CN117406602A - 一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统 - Google Patents

一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统，采用双回路串级结构，其中：外回路主调节器采用了模糊变参数预测控制器，主调节器的输入为脱硝反应器出口NOx浓度设定值、脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值，主调节器的输出为喷氨量需求值；副调节器的输入为主调节器的输出以及实际喷氨流量反馈值，内回路输出为喷氨阀门开度指令。本发明控制方法可有效防止NOx浓度超标，以及抑制由于被控对象本身大惯性、大滞后、非线性、多扰动源等造成的脱硝反应塔出口NOx浓度的波动振荡问题，从而提高火电机组脱硝控制系统稳定性与控制精度。

Description

一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统
技术领域
本发明属于电厂热能动力工程领域，具体涉及一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统。
背景技术
火电机组SCR脱硝控制系统是火电机组保证烟气排放达标的关键控制系统之一。所述火电机组SCR脱硝控制系统的控制目标为SCR出口的NOx浓度，SCR出口的NOx浓度通过喷氨阀门在SCR反应器中喷入氨气来进行控制的。目前最为典型的SCR脱硝控制方法均采用传统的串级控制技术(如附图1所示)，其内外回路均采用的是传统PID调节器。
传统的SCR脱硝控制方法，存在以下问题：
脱硝系统被控对象在不同负荷工况下，对象动态特性差异较大，系统动态特性呈非线性；传统控制策略仅根据当前SCR反应器出口NOx浓度与设定值偏差进行事后控制调节，调节性能滞后，控制效果差，在扰动大幅变化时，出口NOx浓度波动大易超标；喷氨阀门流量特性非线性强，简单基于PID的闭环控制流量调节跟踪性能差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明在传统SCR脱硝控制系统的基础上实施改进，设计了一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统，以改善现有技术的不足。
本发明设计的技术方案包括：
一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建双回路串级结构的脱硝控制系统，所述双回路串级结构包括外回路的主调节器和内回路的副调节器；
将脱硝反应器出口NOx浓度设定值以及脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值作为主调节器的输入，在主调节器中实施模糊变参数预测控制，根据脱硝反应器出口NOx浓度设定值和脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值的大小关系，调整预测步长，并计算出相应的喷氨量需求值，之后将所述喷氨量需求值作为喷氨量设定值向内回路输出控制指令；
将主调节器的输出以及实际喷氨量反馈值作为副调节器的输入，由副调节器根据所述喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的差值，计算出喷氨阀门开度值；
利用多点线性插值函数，结合主调节器的输出，计算喷氨阀门开度值在各计算周期的优化参数，并将所述优化参数与相应计算周期内副调节器计算出的喷氨阀门开度值叠加，从而获得优化的氨阀门开度指令；
最后，通过所述优化的氨阀门开度指令控制喷氨阀门的开度。
一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，采用双回路串级结构，其特征在于：
所述双回路串级结构包括外回路的主调节器，以及内回路的副调节器和多点线性插值模块，所述主调节器为模糊变参数预测控制器；
所述主调节器，用于接收脱硝反应器出口NOx浓度设定值以及脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值，并根据脱硝反应器出口NOx浓度设定值和脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值的大小关系，调整预测步长，并计算出喷氨量需求值，之后将所述喷氨量需求值作为喷氨量设定值向内回路输出控制指令；
所述副调节器，用于接收主调节器的输出以及实际喷氨量反馈值，并根据所述喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的差值，计算出喷氨阀门开度值；
所述多点线性插值模块，用于利用多点线性插值函数，结合主调节器的输出，计算喷氨阀门开度值在各计算周期的优化参数，并将所述优化参数与相应计算周期内副调节器的计算出的喷氨阀门开度值叠加，从而获得优化的氨阀门开度指令。
在上述控制方法或控制系统方案的基础上，进一步改进的方案还包括：
进一步的，所述主调节器采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算，在所述模糊变预测步长的方法中，预测步长通过以下模糊规则获得：
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值大于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，减小预测步长，实现出口NOx浓度的快速调节，防止污染物超标；
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值小于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，增大预测步长，实现出口NOx浓度的稳定调节。
进一步的，所述主调节器在传统基础广义预测控制器的基础上，采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算；
