CN102444784B - 基于动态矩阵控制的钢铁企业蒸汽管网压力控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于动态矩阵控制的钢铁企业蒸汽管网压力控制系统，属于钢铁企业蒸汽管网压力控制技术领域。包括系统硬件及应用模块；系统硬件包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站；关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换；应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网计算模块、管网调度模块和管网控制模块；其中数据结果显示模块部署在工程师站，计算模块、调度模块和控制模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。优点在于：实现了管网快速控制，保证管网运行安全。

Description

基于动态矩阵控制的钢铁企业蒸汽管网压力控制系统

技术领域

本发明属于钢铁企业蒸汽管网压力控制技术领域，特别是提供一种基于动态矩阵控制的钢铁企业蒸汽管网压力控制系统，实现了管网快速控制，保证管网运行安全。

背景技术

钢铁企业是一个长流程，多工序的生产过程，企业对蒸汽的需求随着生产的进行波动较大，各个工序对蒸汽的品质、压力及数量的需求差异很大，因而导致蒸汽管网系统需要频繁调整蒸汽供应计划。管网系统本身具有大时滞、大惯性等特点，使得产汽点难以依靠自身稳压能力来有效控制整个管网大范围的波动。从管网运行维护的角度看，控制管网压力相对稳定是管网安全、高效运行所必需的。合理地运筹负荷，配合产汽系统协调控制蒸汽的产供过程，是一项具有极大经济效益的节能降耗技术。

按照层级递阶控制系统结构，将控制系统分为组织级、协调级和执行级。组织级具有组织、学习和综合智能决策能力，是智能决策支持系统，为协调级提供知识库；协调级为组织级和执行级之间的连接装置，涉及决策方式的表示，用来协调执行级的动作；执行级是常规控制系统，要求具有较高的执行精度。

对于具有非线性、时变、强耦合的复杂工业过程，仅仅采用经典控制理论和现代控制理论难以进行有效的控制，智能优化控制的思想在很多工业过程控制系统中得到应用。但是随着工业技术和过程控制技术的发展，工业过程越来越复杂，控制的目标越来越多样化，控制精度的要求越来越高。模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略，其算法核心是：可预测未来的动态模型，在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差的反馈校正。模型预测控制具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服钢铁企业蒸汽系统中的时滞性、非线性和强惯性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束。

本发明将建立一种安全有效的管网压力控制计算方法，实现对管网较为精确的压力控制和调度，从而使得管网安全高效运行，保障生产运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于预测控制的层级递阶压力控制系统，实现安全有效的管网压力控制。将企业蒸汽管网的汽源(锅炉、CDQ抽汽)、内部可调阀门(放散阀，减温减压阀)、可调用户(隔断阀)按照层次递阶原理把管网系统分成组织级，协调及，控制级。管网控制依赖于调度模型和计算模型的调度方案和管网计算参数，为协调级提供知识库，把调度模型和计算模型作为组织级。调节对象和手段确定最终控制决策方案，处于协调级。执行级是最终的执行环境，如放散阀、隔断阀等。对于管网内部可调阀门，其控制目标是出口端压力和流量，作为预测控制模型的输出P，G，阀门的开度直接决定出口压力和流量，阀门开度作为DMC模型控制量u。

本发明包括系统硬件及应用模块；系统硬件包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站。关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换。应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网计算模块、管网调度模块和管网控制模块。其中数据结果显示模块部署在工程师站，计算模块、调度模块和控制模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。

关系数据库是显示模块与计算模块、调度模块和控制模块之间的数据通讯媒介。计算模块、调度模块和控制模块将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示；

关系数据库：存储用于模型计算、调度模块、控制模块、数据显示的数据。包括管点信息，管段信息，计算模块、调度模块和控制模块的结果等信息。

数据采集模块：由实时数据库和现场采集仪表以及传输网络组成；现场采集仪表将信息实时传入实时数据库中，并有数据采集模块根据要求向管网计算模型提供数据。

数据结果显示模块：数据接口部分，为模型计算提供数据输入功能，包括读取数据文件，直接读取GIS信息功能；计算结果的显示对模型计算结果实现多种方式显示，包括图表显示和图形显示；

