本發(fā)明屬于導(dǎo)熱油爐設(shè)計(jì)，涉及一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、導(dǎo)熱油爐是一種用于導(dǎo)熱油循環(huán)加熱和熱能傳遞過程的鍋爐，通過燃燒器燃燒油、氣、煤等燃料將介質(zhì)加熱，再利用高溫油泵進(jìn)行液相循環(huán)，將加熱后的介質(zhì)輸送到用熱設(shè)備。導(dǎo)熱油爐出口溫度和煙氣殘氧量為核心的控制參數(shù)，在化工生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方式為雙交叉串級(jí)pid反饋控制，該控制方法能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，能夠較好的控制導(dǎo)熱油爐出口溫度穩(wěn)定，滿足用戶的用熱需求，適用于簡單的線性系統(tǒng)和用熱穩(wěn)定的場景。

2、但當(dāng)導(dǎo)熱油出口溫度或流量受到干擾波動(dòng)時(shí)，由于導(dǎo)熱油爐出口溫度和煙氣殘氧量的pid控制回路對(duì)于波動(dòng)具有控制滯后性，不能夠及時(shí)調(diào)整，容易造成燃料和風(fēng)量調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)振蕩甚至全開全關(guān)的情況，所以需要開發(fā)設(shè)計(jì)一種模型預(yù)測控制系統(tǒng)，預(yù)測出導(dǎo)熱油出口溫度和煙氣殘氧量的變化情況，提前采取控制措施，以保證導(dǎo)熱油出口溫度和煙氣殘氧量的穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：

3、一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，包括模型預(yù)測模塊、滾動(dòng)優(yōu)化模塊、反饋校正模塊；

4、模型預(yù)測模塊：根據(jù)當(dāng)前操作變量、控制變量和擾動(dòng)變量參數(shù)，利用一階滯后傳遞函數(shù)模型，預(yù)測k時(shí)刻控制作用下未來一段時(shí)間p內(nèi)控制系統(tǒng)控制變量的變化情況，輸出至滾動(dòng)優(yōu)化模塊中；所述操作變量為燃?xì)饬髁亢惋L(fēng)量，控制變量為導(dǎo)熱油出口溫度和煙氣殘氧量；擾動(dòng)變量包括導(dǎo)熱油流量、導(dǎo)熱油入口溫度、排煙溫度；

5、滾動(dòng)優(yōu)化模塊：利用迭代優(yōu)化的方式計(jì)算k時(shí)刻控制作用下未來一段時(shí)間p內(nèi)的操作變量的最優(yōu)控制增量；

6、反饋校正模塊：將k+1時(shí)刻預(yù)測的結(jié)果與同一時(shí)刻的控制系統(tǒng)實(shí)際輸出進(jìn)行比較，求出兩者的偏差，并利用所述偏差對(duì)k+1時(shí)刻模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行校正。

7、優(yōu)選的，所述一階滯后傳遞函數(shù)模型包括：

8、當(dāng)前燃?xì)饬髁亢惋L(fēng)量對(duì)導(dǎo)熱油出口溫度的一階滯后傳遞函數(shù)；

9、當(dāng)前燃?xì)饬髁亢惋L(fēng)量對(duì)煙氣殘氧量的一階滯后傳遞函數(shù)；

10、導(dǎo)熱油流量對(duì)導(dǎo)熱油出口溫度的一階滯后傳遞函數(shù)；

11、導(dǎo)熱油入口溫度對(duì)導(dǎo)熱油出口溫度的一階滯后傳遞函數(shù)；

12、排煙溫度對(duì)導(dǎo)熱油出口溫度的一階滯后傳遞函數(shù)；

13、所述一階滯后傳遞函數(shù)形式為

14、

15、式中k、t、τ為參數(shù)，k代表傳遞函數(shù)增益，t代表時(shí)間常數(shù)；

16、τ代表延遲參數(shù)，即從控制變量動(dòng)作到操作變量剛開始發(fā)生變化所需的時(shí)間。

17、優(yōu)選的，還包括模型辨識(shí)模塊，用于通過在線辨識(shí)或歷史數(shù)據(jù)獲取一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)。