所述传统广义预测控制器基于传递函数模型，采用二次规划求解性能指标J：
式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值，np为预测步长，为未来第i个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值，k为当前采样时刻。
进一步的，所述副调节器为二自由度PID调节器
进一步的，定义优化的氨阀门开度指令为V(k)，其计算表达式为：
V(k)＝PID(Dsp(k)-D(k))+f(Dsp(k))
式中，Dsp(k)、D(k)分别为副调节器当前计算周期内的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，k表示当前时刻，f(Dsp(k))为喷氨量设定值的多点线性插值函数；
副调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为PID控制器的比例增益，Ti为PID控制器的积分时间，x＝Dsp(k)-D(k)。
有益效果：
本发明基于模糊预测控制的脱硝控制方法和控制系统，基于双回路串级结构实施，通过将主调节器设计为模糊变参数预测控制器，可以较好的解决SCR本身非线性以及调节滞后性问题，同时将主调节器的输出和喷氨量反馈值作为副调节器的输入，并通过多点线性插值操作计算出优化参数对副调节器计算出的喷氨阀门开度值进行优化，可以有效的解决喷氨阀门流量特性非线性强的问题。从而，本发明应用在脱硝控制中，可有效的防止NOx浓度超标，以及抑制由于被控对象本身大惯性、大滞后、非线性、多扰动源等造成的脱硝反应塔出口NOx浓度的波动振荡问题，以及提高火电机组脱硝控制系统稳定性与控制精度。
附图说明
图1为火电机组脱硝控制常规方案；
图2为本发明的火电机组脱硝控制方案；
图3为模糊隶属度函数曲线图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，包括以下步骤：
S1)构建双回路串级结构的脱硝控制系统，所述双回路串级结构包括外回路的主调节器和内回路的副调节器；
S2)通过所述双回路串级结构计算出氨阀门开度指令，具体包括：
S21)将脱硝反应器出口NOx浓度设定值以及脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值作为主调节器的输入，在主调节器中实施模糊变参数预测控制，根据脱硝反应器出口NOx浓度设定值和脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值的大小关系，调整预测步长，并计算出相应的喷氨量需求值，之后将所述喷氨量需求值作为内回路喷氨量设定值的控制指令向内回路输出；
本实施例中，所述主调节器为一种模糊变参数预测控制器，在传统基础广义预测控制器的基础上，采用了模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算；
所述传统广义预测控制器基于传递函数模型，采用二次规划求解性能指标J：
式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值，np为预测步长，为未来第i个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值，k为当前采样时刻。
其中，预测步长np通过以下模糊规则获得：
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值大于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，减小预测步长，实现出口NOx浓度的快速调节，防止污染物超标；
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值小于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，增大预测步长，实现出口NOx浓度的稳定调节。
以某600MW机组的现场具体设置为例,设主调节器计算周期为5s；
所述模糊规则具体的设置函数为：
设e＝脱硝反应器出口NOx浓度设定值-脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值，根据e和设定的模糊隶属度函数计算得到预测步长np。本实施例中采用了三角与梯形隶属度函数，其函数曲线如图3所示，图中包含了隶属度函数曲线1、隶属度函数曲线2和隶属度函数曲线3，其纵坐标表示隶属度值，横坐标表示e值。
针对任一点e值，有：
np＝取整数运算(60*隶属度1+80*隶属度2+100*隶属度3)。
下表为该具体实施例中使用的模糊规则表：
e -10 -5 5 10
np 60 80 80 100
S22)将主调节器的输出以及实际喷氨流量反馈值作为副调节器的输入，由副调节器根据所述喷氨量设定值与实际喷氨流量反馈值的差值，计算出喷氨阀门开度值。
S23)结合主调节器的输出，利用多点线性插值函数，计算喷氨阀门开度值在副调节器各计算周期的优化参数，并将所述优化参数与相应计算周期内副调节器计算出的喷氨阀门开度值叠加，从而获得优化的氨阀门开度指令，即内回路的输出。
定义氨阀门开度指令为V(k)，其计算表达式为：
V(k)＝PID(Dsp(k)-D(k))+f(Dsp(k))
式中，Dsp(k)、D(k)分别为副调节器当前计算周期内的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，k表示当前时刻，f(Dsp(k))为喷氨量设定值的多点线性插值函数；
副调节器采用二自由度PID调节器，其传递函数PID(x)的计算表达式为：
其中，Kp为PID控制器的比例增益，Ti为PID控制器的积分时间，x＝Dsp(k)-D(k)。
同样以某600MW机组现场的具体设置为例,f(Dsp(k))多点线性插值函数对各点(输入值、输出值)的设置如下：
