CN115591378B - 火电机组scr脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统及方法 - Google Patents

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CN115591378B CN202211590141.4A CN202211590141A CN115591378B CN 115591378 B CN115591378 B CN 115591378B CN 202211590141 A CN202211590141 A CN 202211590141A CN 115591378 B CN115591378 B CN 115591378B
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    • B01D53/86—Catalytic processes
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Abstract

本发明涉及分离技术领域，特别涉及一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统及方法，其中，系统包括：SCR反应器出口NOX浓度前馈预测组件，通过筛选火电机组运行过程中与NOx生成相关的变量，并将其输入至预设ARIMAX模型，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令；改进抗扰的串级控制组件，包括外环控制器和内环控制器，外环控制器采用改进自抗扰控制器，并且内环控制器采用PID控制器。本发明实施例可以通过锅炉燃烧信号形成的前馈预测信号从NOX的生成源头提前预知NOX浓度变化，并对控制器进行抗扰改进，从而有效克服实际电厂脱硝回路存在的多种扰动，保证被控对象机组出口NOx稳定，满足机组经济、安全的运行指标。

Description

火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统及方法
技术领域
本发明涉及分离技术领域，特别涉及一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统及方法。
背景技术
在电厂脱硝系统中，由于复杂的锅炉燃烧条件和烟气流动过程，NOx在SCR（Selective Catalytic Reduction，催化还原法）脱硝反应器内往往变化剧烈，存在多种扰动，同时由于NOx分析系统从采样、分析再到将数据反馈到DCS（Distributed ControlSystem，分散控制系统）系统需要较长时间，脱硝系统往往呈现出大惯性、大滞后的特性，对脱硝控制系统的运行质量有很大影响。为达到环保要求，电厂通常会通过提高喷氨量的方式降低出口NOx浓度，而过量喷出的氨不仅会堵塞空预器降低电厂经济效益，更会成为新的污染源污染环境。因此，有必要针对电厂脱硝系统扰动多和测量迟滞大的特点，对电厂脱硝控制系统进行改进，提前预知弥补系统测量延迟造成的大惯性并提高反馈控制器的抗扰性能，以满足机组经济、安全的运行指标。
相关技术中，现有电厂SCR控制多采用固定摩尔比的方式，虽简单易操作但属于开环控制，极易造成过量喷氨；串级PID控制系统对上述方法的稳定性做出了改进但仍难以克服脱硝回路大迟滞大扰动的问题；现有前馈反馈组合控制方案中前馈信号大多依赖经验，缺乏更为科学和统一的标准；在近几年发展起来的结合机器学习的先进控制方案中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定。以上控制方案都未解决电厂脱硝控制在现场应用中大迟滞、大扰动的问题，亟待改善。
发明内容
本发明提供一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统及方法，以解决相关技术中：现有电厂SCR控制多采用固定摩尔比的方式，虽简单易操作但属于开环控制，极易造成过量喷氨；串级PID控制系统对上述方法的稳定性做出了改进但仍难以克服脱硝回路大迟滞大扰动的问题；现有前馈反馈组合控制方案中前馈信号大多依赖经验，缺乏更为科学和统一的标准；在近几年发展起来的结合机器学习的先进控制方案中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定。因此难以解决脱硝回路控制大扰动、大迟滞的问题。
本发明第一方面实施例提供一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统，包括：SCR反应器出口NOX浓度前馈预测组件，通过筛选火电机组在运行过程中与NOx生成至少一个相关变量，并将其输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOx浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令；改进抗扰的串级控制组件，所述改进抗扰的串级控制组件包括外环控制器和内环控制器，其中，所述外环控制器采用改进自抗扰控制器，用于根据SCR反应器出口NOX浓度实际值与设定值生成第二喷氨流量指令，并且，所述内环控制器，采用PID控制器，根据所述第一喷氨流量指令和所述第二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，用于根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述预设ARIMAX模型的结构为：
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可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一喷氨流量指令的计算公式为：
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可选地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个相关变量包括总风量、风煤比、总给煤量和入口氧量中的至少一项。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述串级外环控制器采用改进自抗扰控制器，其中，所述改进自抗扰控制器的改进扩张状态观测器的数学表达式为：
