江西電力第34卷 2010年 第4期47文章編號(hào):1006 348X(2010)04 -0047-04預(yù)測(cè)型PID算法在氣化爐控制系統(tǒng)中的研究鄢波,王巖(江西省電力科學(xué)研究院,江西南昌330096)摘要: 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)兼顧了能源高效利用和環(huán)境保護(hù),是發(fā)電行業(yè)一個(gè)新的發(fā)展方向,而氣化爐則是煤氣化過(guò)程的核心部件。圍繞氣化爐的非線性高耦合、大延遲的動(dòng)態(tài)特性,首先對(duì)氣化爐進(jìn)行了機(jī)理分析,建立了機(jī)理模型,然后將預(yù)測(cè)PID算法應(yīng)用于氣化爐控制系統(tǒng),并基于matlabsimulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，證明預(yù)測(cè)PID控制具.有良好的控制精度,響應(yīng)速度快,其控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制方式。關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);氣化爐;預(yù)測(cè)PID控制;模型預(yù)測(cè)控制中團(tuán)分類號(hào):TM571文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BL -Predictive PID Algorithm in Gasifer Control systemYAN Bo, WANG Yan(jiangpi Electric Power Research Insitute, Nanchang 330096, Jiangxi Province, China)Abstract: The Integrated Gasifcation Combined Cycle (CCC) technology, a development orientation of power generation,is highly concerned for its charateriation of both high eficiency and environment fiendly. Gasifier is the key technologyof the ICCC. The mechanism of the selected gasifer is analyzed and the corresponding mechanism model is establishedaccording to the dynamic charaterstics of nonlinear, highly coupled and large delay. Then the L -Predictive PIDalgorithm is applied to gasifier control system. Simulation of the system is processed based on matlab simulink. The resultshows that L-Predictive PID control has characteritics of good robustness, fat response and better control.Key word: integrated gasification combined cycle; gasifier, L-Predictive PID; model predictive control0引言1氣化爐控制的基本思路上世紀(jì)70年代初期的石油危機(jī)給世界帶來(lái)巨對(duì)于像氣化爐這樣多變量、大滯后、強(qiáng)非線性以大影響和沖擊。西方主要工業(yè)國(guó)家政府從本國(guó)經(jīng)濟(jì)及高靈敏的過(guò)程,首先要考慮其多變量之間的關(guān)系，發(fā)展和國(guó)家安全的戰(zhàn)略角度考慮，推行能源多樣化盡量將-個(gè)多輸人-多輸出(MIMO)的系統(tǒng)解耦成的政策,并鼓勵(lì)發(fā)電行業(yè)燃料多樣化。為若千個(gè)單輸人-單輸出(SISO)的系統(tǒng)。通過(guò)變量IGCC主要以燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ),是一配對(duì),將復(fù)雜的變量關(guān)系對(duì)應(yīng)的控制需求映射到幾種不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán),其燃料煤氣以煤個(gè)經(jīng)典的單回路控制系統(tǒng)集中。在工程上，需要對(duì)氣化形式獲取。氣化爐則是煤氣化過(guò)程的核心部件,多變量系統(tǒng)的控制回路進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)分析,以確定氣化爐控制系統(tǒng)是IGCC系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制的基多變量控制系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)聯(lián)程度，從而確礎(chǔ)。