CN110109489A - Cfb锅炉汽包水位系统的无模型自适应去噪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CFB锅炉汽包水位系统的无模型自适应去噪控制方法，包括下列步骤：采集汽包水位，即输出信号，以阀的开度作为控制信号；汽包水位数据去噪处理：采用改进的跟踪微分器，对汽包水位数据进行去噪操作，获得在不同的k时刻得到不包含噪声干扰的汽包水位数据；特征参量求取；控制信号，即阀开度u(k)的求取；通过阀开度控制汽包水位。

Description

CFB锅炉汽包水位系统的无模型自适应去噪控制方法

技术领域

本发明涉及一种CFB锅炉汽包水位系统的无模型自适应去噪控制方法，属于CFB锅炉优化控制领域。

背景技术

随着国民经济的增长,能源消耗急剧增加,能源与环境成为当今社会发展的两大问题。我国是产煤大国,也是用煤大国,目前一次能源消耗中煤炭占76％,而煤炭中有84％直接用于燃烧。随着煤炭消耗的不断增长,特别是低质煤的使用,因转换效率低造成的资源浪费和无控制排放造成的环境污染问题变得愈加严重。常规煤炭燃烧装置,对煤种的适应性差,并且缺乏经济和有效的煤气脱硫系统,是造成普遍低燃烧效率和环境污染的最主要原因。因此,寻求一种高效、低污染燃煤技术,开发新的燃烧设备成为当务之急。

循环流化床锅炉(CFB锅炉)是本世纪80年代发展起来的一种新型锅炉,作为新一代洁净燃煤技术,具有许多其它燃烧方式没有的优点:

(1)可实现在燃烧过程中直接脱硫,脱硫效率高且技术设备经济简单；

(2)燃料适应性广,特别适合于低热值劣质煤；

(3)排出的灰渣活性好,易于实现综合利用,无二次灰渣污染；

(4)负荷调节范围大,低负荷可降到满负荷的30％左右。

在我国目前环保要求日益严格,电厂负荷调节范围较大,煤种多变,原煤直接燃烧比例高,燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下,CFB锅炉由于其诱人的优点己成为电力行业首选的新型燃煤技术[1-3]。

为了使锅炉燃烧发电效率最大化，对CFB锅炉各个部分的控制也至关重要，包括燃烧过程的控制、床温控制和汽包水位控制[4-6]等。其中CFB锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个重要指标，因此对于此部分的控制意义重大。研究表明，该部分具有非线性、难建模、伴随噪声干扰和参数缓慢变化特性。基于传统的PID控制方法虽然操作简单、适用范围广，但由于其自身的结构缺陷，对于非线性等复杂系统的控制仍具有跟大的局限性。后来出现的自适应控制、最优控制[7-8]等，虽然能处理复杂工业过程，但他们对于控制对象模型的精确构建具有很强的依赖性。从而需要一种不依赖于模型也有较好控制效果的控制算法。同时，为了能解决噪声干扰的问题，众多学者基于小波变换提出了不同的去噪方法[9-11]，但是这些方法加大了操作难度且很少能应用到实际控制过程中。在这个研究基础上，同时考虑到系统难建模和伴随噪声干扰的特性，更需要一种新的控制方法来解决这一问题。

由以上分析可见，目前对于CFB锅炉汽包水位系统的控制还有待进一步的完善和创新。针对实际汽包水位系统伴随噪声干扰和难以建立可以实现控制的精确数学模型等特性，需要一种新型的去噪和不需要精确数学模型的算法，且该算法相对简单、易于实现，因此提出一种新的控制方法。

参考文献

[1]李明富.循环流化床锅炉的特点与发展现状[J].工程与技术,2001,7:272-272.

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[11]陈晓曦,王延杰,刘恋.小波阈值去噪法的深入研究[J].激光与红外,2012,42(1):105-110.

