（控制科学与工程专业论文）水汽热能全流程协调控制系统总体设计与实施.pdf

摘要 水汽热能全流程协调控制系统的总体设计与实施 摘要 在工业领域，锅炉是一种重要的动力设备，它为工业生产和人民 生活提供所需要的热能，也能通过蒸汽动力装置转换为机械能，或者 通过发电机将机械能转换为电能。随着现代化工业的飞速发展，生产 自动化的程度愈来愈高，同时也对能源利用率的要求越来越高，本文 针对仿真对象s m p t - 1 0 0 0 的水汽热能全流程，提出基于预测函数控 制和协调控制的整体控制方案，改善了大滞后对象的控制效果，提高 了系统在变负荷时的响应速度，在先进控制策略的研究和应用上取得 了一些成果。 锅炉是含有多变量、多回路、多耦合的复杂系统，针对锅炉主蒸 汽压力对象的非线性、大滞后的特点，采用预测函数控制作为主控制 器，传统的预测函数控制以一阶加滞后对象作为预测模型，不能够完 全表征对象特性，本文对传统算法加以改进，采用二阶加纯滞后对象 模型作为预测模型，利用广义斐波那契数列求解控制器的输出，通过 仿真和系统测试，实验表明该算法具备良好的控制效果。 锅炉蒸汽用量取决于蒸发器需求情况，为了能满足负荷变化的要 求，同时保持锅炉主要运行参数( 特别是主汽压) 在允许范围内，将 锅炉、蒸发器从控制上联系起来作为一个整体对象，建立主蒸汽压力 同蒸发器浓缩油浓度模型，设计协调控制器，及时响应系统负荷变化。 本文被控对象选用新一代多功能过程与控制实验系统s m p t 水 汽热能全流程，基于西门子的p c s 7 系统，建立了该流程的控制系统。 ； 北京化工大学硕士学位论文 文中介绍了p c s 7 软硬件平台，给出了控制系统网络总体框架；对控 制系统硬件及网络进行了配置；对控制方案进行了具体实现，利用 c f c 、s f c 、s c l 语言实现了该控制系统基础控制、顺序控制和协调 控制等控制逻辑组态；利用组态软件w i n c c 完成了操作员画面组态， 对归档系统、报警系统进行了配置，完成对水汽热能全流程的实时控 制与调整、安全运行监控和管理功能。 系统运行结果表明，控制效果较好，很好得满足了工艺要求，经 济效益也较高。 关键字：锅炉蒸发器p c s 7 广义斐波那契数列预测函数控制协调 系统 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n to fc o o p e r a t i v ec o n t r o ls y s t e mf o r v a p o ra n d h e a te n e r g yi n t e g r a t e df l o w a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r y , b o i l e ri sa ni m p o r t a n tp o w e ru n i tf o ri n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n dp e o p l e sl i v e st op r o v i d et h er e q u i r e de n e r g y , b u ta l s o t h r o u g ht h es t e a mp o w e rp l a n tt h eh e a te n e r g yi sc o n v e n e dt om e c h a n i c a l e n e r g mo rb yg e n e r a t i n gt h em e c h a n i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c a le n e r g y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y , h i g h e ra n dh i g h e rd e g r e e o fa u t o m a t i o n ，w h i l ea l s oi n c r e a s i n ge n e r g ye f f i c i e n c yr e q u i r e m e n t s ，t h i s p a p e rs i m u l a t i o no b j e c ts m p t - i 0 0 0w a t e rv a p o rh e a tt h ew h o l ep r o c e s s i sp r o p o s e db a s e do np r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o la n dc o o r d i n a t i o n c o n t r o la st h eo v e r a l lc o n t r o ls c h e m e ，i m p r o v i n gc o n t r o lo fl a r g ed e l a y e f f e c ta n d i m p r o v i n gt h es y s t e mr e s p o n s e t oc h a n g el o a d s p e e d a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e si nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs o m er e s u l t s a c h i e v e d b o i l e r st h a tc o n t