18、優(yōu)選的，模型辨識(shí)模塊通過在線辨識(shí)方法獲取一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)，方法如下：

19、對(duì)一階滯后傳遞函數(shù)模型進(jìn)行階躍激勵(lì)測試；

20、分別修改燃?xì)饬髁?、風(fēng)量、導(dǎo)熱油流量、導(dǎo)熱油入口溫度、排煙溫度，獲得燃?xì)饬髁?、風(fēng)量、導(dǎo)熱油流量、導(dǎo)熱油入口溫度、排煙溫度變化時(shí)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱油出口溫度變化曲線以及煙氣殘氧量變化曲線；

21、根據(jù)上述變化曲線計(jì)算一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)。

22、優(yōu)選的，模型辨識(shí)模塊通過歷史數(shù)據(jù)獲取一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)，方法如下：

23、采集導(dǎo)熱油爐前m天的導(dǎo)熱油出口溫度、燃料流量、風(fēng)量、煙氣殘氧量、燃料調(diào)節(jié)閥開度、風(fēng)量頻率設(shè)定開度、排煙溫度、導(dǎo)熱油入口溫度、導(dǎo)熱油流量，根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到燃?xì)饬髁?、風(fēng)量、導(dǎo)熱油流量、導(dǎo)熱油入口溫度、排煙溫度變化時(shí)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱油出口溫度變化曲線以及煙氣殘氧量變化曲線；

24、根據(jù)上述變化趨勢曲線計(jì)算一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)。

25、優(yōu)選的，所述模型預(yù)測模塊的預(yù)測輸出值滿足：

26、

27、即

28、

29、其中，為在k時(shí)刻控制作用下未來p個(gè)時(shí)刻控制變量的預(yù)測輸出值，為在k時(shí)刻控制作用下未來p個(gè)時(shí)刻控制變量的初始預(yù)測值，δum(k)為在k時(shí)刻控制作用下未來m個(gè)時(shí)刻的操作變量的控制增量；a為模型信息矩陣，a1、a2、……ap分別為一階滯后傳遞函數(shù)模型第一個(gè)采樣時(shí)刻、第二個(gè)采樣時(shí)刻、……第p個(gè)采樣時(shí)刻響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值。

30、優(yōu)選的，所述滾動(dòng)優(yōu)化模塊利用迭代優(yōu)化的方式計(jì)算k時(shí)刻控制作用下未來一段時(shí)間p內(nèi)的操作變量的最優(yōu)控制增量，方法如下：

31、利用懲罰跟蹤誤差與調(diào)節(jié)幅度構(gòu)建k時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)j(k)：

32、

33、式中qi和rj分別代表誤差權(quán)系數(shù)和控制權(quán)系數(shù)；apc_cv1(k+i)代表k+i時(shí)刻控制變量的期望值，代表在k時(shí)刻控制作用下k+i時(shí)刻的控制變量的預(yù)測輸出值，δu為在k時(shí)刻控制作用下(k+j-1)時(shí)刻操作變量的控制增量；

34、求j(k)的最小值，當(dāng)dj(k)/dδum(k)＝0時(shí)，求得δum(k)的優(yōu)化值。

35、優(yōu)選的，所述反饋校正模塊實(shí)現(xiàn)公式如下：

36、

37、式中為在k時(shí)刻控制作用下未來n個(gè)時(shí)刻預(yù)測誤差加權(quán)校正后的控制變量預(yù)測過程值，為在k時(shí)刻控制作用下未來n個(gè)時(shí)刻控制變量的初始預(yù)測值，為在k+1時(shí)刻控制作用下未來n個(gè)時(shí)刻控制變量的初始預(yù)測值，代表校正系數(shù)向量，代表轉(zhuǎn)移矩陣；e(k+1)代表k+1時(shí)刻真實(shí)值與預(yù)測值之間的誤差。