Dsp(k) 0 20％ 40％ 60％ 80％ 100％
f(Dsp(k)) 13 17 34 47 53 68
上表中，相邻两点之间均为线性插值，即输入-输出值坐标系中，多点线性插值函数曲线上的相邻两点为直线连接，根据输入值Dsp(k)所处的坐标区间，可计算得到上述各点值以外的其它输出值。
S3)最后，通过所述优化的氨阀门开度指令控制喷氨阀门的开度。
本发明的控制方法可通过目前电厂的控制平台DCS系统组态完成，该方法已成功应用于某超临界600MW机组。在未采用本发明控制方法之前，该机组脱硝反应器出口NOx浓度的最大偏差达35mg/Nm3，在采用本发明的控制方法后，在变负荷及各种扰动情况下，将出口NOx浓度的最大偏差控制在15mg/Nm3之内，同时在高于设定值的情况下，最大偏差小于10mg/Nm3，由此证明，本发明控制方法具有良好的实施效果。
实施例2：
本实施例提供了一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，采用双回路串级结构：
所述双回路串级结构包括外回路的主调节器，以及内回路的副调节器和多点线性插值模块，所述主调节器为模糊变参数预测控制器，所述副调节器为二自由度PID调节器；
所述主调节器，用于接收脱硝反应器出口NOx浓度设定值以及脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值，并根据脱硝反应器出口NOx浓度设定值和脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值的大小关系，调节预测步长，并计算出喷氨量需求值，之后将所述喷氨量需求值作为内回路喷氨量设定值的控制指令向内回路输出；
所述副调节器，用于接收主调节器的输出以及实际喷氨流量反馈值，并根据所述喷氨量设定值与实际喷氨流量反馈值的差值，计算出喷氨阀门开度值；
所述多点线性插值模块，用于利用多点线性插值函数，结合主调节器的输出，计算喷氨阀门开度值在副调节器各计算周期的优化参数，并将所述优化参数与相应计算周期内副调节器的计算出的喷氨阀门开度值叠加，从而获得优化后的氨阀门开度指令。
上述结构中：
所述主调节器在传统基础广义预测控制器的基础上，采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算；
所述传统广义预测控制器基于传递函数模型，采用二次规划求解性能指标J：
式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值，np为预测步长，为未来第i个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值，k为当前采样时刻。
预测步长np通过以下模糊规则获得：
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值大于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，减小预测步长，实现出口NOx浓度的快速调节，防止污染物超标；
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值小于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，增大预测步长，实现出口NOx浓度的稳定调节。
所述优化的氨阀门开度指令V(k)，其计算表达式为：
V(k)＝PID(Dsp(k)-D(k))+f(Dsp(k))
式中，Dsp(k)、D(k)分别为副调节器当前计算周期内的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，k表示当前时刻，f(Dsp(k))为喷氨量设定值的多点线性插值函数；
副调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为PID控制器的比例增益，Ti为PID控制器的积分时间，x＝Dsp(k)-D(k)
本实施例与实施例1属于一个总的发明构思下的两项设计，其实施原理可参照实施例1，此处即不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建双回路串级结构的脱硝控制系统，所述双回路串级结构包括外回路的主调节器和内回路的副调节器；
将脱硝反应器出口NOx浓度设定值以及脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值作为主调节器的输入，在主调节器中实施模糊变参数预测控制，根据脱硝反应器出口NOx浓度设定值和脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值的大小关系，调整预测步长，并计算出相应的喷氨量需求值，之后将所述喷氨量需求值作为喷氨量设定值向内回路输出控制指令；
将主调节器的输出以及实际喷氨量反馈值作为副调节器的输入，由副调节器根据所述喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的差值，计算出喷氨阀门开度值；
利用多点线性插值函数，结合主调节器的输出，计算喷氨阀门开度值在各计算周期的优化参数，并将所述优化参数与相应计算周期内副调节器计算出的喷氨阀门开度值叠加，从而获得优化的氨阀门开度指令；
通过所述优化的氨阀门开度指令控制喷氨阀门的开度。
2.根据权利要求1所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，其特征在于，所述主调节器采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算，在所述模糊变预测步长的方法中，预测步长通过以下模糊规则获得：
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值大于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，减小预测步长，实现出口NOx浓度的快速调节，防止污染物超标；