发明内容

本发明为解决CFB锅炉汽包水位控制中噪声干扰的问题，提供一种无模型自适应去噪控制方法。该方法将带有滤波作用的改进微分器引入到MFAC方法中，极大程度减少噪声对于汽包水位控制过程的干扰；该方法仅依赖系统的输入输出数据，不需要建立被控系统的数学模型，操作简单，易实现，能够解决CFB锅炉汽包水位系统不易建模的问题。为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种CFB锅炉汽包水位系统的无模型自适应去噪控制方法，包括下列步骤：

(1)采集汽包水位{y(k),y(k-1)}，即输出信号，以阀的开度{u(k-1),u(k-2)}作为控制信号，其中k值代表的是k时刻。

(2)汽包水位数据去噪处理

将y代入下列的改进的跟踪微分器式中，对汽包水位数据进行去噪操作：其中是y去噪后的信号；是y的微分信号，取a₁＞1，a₂＞1，p/q大于等于3，R越大去噪效果越明显，结合实际过程调整R，获得在不同的k时刻得到不包含噪声干扰的汽包水位数据

(3)特征参量求取

当Δu(k-1)≤ε时，特征参量即为初始值，其中ε是一个小正数，Δu(k-1)是阀开度相邻时刻的差值即u(k-1)-u(k-2)；否则，根据下式计算得到特征参量式中：η,μ是权重系数，取值在0-1之间，是经过处理后得到的汽包水位相邻时刻的差值，即：

(4)控制信号，即阀开度u(k)的求取

将汽包水位的设定值y^*(k+1)，经过去噪得到汽包水位值阀的开度u(k-1)，以及求取得到的特征参量带入到式中，计算得出k时刻的控制输入即阀的开度u(k)；其中ρ,λ是权重系数，ρ的取值为0-1之间，λ为根据控制效果调整的参数；

(5)通过阀开度控制汽包水位。

优选地，步骤(5)按下列方法执行：系统的控制输入是阀的开度，系统的输出是汽包水位，汽包水位的设定值y^*(k+1)是正常水位，通过控制阀的开度来控制汽包水位，使其快速稳定跟踪上给定值，将经过去噪处理过后的输出信号和控制信号以及汽包水位的设定值y^*(k+1)作为控制系统的输入信息，不断更新数值的特征参量计算得到控制信号u(k)，即阀的开度，将该信号反馈到汽包水位系统中，从而完成闭环控制。

本发明的有益效果如下：

第一，引入改进的跟踪微分器对实时数据进行去噪，这一过程既解决了数据伴随噪声干扰的问题，又不会降低原始无模型自适应控制算法的快速跟踪给定信号的优良特性。

第二，针对汽包水位系统模型建模比较困难的特点，本发明采用了基于MFAC的控制算法，来实现对汽包水位的控制，有效地解决传统控制算法对系统模型的依赖问题，同时避免系统模型不准确而导致的控制性能差等问题，增强了对工况及环境变化的适应性，使控制效果变得更好。

第三，针对汽包水位系统伴随噪声干扰的特点，本发明在原始MFAC算法基础上引入带滤波作用的改进跟踪微分器，在对控制律的计算过程消除噪声带来的干扰，由此得到了改进的MFAC算法，大幅度的提高汽包水位系统的响应控制精度。

附图说明

图1为汽水系统简要流程图

图2为改进MFAC算法结构框图

图3为汽包水位控制框图

图4为改进MFAC算法的仿真示例图

具体实施方式

本发明是针对现有技术中存在的问题，提出改进策略。下面结合附图，对本发明进一步说明。

循环流化床锅炉汽水系统如图1所示，本发明旨在解决图1红色虚线框所示的汽包水位系统的控制问题。汽水系统流程主要为：水从给水装置流出，经过省煤器适度加热后去汽包，这一过程即是我们控制的过程。除此之外，给水装置同样向减温器供水,目的在于使主蒸汽的温度变化不至于过大，主蒸汽经过蒸汽-水分离装置、过热器,最后通过减温器成为成品蒸汽。在汽包水位系统中，为了使汽包水位保持在合理的水平，此时就需要对阀门进行不断的动态调节，从而汽包水位跟踪上设定值。

针对CFB锅炉汽包水位系统伴随噪声干扰和难以建模的特点，本发明设计了基于改进跟踪微分器的无模型自适应控制方法,以此来减小噪声干扰对于系统的影响，进一步提高控制效果，在去除噪声的同时极大程度的保持了原始MFAC方法的快速响应特性。本发明引入改进微分跟踪器来消除噪声引起的虚假水位的影响，即随时对输出信号进行过滤，得到几近真实的输出信号，减小带噪声信号对控制律计算的影响，进一步优化对汽包水位的控制。

