y(0)=0。Au(k)=[1,1,1,1 ,0,0,]0U(10)對于e(h)而言,在k時(shí)刻認為e(k)=y, (h)-Cx(h),并(u(k)=u(k-1)+Ou(k)且有e(0)=0, e(h+i)=e(k)。由表1和表2可知,氣化爐的控制要受各種約束以離散狀態(tài)空間模型為預測模型,預測系統未來(lái)條件的限制,因此無(wú)約束情況下得到的控制輸人量往的多步輸出,假設沒(méi)有擾動(dòng)存在,有:往不能滿(mǎn)足實(shí)際的控制需求。j(h+1)= CAr(h) +CBu(k)(3)根據基準測試要求,有以下輸人速率約束與輸人同時(shí)為了求出當前的控制增量,可以把u(k)寫(xiě)成幅值受限。這是一個(gè)QP問(wèn)題,可以通過(guò)積極集法來(lái)u(k)= u(h-1)+Qu(h) ,從而可以得到:求解”。j(k+1)= CAx(k) +CBu(k-1)+s QumaxCBAu(k)+d(k+1)(4)(11)依次迭代可以得到:umin≤u≤umy(k+j)= CA'x(k)+[ $CA-B]u(h-1)+3灰色預測誤差校正器設計[ SCA-B]