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本发明第二方面实施例提供一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，包括以下步骤：获取火电机组在运行过程中与NOx生成的至少一个相关变量，并将至少一个相关变量输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOx浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令；获取所述SCR反应器出口的NOX浓度实际值，并输入至改进抗扰的串级控制系统中的外环控制器，外环控制器采用改进自抗扰控制器，生成第二喷氨流量指令；以及根据所述第一喷氨流量指令和所述第二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，输入至改进抗扰的串级控制系统中的内环控制器，采用PID控制器，根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述预设ARIMAX模型的结构为：
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可选地，在本发明的一个实施例中，所述至少一个相关变量包括总风量、总给煤量、风煤比、和入口氧量中的至少一项。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述外环控制器，采用改进自抗扰控制器，其中，所述改进自抗扰控制器的改进扩张状态观测器的数学表达式为：
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本发明第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法。
本发明实施例可以通过锅炉燃烧信号形成的前馈预测信号从NOX的生成源头上提前预知NOX浓度变化，并对控制器进行抗扰改进，从而有效克服实际电厂脱硝回路存在的多种扰动，保证被控对象机组出口氮氧化物（NOx）稳定，满足机组经济、安全的运行指标。由此，解决了相关技术中：现有电厂SCR控制多采用固定摩尔比的方式，虽简单易操作但属于开环控制，极易造成过量喷氨；串级PID控制系统对上述方法的稳定性做出了改进但仍难以克服脱硝回路大迟滞大扰动的问题；现有前馈反馈组合控制方案中前馈信号大多依赖经验，缺乏更为科学和统一的标准；在近几年发展起来的结合机器学习的先进控制方案中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定。因此难以解决脱硝回路控制大扰动、大迟滞的问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例提供的一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个具体实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统的原理示意图；
图3为根据本发明一个具体实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统的原理示意图；
图4为根据本发明一个具体实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统的原理示意图；
图5为根据本发明实施例提供的一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法的流程图。
其中，10-火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统：100- SCR反应器出口NOX浓度前馈预测组件、200-改进抗扰的串级控制组件、201-外环控制器和202-内环控制器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统及方法。针对上述背景技术中心提到的相关技术中：现有电厂SCR控制多采用固定摩尔比的方式，虽简单易操作但属于开环控制，极易造成过量喷氨；串级PID控制系统对上述方法的稳定性做出了改进但仍难以克服脱硝回路大迟滞大扰动的问题；现有前馈反馈组合控制方案中前馈信号大多依赖经验，缺乏更为科学和统一的标准；在近几年发展起来的结合机器学习的先进控制方案中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定。因此难以解决脱硝回路控制大扰动、大迟滞的问题。本发明提供了一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，在该方法中，可以通过锅炉燃烧信号形成的前馈预测信号从NOX的生成源头上提前预知NOX浓度变化，并对控制器进行抗扰改进，从而有效克服实际电厂脱硝回路存在的多种扰动，保证被控对象机组出口氮氧化物（NOx）稳定，满足机组经济、安全的运行指标。由此，解决了相关技术中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定等问题。
具体而言，图1为本发明实施例所提供的一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统的结构示意图。
如图1所示，该火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统10包括：SCR反应器出口NOx浓度前馈预测组件100、改进抗扰的串级控制组件200、外环控制器201和内环控制器202。
具体地，SCR反应器出口NOX浓度前馈预测组件100，通过筛选火电机组运行过程中与NOx生成至少一个相关变量，并将其输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOx浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令。
在实际执行过程中，本发明实施例包括一种基于ARIMAX模型的SCR反应器NOX浓度前馈预测模型，通过筛选火电机组在运行过程中与NOx生成相关的变量，并将与NOx生成相关的变量输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOx浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令，从而根据喷氨流量的前馈控制指令，有效解决迟滞问题，提高控制稳定性。
可选地，在本发明的一个实施例中，预设ARIMAX模型的结构为：
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，
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为残差序列的自回归系数多项式。