38、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

39、(1)更穩(wěn)定：由于將模型預(yù)測計(jì)算出的燃料量和風(fēng)量作為溫度pid回路sv調(diào)節(jié)的限幅參數(shù)，使得燃料量、風(fēng)量以及空燃比總是在一個(gè)合理的幅值區(qū)間內(nèi)調(diào)整，所以新型溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程更平穩(wěn)。

40、(2)更快速：當(dāng)導(dǎo)熱油爐入口溫度和導(dǎo)熱油流量等干擾變量出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)熱油出口溫度變化前，通過模型預(yù)測出未來溫度的變化情況，提前采取控制作用，調(diào)節(jié)燃?xì)饬亢惋L(fēng)量，進(jìn)一步穩(wěn)定導(dǎo)熱油出口溫度，相對(duì)于傳統(tǒng)控制方法，更加快速。

41、(3)更優(yōu)化：由于在滾動(dòng)優(yōu)化過程中引入了預(yù)測權(quán)重矩陣和控制權(quán)重矩陣，在計(jì)算最優(yōu)控制律時(shí)可以進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測輸出和控制輸出，保證了燃?xì)饬亢惋L(fēng)量的穩(wěn)定，以最優(yōu)化的控制來穩(wěn)定導(dǎo)熱油出口溫度和煙氣殘氧量。

技術(shù)特征：

1.一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：包括模型預(yù)測模塊、滾動(dòng)優(yōu)化模塊、反饋校正模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：所述一階滯后傳遞函數(shù)模型包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：還包括模型辨識(shí)模塊，用于通過在線辨識(shí)或歷史數(shù)據(jù)獲取一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：模型辨識(shí)模塊通過在線辨識(shí)方法獲取一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)，方法如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：模型辨識(shí)模塊通過歷史數(shù)據(jù)獲取一階滯后傳遞函數(shù)模型的參數(shù)，方法如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：所述模型預(yù)測模塊的預(yù)測輸出值滿足：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：所述滾動(dòng)優(yōu)化模塊利用迭代優(yōu)化的方式計(jì)算k時(shí)刻控制作用下未來一段時(shí)間p內(nèi)的操作變量的最優(yōu)控制增量，方法如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于：所述反饋校正模塊實(shí)現(xiàn)公式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)熱油爐的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，包括模型預(yù)測模塊、滾動(dòng)優(yōu)化模塊、反饋校正模塊；模型預(yù)測模塊根據(jù)當(dāng)前操作變量、控制變量和擾動(dòng)變量參數(shù)，利用一階滯后傳遞函數(shù)模型，預(yù)測k時(shí)刻控制作用下未來一段時(shí)間P內(nèi)控制系統(tǒng)控制變量的變化情況，輸出至滾動(dòng)優(yōu)化模塊中；滾動(dòng)優(yōu)化模塊利用迭代優(yōu)化的方式計(jì)算k時(shí)刻控制作用下未來一段時(shí)間P內(nèi)的操作變量的最優(yōu)控制增量；反饋校正模塊將k+1時(shí)刻預(yù)測的結(jié)果與同一時(shí)刻的控制系統(tǒng)實(shí)際輸出進(jìn)行比較，求出兩者的偏差，并利用所述偏差對(duì)k+1時(shí)刻模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行校正。本發(fā)明能夠有效預(yù)測出導(dǎo)熱油出口溫度和煙氣殘氧量的變化情況，保證導(dǎo)熱油出口溫度和煙氣殘氧量的穩(wěn)定。

技術(shù)研發(fā)人員：胡昊,劉艷超,王海群,劉天虎,姜子波,甄玉山,侯云輝,孟廷豪,周亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15