氣化爐基于流化床氣化工藝，是一個(gè)煤、空氣以定最佳的操縱變量被控變量搭配。相對(duì)增益知陣及水蒸汽發(fā)生氣化反應(yīng)的反應(yīng)器。在煤氣化過(guò)程中,(RCA)是其中最常用的分析方法。相對(duì)增益矩陣分經(jīng)過(guò)處理的煤,與空氣和水蒸汽進(jìn)入氣化爐,在一定析方法的基本原理是:對(duì)于一個(gè)具有N個(gè)被控變量的溫度和壓力下進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，產(chǎn)生低中國(guó)煤化工統(tǒng),輸入山對(duì)輸出熱值的煤氣,煤灰以及未反應(yīng)的碳作為灰渣排出。y的:YHCNMHG收稿日期:2010 08-18作者簡(jiǎn)介:郗波(1982-),男,東南大學(xué)碩士,長(zhǎng)期從事火電廠熱控工作。江西電力第34卷 2010年 第4期_48=(融小小出)(1)u(k)=u(k-1)+K,(1+TJ/T;+T, /T)e(k)(4)-K,(1+2T/T,)e(k-1)+K,T/Te(k-2)式中:(3y/8u) ,表示除u;以外其他回路都開環(huán)時(shí)4;式中:K,T,To分別為PID調(diào)節(jié)器的比例增益、積分對(duì)y,的增益;(ay/ou) .示u除以外其他回路都時(shí)間和微分時(shí)間;u(k),u(k-1)為當(dāng)前和前一采樣閉環(huán)時(shí)yy對(duì)y的增益。.時(shí)刻的PID輸出,e(k),e(k-1),e(k-2)分別為當(dāng)前相對(duì)增益λ;描述了當(dāng)其他控制回路加人時(shí)對(duì)采樣時(shí)刻、前一采樣時(shí)刻以及前兩個(gè)采樣時(shí)刻的y-u控制回路的影響程度,入越接近1,則表明該控PID人口偏差;T,為采樣時(shí)間間隔。制回路受到其他回路的影響越小,反之則表明該回3)根據(jù)被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型及上一步計(jì)算的控制路受到其他回路的影響越大。在相對(duì)增益矩陣的每作用u(k),預(yù)測(cè)過(guò)程在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的輸出一行(或者列)中分別選取數(shù)值最大的元素,相應(yīng)的值y (k+L)。輸入輸出配對(duì)關(guān)系即為最佳控制變量一被控變量被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為如下CARIMA (被控自搭配。同時(shí),由于相對(duì)增益是不同條件下兩個(gè)增益回歸積分滑動(dòng)平均)模型:的比值,因此是無(wú)量綱的,故不受單位和量綱的影A(q~)y(k)=B(q~)u(k-1)+E(k)/O(5)響,對(duì)非線性也不敏感。.式中:y(k),u(k),ξ(k)分別為被控過(guò)程在k時(shí)刻的2預(yù)測(cè)PID控制(LP-PID)算法研究輸出、輸入及均值為零的白噪聲序列;O=1-q";A(q~),B(q")是如下后移算子q'的多項(xiàng)式?，F(xiàn)有的氣化爐控制方法主要分為兩種:{ A(+=++..+a.q”(6)1)基于經(jīng)典控制理論的常規(guī)控制方法,如常規(guī)( B(q")=b+b.+..+baxq*的PID(比例積分微分)控制方法等;過(guò)程輸出在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)值為:2)基于現(xiàn)代控制理論的高級(jí)控制方法,如模型y(k+L)= Gr (q~) Ou(k+L-1)+ F:(q")y(k) (7)預(yù)測(cè)控制(MPC)等。常規(guī)的PID控制方法,雖然容對(duì)于沒(méi)有不穩(wěn)定極點(diǎn)的被控過(guò)程,可取未來(lái)控易實(shí)施,但是由于其算法只是根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前兩制增量的次數(shù)為1,即有:個(gè)采樣時(shí)刻的設(shè)定值與輸出之間的偏差進(jìn)行計(jì)算，SOu(k)=u(k)-u(k-1)對(duì)于氣化爐這樣的大滯后對(duì)象,控制作用沒(méi)有提前( Ou(k+i)=u(k+i)- -u(k+i-1)=0(8)動(dòng)作,無(wú)法獲得令人滿意的控制效果;而普通的模(i=1,2,.. ,L-1)型預(yù)測(cè)控制(MPC),由于算法的復(fù)雜性,會(huì)占據(jù)大量由此,可直接求得輸出在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的控制器資源,尤其是針對(duì)氣化爐這樣的高耦合多的預(yù)測(cè)值為:變量過(guò)程,這樣的控制方法難以在現(xiàn)有的通用控制y(k+()=F{ q"})(k)+G{q")Ou (x 1)+gu-Ou k) (9)系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)上實(shí)施。