管网计算模块：包括1、建立多气源管网拓扑模型结构，并对管网结构进行合理适当的串联、并联简化，便于模型计算；2、基于IF97公式，水力学热力学定律，以及基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力热力耦合计算模型；3、通过牛顿-拉夫逊法求解管网水力热力模型，通过压降计算公式，将节点流量连续方程组表示为以管段压降为未知量的方程组；之后，利用环路压降能量方程，将方程中的管段压降表示为管段始段、末段压力的差值，得到关于节点压力的非线性方程组；利用泰勒公式将方程组线性化，并对其求解，得到独立节点压力的修正量。采用同样流程，可得到独立节点温度的修正量。随后迭代求解独立节点压力、温度，管段压降、温降，管段流量和参考节点流量，直到满足精度要求。

管网调度模块：包括1、蒸汽管网数学规划、企业规则混合调度模型，以启发式规则调度为主，通过数学规划方法根据情况在备选规则间进行选择，达到最优的控制效果。当产汽、用汽设施有计划发生变化，预判其变化幅度后，首先适时增(或减)干熄焦发电机组抽汽量，其次根据数学规划求解调整合适锅炉气源的负荷。2、调度模型-计算模型方案验证。在汽源正常产汽参数和用户的蒸汽需求量条件下，不考虑蒸汽通过管网传输过程中的参数变化影响，根据估计的用户参数，求解优化运行的调度模型，得到最优的运行方案；根据步骤一优化求得的汽源产汽量，通过管网仿真计算得到到达各用户的蒸汽参数；是判断到达用户蒸汽参数是否满足需求，如不满足则提高汽源的产汽参数，回到第一步，重新计算；如满足则确定调度方案，结束。

管网控制模块：

1、建立层级递阶控制模型

按照层级递阶控制系统结构，将控制系统分为组织级、协调级和执行级。组织级具有组织、学习和综合智能决策能力，是智能决策支持系统，为协调级提供知识库；协调级为组织级和执行级之间的连接装置，涉及决策方式的表示，用来协调执行级的动作；执行级是常规控制系统，要求具有较高的执行精度。

管网压力调节对象主要有汽源(锅炉、CDQ抽汽)、管网内部可调阀门(放散阀，减温减压阀)、可调用户(隔断阀)，对不同调节点使用不同的调节手段和方法。同时也应改采用合适的调节顺序，使得管网压力调节保持较高的效率和较低的费用。一般来说，放散阀调节具有速度快，简单易行的特点，但是很明显这种方式会造成大量的蒸汽能源浪费，所以并非好的方法；汽轮机具有较大的调节范围和响应速度，并且在调压过程中能量损失较小；减温减压装置在调解过程中调节速度快，操作简便，能量损失少，适用于小范围内的调节；汽源锅炉具有较大调节能力，但需要考虑锅炉的启停费用，适用于较大范围内的调节。一般地，在管网中的压力调节按照CDQ抽汽、减温减压、汽源锅炉、放散阀、停供用户的顺序进行调节。

管网控制依赖于调度模型和计算模型的调度方案和管网计算参数，为协调级提供知识库，把调度模型和计算模型作为组织级。调节对象和手段确定最终控制决策方案，处于协调级。执行级是最终的执行环境，如放散阀、隔断阀等。

汽源锅炉和CDQ由系统内部系统控制主要为PID控制。管网内部阀门采用动态矩阵预测算法进行控制方案的制定，将在下一节详细介绍。可调用户一般是在管网供汽不足时，采取按优先级停供，以保证级别高的用户能够得到供应保障。依据企业对蒸汽用户级别优先级的定义由高到低为：炼钢RH、焦化、制氧、海水淡化、冷轧、高炉、烧结、制氢、煤气柜区、热轧、换热站采暖、原水除盐站、生活设施用汽。当需要停供用户时，按照由低到高的顺序依次停止用户供应，直至满足管网供汽要求。

