一種改進的Alstom氣化爐預(yù)測控制楊小龍 ,等一~種改進的Alstom氣化爐預(yù)測控制Improved Predictive Control for Alstom Gasifier楊小龍'張正剛2了維明'(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院' ,江蘇南京210000;蘇州紫興紙業(yè)有限公司”,江蘇蘇州215011)摘要:Alstom 能源技術(shù)中心給出了氣化爐在全工況下的Matlab非線性模型。為了解決Alstom 氣化爐非線性、強耦合以及大慣性特點所帶來的控制問題,設(shè)計了一種模型預(yù)測控制器。首先在局部工況點建立離線線性模型,在所建模型基礎(chǔ)上設(shè)計控制器,應(yīng)用灰色理論GM(1,1)在誤差校正環(huán)節(jié)預(yù)測未來時刻由于模型不匹配產(chǎn)生的誤差,以此來提高控制器輸出的精度。仿真結(jié)果表明,在壓力擾動測試中,即使各控制量受到嚴格的約束,各輸出量的偏差仍能維持在規(guī)定的范圍內(nèi),滿足了Alsom 氣化爐的控制要求。關(guān)鍵詞: Alstom 氣化爐非線性系統(tǒng) 離線建模 模型預(yù)測控制 灰 色預(yù)測誤差校正中圖分類號: TP32文獻標志碼: AAbstract: Alstom Energy Technology Center has given the Matlab nonlinear model for gasifier under full operating condition. In order to solvethe control problem caused by the non-linearity , tight coupling and large inertia of the gasifier from Alstom, the model predictive contoller hasbeen designed. Firstly, the off line linear model is set up under some of the local operating conditions, then on the basis of the modelestablished, the controller is designed. By adopting grey theory GM(1,1), in the eror correction stage, the eror that generated due to modelmismatch in future is predicted, thus the accuracy of controller output is enhanced. The simulation results indicate that in pressure disturbancetests, even control variables are given strict constraints, the deviation of each variable still keeps within a predetermnined range ; this satisfies thecontrol requirements for Alstom gasifier.Keywords: Alstom gasifier Non-linear system Ofline modeling Model predictive control Grey theory prediction error correction性系統(tǒng)的全局控制。同時,通過引人灰色預(yù)測理論來0引言預(yù)測未來時刻的誤差范圍,能夠在擾動條件下使響應(yīng)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( integrated gasification更加迅速、超調(diào)更小。combinedeycle,IGCC)作為--種高效清潔利用煤炭的1建模過程以及描述過程方式正8益受到重視,已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點"Alstom能源技術(shù)中心基于英國一座聯(lián)合循環(huán)示范電站Alstom氣化爐模型是基于一臺87 MW噴流床氣中的增壓噴流床氣化爐，建立了該氣化爐在全工況范化爐的實時運行數(shù)據(jù)建立的,因此具有很高的精度。圍內(nèi)的模型,并發(fā)布了氣化爐控制的基準問題,列出了如圖1所示是Alstom氣化爐簡要工作流程。一系列基準測試項目及其系統(tǒng)控制約束條件。煤氣熱值模型預(yù)測控制( model predictive control , MPC)由法”吸入口壓力國Adersa公司的Richalet 于1978年提出，能夠用于處→煤氣壓力→煤氣溫度理常規(guī)PID控制很難處理的問題[27。模型預(yù)測控制是煤炭及石灰石床料量基于線性模型建立起來的,因此在非線性系統(tǒng)中并不水蒸氣總是有效,因為非線性系統(tǒng)很難建立--個偏差較小的壓縮空氣渣線性模型,雖然有時可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建模,但是數(shù)圖1 Alstom 氣化爐的生產(chǎn)流程簡圖據(jù)的龐大使得控制變得不可實現(xiàn)。因此,這里考慮在Fig. 1 Simplfed diagram of the production process各個負荷點建立局部線性模型,基于各個典型工況下of Alstom Gasifier設(shè)計的預(yù)測控制器的控制量的疊加，以此來實現(xiàn)非線在該氣化爐生產(chǎn)過程中,經(jīng)過處理的煤粉與吸附國家863基金資助項目(編號:2006AA05114-2).