4)根據(jù)上面所計(jì)算的輸出預(yù)測(cè)y(k+L),返回到氣化爐預(yù)測(cè)型PID 控制方法將傳統(tǒng)PID控制第2)步進(jìn)行重復(fù)計(jì)算,直至連續(xù)二次計(jì)算的PID輸與預(yù)測(cè)控制結(jié)合,應(yīng)用預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)輸出基本不變?yōu)橹?一般需重復(fù)計(jì)算3~5次)。出,使PID控制器根據(jù)未來(lái)時(shí)刻的控制偏差對(duì)氣化5)將最終控制信號(hào)u()作用于實(shí)際過(guò)程,確保:爐進(jìn)行運(yùn)算。該方法是用于解決氣化爐系統(tǒng)大滯后預(yù)測(cè)型PID控制器提前L個(gè)采樣周期動(dòng)作。對(duì)象,在傳統(tǒng)的PID算法基礎(chǔ)上,應(yīng)用預(yù)測(cè)模型預(yù)3應(yīng)用舉例測(cè)系統(tǒng)未來(lái)L步的輸出,使PID控制器根據(jù)未來(lái)時(shí)刻的控制偏差進(jìn)行運(yùn)算，使控制系統(tǒng)提前動(dòng)作,提圖1所示為預(yù)測(cè)型PID控制器(LP-PID)結(jié)構(gòu)高控制系統(tǒng)品質(zhì)。示意圖。預(yù)測(cè)型PID控制器(P-PID)的計(jì)算過(guò)程為:預(yù)測(cè)型比例積分徽分調(diào)節(jié)器IP-PID1)置“變量預(yù)測(cè)器“的輸出初值(2)母定值Roe(k)[ PIDu(k)被控過(guò)程輸出y(k)y(k+L)= y(k)。中國(guó)煤化工2)計(jì)算PID控制器的輸出u(k)。PID控制器的人口偏差:e(k) =R-~y(k+L) (3)MYHCNMHG面)PID控制器的輸出為:圈1預(yù)劃型PID控制器(LP-PID)結(jié)構(gòu)示意圉江西電力第34卷 2010年 第4期49 .在氣化爐中煤、水蒸汽,氧氣在一定的溫度和手自動(dòng)切換.跟蹤、幅值限制.速率限制以及抗積分壓力條件下經(jīng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,轉(zhuǎn)換為飽和等功能。中低熱值的煤氣輸出,煤氣經(jīng)過(guò)凈化后,送人燃?xì)庖詺饣蕛?nèi)煤氣溫度一入口水蒸氣質(zhì)量流量這輪機(jī)燃燒做功或者作為合成原料進(jìn)行回收。根據(jù)工一動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)為例.首先通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法.建立該藝特點(diǎn),該氣化爐系統(tǒng)的操縱變量選取為:氣化爐動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的傳遞所數(shù)模型排渣量、人口氧氣質(zhì)量流量、給煤質(zhì)量流量、人口水Gr.m(s)=--42.7(164s+1).(11)蒸汽質(zhì)量流量;需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的四個(gè)變量(被控變.(505+1)(128s+1)量)分別為:氣化爐出口煤氣熱值、氣化爐床料總質(zhì)選取采樣時(shí)間為1s,加入零階保持器.對(duì)該系量、氣化爐內(nèi)煤氣壓力以及煤氣溫度。整個(gè)氣化妒統(tǒng)進(jìn)行離散化,得釗離散的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)模型:被控過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)4x4的多變量對(duì)象。對(duì)于氣y(k)-2.9646y(k-1 )+0.9606y(k-2)-0.9650y(k- -3)化爐系統(tǒng),主要的外界擾動(dòng)來(lái)自于燃?xì)廨啓C(jī)工況的.=-0.0046u(h-1)+00002u(k- 2 )+0.0045u(k-3)變化,因此,將燃?xì)廨啓C(jī)的人口壓力作為一個(gè)主要.+e(k)/O .(12)的外界擾動(dòng)量。由此便獲得廣該動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的變量預(yù)測(cè)器,可以氣化爐的預(yù)測(cè)型PID控制方法對(duì)多變量的氣用于預(yù)測(cè)該環(huán)節(jié)在未來(lái)時(shí)刻的輸出。通過(guò)選取合適化爐系統(tǒng)進(jìn)行分散控制。通過(guò)相對(duì)增益矩陣(RCA)的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)，便可以對(duì)該回路進(jìn)行預(yù)測(cè)型PID控分析、有效相對(duì)增益矩陣(ERCA)分析或者奇異值制?