2、建立预测控制模型

动态矩阵控制(DMC)是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，它适用于渐近稳定的线性对象，对于弱非线性对象，可在工作点处首先线性化。动态矩阵控制算法不要求对模型的结构有先验知识，适用于数学模型难以精确建立的复杂对象。

在DMC算法中主要分三个部分：

模型预测：在M个连续的控制增量Δu(k)，…，Δu(k+M-1)作用下未来各时刻的输出值为：

式中，k+i|k表示在k时刻对k+i时刻的预测，

表示初始预测值。

滚动优化：取即时控制增量Δu(k)构成实际控制量u(k)＝u(k-1)+Δu(k)作用于对象。到下一时刻，它又提出类似的优化问题求出Δu(k+1)。

反馈校正：

对于管网内部可调阀门，其控制目标是出口端压力和流量，作为预测控制模型的输出P，G，阀门的开度直接决定出口压力和流量，阀门开度作为DMC模型控制量u。该系统是一个多输入多输出的控制结构。具体执行步骤如下：

步骤一：检测实际输出y，并计算误差y-y(1)-＞e

步骤二：预测值校正，y(t)+he-＞y(t)，t＝1，2…N

步骤三：移位设置该时刻初值y(i+1)-＞y(i)，i＝1，2…N-1

步骤四：计算控制增量

步骤五：计算控制量并输出u+Δu-＞u

步骤六：计算输出预测值y(i)+aiΔu-＞y(t)，t＝1，2…N

本发明的优点在于：基于管网水耦合计算方程，通过层级递阶模型，实现对管网压力的模型预测控制，实现管网压力稳定安全，在保证生产的前提下，节能降耗。采用模型预测控制可快速准确的调节管网对象，实现管网平衡控制。

附图说明

图1是本发明系统各模块之间关系图。

图2是层级递阶模型图。

图3是动态矩阵预测控制流程图。

具体实施方式

本发明包括系统硬件及应用模块；系统硬件包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站；关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换；应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网计算模块、管网调度模块和管网控制模块；其中数据结果显示模块部署在工程师站，计算模块、调度模块和控制模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库；

关系数据库是显示模块与计算模块、调度模块和控制模块之间的数据通讯媒介；计算模块、调度模块和控制模块将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示

关系数据库：存储用于模型计算、调度模块、控制模块、数据显示的数据。包括管点信息，管段信息，计算模块、调度模块和控制模块的结果信息

数据采集模块：由实时数据库和现场采集仪表以及传输网络组成；现场采集仪表将信息实时传入实时数据库中，并有数据采集模块根据要求向管网计算模型提供数据；

数据结果显示模块：数据接口部分，为模型计算提供数据输入功能，包括读取数据文件，直接读取GIS信息功能；计算结果的显示对模型计算结果实现多种方式显示，包括图表显示和图形显示；

管网计算模块：建立多气源管网拓扑模型结构，并对管网结构进行合理适当的串联、并联简化，便于模型计算；基于IF97公式，水力学热力学定律，以及基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力热力耦合计算模型；通过牛顿-拉夫逊法求解管网水力热力模型，通过压降计算公式，将节点流量连续方程组表示为以管段压降为未知量的方程组；之后，利用环路压降能量方程，将方程中的管段压降表示为管段始段、末段压力的差值，得到关于节点压力的非线性方程组；利用泰勒公式将方程组线性化，并对其求解，得到独立节点压力的修正量；采用同样流程，得到独立节点温度的修正量；随后迭代求解独立节点压力、温度，管段压降、温降，管段流量和参考节点流量，直到满足精度要求。

