CN109375505A - 基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法，主要包括：PLC控制器、水泵、给水控制阀、含其他阀件和设备的给水管路及燃料管路系统、水位传感器、蒸汽压力传感器、蒸汽流量传感器、给水流量传感器、燃料流量传感器、锅炉本体、控制软件等。控制方法：采用模型预测控制技术，建立锅炉水位、给水流量、蒸汽压力、蒸汽流量、燃料量的动态特性混合模型，确定优化目标函数，实现锅炉气泡水位精确控制。有效节省了锅炉的气泡空间，减小锅炉重量，提高锅炉运行的安全性，特别适应于船舶锅炉的水位控制。

Description

基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法

技术领域

电气控制技术，特别涉及锅炉气泡水位精确控制技术。

背景技术

经典气泡水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量控制，由于单冲量、双冲量和单级三冲量控制策略比较简单，难于适应现代各种复杂锅炉的控制要求。锅炉水位PID控制技术相对成熟，目前较先进的控制方法主要有三冲量气泡水位PID控制，该方法能较好的解决通常情况下气泡水位的控制问题，但在锅炉气泡水位控制过程中仅考虑到给水流量和蒸汽流量的补偿问题，没有考虑到水位波动及震动等其他各种干扰因素，难于提高锅炉参数的响应速度及补水精度。锅炉(特别是船舶锅炉)蒸汽压力、水位等参数具有动态变化范围大，变化速度快等特点，对控制系统的要求高。基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法能大大提高对象的响应速度，极大地提高气泡水位的补水精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出的基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法，该控制方法能克服锅炉水位变化频繁、虚假水位严重等情况，综合考虑各动态参数的耦合关系，特别考虑当前水位值、蒸汽压力值、燃料量值、蒸汽流量值等参数，确定一个最优的给水量控制参数，能大大提高对象的响应速度，提高气泡水位控制的精度，本发明特别适用于船舶类锅炉的水位精确控制。

为实现上述目的，本发明在结合锅炉运行状态中当前气泡水位值、蒸汽压力值、给水流量值、蒸汽流量值、燃料量值等参数的变化情况，得到运行状态下各参数的耦合关系，通过大量的仿真和试验获得锅炉运行动态特性数据，优化参数匹配，确定优化目标函数。目标函数如下式所示：

式中，minJ(k)为优化目标函数的最小控制值输出，ywt、uwt分别为控制作用加权系数和输出加权系数。

本发明在锅炉热态运行气泡水位过程控制中，明确了上述目标函数中M、P、ywt、uwt的取值范围。根据不同锅炉在实际运行过程中，可对各参数进行进一步的优化调整，根据优化目标函数得出锅炉当前最优给水量控制值。通过PLC控制系统，把控制信号输出到给水控制阀，实现给水阀的给水量控制。M的取值范围为6到12的自然数。P为以3到6秒时间单位的时间点，P的取值范围在5到10自然数。“ywt”为控制作用加权系数，ywt的取值范围为0.34-0.37区间。“uwt”为输出加权系数，uwt的取值范围为0.25-0.34区间。

附图说明

图1为基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制系统结构示意图。

其中附图标记具有如下含义：

锅炉本体(1)、蒸汽压力传感器(2)、水位传感器(3)、PLC控制器(4)、燃料流量传感器(5)、水泵(6)、给水流量传感器(7)、给水控制阀(8)、蒸汽流量传感器(9)

图2为基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法控制结构示意图

具体实施方式

一种基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法，具体实施方式包括在锅炉系统结构中，正确安装气泡水位传感器、蒸汽压力传感器、给水流量传感器、蒸汽流量传感器、燃料量传感器，在锅炉运行过程中，通过PLC控制器采集锅炉运行状态中当前气泡水位值、蒸汽压力值、给水流量值、蒸汽流量值、燃料量值等参数。

在整个气泡水位控制中，在每个当前时刻K,确定从该时刻起的M个控制动作，使未来P时刻的水位预测值尽可能的接近设定值，得出锅炉当前最优给水量，采用第一个控制作用实施到被控对象。在下一时刻，重新求解这个最优控制值，并实施到被控对象，不断循环控制输出。

明确锅炉气泡水位未来控制动作的数量值M，为了提高响应速度并减少计算的复杂度，M的取值范围为6到12自然数。

根据锅炉运行的气泡水位实际控制精度需要，明确未来P个时刻的水位预测值，P为以3到6秒时间单位的时间点，P的取值范围在5到10自然数。

根据各型锅炉热态试验或经验值，明确ywt控制作用加权系数值，ywt的取值范围为0.34-0.37区间。

根据各型锅炉热态试验或经验值，明确uwt输出加权系数值，uwt的取值范围为0.25-0.34区间。

利用PLC编程技术，把各参数代入到整个控制算法程序中，并将优化目标函数：

进行PLC控制计算程序设计。计算出给水流量的当前控制信号值。通过PLC控制系统，输出控制信号作用到被控对象，实现实时给水流量的精确控制。

Claims (6)

1.一种基于模型预测控制技术的锅炉气泡水位精确控制方法，其特征在于，包括采集锅炉运行状态中当前气泡水位值、蒸汽压力值、给水流量值、蒸汽流量值、燃料量值等参数，通过仿真和试验形成优化算法，优化参数匹配，确定优化目标函数，在每个当前时刻K,确定从该时刻起的M个控制动作，使未来P时刻的水位预测值尽可能的接近设定值，得出锅炉当前最优给水量，采用第一个控制作用实施到被控对象。在下一时刻，重新求解这个最优控制值，并实施到被控对象，不断循环控制输出。

2.根据权利要求1所述的优化目标函数，采取开环最优控制策略，在每一个当前时刻k起的M个控制作用△u(k),△u(k+1),…,u(k+M)，使未来P个时刻的水位预测值ym(k+1/k),…,ym(k+p/k),尽可能的接近期望值yset(k+1),…yset(k+p)。优化目标函数为：

式中，minJ(k)为优化目标函数的最小取控制值，ywt、uwt分别为控制作用加权系数和输出加权系数。

3.根据权利要求1所述的M个控制动作，M的取值范围为6到12。

4.根据权利要求1所述的未来P个时刻的水位预测值，P为以3到6秒时间单位的时间点，P的取值范围在5到10。

5.根据权利要求2所述的“ywt”控制作用加权系数，通过仿真和试验数据，ywt的取值范围为0.34-0.37区间。

6.根据权利要求2所述的“uwt”输出加权系数，通过仿真和试验数据，uwt的取值范围为0.25-0.34区间。