a i nm a n yv a r i a b l e s ，m u l t i l o o p ，m u l t i c o u p l i n go f a r ec o m p l e xs y s t e m s f o rn o n l i n e a r i t ya n dl a r g ed e l a yo ft h eb o i l e rm a i n s t e a mp r e s s u r e ，p r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o lw a sa d o p t e da st h em a s t e r c o n t r o l l e r , b u tt h et r a d i t i o n a lp r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o lu s e df i r s t o r d e r p l u sd e l a yo b j e c ta sap r e d i c t i o nm o d e l ，o b j e c tp r o p e r t i e sc a nn o tb ef u l l y c h a r a c t e r i z e d i nt h i sp a p e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o dh a sb e e ni m p r o v e d ， s e c o n d o r d e rp l u sp u r ed e l a ym o d e la r eu s e da saf o r e c a s t i n gm o d e l ，t h e 北京化工人学硕士学位论文 g e n e r a l i z e df i b o n a c c is e q u e n c ew a sc a r r i e do u tt os o l v et h ec o n t r o l l e r s o u t p u t ，t h es i m u l a t i o na n ds y s t e mt e s t i n ge x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e a l g o r i t h mh a sg o o dc o n t r o le f f e c t t h ed o s a g eo ff u r n a c ev a p o rl i e do nr e q u i r m e n to fe v a p o r a t o r , f u r n a c ea n de v a p o r a t o ra r et r e a t e da se n t i r e t yt os a t i f yt h ed e s i r m e n tf o r l o a dc h a n g e ，a n dk e 印t h em a i np a r e m e t e r si nr e a s o n a b l es c o p ee s p e c i a l l y t h em a i nv a p o rp r e s s u r e t h eb o i l e r sl i n k e de v a p o r a t o rf r o mt h ec o n t r o l a saw h o l eo b j e c t ，t h ee s t a b l i s h m e n to fm a i ns t e a mp r e s s u r ee v a p o r a t o r w i t ho i lc o n c e n t r a t i o nm o d e lw a sb u i l tt od e s i g nc o o r d i n a t ec o n t r o l l e r w h i c h w o u l dm a k eat i m e l yr e s p o n s et os y s t e ml o a dc h a n g e s n e ws u b s t i t u t em u l t i p l ef u n c t i o n a lp r o c e s ss y s t e mw h i c hi n c l u d e s i n t e g r a t e df l o wo fv a p o ra n dh e a te r n e r g yi sa d o p t e da sc o n t r o l l e do b e j c t ， t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db a s e ds i e m e n sp c s 7s y s t e m t h e s o f ta n dh a r d w a r et e r r a c ew e r ei n t r o d u c e d ，t h ei n t e g r a t e dn e tf r a m e w o r k o fc o n t r o ls y s t e mh a sa l s ob e e ng i v e na n dh a r d w a r ea n dn e th a v eb e e n m a t c h e d t h ec o n r o ls t r a t e g yh a sb e e nf i n