上述控制方案的实现如下：

1.对输出信号进行去噪操作

通过改进的跟踪微分器对输出信号进行去噪操作，其原始形式如下：

式(1)中，我们仅需要了解的是，y是实际输出信号，也就是真实的汽包水位数据，这一数据包含了噪声的干扰，因此可能出现虚假水位。x₁是y去噪后的信号，能极大程度消除噪声带来的虚假信息。x₂是y的微分信号(导数)，这个参数本发明中没有使用到。使用x₁这一不含噪声的数据参与控制律的计算，减小噪声对系统控制的影响。一般可取a₁＞1，a₂＞1，p/q一般大于等于3，β≥1。a₁，a₂，p/q，β确定后可不再改变，主要调整R。为了表达清晰不引起误解，下文使用符号代替x₁。

2.基于改进跟踪微分器的无模型自适应去噪控制

具体控制策略如下：

使用改进无模型自适应控制算法来产生控制信号u(k)。无模型自适应控制从被控系统输入输出数据出发，由已知的输入输出数据来得到下一步的控制输入信号。{[u(k-1),y(k)]}和{[u(k),y(k+1)]}，是相邻采样时刻的观测数据，且u(k)≠u(k-1)，其中u(k)和y(k)分别是系统的输入输出。在加入了去噪这一过程之后，实际参与计算的数据变为其中是应用改进跟踪微分器(1)式去噪处理后的输出信号。作为控制器的无模型控制算法以(2)式为输入：

其中，为k时刻被控对象输出，即为去噪后汽包水位数据；u(k)为时刻k的被控对象的控制输入，即控制汽包水位的阀的开度；y^*(k+1)为k+1时刻被控对象的期望输出，即为汽包水位的设定值；系统的控制输入u(k)可由(3)式求取：

其中ρ,λ是权重系数，ρ的取值为0-1之间，λ的为主要的调整参数，具体可根据实际系统调整。式中只有特征参量未知，需要伪偏导数的参数估计,特征参量通过式(4)得到。

其中η,μ是权重系数，这两个参数范围在0-1之间。

由式(4)通过k-1时刻的输入u(k-1)和k时刻的输出推出k时刻的特征参量由式(3)可再通过k+1时刻的期望输出y^*(k+1)，计算得到该时刻系统的控制输入u(k)，从而得到系统输出y(k+1),得到的数据又可作为控制器新的输入数据，循环控制由此建立。

总结CFB锅炉汽包水位系统优化控制时的实施步骤：首先，得到包含噪声的汽包水位数据y，应用改进的跟踪微分器(1)对包含噪声的数据y(k)进行去噪操作得到不含噪声的数据其次，根据设定的汽包水位值y^*(k+1)，使用经过去噪处理的汽包水位数据实时计算控制律u(k)和伪偏导数达到对汽包水位系统的控制。

这其中所涉及到的重要操作环节的说明如下：

(1)汽包水位实际值的实时监测

无模型自适应控制算法需要系统的实时输入输出数据，因此我们需要汽包水位的实时监测值。

(2)基于改进跟踪微分器的无模型自适应去噪控制

基于MFAC的控制算法，运算过程中的每次迭代只需已有闭环实验的测量数据就可得到特征参量进而产生控制信号u(k)，整个控制过程无需被控对象的模型信息。算法的整体控制结构框图在图2中给出，汽包水位控制框图在图3中给出。

在反馈中加入改进的跟踪微分器，将输出信号y进行去噪处理，得到处理后的输出信号通过这一过程减少噪声对计算控制律u的影响。通过这一过程优化了MFAC控制算法，大大提高了汽包水位的稳定程度。

经过以上分析，本发明CFB锅炉汽包水位控制中基于改进跟踪微分器的无模型自适应去噪控制具体可按照如下步骤进行：

1)汽包水位数据处理。在实际工业过程中，可得到的数据有汽包水位{y(k),y(k-1)}，即输出信号，阀的开度{u(k-1),u(k-2)}，即控制信号，其中k值代表的是k时刻。为了得到不包含噪声干扰的汽包水位数据，将y代入改进的跟踪微分器(1)式中，对汽包水位数据进行去噪操作,即：其中是y去噪后的信号；是y的微分信号。计算时，一般取a₁＞1，a₂＞1，p/q一般大于等于3，主要调整R，R越大去噪效果越明显，具体要结合实际过程调整。通过此过程，在不同的k时刻得到不包含噪声干扰的汽包水位数据

