CN105183015A - 一种改进的锅炉汽包水位控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种改进的锅炉汽包水位控制方法，所述的控制方法利用预测控制和卡尔曼滤波结合的形式对锅炉汽包的水位进行跟踪控制，具体步骤包括：(a)机理建模；(b)线性处理；(c)参数确定；(d)参考轨迹确定：确定柔化系数a，从水位上升过程的实时值y(k)出发向设定值光滑过度的一条曲线；(e)优化计算；(f)在线校正。本发明通过模型预测控制与卡尔曼滤波的结合，在机理建模、得到系统模型的情况下，有效地消除了汽包水位过程的建模和测试噪声；不同于传统的PID控制与一般的预测控制，控制锅炉的汽包水位，阀门动作平稳，有利于长期有效的控制，快速准确跟踪期望的水位曲线，减少能量的消耗和过程的波动，降低生产成本。

Description

一种改进的锅炉汽包水位控制方法
【技术领域】
本发明涉及锅炉的自动技术领域，特别是结合了预测控制与卡尔曼滤波的锅炉汽包水位自动控制的技术领域。
【背景技术】
锅炉是工厂的重要动力设备，为了保证提供合格的蒸汽，必须使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量。工业锅炉汽包水位自动控制的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。水位高度是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。现代锅炉的特点之一是蒸发量显著提高，汽包容积相对减少，水位变化速度很快，非常容易产生满溢或是烧干的危险。水位过高，会影响汽包内汽水分离的效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故，也会增加过热器管壁上的结垢；水位过低，造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。
目前，锅炉汽包水位的自动控制方法有许多种，比如CN200910175389汽包锅炉水位控制系统的前馈信号控制方法，是利用炉膛压力与汽包压力组成的前馈信号来克服“虚假水位”；CN201310256617一种汽包的水位控制方法，则是通过给水量与蒸发量的差值来实现控制；但是缺乏全局优化与实时更新的效果。CN200910155793燃煤锅炉汽包水位系统混合控制方法，是通过最小二乘的辨识模型，然后利用预测PI控制与P控制的方法对汽包水位进行自动调节；CN201210492396一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法，是通过建立云模型控制器来实现调节过程；两者建立过程模型方法不同，而且不处理测量噪声，从而使得控制效果也有所区别。
一种改进的锅炉汽包水位控制方法是利用预测控制与卡尔曼滤波来稳定地调节水位控制过程的曲线，使得建立的过程模型更加精确，水位波动的幅度更加小，安全性能更高，控制效果更好。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种改进的锅炉汽包水位控制方法，可以明显减小测量噪声与汽包水位波动的方差，有效提高过程系统的控制精度，并且易于实现计算机控制。
为实现上述目的，本发明提出了一种改进的锅炉汽包水位控制方法，所述的控制方法利用预测控制和卡尔曼滤波结合的形式对锅炉汽包的水位进行跟踪控制，具体步骤包括：
(a)机理建模：建立汽包水位与水量阀门之间的机理模型，水流量作为操作变量，汽包水位作为被控变量；
(b)线性处理：对模型进行线性化，得到汽包水位与水流量之间的线性模型；
(c)参数确定：选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a1,a2.....aN，仿真调优确定其他参数；
(d)参考轨迹确定：确定柔化系数a，从水位上升过程的实时值y(k)出发向设定值光滑过度的一条曲线；
(e)优化计算：水位传感变送器获得水位的实时测量值y(k)，结合(a)中建立的机理模型，经过卡尔曼滤波算法，消除测量噪声，得到卡尔曼滤波后的测量值与参考曲线yr比较，计算偏差e。
(f)在线校正：对预测值校正，移位设置该时刻温度预测初值YN0，得到水流量变化增量Δu，调节阀门开度，由控制增量计算控制量u并输出，最后计算输出预测值YN1。
作为优选，所述(d)步骤中，柔化系数a的选择对于汽包水位的控制效果具有非常大的影响，a越小，参考轨迹快速性更好，但是鲁棒性能降低，需要根据锅炉汽包的具体工况确定。
作为优选，所述(e)步骤中，控制方法是对结合了预测控制的滚动优化、实时控制与卡尔曼滤波的消除测量噪声这两类控制的优点，控制效果更好。
作为优选，所述(e)步骤中，线性处理是采用基于动态矩阵预测控制算法，它将卡尔曼滤波后的水位测量值与参考曲线yr比较,得到偏差e来对水位预测值进行校正。
作为优选，所述(f)步骤中，卡尔曼滤波算法是通过对汽包水位测量值y和预测模型的输出值ym(k)进行更新，从而获得消除测量噪声后的汽包水位值