a l l yi m p l e m e n t e d ，t h eb a s i c c o n t r o ls y s t e m 、s e q u e n t i a lc o n t r o l 、s a f ec o n t r o ls y s t e ma n ds oo nh a v e b e e nf i n i s h e dw i t hc f c 、s f c 、s c l ；t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a v eb e e n a c h i e v e db yc o n g i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c e ，a r c h i v es y s t e ma n da l a r m s y s t e mh a v eb e e na l s od e p l o y e dt or e a l i z er e a lt i m ec o n t r o la n da d j u s tf o r i n t e g r a t e df l o wf ov a p o ra n dh e a te m e r g yw h i c hi n c l u d e dm o n i t o r i n ga n d m a n a g i n ga b i l i t y t h er e s u l ts h o w st h e r ea r eg o o da p p l i c t i o n st os t a t i s f yt e c h n i c s r e q u i r m e n ta n dh i g he c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：f u r n a c e ；e v a p o r a t o r ；p c s 7 ；g e n e r a l i z e df i b o n a c c i s e r i e s ；p r e c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o l ；c o o r d i n a t es y s t e m 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：兰1 日期： ：4 川o 、岁以 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 5 - r 一 日期： f 妒f 0 岁t 讷 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着工业的迅速发展，人们对生产过程的自动化控制水平和工业产品质量的要求 也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监控算法的出现都对工业生产具有积极有 效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的， 通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时 候这种滞后相差几十年。这是目前控制界所面临的最大问题，究其根源主要在于理论 研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了 其应用【。 因而，目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件，开发经济实用的且具有 典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转化为实际应用技术的捷 径。新一代高级多功能过程控制实训系统( s m p t - 1 0 0 0 ) 是一种可以模拟水汽热能全流 程的实验装置。它是以工业锅炉以及蒸发器作为仿真对象，提供了水汽热能全流程的 动态仿真模型，能够真实地反应实际过程工业生产过程中各种特性，并且满足工业级 高精度、高重复性的实验要求。( 加上水汽热能全流程的组成) 锅炉是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包 括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需 要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电 能，广泛用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉蒸汽生产过程具备典型的非线性、 大滞后特点。在现代工业中应用先进控制算法，对于改善系统的控制品质、节省能源、 提高经济效益具有积极意义。同时变负荷也是工业中常见的问题，但由于系统响应不 及时而经常造成资源浪费和经济效益流失的现象也很普遍，在水汽热能全流程系统中 设计协调系统提高系统的响应速度，对于改善复杂的对象大系统的响应能力具有重要 的作用。 本文中利用s m p t 锅炉蒸发器综合系统作为被控对象，它模拟了水汽热能全流 程的工艺流程，针对主蒸汽压力的大滞后、非线性特性，采用改进预测函数控制。采 用现有的成熟工艺设计基础控制系统【2 3 】；而对于难以精确测量的蒸发器浓度信号采用 软测量的方法加以解决【4 】；并根据工艺流程设计开停车顺序控, i l l s , 6 ，以及整个系统的 人机界面 7 - 9 1 ，提高了系统自动化程度；同时针对锅炉与蒸发器设计了相应的协调控制 系统，用以改善系统间的响应速度，从而节约资源，提高经济效益。 