具体实施例中，根据脱硝环节的大延迟、大惯性特点，利用带外因输入的自回归移动平均模型(ARIMAX)，定义预测时长，即可根据机组运行过程中相关变量，计算得到SCR反应器入口NOx浓度的预测值，从而在源头上提前预知NOx的生成量，并通过NOx与NH3的反应机理计算应喷氨量，从前馈回路提前抑制住SCR反应器内的NOx变化，有效克服电厂脱硝环节测量时间导致的大迟滞问题，实现抗扰和弥补测量迟延的效果。
可选地，在本发明的一个实施例中，第一喷氨流量指令的计算公式为：
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，
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为第一喷氨流量前馈指令。
在一些实施例中，为得到前馈输出，采用ARIMAX模型进行训练，定义预测时长，可得到SCR反应器入口NOx浓度预测值
Figure SMS_87
与机组运行过程中相关变量的关系，则前馈输出可表示为结合出口NOx浓度设定值、总风量和化学比例系数，通过前馈输出公式，得到喷氨流量的前馈控制指令后，与反馈控制得到的喷氨流量指令相加，即可得到总喷氨流量指令，消除大延迟、大惯性对控制效果的不利影响，进一步提高控制稳定性。
改进抗扰的串级控制组件200，改进抗扰的串级控制组件包括外环控制器和内环控制器，其中，外环控制器201采用改进自抗扰控制器，用于根据SCR反应器出口NOX浓度实际值与设定值生成第二喷氨流量指令，并且，内环控制器202采用PID控制器，根据第一喷氨流量指令和第二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，用于根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令。
在实际执行过程中，本发明实施例中改进抗扰的串级控制组件200的外环控制器201可采用改进自抗扰控制器，根据SCR反应器出口NOX浓度实际值与设定值生成第二喷氨流量指令，本发明实施例中的PID控制器202可根据第一、二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，并根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令。
串级控制方法中外环所控制的内环喷氨流量设定值可表示为：
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，
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进一步地，串级控制方法中内环所控制的喷氨阀门开度指令可表示为：
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，
其中，
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本发明实施例可以通过外环控制与内环控制相结合，根据电厂脱硝系统的常见扰动形式，改进自抗扰控制器的结构，以消除扰动对观测结果及控制效果的影响，解决脱硝回路中的多扰动、大扰动问题，使得被控对象机组出口NOx稳定，满足机组经济、安全的运行指标。
可选地，在本发明的一个实施例中，至少一个相关变量包括总风量、风煤比、总给煤量和入口氧量中的至少一项。
在一些实施例中，可根据机组运行过程中相关变量计算得到SCR反应器入口NOx浓度的预测值，其中，至少一个相关变量包括总风量、风煤比、总给煤量和入口氧量中的至少一项，结合出口NOx浓度设定值、总风量与化学比例系数，可得到前馈输出，抑制各类扰动对控制回路的影响。
本发明实施例可通过前馈回路提前抑制住SCR反应器内的NOx变化，有效克服电厂脱硝环节测量时间导致的大迟滞问题，实现抗扰和弥补测量迟延的效果，进一步地提高控制稳定性。
可选地，在本发明的一个实施例中，外环控制器采用改进自抗扰控制器，其中，改进自抗扰控制器的改进扩张状态观测器的数学表达式为：
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，
其中，
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为与原系统阶次相关的总状态个数，/>
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为观测器增益系数，y为系统输出，g为根据扰动类型构造的与时间t和各状态量相关的函数，
改进自抗扰控制器的状态反馈控制率的数学表达式为：
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，
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为参考输入，/>
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为所述的第二喷氨流量指令，/>
Figure SMS_109
为原系统增益的估计值。
在具体实施例中，改进扩张状态观测器的数学表达式需使得观测器特征根
Figure SMS_110
位于左半复平面，ESO内各状态观测量才能精准跟踪系统内的各个状态和扰动，因此，根据脱硝系统的常见难控扰动特征对ESO进行改进和扩张，能够使得观测误差逐渐收敛到0，即对系统各状态及扰动信息实现精确观测。
在一些情况下，本发明实施例可以根据扰动信息和公式推导，通过更改控制器中扩张状态观测器的阶次和形式，以消除扰动对观测结果及控制效果的影响，通过改进扩张状态观测器的数学表达式，利用精确观测得到的状态和扰动量信息进行状态反馈控制，即可抑制各类扰动对控制回路的影响，并消除扰动对观测结果及控制效果的影响，实现精准的反馈控制。
具体地，结合图2至图4所示，以一个具体实施例对本发明实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统的原理示意图进行详细阐述。
如图2所示，本发明实施例中的脱硝系统常见扰动可以但不限于周期性三角形扰动、阶跃扰动、周期性方波扰动、斜坡扰动和测量设备带来的各种无规则扰动等，而现场试验中发现传统控制器对此类扰动抑制效果较差，在matlab仿真中可观察到这种现象。
如图3所示，本发明实施例可以包括：DR-ADRC、PID和
Figure SMS_111
。
其中，DR-ADRC（改进自抗扰控制器）为外环调节器，PID为内环调节器，
Figure SMS_112
为前馈输出。
串级控制方法中外环所控制的内环喷氨流量设定值可表示为：
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，
其中，
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为喷氨流量设定值，/>
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分别为SCR反应器出口NOx浓度设定值与实际值，/>
