[发明专利]一种中速磨煤机的多变量推断预测控制方法

摘要

本发明公开了一种中速磨煤机的多变量推断预测控制方法，它采用扩展卡尔曼滤波方法，通过磨煤机进出口压差和出口温度对磨煤机的出口煤量进行实时估计，并以出口煤量的估计值作为新的被控量加入到控制系统中，同时增加了给每机转速作为被控量，可以较快的响应磨煤机负荷指令，缩短制粉系统侧的延迟时间。在控制方法上采用模型预测控制算法，相比于传统的PID控制方法可以更好的调节一次风量和出口温度，同时对煤质改变引起的扰动有较好的抑制作用。

主权项

1.一种中速磨煤机的多变量推断预测控制方法，其特征在于：包括如下的步骤：S1：建立中速磨煤机的模型：中速磨煤机的一次风量Fa、磨煤机进口风温Ta和给煤机瞬时流量Ff分别为： F a = 7.433 μ c + 9.542 μ h - - - ( 1 ) ]]> T a = 89.196 μ c + 2911.216 μ h F a - - - ( 2 ) ]]>Ff＝ωflf (3)其中，μc为冷风阀门开度，μh为热风阀门开度，ωf为给煤机转速，lf为给煤机皮带长度；状态方程为： f = f 1 = M · c o a l = F f + ( 1 + 0.01 a - 0.0004 ω s e p 2 - 0.025 F a 2 ) ( h c 100 ) 0.85 ( 1.171 - 0.0114 m ) ( 1.1 - 0.005 a ) M c o a l f 2 = T · o u t = 1 1.17 M c o a l + 8280 [ - 1.17 F f T o u t + 1.03 F a T a - 1.03 F a T o u t + ( 1.7 - 0.017 m ) F f T c o a l - 25.68 F f m ] - - - ( 4 ) ]]>其中，f为状态方程，Mcoal为磨煤机内存煤量，Tout为磨煤机出口温度，a为原煤的灰分，m为原煤的水分，hc为原煤的可磨性系数，ωsep为分离器转速，Ta为磨煤机进口风温，Tcoal为原煤温度；观测方程为： h = h 1 = Δ p = 0.014 M c o a l + 0.048 F a 2 - 0.225 h 2 = T o u t = T o u t - - - ( 5 ) ]]>其中，h为观测方程，Δp为磨煤机进出口压差；输出方程为： f o u t = 0.13464 ( h c 55 ) 0.85 ( 1.171 - 0.0114 m ) ( 1.1 - 0.005 a ) ( 0.0004 ω s e p 2 + 0.025 F a 2 - 0.01 a - 1 ) M c o a l - - - ( 6 ) ]]>其中，fout为磨煤机出口煤量；S2：对磨煤机的模型进行辨识，得到磨煤机的状态空间模型为： x ( k ) = A x ( k - 1 ) + B ω f μ c μ h f o u t ( k ) T o u t ( k ) F a ( k ) = C x ( k - 1 ) + D ω f μ c μ h - - - ( 7 ) ]]>其中，矩阵A,B,C,D均由辨识得到，x(k)为状态量，k为当前采样时刻；S3：求解被控量的预测值 Y ~ ( k ) = Φ X ~ ( k ) + Γ U ~ ( k - 1 ) + G y Δ U ~ ( k ) - - - ( 8 ) ]]>其中，各矩阵的表达形式如下： Y ~ ( k ) = y ( k + 1 | k ) y ( k + 2 | k ) . . . y ( k + N | k ) - - - ( 9 ) ]]> X ~ ( k ) = x ( k + 1 | k ) x ( k + 2 | k ) . . . x ( k + N | k ) - - - ( 10 ) ]]> U ~ ( k - 1 ) = U ( k - 1 ) U ( k - 1 ) . . . U ( k - 1 ) - - - ( 11 ) ]]> Δ U ~ ( k ) = Δ u ( k ) Δ u ( k + 1 ) . . . Δ u ( k + N c - 1 ) - - - ( 12 ) ]]> Φ = C A C A 2 . . . C A N - - - ( 13 ) ]]> Γ = C B + D Σ i = 0 1 C A i B + D . . . Σ i = 0 N - 1 C A i B + D - - - ( 14 ) ]]>其中，y(k)为被控量的反馈值，U(k)为控制量，Δu(k)为控制增量，N为控制器的预测时域，Nc为控制器的控制时域；S4：结合现场运行数据和磨煤机模型，采用扩展卡尔曼滤波方法对磨煤机出口煤量进行估计，具体过程如下：首先对状态方程f和观测方程h进行线性化处理，得到线性化后的矩阵F和H如下： F = ∂ f 1 ∂ M c o a l ∂ f 1 ∂ T o u t ∂ f 2 ∂ M c o a l ∂ f 2 ∂ T o u t - - - ( 16 ) ]]> H = ∂ h 1 ∂ M c o a l ∂ h 2 ∂ T o u t - - - ( 17 ) ]]>记X＝[Mcoal,Tout],Z＝[Δp,Tout],u＝[Ff,Fa,Ta,ωsep]，设P为X的协方差矩阵，Q、R分别是X、Z的噪声协方差矩阵，则可以由上一采样时刻的数据得到当前的状态量，其算法如下：X(k|k-1)＝f[X(k-1|k-1)] (18)P(k|k-1)＝F(k-1)P(k-1|k-1)FT(k-1)+Q (19)Kg(k)＝P(k|k-1)H(k)T[H(k)P(k|k-1)HT(k)+R] (20)X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k){Z(k)-h[X(k|k-1),u(k-1)]} (21)P(k|k)＝[I-Kg(k)H(k)]P(k|k-1) (22)其中，Kg(k)为卡尔曼滤波增益，I为单位矩阵；由此得到当前时刻的X(k|k)，进而可知此时磨煤机内存煤量Mcoal(k)，然后根据公式(6)求得磨煤机出口煤量fout；S5：对状态量x(k)进行估计：设x(k)的协方差矩阵为为状态量的估计值，y(k)的噪声协方差矩阵为估计过程如下：为Kg(k)的状态量估计；由此得到状态量的估计值并令S6：由步骤S4得到当前时刻的磨煤机出口煤量fout，由此得到当前时刻控制器的被控量反馈值通过计算以下目标函数求得下一时刻的控制量U(k)，具体过程如下：设定目标函数Jk： J k = | | Y ~ ( k ) - Y r e f ( k ) | | ω 1 2 + | | Δ U ~ ( k ) | | ω 2 2 - - - ( 28 ) ]]>其中，ω1、ω2均为单位矩阵；将目标函数进行改写，写成如下二次规划形式： J k ( Δ U ~ ( k ) ) = 1 2 Δ U ~ T ( k ) H Δ U ~ ( k ) + b T Δ U ~ ( k ) S . t . r Δ U ~ ( k ) ≤ c - - - ( 29 ) ]]>其中，各矩阵表示如下： H = 2 ( G y T ω 1 G y + ω 2 ) - - - ( 30 ) ]]> b = - 2 G y T ω 1 E ( k ) - - - ( 31 ) ]]>E(k)＝Yref(k)-Φx(k)-ΓU(k-1) (32) r = I - I T - T G y - G y - - - ( 33 ) ]]> c = ΔU max - ΔU min U max - S U ( k - 1 ) - U min + S U ( k - 1 ) Y max - Φ X ( k ) - Γ U ( k - 1 ) - Y min + Φ X ( k ) + Γ U ( k - 1 ) - - - ( 35 ) ]]> S = I I . . . I - - - ( 36 ) ]]>其中，X(k)＝X，Yref(k)为被控量的设定值，ΔUmax为控制增量的上限，ΔUmin为控制增量的下限，Umax为控制量的上限，Umin为控制量的下限，Ymax为被控量的上限，Ymin为被控量的下限，Gy为公式(15)，b为公式(31)；下一时刻的控制量U(k)为： U ( k ) = U ( k - 1 ) + I 0 ... 0 Δ U ~ ( k ) - - - ( 37 ) ]]>S7：判断中速磨煤机的自动控制系统是否停止运行：如果停止运行，则进行步骤S8；否则，返回步骤S3，更新被控量的预测值并对下一时刻的出口煤量进行估计；S8：结束。