因此，本文研究先进控制策略以及协调系统设计是极具实际意义的工作，并最终 在s i m a t i cp c s7 控制系统上实现水汽热能全流程的控制和监测。对大滞后对象采 用预测函数控制以及对复杂系统设计协调控制系统，对于先进控制策略应用于工业有 北京化工大学硕上学位论文 重要的参考作用。 1 2 锅炉及蒸发器简述 1 2 1 锅炉装置 主要模拟的工艺设备包括： ( 1 ) 除氧器 除氧设备主要由除氧塔头、除氧水箱两大件以及接管和外接件组成，其主要部件 除氧器( 除氧塔头) 是由外壳、新型旋膜器( 起膜管) 、淋水篦子、蓄热填料液汽网等部件 组成。 ( 2 ) 锅炉 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧 器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核 心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧 的炉膛称为层燃炉，又称火床炉：将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃 烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃 烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉：利用空气流速使煤粒高速旋转，并强 烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。 锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路， 并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重 的部件之一。 锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。 其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽 中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的 锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板 等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。 1 2 2 蒸发器装置及用途 ( 1 ) 蒸发器 主要由加热室和蒸发室两部分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使 液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。加热室中产生的蒸气带有大量液沫，到 了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等作用得以与蒸气分离。通常 除沫器设在蒸发室的顶部。 第一章绪论 ( 2 ) 蒸发器用途 通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出晶粒的设备。主要由加热室和蒸发室两部分 组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相 完全分离。加热室中产生的蒸汽带有太量的液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液 体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸汽分离。通常除沫器设在蒸发室的顶部 1 0 i l l | 。 1 2 3 水汽热能全流程仿真系统 新一代多功能过程实验系统( s m p l l ，是将化工流程、微机控制系统与全数字仿真 技术结合的新一代过程与控制实验系统。它集多种教学和实验功能于一身，所提供的 各种化工工艺流程的动态仿真模型能够精确的反应实际过程工业生产过程各种特性， 并且满足工业级高精度、高重复性的基础实验要求。整个系统由小型流程设备盘台、 鼓字式软仪表与计算机控制系统、组态监控软件及过程动态仿真模型软件四部分组 成。四部分通过小型实时数据库、实时监控与数字通信协调运行，完成复杂的半实物 模拟实验。可以通过直流4 - 2 0 毫安国际标准a d 、d a 信号与集散控制系统d c s 、 可编程控制器p l c 、基于p c 的控制系统等连接。 它所提供的水汽热强全流程以6 5 t h 锅炉及蒸发器为原型，是化工生产过程中具 备大滞后特性及系统响应速度慢等特点的典型过程。它源于实际工业生产，较大程度 地反应了现场真实情况。 下面详细介绍此流程的工艺过程，工艺装置如图m 所示。 圈1 1 水汽热能全流程装置图 f i g 1 3s e t t i n g d r a w i n g o f t o t a la c c e 镕o f v a p o r a n d h e a l 印e r 舒 ( 1 ) 锅炉装置及工艺 锅炉是火力发电机组的主要设备之一，锅炉热力系统大致可以划分为燃烧系统、 风烟系统和水汽系统。详细工艺流程如下图1 - 2 所示。 北京化工大学硕士学位论文 图l - 2 锅炉的工艺过程 f i g 1 - 1t e c l m i c ap r o c e s so ff u r n a c e 由于每小时产中压蒸汽6 5 t ( 6 5 t h ) 锅炉系统可以燃烧含一氧化碳( c o ) 的炼油 厂催化裂化再生烟气，所以又称为一氧化碳环保锅炉。 