；舅惴?分解(SVD)等方法確定操縱變量-被控變量之間的1)置變最預(yù)測(cè)器的輸出初值y(k+L)=y(k);配對(duì)關(guān)系。2)按照上面提到的算法計(jì)算PID控制器的輸出例如:對(duì)該氣化爐在某一工況下,對(duì)系統(tǒng)四個(gè)u(k)。輸人分別做10%指令階躍增試驗(yàn).通過(guò)系統(tǒng)響應(yīng)曲PID控制器的人口偏差:e(k)= R- y(k+L)。線分析,可以得到系統(tǒng)開環(huán)增益矩陣K3)根據(jù)被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型及上一步計(jì)算的控制14328 -46238 22239 -54 097作用u(k),預(yù)測(cè)過(guò)程在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的輸出K-5 743.9-1 388.4 4692 -692.55值y(k+L)。-671.8 13664 1 406.3 7 562.9被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為如下CARIMA模型。. -2.283 20.695 -18.503 -42.7過(guò)程輸出在未來(lái)第L個(gè)采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)值為:利用矩陣K,可以計(jì)算在某一工況下系統(tǒng)的y(h+L)= Guq")Ou(k+L-1)+ F(qT)y(k) (13)RGA,根據(jù)相對(duì)增益矩陣分析的結(jié)果,可以得到方案式中:- -中操縱變量和被控變量之間的搭配關(guān)系，即:C{q ")=E(q*)E+(a=+=+++.r.xq1doc-) (14)1)煤氣焓值由給煤量調(diào)節(jié),煤量的改變影響產(chǎn)對(duì)于沒(méi)有不穩(wěn)定極點(diǎn)的被控過(guò)程,可取未來(lái)控物可燃物質(zhì)的成分,從而影響煤氣的焓值;制增量的次數(shù)為1,即有:2)床料由排渣量來(lái)調(diào)節(jié),排渣量的變化影響到| Ou(k )=u(k)-u(k-1)(15)總的物料平衡;( Ou(k+i)=u(h+i)-u(k+i-1)=0 (i=1 ,2,... ,L-1)3)煤氣壓力由氧氣量調(diào)節(jié)，氧氣量的變化可以根據(jù)上面的式子,可直接求得輸出在未來(lái)第L快速改變煤氣壓力;個(gè)采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)值為:4)煤氣溫度由蒸汽量調(diào)節(jié),蒸汽量的變化可以y(h+L)=F(q~)y(k)+Gi(q")Ou(k-1)+gunQuk (16)快速改變氣化爐系統(tǒng)的溫度。PID控制器采用增量式PID算法，基本的算法為:Au(k)=u(h)-u(k-1),u(h)為第 2)步所計(jì)算的u(k)=u(k-1l)+K(1+T/T:+T,/T)e(k)PID輸出。-K,(1+2T/T,)e(k-1)+K,TJ/Te(k-2)(10)“中國(guó)煤化工y(t+L),返回到式中:u(),u(k-1)為當(dāng)前和上一時(shí)刻的PID輸出;xK,第2)fYH次計(jì)算的PID輸T,T分別為比例增益.積分時(shí)間和微分時(shí)間:el(k),出基CNMHG3-5次)。e(k-1),e(k- 2)分別為當(dāng)前時(shí)刻.上一時(shí)刻以及前兩個(gè)5)將最終的控制信號(hào)u(k)作用于實(shí)際過(guò)程,確時(shí)刻的PID人口偏差。該P(yáng)ID具有輸入死區(qū)、前饋、保預(yù)測(cè)型PID控制器能提前L個(gè)采樣周期動(dòng)作。由50江西電力第34卷 2010年 第4期i此便對(duì)氣化爐內(nèi)煤氣溫度- -入 口水蒸氣質(zhì)量流量4結(jié)束語(yǔ)這一控制回路進(jìn)行了預(yù)測(cè)型PID控制。依此類推,對(duì)某氣化爐其余三個(gè)控制回路實(shí)施本文針對(duì)IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)氣化爐展開研究,采用預(yù)測(cè)控制策略提出控制系統(tǒng)方案。接下來(lái)對(duì)氣本文所提出的預(yù)測(cè)型PID控制算法?？刂撇唤y(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)化爐的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,建立了氣化爐的數(shù)學(xué)模SVM MPC型,得到氣化爐動(dòng)態(tài)過(guò)程的傳遞函數(shù),將預(yù)測(cè)型PIDNormnel PID|運(yùn)用于氣化爐控制系統(tǒng)，并利用matlab simulink對(duì)氣化爐溫度和煤氣熱值的常規(guī)PID控制與模糊PID控制做了對(duì)比的仿真效果良好。