氣和水萃氣運送,噴修改稿收到日期:2014-02-14。第一作者楊小龍(1989-),男,現(xiàn)為東南大學(xué)動力工程及工程熱物理人氣化爐內(nèi)。在中國煤化工1體進行流專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事:熱工自動控制方向的研究?；?同時與煤中的| YHl CNMHG為4.5M《自動化儀表》第35卷第12期2014 年12月63- -種改進的Alstom氣化爐預(yù)測控制楊小龍 ,等的低熱值煤氣。煤氣經(jīng)凈化后進人燃氣輪機,余下的力(P.)。對于氣化爐而言,外界的擾動主要是工況灰分、石灰以及未完全反應(yīng)的碳以灰渣的形式從底部的變化,因此,將下游燃氣輪機的人口壓力波動P..作排出?？梢苑治龅贸?氣化爐是一個5輸人4輸出的為主要的擾動量(B]1。系統(tǒng),由于吸附劑和煤成一定比例,因此可以簡化成-Alstom建立的示范IGCC電站動態(tài)機理模型經(jīng)過個4輸人4輸出的強非線性和強耦合的多變量系統(tǒng)。了實際數(shù)據(jù)的嚴格校驗,具有較高的準確度。Alstom控制量為進口空氣流量(Q)、進口蒸汽流量(..)、在公開動態(tài)機理模型的基礎(chǔ) 上,給出了檢驗控制系統(tǒng)煤粉流量(Q.)以及排渣量(Qa);被控量為床料質(zhì)的各種基準測試、輸人約束以及控制目標等,如表1量(M)、煤氣熱值(CV].)、煤氣溫度(T. )以及煤氣壓所示4。表1輸出與輸入量約束條件Tab. 1 Simplified diagram of the production process of Alstom gasifier輸出變量允許最大動態(tài)偏差輸 人變量最大值/(kg.s7)允許最大變化率/(kg.s2)Crgpo煤氣熱值+0.01 MJ/kgQo排渣量3.5+0.2M床料質(zhì)量+500 kg空氣流量20.+1.0煤氣壓力+10 kPa煤流量.10.0煤氣溫度+1K .Qxm蒸汽流量6.0環(huán)境下的氣化爐模型加入如圖2(a) ~圖2(b)所示的偽2控制器的設(shè)計隨機擾動(即系統(tǒng)的輸入量) ,得到如圖2(e) ~圖2(h)由于模型預(yù)測控制器是基于模型建立起來的，因此所示的系統(tǒng)開環(huán)響應(yīng)曲線。這里隨機擾動輸人不超過在預(yù)測控制器設(shè)計之前必須先建立氣化爐局部線性化穩(wěn)態(tài)輸人的5%,使用子空間辨識即可得到離散狀態(tài)空模型。文獻[5]給出了子空間辨識模型的方法,在間模型。100%典型工況下穩(wěn)定工作運行狀態(tài),對Alstom Simulink激勵與響應(yīng)曲線如圖2所示。-1.2.w.w.wwWwWWWW. 音4.36m30.8100 200、300 400500! 4.34100 200.300 400 50(田)排渣量激勵(e)煤氣熱值響應(yīng)x101.000110000100 200 300 400 500099991000 300 400 500(b)空氣量激勵床料量響應(yīng).0x10100 200 300 400 50(e)給煤量激勵(g) 煤氣壓力響應(yīng)3.1221.527 100 200300400 5001221.0(d)蒸汽量激勵(h)煤氣溫度響應(yīng)圖2激勵與響應(yīng)曲線Fig.2 The excitation and reponse curves假設(shè)某- -工況下,氣化爐的動態(tài)特性可以用下列y(h(1)離散狀態(tài)空間表示1:由于在辨識中國煤化工D為零矩x(k+1)=Ax(h) +Bu(k)陣,因此狀態(tài)空間| YHCNMH G)4PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL. 35 No. 12 December 2014一種改進的Alstom氣化爐預(yù)測控制 楊小龍,等x(h+1)= Ax(k) +Bu(k)Y;)+QU"QAU,其中W為參考軌跡, W=[r" (h+1)y(k)= Cx(k)+e(h)(2)r" (h+2) .... r"(h:+P)]。 其中R Q分別為輸出權(quán)重式中:h為第h個采樣周期;x∈R°;u∈R* ,y∈R'為相對與控制增量的權(quán)重矩陣。不考慮約束,可以令=0,于初始狀態(tài)的偏移量;e(k)為對象與模型之間的輸出偏差;AB、C分別為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸人矩陣和輸出得到:矩陣。{AU=(P" RP+Q)-'p"R(W-f)系統(tǒng)初始狀態(tài)下認為x(0)= 0,u(0)= 0,y(0)=0。Au(k)=[1,1,1,1 ,0,0,]0U(10)對于e(h)而言,在k時刻認為e(k)=y, (h)-Cx(h),并(u(k)=u(k-1)+Ou(k)且有e(0)=0, e(h+i)=e(k)。由表1和表2可知,氣化爐的控制要受各種約束以離散狀態(tài)空間模型為預(yù)測模型,預(yù)測系統(tǒng)未來條件的限制,因此無約束情況下得到的控制輸人量往的多步輸出,假設(shè)沒有擾動存在,有:往不能滿足實際的控制需求。j(h+1)= CAr(h) +CBu(k)(3)根據(jù)基準測試要求,有以下輸人速率約束與輸人同時為了求出當前的控制增量,可以把u(k)寫成幅值受限。這是一個QP問題,可以通過積極集法來u(k)= u(h-1)+Qu(h) ,從而可以得到:求解”。j(k+1)= CAx(k) +CBu(k-1)+s QumaxCBAu(k)+d(k+1)(4)(11)依次迭代可以得到:umin≤u≤umy(k+j)= CA'x(k)+[ $CA-B]u(h-1)+3灰色預(yù)測誤差校正器設(shè)計[ SCA-B]