熱工過程的子空間建模及預(yù)測(cè)控制方法研究.pdf

1、隨著火電機(jī)組規(guī)模不斷擴(kuò)大，參與電網(wǎng)調(diào)峰日趨頻繁，其運(yùn)行控制呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性、大慣性、多變量強(qiáng)耦合特點(diǎn)，且機(jī)組特性易隨著燃料品質(zhì)變動(dòng)、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(shí)方法結(jié)合，利用輸入輸出數(shù)據(jù)，為火電機(jī)組建立適合高級(jí)控制器設(shè)計(jì)的全局模型，并在多模型子空間辨識(shí)的思路和所得模型的基礎(chǔ)上研究

2、先進(jìn)預(yù)測(cè)控制方法及其在火電機(jī)組熱工過程上的設(shè)計(jì)應(yīng)用，以改進(jìn)和提高火電廠自動(dòng)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(jī)組熱工過程大范圍變工況運(yùn)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(shí)結(jié)合的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法。方法首先利用間隙值度量的手段，來估計(jì)機(jī)組在整個(gè)運(yùn)行工況范圍內(nèi)的非線性分布狀況，以實(shí)現(xiàn)局部區(qū)間的合理劃分，再使用子空間辨識(shí)算法，為每個(gè)局部區(qū)間建立具有狀態(tài)空間表達(dá)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(duì)多變量機(jī)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(jí)控制器設(shè)計(jì)的理想形式，同時(shí)由于建模過程完全基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)于機(jī)組工作原理、運(yùn)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(shí)建模。
　　2.針對(duì)火電機(jī)組熱工過程大范圍變工況運(yùn)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(shí)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(duì)非線性對(duì)象進(jìn)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(gè)簡單模型逼近對(duì)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(jià)，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(shí)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(dòng)，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(shí)現(xiàn)無擾切換。
　　3.在多模型子空間辨識(shí)的思路基礎(chǔ)上，提出了分段線性子空間數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制器和模糊子空間數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制器，用于解決火電機(jī)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(shí)的中間矩陣構(gòu)造預(yù)測(cè)器，避免了傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的建模過程及相應(yīng)模型誤差的影響。方法同時(shí)考慮多模型設(shè)計(jì)框架下預(yù)測(cè)器

6、的在線更新，以克服機(jī)組特性的未知變化，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。在Bell-(A)str(o)m機(jī)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(diǎn)的大范圍變化。
　　4.基于子空間辨識(shí)所得模型，提出一種穩(wěn)定預(yù)測(cè)跟蹤控制算法，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)最優(yōu)這兩項(xiàng)火電機(jī)組運(yùn)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(jì)的穩(wěn)定預(yù)測(cè)控制在使用子空間模型時(shí)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(jì)了穩(wěn)定預(yù)測(cè)控制算法，改善了輸出調(diào)節(jié)效果。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，確保復(fù)雜情況下對(duì)輸出變量的無偏調(diào)節(jié)，在模型中擴(kuò)增了擾動(dòng)項(xiàng)，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(dòng)和特性變化對(duì)機(jī)組的影響，并借助在穩(wěn)定預(yù)測(cè)框架內(nèi)綜合設(shè)計(jì)擴(kuò)增觀測(cè)器和穩(wěn)態(tài)設(shè)定值計(jì)算器，來估計(jì)擾動(dòng)的大小，最終消除其對(duì)控制過程的影響。在600MW機(jī)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(jì)的穩(wěn)定預(yù)測(cè)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