參考文獻(xiàn): .[1]劉尚明,王培勇,韋思亮,等ICCC氣化站的動(dòng)態(tài)建模[].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2001,15(2):27. -31.圖2氣化爐煤氣熱值控制 系統(tǒng)對(duì)比[2]韓志明,IGCC動(dòng)態(tài)特性研究初步[]北京:清華大學(xué)熱能結(jié)合圖1的控制系統(tǒng)框圖,當(dāng)氧氣量階躍10%工程系,1997.時(shí),對(duì)氣化爐溫度和煤氣熱值的閉環(huán)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行3] 段立強(qiáng),林汝謀.金紅光,等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(GCC)matlab仿真,仿真結(jié)果如圖2。.技術(shù)進(jìn)展[]燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2000, 13(1):9-15.從以上閉環(huán)響應(yīng)過(guò)程可以看出,三種控制方式[4]韋思亮,倪維斗,劉尚明ICCC電站中氣化爐控制系統(tǒng)研都實(shí)現(xiàn)了溫度控制和熱值控制的目標(biāo),但通過(guò)對(duì)比究[J].熱能動(dòng)力工程,2002,17(6):551-554.發(fā)現(xiàn),預(yù)測(cè)型PID控制系統(tǒng)使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的過(guò)渡[5]焦樹建整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(CC)[M].北京:時(shí)間短.跟蹤性能好，提高了控制精度,模糊PID控[6]焦樹建.論ICCC電站中氣化爐型的選擇[J].燃?xì)廨啓C(jī)技中國(guó)電力出版社, 1996.制方式優(yōu)于常規(guī)PID控制方法。術(shù),2002,15(2):5-14.7] Peter Schoen.Dynamie Modeling and Control of IntegratedCoal gasification Combined Cycle Units [D].Ph.D.Thesis,Netherlands Delft University of Techno logy, 1993.(上接第23頁(yè))塊主要是產(chǎn)生存儲(chǔ)器的地址,根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)算存儲(chǔ)器A.B、M、N的地址。3結(jié)束語(yǔ)2.2.3存儲(chǔ)器部分存儲(chǔ)器部分相對(duì)控制器部分和運(yùn)算器部分是本文通過(guò)對(duì)Montgomery算法的硬件化、并行化比較簡(jiǎn)單的模塊。存儲(chǔ)器部分主要包括存儲(chǔ)器A存.處理,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Montgomery算法IP核,大大提儲(chǔ)器B、存儲(chǔ)器M、存儲(chǔ)器N、寄存器n'[0]和兩個(gè)數(shù)高了大數(shù)模乘運(yùn)算的效率。基于Montgomery IP核,據(jù)選擇器構(gòu)成,主要用于加密數(shù)據(jù)和中間結(jié)構(gòu)的存本文采用增加預(yù)處理的R-L模式大數(shù)模冪運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)了RSA加密算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,該RSA加.本文采用XILINX ISE8.0對(duì)大數(shù)模冪運(yùn)算器IP密算法IP核能夠有效的提高RSA算法的運(yùn)行速.核進(jìn)行綜合,使用MODELSIM6.0功能仿真和綜合度,節(jié)約大量時(shí)間,對(duì)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)后仿真,驗(yàn)證了各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的正確性。在XILINX的運(yùn)行和安全防護(hù)工作有著非常重要的意義。ISE8.0下進(jìn)行綜合,所占用資源如表1所示:參考文獻(xiàn):表1資源占用表[1] Cetin Kava Koc-Tola_ Acar.Analvzing and comparing資源數(shù)量Mo_中國(guó)煤化工s UJIEEE McroSlices2780Slice Fip Flops992CNMH G[2]李樹國(guó),周潤(rùn)德,馮建華,等.RSA巒碼協(xié)處理器的實(shí)現(xiàn)[J].4 input LUTs5 375電子學(xué)報(bào),2001,11.FIF016RAMB16s8