[发明专利]一种火电机组过热汽温多模型扰动估计预测控制方法

摘要

本发明公开了一种火电机组过热汽温多模型扰动估计预测控制方法，它以过热汽温系统为被控对象，减温喷水流量为系统控制输入量，过热汽温为系统输出，基于被控对象状态空间模型，建立多种扰动模型分别扩增系统状态，构成扰动模型集。扰动模型集中的各子模型通过加权平均，拟合不可测扰动对系统输出的影响。运用预测控制思想，每一步进行一次优化求解获得最佳系统控制输入量。本发明采用的多模型扰动估计预测控制方法，相比一般的预测控制算法能够更加有效地抑制不可测扰动，维持汽温稳定在设定值附近。当无不可测扰动时，本发明与普通预测控制算法等效，具有较好的跟踪调节性能。

主权项

1.一种火电机组过热汽温多模型扰动估计预测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）在稳态工况下，将过热汽温系统切换到手动状态，以减温喷水流量为输入进行过热汽温的开环阶跃响应试验，利用两点法求出过热汽温对减温喷水流量的传递函数W(s)(℃/(kg/s))；（2）根据线性系统理论的系统实现方法，将过热汽温对减温喷水流量的传递函数W(s)(℃/(kg/s))转换为系统状态空间模型x·=Ax+Buy=Cx+Du,]]>其中[A,B,C,D]为系统矩阵，x为过热汽温系统的状态，y为过热汽温系统的输出，u为预测控制器的输出；（3）建立n种类型扰动模型分别扩增过热汽温系统状态，得到n个扩增系统状态模型[ⁱA^a,ⁱB^a,ⁱC^a,ⁱD^a],其中ⁱD^a＝0,i=1,2,...,n，所述扩增系统状态空间模型的结构如式（1）和式（2）所示：其中，表示k时刻扩增的状态向量，包括两个子向量ⁱx_k和ⁱx_k表示k时刻过热汽温系统原有的状态向量，表示k时刻第i个扰动模型的扰动、扰动变化率或周期的状态；ω_k-1表示k-1时刻过程噪声，v_k表示k时刻输出噪声；采用式（3）和式（4）简洁表达式（1）和式（2）为：xkai=Aaixk-1ai+Baiuk-1+Ωaiωk-1---(3)]]>yki=Caixkai+vk---(4)]]>其中代表xkidkai,]]>ⁱA^a代表A1iA2iA3iA4i,]]>ⁱB^a代表B1iB2i,]]>ⁱC^a代表[ⁱC₁ ⁱC₂];（4）采用卡尔曼滤波方法对n个扩增系统状态模型分别进行状态估计，如式（5）、式（6）和式（7）：x^k|k-1ai=Aaix^k-1|k-1ai+Baiuk-1---(5)]]>x^k|kai=x^k|k-1a+Lkii(yk-Caix^k|k-1ai)---(6)]]>y^k|k-1i=Caix^k|k-1ai---(7)]]>在状态未知情况下，首先使用式（5）和式（7）预估状态和输出再通过式（6）由实际输出y_k和预估输出间的误差来矫正过热汽温系统状态得到新的预估状态和输出状态估计增益矩阵ⁱL_k通过通过求解Riccati方程获得，Riccati方程中的Qi代表输入噪声项的协方差，Ri代表输出噪声项的协方差，卡尔曼滤波参数Qi/Ri为预测控制器的一个调节参数；（5）采用贝叶斯概率加权方法对n个扩增系统状态模型进行加权平均，获得过热汽温的P步平均预测值，应用预测控制算法计算最佳减温喷水流量，将计算得到的最佳减温喷水流量作为过热汽温系统的控制输入量，具体包括如下步骤：（51）根据预估输出通过式（8）计算实际输出y_k与预估输出间的偏差ⁱε_k,并根据偏差ⁱε_k计算各个扩增系统状态模型的权重ⁱw_k:ϵki=yk-y^k|k-1i---(8)]]>（52）通过递推贝叶斯公式计算各扰动模型与过热汽温系统的匹配概率，通过上一时刻的匹配概率ⁱρ_k-1递推获得当前时刻的匹配概率ⁱρ_k，如式（9）：ρki=exp(-12ϵkTiΛϵkii)ρk-1iΣj=14exp(-12ϵkTjΛϵkji)ρk-1j---(9)]]>设定下限值δ，当上一时刻的匹配概率ⁱρ_k-1低于下限值δ时，以下限值δ置换ⁱρ_k-1后带入式（9）进行ⁱρ_k计算；贝叶斯概率加权矩阵ⁱΛ为预测控制器的一个调节参数；（53）对各扰动模型与热汽温系统的匹配概率进行规格化处理，如式（10）：wki=ρkiΣj=14ρkjρki>δ0ρki<δ---(10)]]>（55）根据式（11）计算过热汽温的P步平均预测值：y‾k+j|k=Σi=14wkiy^k+j|ki---(11)]]>其中表示第i个扩增系统状态模型的预测输出值，ⁱw_k表示第i个扩增系统状态模型的权值，为所有扩增系统状态模型的平均预测输出值，j=1,2,…,P；（56）计算减温喷水流量控制量增量Δu_k，取式（12）性能指标函数式：其中，Y_sp为过热汽温设定值，为过热汽温的P步平均预测矩阵，ΔU＝[Δu_k,Δu_k+1,…,Δu_k+m-1]^T，W_y为误差权矩阵和W_u为控制量权矩阵；每一采样时刻进行一次式（12）的优化计算，获得m时域的最佳系统控制输入增量只以当前时刻的控制输入增量Δu_k对当前过热汽温系统实施控制，计算减温喷水流量控制量u_k，如式（13）：u_k＝u_k-1+Δu_k    （13）（6）设置预测控制器的调节参数，包括采样时间Ts、预测步数P、减温喷水流量控制步数M、输出误差权矩阵Wy、控制权矩阵Wu、n个扩增系统状态模型对应的卡尔曼滤波参数Qi/Ri和贝叶斯概率加权矩阵Λi，i=1,2,…,n；（7）向过热汽温系统输入减温喷水流量控制量u_k，获得热汽温系统实际输出y_k。