2)特征参量求取。当Δu(k-1)≤ε时，特征参量其中ε是一个小正数，可取值0.01，Δu(k-1)是阀开度相邻时刻的差值即u(k-1)-u(k-2)；其它情况下将已知数据带入式中，计算得到特征参量式中：η,μ是权重系数，取值在0-1之间，是由步骤1)数据处理后得到的汽包水位相邻时刻的差值，即：这一过程旨在消除虚假水位对特征参量的计算带来的影响，特征参量是计算阀的开度u(k)的一个重要参数。

3)控制信号，即阀开度u(k)的求取。将已知的汽包水位的设定值y^*(k+1)，经过步骤1)得到汽包水位值阀的开度u(k-1)，以及求取得到的特征参量带入到式中，计算得出k时刻的控制输入即阀的开度u(k)。这里计算使用此过程应用消除了虚假水位y(k)对计算阀开度u(k)的影响。其中ρ,λ是权重系数，ρ的取值为0-1之间，λ的为主要的调整参数，具体可根据控制效果调整。

4)通过阀开度控制汽包水位，整个过程具体如下：系统的控制输入是阀的开度，系统的输出是汽包水位，汽包水位的设定值y^*(k+1)是正常水位，通过控制阀的开度来控制汽包水位，使其快速稳定跟踪上给定值。将经过步骤1)处理过后输出信号和控制信号以及汽包水位的设定值y^*(k+1)作为本发明改进MFAC算法的输入信息，不断更新数值的特征参量计算得到控制信号u(k)，即阀的开度，将该信号反馈到汽包水位系统中，从而完成闭环控制。

3.仿真示例

仿真示例图在图4中给出，下面对图4进行说明。

在此次仿真中，一共给出了500时间步的仿真结果，也就是k＝500，给定仿真被控对象为其中y(k)可以看做汽包水位值，u(k)可以看做阀门开度，也就是需要使用本发明算法计算的控制量，v是系统携带的噪声。给定的汽包水位设定值为y^*＝0.5，那么仿真的目的就在于要使y(k)跟踪上设定值y^*。在图4的(a)图中给出了使用原始MFAC方法控制的汽包水位值，可以看出，由于受噪声的干扰，汽包水位的的值在设定值上下波动；图4的(b)图使用了本发明的控制方法(图中记为I-MFAC)，可以看出，汽包水位的值几乎与设定值持平，由此说明本发明的控制方法的控制效果良好。

Claims (2)

1.一种CFB锅炉汽包水位系统的无模型自适应去噪控制方法，包括下列步骤：

(1)采集汽包水位{y(k),y(k-1)}，即输出信号，以阀的开度{u(k-1),u(k-2)}作为控制信号，其中k值代表的是k时刻；

(2)汽包水位数据去噪处理

将y代入下列的改进的跟踪微分器式中，对汽包水位数据进行去噪操作：其中是y去噪后的信号；是y的微分信号，取a₁＞1，a₂＞1，p/q大于等于3，R越大去噪效果越明显，结合实际过程调整R，获得在不同的k时刻得到不包含噪声干扰的汽包水位数据

(3)特征参量求取

当Δu(k-1)≤ε时，特征参量即为初始值，其中ε是一个小正数，Δu(k-1)是阀开度相邻时刻的差值即u(k-1)-u(k-2)；否则，根据下式计算得到特征参量 式中：η,μ是权重系数，取值在0-1之间，是经过处理后得到的汽包水位相邻时刻的差值，即：

(4)控制信号，即阀开度u(k)的求取

将汽包水位的设定值y^*(k+1)，经过去噪得到汽包水位值阀的开度u(k-1)，以及求取得到的特征参量带入到式中，计算得出k时刻的控制输入即阀的开度u(k)；其中ρ,λ是权重系数，ρ的取值为0-1之间，λ为根据控制效果调整的参数。

(5)通过阀开度控制汽包水位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)按下列方法执行：系统的控制输入是阀的开度，系统的输出是汽包水位，汽包水位的设定值y^*(k+1)是正常水位，通过控制阀的开度来控制汽包水位，使其快速稳定跟踪上给定值，将经过去噪处理过后的输出信号和控制信号u(k-1),u(k-2)，以及汽包水位的设定值y^*(k+1)作为控制系统的输入信息，不断更新数值的特征参量计算得到控制信号u(k)，即阀的开度，将该信号反馈到汽包水位系统中，从而完成闭环控制。