Figure SMS_117
为外环调节器的输出。
进一步地，为得到前馈输出，采用ARIMAX模型进行训练，定义预测时长，可得到SCR反应器入口NOx浓度预测值
Figure SMS_118
与机组运行过程中相关变量（如总风量、总给煤量、入口氧量等）的关系，则前馈输出可表示为：
Figure SMS_119
，
其中，
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为SCR反应器入口NOx浓度的预测值，/>
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为总风量，/>
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为所述第一喷氨流量指令。/>
串级控制方法中内环所控制的喷氨阀门开度指令可表示为：
Figure SMS_125
，
其中，
Figure SMS_126
为阀门开度设定值，/>
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与/>
Figure SMS_128
分别为喷氨流量设定值与实际值。
本发明实施例中的DR-ADRC调节器包括两个部分，分别为扰动抑制观测器和状态反馈控制率。
对于某电厂脱硝回路2阶对象，其状态空间为：
Figure SMS_129
，
其中，
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为实际系统状态量，/>
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为系统增益，/>
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为外界三角波扰动。
则改进扩张状态观测器的数学表达式为：
Figure SMS_135
，
其中，
Figure SMS_136
为实际系统2个状态量及2个扰动信息的估计值，/>
Figure SMS_137
为系统输出，/>
Figure SMS_138
为输出/>
Figure SMS_139
的观测值，/>
Figure SMS_140
为观测器增益系数。
本发明实施例需使得观测器特征根
Figure SMS_141
位于左半复平面，针对三角波扰动，在内部状态稳定时可视/>
Figure SMS_142
趋于0，此时由于三角波的一阶导数为0，则可使改进扩张状态观测器最高阶状态的导数/>
Figure SMS_143
趋于0，此时观测器误差可以逐渐收敛到0，即对系统各状态及扰动信息实现精确观测。
状态反馈控制率为：
Figure SMS_144
，
其中，
Figure SMS_145
为控制率输出的控制量，/>
Figure SMS_146
为参考输入，/>
Figure SMS_147
为状态反馈增益，/>
Figure SMS_148
为所述的第二喷氨流量指令，/>
Figure SMS_149
为原系统增益的估计值。
本发明实施例利用精确观测得到的状态和扰动量信息进行状态反馈控制，即可抑制各类扰动对控制回路的影响，针对不同扰动的进行仿真，PID、未改进自抗扰控制器、改进自抗扰控制器的结果，能够抑制多种电厂脱硝环节常见扰动的影响，实现精确的反馈控制。
如图4所示，本发明实施例包括传统ADRC对五种脱硝系统常见扰动控制效果图和改进ADRC对五种脱硝系统常见扰动控制效果图，改进自抗扰控制器能够抑制多种电厂脱硝环节常见扰动的影响，实现精确的反馈控制。
例如，在一个具体实施例中，实际生活中，本发明实施例已成功应用于某350MW机组，在220MW稳态负荷运行下，原控制方案SCR反应器出口NOx浓度的最大偏差达20mg/Nm3，其中，上限为80.000，游标值为10.604的波动线为出口NOx实际值，上限为80.000，油标值为37.060的波动线为出口NOx设定值。
进一步地，在采用本发明实施例的方法后，在各种扰动情况下，SCR反应器出口浓度的最大偏差可控制在6mg/Nm3以内，其中，上限为80.000，游标值为30.601的波动线为出口NOx实际值，上限为80.000，游标值为34.779的波动线为出口NOx设定值。
根据本发明实施例提出的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统，可以通过锅炉燃烧信号形成的前馈预测信号从NOX的生成源头上提前预知NOX浓度变化，并对控制器进行抗扰改进，从而有效克服实际电厂脱硝回路存在的多种扰动，保证被控对象机组出口氮氧化物（NOx）稳定，满足机组经济、安全的运行指标。由此，解决了相关技术中：现有电厂SCR控制多采用固定摩尔比的方式，虽简单易操作但属于开环控制，极易造成过量喷氨；串级PID控制系统对上述方法的稳定性做出了改进但仍难以克服脱硝回路大迟滞大扰动的问题；现有前馈反馈组合控制方案中前馈信号大多依赖经验，缺乏更为科学和统一的标准；在近几年发展起来的结合机器学习的先进控制方案中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定。因此难以解决脱硝回路控制大扰动、大迟滞的问题。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法。
图5是本发明实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法的流程图。
如图5所示，该火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法包括以下步骤：
在步骤S501中，获取火电机组在运行过程中与NOx生成的至少一个相关变量，并将至少一个相关变量输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOx浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令。
在步骤S502中，获取SCR反应器出口的NOx浓度实际值，并输入至改进抗扰的串级控制系统中的外环控制器，外环控制器采用改进自抗扰控制器，生成第二喷氨流量指令。
在步骤S503中，根据第一喷氨流量指令和第二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，输入至改进抗扰的串级控制系统中的内环控制器，采用PID控制器，根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令。
可选地，在本发明的一个实施例中，预设ARIMAX模型的结构为：
Figure SMS_150
，
其中，
Figure SMS_152
为响应序列，/>
Figure SMS_159
为输入序列，/>
Figure SMS_162
