[发明专利]余热烘干系统的湿度优化控制方法

权利要求书

1.余热烘干系统的湿度优化控制方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

步骤一：建立系统的预测模型，用模型预测控制方法和前馈-反馈控制方法，控制余热烘干系统的出口烟气湿度，使湿度值平稳的达到50%；

a. 建立预测模型

具体方法是：以进料口流量，燃气阀开度值，冷配风阀门开度值为输入量，以湿度传感器采集到的烘干系统出口烟气湿度值为输出量，建立基于最小二乘法的离散差分模型；

       

其中表示烘干系统出气口空气湿度值，表示控制输入向量，表示系统的输入扰动向量；控制输入向量和扰动输入向量为

，

其中表示燃气二通阀阀门开度值，表示冷配风二通阀阀门开度值，表示进料口流量，在烘干过程中可通过调节、、三个控制输入量来控制烘干系统中的空气湿度；、、分别为三个输入量的扰动输入；、和表示通过最小二乘辨识获得的系统参数矩阵

，，

其中为待辨识的标量参数，、为待辨识的维矩阵，n为采样点数；

通过反变换，把上述模型转化成基于脉冲响应传递函数的非参数化模型，即烘干系统出口烟气湿度值预测模型：

其中表示第个采样时刻出口烟气的湿度预测值，为建模时域，表示第时刻的控制输入变量，表示第时刻的输入扰动；其中和的计算公式如下

，

, 

表示对括号内的算式做反变换；

b. 前馈控制器设计

由预测模型

整理后有

其中为被控对象没有扰动时的传递函数，为被控对象扰动通道的传递函数，且有

，

加入前馈控制环节后系统的输出变为

其中为前馈控制器的传递函数；当时有

令，可得前馈控制器的传递函数为；由此，前馈控制器的输出为

c. 采用前馈—反馈控制方法对系统进行校正，实现闭环预测

具体方法如下：用第步出口烟气湿度的实际值与该时刻的湿度预测值做差，可得该时刻的误差值；利用该误差对第个采样时刻的预测输出进行反馈修正，得到校正后第个采样时刻的输出预测值为

，

其中为误差修正系数，为预测时域；

为了使湿度值安全平稳的达到设定值，将模型预测控制方法中的指定参考轨迹在第个采样时刻的值取为

，

其中为输出设定值；为参考时间给定常数；为采样周期；参考轨迹的时间常数值越大，则系统的柔性越强，鲁棒性越强，但控制的快速性却变差；

d. 模型预测控制方法的最优控制律计算

选择输出误差和控制量加权的二次型性能指标，其表示如下：

其中,分别为预测输出误差与控制量的加权系数，为时刻总的控制输入，为时刻前馈控制器输出，为预测时域，为控制时域，且有；

将二次型性能指标写成矢量形式有

其中和为加权阵，选取对角阵形式,，对角线上的元素、可根据实际的系统选取适当的值；为总的控制输入矢量；为参考输入矢量；为输出预测值矢量；

对未知控制矢量求导，即令，就可得出最优控制律

其中为误差修正矢量，的值可取1；

,

其中，为维矩阵，可以一次同时计算出从到时刻的所有控制量，的计算在步骤a中已经给出；

为了尽量减少误差，采用闭环控制算法，即只执行当前时刻的控制作用，而下一时刻控制量再按的计算式递推一步重算；此时，最优控制的即时控制量可写为

其中；

步骤二：烘干系统出口烟气湿度值达到50%后，采用LQ最优控制方法对系统进行最优化控制；

具体方法如下:

初始时刻，以进料口流量、燃气阀开度值、冷配风阀门开度值为控制输入量，利用步骤一的预测控制方法，对余热烘干系统中的烟气湿度进行控制；为了使燃气消耗量最小，当出口烟气湿度值达到50%后，以燃气阀门开度为单控制输入量，通过调节燃气阀门开度值实现系统的最优控制，达到节能的目的；

由前面建立的预测模型经过模型转换后可得系统的状态空间表达式为：

，

其中，为出口烟气湿度，为进料口流量，为冷配风阀门开度值，为燃气阀门开度值，为初始时刻的状态值，和为通过辨识获得的常数矩阵,表示欧式空间；

选取二次型性能指标

其中为预测时域，S、Q_d、R_d为维的正定实对称加权矩阵，选取对角阵、、，对角线上的元素、、可根据系统实际运行特性适当选取；

根据状态方程中矩阵A和B的值，求解离散时间系统的Riccati矩阵方程

其中I表示维的单位矩阵，可解得正定对称矩阵W(k)；由此可以设计出离散时间LQ最优控制器，相应的状态反馈最优湿度控制律为；该最优控制方法将使得湿度控制系统具有的增益裕量和的相位裕量。