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值小于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，增大预测步长，实现出口NOx浓度的稳定调节。
3.根据权利要求2所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，其特征在于，所述主调节器是在传统基础广义预测控制器的基础上，采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算；
所述传统广义预测控制器基于传递函数模型，采用二次规划求解性能指标J：
式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值，np为预测步长，为未来第i个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值，k为当前采样时刻。
4.根据权利要求1所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，其特征在于：
所述副调节器为二自由度PID调节器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制方法，其特征在于，定义所述优化的氨阀门开度指令为V(k)，其计算表达式为：
V(k)＝PID(Dsp(k)-D(k))+f(Dsp(k))
式中，Dsp(k)、D(k)分别为副调节器当前计算周期内的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，k表示当前时刻，f(Dsp(k))为喷氨量设定值的多点线性插值函数；
副调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为PID控制器的比例增益，Ti为PID控制器的积分时间，t表示时间，x＝Dsp(k)-D(k)。
6.一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，采用双回路串级结构，其特征在于：
所述双回路串级结构包括外回路的主调节器，以及内回路的副调节器和多点线性插值模块，所述主调节器为模糊变参数预测控制器；
所述主调节器，用于接收脱硝反应器出口NOx浓度设定值以及脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值，并根据脱硝反应器出口NOx浓度设定值和脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值的大小关系，调整预测步长，并计算出相应喷氨量需求值，之后将所述喷氨量需求值作为喷氨量设定值向内回路输出控制指令；
所述副调节器，用于接收主调节器的输出以及实际喷氨量反馈值，并根据所述喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的差值，计算出喷氨阀门开度值；
所述多点线性插值模块，用于利用多点线性插值函数，结合主调节器的输出，计算喷氨阀门开度值在各计算周期的优化参数，并将所述优化参数与相应计算周期内副调节器的计算出的喷氨阀门开度值叠加，从而获得优化的氨阀门开度指令。
7.根据权利要求6所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，其特征在于，所述主调节器采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算，在所述模糊变预测步长的方法中，预测步长通过以下模糊规则获得：
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值大于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，减小预测步长，实现出口NOx浓度的快速调节，防止污染物超标；
当脱硝反应器实际出口NOx浓度反馈值小于脱硝反应器出口NOx浓度设定值时，增大预测步长，实现出口NOx浓度的稳定调节。
8.根据权利要求7所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，其特征在于，所述主调节器在传统基础广义预测控制器的基础上，采用模糊变预测步长的方法进行控制指令的计算；
所述传统广义预测控制器基于传递函数模型，采用二次规划求解性能指标J：
式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值，np为预测步长，为未来第i个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值，k为当前采样时刻。
9.根据权利要求6所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，其特征在于：
所述副调节器为二自由度PID调节器。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的一种基于模糊预测控制的脱硝控制系统，其特征在于，定义优化的氨阀门开度指令为V(k)，其计算表达式为：
V(k)＝PID(Dsp(k)-D(k))+f(Dsp(k))
式中，Dsp(k)、D(k)分别为副调节器当前计算周期内的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，k表示当前时刻，f(Dsp(k))为喷氨量设定值的多点线性插值函数；
副调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为PID控制器的比例增益，Ti为PID控制器的积分时间,t表示时间，x＝Dsp(k)-D(k)。
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