为相关变量个数，/>
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为延迟算子，/>
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为模型偏置量，/>
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为第i个输入序列/>
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对响应序列/>
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影响的延迟阶数，/>
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为残差序列的移动平均系数多项式，/>
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为第i个输入变量的移动平均系数多项式，/>
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为零均值白噪声序列，/>
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为残差序列的自回归系数多项式。
可选地，在本发明的一个实施例中，第一喷氨流量指令的计算公式为：
Figure SMS_164
，
其中，
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为SCR反应器入口NOx浓度的预测值，/>
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为SCR反应器出口NOx浓度设定值，/>
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为总风量，/>
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为根据电厂实际情况计算的氨氮比例系数，/>
Figure SMS_169
为第一喷氨流量指令。
可选地，在本发明的一个实施例中，至少一个相关变量包括总风量、总给煤量、风煤比和入口氧量中的至少一项。
可选地，在本发明的一个实施例中，外环控制器采用改进自抗扰控制器，其中，改进自抗扰控制器的改进扩张状态观测器的数学表达式为：
Figure SMS_170
，
其中，
Figure SMS_171
为与原系统阶次相关的总状态个数，/>
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为根据扰动形式扩张出的扰动信息状态个数，/>
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为改进扩张状态观测器对原系统/>
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个状态量及/>
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个扰动信息状态的估计值，/>
Figure SMS_176
为观测器增益系数，y为系统输出，g为根据扰动类型构造的与时间t和各状态量相关的函数，
改进自抗扰控制器的状态反馈控制率的数学表达式为：
Figure SMS_177
，
其中，
Figure SMS_178
为控制率输出的控制量，/>
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为参考输入，/>
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为状态反馈增益，/>
Figure SMS_181
为所述的第二喷氨流量指令，/>
Figure SMS_182
为原系统增益的估计值。
需要说明的是，前述对火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统实施例的解释说明也适用于该实施例的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，可以通过锅炉燃烧信号形成的前馈预测信号从NOX的生成源头上提前预知NOX浓度变化，并对控制器进行抗扰改进，从而有效克服实际电厂脱硝回路存在的多种扰动，保证被控对象机组出口氮氧化物（NOx）稳定，满足机组经济、安全的运行指标。由此，解决了相关技术中：现有电厂SCR控制多采用固定摩尔比的方式，虽简单易操作但属于开环控制，极易造成过量喷氨；串级PID控制系统对上述方法的稳定性做出了改进但仍难以克服脱硝回路大迟滞大扰动的问题；现有前馈反馈组合控制方案中前馈信号大多依赖经验，缺乏更为科学和统一的标准；在近几年发展起来的结合机器学习的先进控制方案中，采用双向长短时记忆网络对烟气排放进行预测，作为前馈和反馈控制回路中的参考值，但网络结构复杂，难以写入现场DCS控制回路中；使用广义预测控制器作为反馈控制回路的主控制器，提前调节过程，但依赖脱硝回路系统模型，准确率会随着设备老化等因素下降，难以保证工作稳定。因此难以解决脱硝回路控制大扰动、大迟滞的问题。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或N个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统，其特征在于，包括：
SCR反应器出口NOX浓度前馈预测组件，通过筛选火电机组运行过程中与NOx生成至少一个相关变量，并将其输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOX浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令，所述至少一个相关变量包括总风量、总给煤量、风煤比和入口氧量；
改进抗扰的串级控制组件，所述改进抗扰的串级控制组件包括外环控制器和内环控制器，其中，所述外环控制器采用改进自抗扰控制器，用于根据SCR反应器出口NOX浓度实际值与设定值生成第二喷氨流量指令，并且，所述内环控制器采用PID控制器，根据所述第一喷氨流量指令和所述第二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，用于根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令；
其中，所述改进自抗扰控制器的改进扩张状态观测器的数学表达式为：
Figure QLYQS_1
，
其中，
Figure QLYQS_2
为与原系统阶次相关的总状态个数，/>