本发明的有益效果：本发明一种改进的锅炉汽包水位控制方法在工作过程中，通过模型预测控制与卡尔曼滤波的结合，在机理建模、得到系统模型的情况下，有效地消除了汽包水位过程的建模和测试噪声；不同于传统的PID控制与一般的预测控制，使用本方法控制锅炉的汽包水位，阀门动作平稳，有利于长期有效的控制，而且可以快速准确跟踪期望的水位曲线，减少能量的消耗和过程的波动，实现节能减排，使装置运行在经济合理的位置，有效地提高过程系统的反应速度和控制精度，并且易于实现计算机控制。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种改进的锅炉汽包水位控制方法的影响水位因素的数学模型；
图2是本发明一种改进的锅炉汽包水位控制方法的控制框图；
【具体实施方式】
参阅图1、图2，本发明，具体步骤包括：
步骤一、建立汽包水位与水量阀门之间的机理模型，水流量作为操作变量，汽包水位作为被控变量；
步骤二、对模型进行线性化，得到汽包水位与水流量之间的线性模型；
步骤三、选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a1,a2.....aN，仿真调优确定其他参数；
步骤四、确定柔化系数a，从水位上升过程的实时值y(k)出发向设定值光滑过度的一条曲线；
步骤五、水位传感变送器获得水位的实时测量值y(k)，结合(a)中建立的机理模型，经过卡尔曼滤波算法，消除测量噪声，得到卡尔曼滤波后的测量值与参考曲线yr比较，计算偏差e，然后进行对预测值校正，移位设置该时刻温度预测初值YN0，得到控制增量Δu，调节阀门开度，由控制增量计算控制量u并输出，最后计算输出预测值YN1。
所述步骤二中，由于模型具有很强的非线性，因此将采用多模型的预测控制方法，在不同的工作点上，对模型进行分段线性化，具体工作点的选取需要结合工艺要求。
步骤三中，离线计算，模型预测控制有很多参数可以离线算出，减少在线计算的工作时间，离线计算的步骤为：
1)根据对象类型和动态特性，选取采样周期；
2)动态响应测试，得到模型系数a1,a2.....aN；
3)模型预测控制含有大量的参数，需要通过仿真调优确定，在本过程中，整定的顺序依次为：
优化时域P，控制时域M，输出偏差权矩阵Q，控制增量权矩阵R，控制系数d，反馈校正系数h。
本发明工作过程：
本发明一种改进的锅炉汽包水位控制方法在工作过程中，通过模型预测控制与卡尔曼滤波的结合，在机理建模、得到系统模型的情况下，有效地消除了汽包水位过程的建模和测试噪声；不同于传统的PID控制与一般的预测控制，使用本方法控制锅炉的汽包水位，阀门动作平稳，有利于长期有效的控制，而且可以快速准确跟踪期望的水位曲线，减少能量的消耗和过程的波动，实现节能减排，使装置运行在经济合理的位置，有效地提高过程系统的反应速度和控制精度，并且易于实现计算机控制。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种改进的锅炉汽包水位控制方法，其特征在于：利用预测控制和卡尔曼滤波结合的形式对锅炉汽包的水位进行跟踪控制，具体步骤包括：
(a)机理建模：建立汽包水位与水量阀门之间的机理模型，水流量作为操作变量，汽包水位作为被控变量；
(b)线性处理：对模型进行线性化，得到汽包水位与水流量之间的线性模型；
(c)参数确定：选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a1,a2.....aN，仿真调优确定其他参数；
(d)参考轨迹确定：确定柔化系数a，从水位上升过程的实时值y(k)出发向设定值光滑过度的一条曲线；
(e)优化计算：水位传感变送器获得水位的实时测量值y(k)，结合(a)中建立的机理模型，经过卡尔曼滤波算法，消除测量噪声，得到卡尔曼滤波后的测量值与参考曲线yr比较，计算偏差e。
(f)在线校正：对预测值校正，移位设置该时刻温度预测初值YN0，得到水流量变化增量Δu，调节阀门开度，由控制增量计算控制量u并输出，最后计算输出预测值YN1。
2.如权利要求1所述的一种改进的锅炉汽包水位控制方法，其特征在于：所述(d)步骤中，柔化系数a的选择对于汽包水位的控制效果具有很大的影响，a越小，参考轨迹快速性更好，但是鲁棒性能降低，需要根据锅炉汽包的具体工况确定。
3.如权利要求1所述的一种改进的锅炉汽包水位控制方法，其特征在于：所述(e)步骤中，控制方法是对结合了预测控制的滚动优化、实时控制与卡尔曼滤波的消除测量噪声这两类控制的优点，控制效果更好。
4.如权利要求1所述的一种改进的锅炉汽包水位控制方法，其特征在于：所述(e)步骤中，线性处理是采用基于动态矩阵预测控制算法，它将卡尔曼滤波后的水位测量值与参考曲线yr比较,得到偏差e来对水位预测值进行校正。
5.如权利要求1所述的一种改进的锅炉汽包水位控制方法，其特征在于：所述(f)步骤中，卡尔曼滤波算法是通过对汽包水位测量值y和预测模型的输出值ym(k)进行更新，从而获得消除测量噪声后的汽包水位值
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