管网调度模块：蒸汽管网数学规划、企业规则混合调度模型，以启发式规则调度为主，通过数学规划方法根据情况在备选规则间进行选择，达到最优的控制效果；当产汽、用汽设施有计划发生变化，预判其变化幅度后，首先适时增或减干熄焦发电机组抽汽量，其次根据数学规划求解调整合适锅炉气源的负荷；调度模型-计算模型方案验证；在汽源正常产汽参数和用户的蒸汽需求量条件下，不考虑蒸汽通过管网传输过程中的参数变化影响，根据估计的用户参数，求解优化运行的调度模型，得到最优的运行方案；根据步骤一优化求得的汽源产汽量，通过管网仿真计算得到到达各用户的蒸汽参数；是判断到达用户蒸汽参数是否满足需求，如不满足则提高汽源的产汽参数，回到第一步，重新计算；如满足则确定调度方案，结束。

管网控制模块：建立层级递阶控制模型和预测控制模型。

图1是发明系统各模块之间关系图。本发明系统硬件包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，水力热力耦合计算模块、管网调度模块和预测控制模块。其中数据结果显示模块部署在工程师站，管网耦合计算模块、调度模块和控制模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。关系数据库是显示模块与耦合计算模块、调度模块和控制模块之间的数据通讯媒介。耦合计算模型、调度模块和控制模块将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示。

图2是层级递阶模型图。按照层级递阶控制系统结构，将控制系统分为组织级、协调级和执行级。调度模型，管网计算模型以及调度员属于组织级；各种管网气源及调节装置属于协调级，如CDQ抽汽，气源锅炉，减温减压装置，放散装置等；阀门属于执行级。

图3是动态矩阵预测控制流程图。首先检测实际输出y，并计算误差，然后预测值校正，并进行移位设置该时刻初值，其次计算控制增量，计算控制量并输出，最后计算输出预测值。

Claims (3)

1.一种基于动态矩阵控制的钢铁企业蒸汽管网压力控制系统，其特征在于，包括系统硬件及应用模块；系统硬件包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站；关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换；应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网计算模块、管网调度模块和管网控制模块；其中数据结果显示模块部署在工程师站，计算模块、调度模块和控制模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库；

关系数据库是显示模块与计算模块、调度模块和控制模块之间的数据通讯媒介；计算模块、调度模块和控制模块将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示；

关系数据库：存储用于模型计算、调度模块、控制模块、数据显示的数据；包括管点信息，管段信息，计算模块、调度模块和控制模块的结果信息；

数据采集模块：由实时数据库和现场采集仪表以及传输网络组成；现场采集仪表将信息实时传入实时数据库中，并有数据采集模块根据要求向管网计算模型提供数据；

数据结果显示模块：数据接口部分，为模型计算提供数据输入功能，包括读取数据文件，直接读取GIS信息功能；计算结果的显示对模型计算结果实现多种方式显示，包括图表显示和图形显示；

管网计算模块：建立多气源管网拓扑模型结构，并对管网结构进行合理适当的串联、并联简化，便于模型计算；基于IF97公式，水力学热力学定律，以及基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力热力耦合计算模型；通过牛顿-拉夫逊法求解管网水力热力模型，通过压降计算公式，将节点流量连续方程组表示为以管段压降为未知量的方程组；之后，利用环路压降能量方程，将方程中的管段压降表示为管段始段、末段压力的差值，得到关于节点压力的非线性方程组；利用泰勒公式将方程组线性化，并对其求解，得到独立节点压力的修正量；采用同样流程，得到独立节点温度的修正量；随后迭代求解独立节点压力、温度，管段压降、温降，管段流量和参考节点流量，直到满足精度要求；

管网调度模块：蒸汽管网数学规划、企业规则混合调度模型，以启发式规则调度为主，通过数学规划方法根据情况在备选规则间进行选择，达到最优的控制效果；当产汽、用汽设施有计划发生变化，预判其变化幅度后，首先适时增或减干熄焦发电机组抽汽量，其次根据数学规划求解调整合适锅炉气源的负荷；调度模型—计算模型方案验证；在汽源正常产汽参数和用户的蒸汽需求量条件下，不考虑蒸汽通过管网传输过程中的参数变化影响，根据估计的用户参数，求解优化运行的调度模型，得到最优的运行方案；根据步骤一优化求得的汽源产汽量，通过管网仿真计算得到到达各用户的蒸汽参数；是判断到达用户蒸汽参数是否满足需求，如不满足则提高汽源的产汽参数，回到步骤一，重新计算；如满足则确定调度方案，结束；

