熱工過程的子空間建模及預(yù)測控制方法研究.pdf

1、隨著火電機組規(guī)模不斷擴大，參與電網(wǎng)調(diào)峰日趨頻繁，其運行控制呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性、大慣性、多變量強耦合特點，且機組特性易隨著燃料品質(zhì)變動、設(shè)備磨損故障等發(fā)生未知變化，并受到閥門開度、速率等物理限制的嚴(yán)格約束。由于這些困難，常規(guī)的建模及控制方法很難取得滿意的效果。為此，本文首先將基于“分解-合成”思路的多模型策略與子空間辨識方法結(jié)合，利用輸入輸出數(shù)據(jù)，為火電機組建立適合高級控制器設(shè)計的全局模型，并在多模型子空間辨識的思路和所得模型的基礎(chǔ)上研究

2、先進預(yù)測控制方法及其在火電機組熱工過程上的設(shè)計應(yīng)用，以改進和提高火電廠自動化控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)。
　　本文的主要內(nèi)容包括:
　　1.為解決火電機組熱工過程大范圍變工況運行下的非線性控制建模問題，提出將分段線性化策略與子空間辨識結(jié)合的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法。方法首先利用間隙值度量的手段，來估計機組在整個運行工況范圍內(nèi)的非線性分布狀況，以實現(xiàn)局部區(qū)間的合理劃分，再使用子空間辨識算法，為每個局部區(qū)間建立具有狀態(tài)空間表達形式的模型。為了

3、克服各局部子模型不在同一基底，無法相互連接的問題，分別針對多變量機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)及單變量過熱汽溫系統(tǒng)，給出兩種相似變換的方法，將局部模型狀態(tài)向量轉(zhuǎn)移到統(tǒng)一基底下，組成整體多模型系統(tǒng)。所得模型具有滿意精度，適合高級控制器設(shè)計的理想形式，同時由于建模過程完全基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，無需對于機組工作原理、運行情況、設(shè)備部件規(guī)格尺寸等作過多了解，易被拓展用于其它復(fù)雜系統(tǒng)的辨識建模。
　　2.針對火電機組熱工過程大范圍變工況運行下的非線性控制建模問題，提

4、出將模糊聚類和子空間辨識結(jié)合的T-S模糊模型建模方法。方法首先采用G-K模糊聚類的方法，對非線性對象進行結(jié)構(gòu)劃分，并確定各局部區(qū)間相應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)。接著依據(jù)多模型策略“以多個簡單模型逼近對象復(fù)雜特性”的思路，使用一種簡化的多模型狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)，以犧牲模型部分非線性逼近能力為代價，克服模糊隸屬度函數(shù)與輸入輸出數(shù)據(jù)結(jié)合后，子空間矩陣維數(shù)大、算法不可行的問題，使得常規(guī)子空間算法能夠被直接拓展，用于辨識T-S模糊模型的結(jié)論部分。該方法完全基于

5、數(shù)據(jù)驅(qū)動，模糊模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)的確定一次完成，需要較少的人為干預(yù)。由于模糊隸屬度函數(shù)的存在，局部模型之間連接平滑，便于多模型控制器實現(xiàn)無擾切換。
　　3.在多模型子空間辨識的思路基礎(chǔ)上，提出了分段線性子空間數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制器和模糊子空間數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制器，用于解決火電機組熱工過程大工況范圍內(nèi)的控制問題。通過直接使用子空間辨識的中間矩陣構(gòu)造預(yù)測器，避免了傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的建模過程及相應(yīng)模型誤差的影響。方法同時考慮多模型設(shè)計框架下預(yù)測器

6、的在線更新，以克服機組特性的未知變化，進一步增強系統(tǒng)的魯棒性。在Bell-(A)str(o)m機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真表明:這兩種控制器可以在滿足輸入約束情況下快速適應(yīng)負(fù)荷工況點的大范圍變化。
　　4.基于子空間辨識所得模型，提出一種穩(wěn)定預(yù)測跟蹤控制算法，以實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定和動態(tài)調(diào)節(jié)最優(yōu)這兩項火電機組運行中的主要控制目標(biāo)。為解決常規(guī)基于狀態(tài)變量性能指標(biāo)設(shè)計的穩(wěn)定預(yù)測控制在使用子空間模型時輸出調(diào)節(jié)性能較差的問題，直接使用輸出變量作為性

7、能指標(biāo)，重新設(shè)計了穩(wěn)定預(yù)測控制算法，改善了輸出調(diào)節(jié)效果。為了增強系統(tǒng)的魯棒性，確保復(fù)雜情況下對輸出變量的無偏調(diào)節(jié)，在模型中擴增了擾動項，用于集中反映燃料品質(zhì)變化、環(huán)境變化、設(shè)備磨損故障等未知擾動和特性變化對機組的影響，并借助在穩(wěn)定預(yù)測框架內(nèi)綜合設(shè)計擴增觀測器和穩(wěn)態(tài)設(shè)定值計算器，來估計擾動的大小，最終消除其對控制過程的影響。在600MW機組過熱汽溫系統(tǒng)和協(xié)調(diào)系統(tǒng)上的仿真表明，本文設(shè)計的穩(wěn)定預(yù)測跟蹤控制器可以在滿足輸入約束、保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定