PDF《第六章 单变量预测控制的实际应用》

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第六章 单变量预测控制的实际应用 §6.

1 高温扩散炉的阶梯式广义预测控制 我们将阶梯式广义预测控制算法运用于高温扩散炉微机控制系统, 对高温扩散炉进行温 度控制. 系统由可控硅供电的高温扩散炉、 输入输出通道、 控制电路及 TRS-80 微型计算机构成, 控制程序用 BASIC 语言编制. 扩散炉的温度--时间曲线(亦称工艺曲线)分为升温、保持、降温、保持、自然降温几 个过程.在第一个升温过程用最大控制量使炉温快速升到 640℃,然后以 4℃/min 的速率升 温到 800℃,保持温度

3 小时后以 2℃/min 的速率降温到 700℃,再保持 30~45 分钟,便不 再控制使其自然降温.在试验过程中人为设置一些扰动以考验控制器.在控制运行的前

10 步用 PID 控制,以引导参数辨识,此后投入阶梯式广义预测控制. 对象模型为: ? + = + + ? ? ? t t t u b y q a q a ξ

2 0

2 2

1 1 )

1 ( (6.1) 采用增量模型以及 ELS 辨识,遗忘因子α=0.98.控制量加权因子λ=0.1,阶梯式因子 β=0.8.预测步数 P 取10 步,控制步数 u P 取3步.控制量限幅

150 max = u ,

0 min = u ,采 样周期 s Ts

30 = . 实验开始(t=0)电网电压为 220V,t=70 分钟时切换为 180V,在t=130 分钟时,进行 电网拉偏实验,将电压升到 220V 运行一分钟,在2小时

31 分钟时将两个炉门打开,进行强 吹风

5 分钟,然后关上炉门,3 小时

10 分钟时再进行电网拉偏实验,使电压降至 150V 运行

2 分钟. 图6.1 是PID 控制曲线.图6.2 是阶梯式 GPC 的控制实验纪录. 从实验结果来看,整个控制过程是令人满意的.与PID 控制相比,阶梯式 GPC 在升温断 和降温断的跟踪性能很好;

设定值转角处输出量无超调;

而且整个实验过程中控制量改变十 分柔和,高频分量大大较少.从整个过程看系统抗干扰能力很强,电网电压变化及强吹风给 予的强干扰动都能很快克服. 这显示了阶梯式广义预测控制器良好的动态特性和很强的鲁棒 性. 应当指出,在降温过程中,由于控制量是单向的,致使降温速度跟不上设定值. 同时, 与PID 控制和其他自校正控制以及智能控制的实验结果相比, 系统动态性能虽然 很好,但静态性能却不及其他算法.有如下几个原因: 1.整个实验所用时间短.总共不超过

50 小时*2 人,及100 人・时.包括熟悉系统、 编制及调试程序、试运行、正式实验,而正式实验要用

8 小时.整套系统由一个工 程师负责,PID 参数经过他几年的反复整定,其他先进控制算法需用去一个研究生

一、两年的反复调试. -

56 - 2.参数辨识实验没有做,模型采用旁人实控模型.参数辨识一直打开,在稳态时,持 续激励条件不满足,参数辨识有波动,影响稳态精度.在强吹风过程中,辨识参数 性质发生变化, 控制器也受了很大影响. 如果在辨识参数与控制器之间加一个保护, 则控制器对噪声的抑制能力会更强. 3.控制器参数λ、β、P、 u P 的给定近于盲目,这些参数没有经过哪怕是初步的调节. 如果认真调节这些参数,相信是会有比较好的结果的. 总之,即使是这样一个简单的实验,也证明阶梯式 GPC 具有良好的性能.实验是在没有 良好准备的情况下进行的,这反过来证明阶梯式 GPC 具有良好的鲁棒性. §6.2 20T/h 工业燃煤锅炉预测控制

一、 工业锅炉自动控制概述 工业锅炉是重要的能源转换设备, 是我国目前量大面广的耗能设备. 我国目前拥有各型 工业锅炉约

30 万台,年耗煤

2 亿7千多万吨,占我国原煤产量的三分之一以上,而中小型 锅炉占工业锅炉蒸发量的 70%以上.但有相当一部分工业锅炉实际运行效率大大低于其设 计效率,尤其是小容量锅炉,运行效率仅有 50%左右. 造成锅炉实际运行效率低主要有四方面的原因: 1.锅炉排烟温度高(一般>180℃) ;

2.炉渣含碳量高(一般>10%) ,飞灰量大,因此可燃碳粒从烟囱排出,不完全燃烧热 损失大;

3.烟气成分中一氧化碳含量高,化学不完全燃烧热损失大;

4.鼓风量大,烟气含氧量高. 此外,还有操作水平低,负荷变化大,媒质变化多,设备陈旧,缺乏检测、控制手段等 等其他原因. 因此,采用先进的检测、控制手段,提高锅炉的运行效率,对我国节能、降耗有重大意 义. 为了满足负荷设备的要求, 保证锅炉本身运行的安全性和经济性, 工业锅炉主要有下列 控制任务: 1.保持汽包水位在规定的范围内;

2.控制蒸汽压力的稳定;

3.控制炉膛负压在规定的范围内;

4.稳定蒸汽的温度;

5.维持经济燃烧.

二、 系统与建模 实际控制对象为重庆长江橡胶厂 20T/h 链条锅炉,型号为 SHL20-13-A,额定工作压为

2 /

13 cm kgf ,蒸发量 20T/h. 该锅炉由北京锅炉厂出品,适于烧发热值

6000 大卡的北方煤,现在只能烧天府煤矿的 煤,发热值只有

5000 大卡,即使这种煤也不能保证供应,有时一天换几种煤.煤的发热值 低,煤种不稳定,这在总体上对系统是个很大的限制.设计蒸发量 20T/h,如果煤种好,应 当能烧到 24T/h,但现在最多只能烧到 16-18T/h. -

57 - 该锅炉

85 年建成,86 年正式稳定运行,87 年投计算机控制(由重庆仪表研究所研制) , 几年过去了,无论是系统本身还是仪表、控制部分,都经常出现一些故障,这给调试带来一 定困难.但这也是国内相当大一部分锅炉所处的实际状况. 控制方案的简单、有效、易于操作,又要有相当的技术先进性,这应当是我们所期望达 到的目的.但同时,只有在这种情况下做出来的工作才有推广价值. 由于给煤量与进风量在实际控制中是按一定比例共同变化的, 因而实际建模时没有必要 将它们独立开来,统一将其视为燃料量.而进水量与进煤量实际只差一个倍数,即煤风比. 由于现场情况不允许施加扰动,无法做辨识实验.同时,对工业锅炉来说来自用户的扰 动以及其他回路耦合的影响是相当大的,精确的实验设计未必能得出准确的结果.因此,我 们采用 PI 控制下的输入输出数据进行闭环辨识.P=20,I=5,D=0,这是原来工厂中实际运 用的控制器参数. 如果对象是

1 n 阶,控制器是

2 n 阶,系统时延为 k,为进行适当的闭环辨识应当有:

2 n +k>

1 n (6.2) 由于

2 n =1,k≥2,显见闭环辨识条件是满足的. 采样周期

12 秒,选取

100 个数据点,迭代

6 次,进行辨识实验.