管网控制模块：建立层级递阶控制模型和预测控制模型；

所述的步骤一是指：检测实际输出y，并计算误差y-y(1)→e。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述的建立层级递阶控制模型：

按照层级递阶控制系统结构，将控制系统分为组织级、协调级和执行级；组织级具有组织、学习和综合智能决策能力，是智能决策支持系统，为协调级提供知识库；协调级为组织级和执行级之间的连接装置，涉及决策方式的表示，用来协调执行级的动作；执行级是常规控制系统，要求具有较高的执行精度；

管网压力调节对象有汽源、管网内部可调阀门、可调用户，对不同调节点使用不同的调节手段和方法；同时也应改采用合适的调节顺序，使得管网压力调节保持较高的效率和较低的费用；在管网中的压力调节按照CDQ抽汽、减温减压、汽源锅炉、放散阀、停供用户的顺序进行调节；

管网控制依赖于调度模型和计算模型的调度方案和管网计算参数，为协调级提供知识库，把调度模型和计算模型作为组织级；调节对象和手段确定最终控制决策方案，处于协调级；执行级是最终的执行环境，执行环境包括放散阀、隔断阀；

汽源锅炉和CDQ由PID控制，管网内部阀门采用动态矩阵预测算法进行控制方案的制定，可调用户是在管网供汽不足时，采取按优先级停供，以保证级别高的用户能够得到供应保障；依据企业对蒸汽用户级别优先级的定义由高到低为：炼钢RH、焦化、制氧、海水淡化、冷轧、高炉、烧结、制氢、煤气柜区、热轧、换热站采暖、原水除盐站、生活设施用汽；当需要停供用户时，按照由低到高的顺序依次停止用户供应，直至满足管网供汽要求；

动态矩阵控制是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，它适用于渐近稳定的线性对象，对于弱非线性对象，在工作点处首先线性化；动态矩阵控制算法不要求对模型的结构有先验知识，适用于数学模型难以精确建立的复杂对象。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的动态矩阵控制算法中包括三个部分：

模型预测：在M个连续的控制增量△u(k)，…，△u(k+M-1)作用下未来各时刻的输出值为：

${\tilde{y}}_M(k+i|k)={\tilde{y}}_0(k+i|k)+\underset{j=1}{\overset{\min (M,i)}{\mathrm{\Σ}}}a(i-j+1)\×\mathrm{\Δu}(k+j-1),i=1,\·\·\·,N$

式中，k+i|k表示在k时刻对k+i时刻的预测，表示初始预测值；

滚动优化：取即时控制增量△u(k)构成实际控制量u(k)=u(k-1)+△u(k)作用于对象；到下一时刻，它又提出类似的优化问题求出△u(k+1)；

反馈校正：

${\tilde{y}}_{\mathrm{cor}}(k+1)={\tilde{y}}_{N1}\left(k\right)+\mathrm{he}(k+1)$

对于管网内部可调阀门，其控制目标是出口端压力和流量，作为预测控制模型的输出P，G，阀门的开度直接决定出口压力和流量，阀门开度作为DMC模型控制量u；该系统是一个多输入多输出的控制结构；具体执行步骤如下：

步骤一：检测实际输出y，并计算误差y-y(1)→e

步骤二：预测值校正，y(t)+he→y(t),t=1,2…N

步骤三：移位设置该时刻初值y(i+1)→y(i),i=1,2…N-1

步骤四：计算控制增量 $\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i(w\left(i\right)-y\left(i\right))\→\mathrm{\Δu}$

步骤五：计算控制量并输出u+△u→u

步骤六：计算输出预测值y(i)+ai△u→y(t),t=1,2…N。

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