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为改进扩张状态观测器对原系统/>
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个扰动信息状态的估计值，
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为观测器增益系数，y为系统输出，g为根据扰动类型构造的与时间t和各状态量相关的函数，
所述改进自抗扰控制器的状态反馈控制率的数学表达式为：
Figure QLYQS_8
，
其中，
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为控制率输出的控制量，/>
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为参考输入，/>
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为状态反馈增益，/>
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为所述的第二喷氨流量指令，/>
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为原系统增益的估计值。
2.根据权利要求1所述的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统，其特征在于，所述预设ARIMAX模型的结构为：
Figure QLYQS_14
，
其中，
Figure QLYQS_17
为响应序列，/>
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为输入序列，/>
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为零均值白噪声序列，/>
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3.根据权利要求1所述的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统，其特征在于，所述第一喷氨流量指令的计算公式为：
Figure QLYQS_28
，
其中，
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为SCR反应器入口NOx浓度的预测值，/>
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为SCR反应器出口NOx浓度设定值，/>
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为总风量，/>
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为所述第一喷氨流量前馈指令。
4.一种火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制系统，其中，所述方法包括以下步骤：
获取火电机组在运行过程中与NOX生成的至少一个相关变量，并将至少一个相关变量输入至预设ARIMAX模型，得到SCR反应器入口的NOX浓度超前预测值，以计算应喷氨量，生成第一喷氨流量指令，所述至少一个相关变量包括总风量、总给煤量、风煤比和入口氧量；
获取所述SCR反应器出口的NOX浓度实际值，并输入至改进抗扰的串级控制系统中的外环控制器，外环控制器采用改进自抗扰控制器，生成第二喷氨流量指令；以及
根据所述第一喷氨流量指令和所述第二喷氨流量指令得到总喷氨流量指令，输入至改进抗扰的串级控制系统中的内环控制器，采用PID控制器，根据喷氨流量实际值与总喷氨流量指令生成喷氨阀门开度指令；
所述外环控制器，采用改进自抗扰控制器，其中，所述改进自抗扰控制器的改进扩张状态观测器的数学表达式为：
Figure QLYQS_34
，
其中，
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为与原系统阶次相关的总状态个数，/>
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个扰动信息状态的估计值，
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为观测器增益系数，y为系统输出，g为根据扰动类型构造的与时间t和各状态量相关的函数，
所述改进自抗扰控制器的状态反馈控制率的数学表达式为：
Figure QLYQS_41
，
其中，
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为控制率输出的控制量，/>
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为所述的第二喷氨流量指令，/>
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为原系统增益的估计值。
5.根据权利要求4所述的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，其特征在于，所述预设ARIMAX模型的结构为：
Figure QLYQS_47
，
其中，
Figure QLYQS_49
为响应序列，/>
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为输入序列，/>
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Figure QLYQS_51
为零均值白噪声序列，/>
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为残差序列的自回归系数多项式。
6.根据权利要求4所述的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法，其特征在于，所述第一喷氨流量指令的计算公式为：
Figure QLYQS_61
，
其中，
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为SCR反应器入口NOX浓度的预测值，/>
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为所述第一喷氨流量指令。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求4-6任一项所述的火电机组SCR脱硝的前馈补偿和扰动抑制控制方法。
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