一氧化碳( c o ) 锅炉的作用是使燃料放热，并将热量传给工质水，以产生4 4 0 、 3 8 2 m p a 的过热蒸汽。其主要作用是向全厂供给中压蒸汽及消除催化裂化装置( f c c u ) 再生c o 废气对大气的污染，回收催化装置再生废气之热能。 锅炉本体由省煤油器、上汽包、对流管柬、下汽包、下降管、水冷壁、过热器、 表面式减温器、联箱等组成。省煤器有四组，主要作用是预热锅炉给水，降低排烟温 度，提高锅炉热效率。上汽包由百叶窗、旋风分离器、水位计等组成。主要作用是汽 水分离，连接受热面构成正常循环等。水冷壁由母6 0 x 5 的钢管组成，主要作用是吸 收炉膛辐射热。过热器分低温段和高温段，由钢管组成，主要作用是使饱和蒸汽变成 过热蒸汽。表面是减温器由q1 6 x 3 的5 5 根管束和t p 3 8 6 x 3 2 筒体组成，主要作用是调 节过热蒸汽的温度，调节范围1 0 - - 3 3 。 锅炉给水一部分经减温器回水至省煤器，一部分直接进入省煤器，被烟气加热至 2 5 6 c 饱和水进入上汽包，再经对流管束至下汽包，通过下降管进入锅炉水冷壁，吸 收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回上汽包进行汽水分离。2 5 6 的 饱和蒸汽进入一级过热器、减温器及二级过热器，最终加热成4 4 0 、3 8 m p a 的过热 蒸汽供给用户。以上的循环不断进行，连续提供蒸汽。 第一章绪论 ( 2 ) 蒸发器工艺流程 蒸发器的工艺流程如图1 3 所示，过热蒸汽同稀液进入加热室进行换热，过热蒸 汽被冷凝成水送出，而稀液中饱和温度低的液体挥发并带有部分液体进入蒸发室，通 过冷凝作用和蒸汽分离，二次蒸汽从顶端排出，而底部得到浓缩油。 图1 3 蒸发器的工艺过程 f i g 1 - 3t e c h n i c ap r o c e s so fe v a p o r a t o r 工艺流程顺序：软化水经过除氧器通过热力除氧后为锅炉供水，燃油和空气通过 燃烧装置像系统供热，热力除氧后的软化水在炉膛中气化，生成额定压力和温度的蒸 汽，向下游供汽，同时废气通过烟囱排出1 1 2 l 。稀液在蒸汽器中由过热蒸汽加热后使得 含有的水份蒸发形成二次蒸汽，稀液通过蒸发器最终形成额定浓度的浓缩油产品，整 个流程的工序如框图1 4 所示： 图l - 4 水汽热能全流程工艺流程 f i g 1 - 4t e c h n o l o g i c a lf l o ws h e e to ft o t a la c c e s so fv a p o ra n dh e a te n e r g y 北京化工大学硕士学位论文 1 3 大滞后工业及协调系统发展现状 1 3 1 发展现状 自5 0 年代以来，在大滞后系统控制方面先后出现了基于模型的方法和无模型这 两大类方法，基于模型的方法有s m i t h 预估控制、改进的s m i t h 预估控制、多变量s m i t h 预估控制、最优控制方法、自适应控制、动态矩阵预报控制，预测控制、滑模变结构 控制、鲁棒控制等。无模型方法有模糊s m i t h 、自适应模糊、模糊p i d 、模糊自整定、 神经网络预估法、专家控制等。控制手段已经从传统控制发展到了智能控制，或者是 两者的结合。有关时滞控制系统的论述已有一些专著，文献 1 3 ，1 4 t g 对时滞控制系 统设计方法的发展作了很好的概述。总结近年来的发展情况，国内外的学者以及工程 技术人员在时滞过程控制方法及应用方面均做了大量的研究，取得了相当大的进展【s 】。 国内外很多学者( 特别是国内学者与工程技术人员) 努力把各种时滞系统的控制 方法应用到工程实际中去，其中很大一部分是把各种改进的s m i t h 预估器进行了一些 工程应用，以克服控制理论和工程实际严重脱节的不足【1 6 1 。这些应用的结果初步说 明了一些针对时滞过程的控制方法的有效性和实用性，但目前状况表明了在实际中应 用的方法还是比较单一的，应用的范围也不够广，良好的控制品质尚需技术人员不断 地维护。很多在理论上效果颇为有效的方法还不能真正实际应用在工业过程中。 预测控制与其它方法不同，它是在工业实践过程中逐步发展起来的。到现在已经 有几十种预测控制算法相继产生，比较典型的有非参数模型的模型预测启发控制 ( m p h c ) 、模型算法控n ( m a c ) 和动态矩阵控$ 1 j ( d m c ) 1 7 - 1 9 】等。因为时滞控制系统 解决问题的关键是对系统输出的预测，因此预测控制非常适用于时滞系统，复杂工业 过程具有时变性与不确定性，存在纯滞后等固有性质，无法建立系统的传递函数或状 态空间模型。复杂工业过程具有复杂的动态特性，其中工况的改变、负荷的波动以及 中间环节引入的各种不确定性扰动往往是随机的，建立精确的对象数学模型使得模型 的全局输出具有良好的数学表达特性是目前预测控制研究的重点问题【2 啦。 其研究内容有以下几方面。 ( 1 ) 线性化方法，通过把非线性模型线性化后，按照线性系统滚动优化设计预 测控制器，而模型预测一般仍采用非线性模型。模型线性化后会产生一定的预测误差， 可用在线辨识的方法来修正线性化模型。对于间隙非线性系统，引入非线性预补偿器， 使广义系统转化为伪线性系统，但不能完全补偿l 日j 隙非线性特性。刘兵引入与其不同 的问隙预补偿器，使广义系统的输入输出成为严格的线性关系。孙浩运用大系统理论 中递推算法求解非线性最优控制的方法，对非线性部分进行预估和协调，把非线性滚 动优化问题转化为线性问题求解。 ( 2 ) 利用非线性系统的特殊模型一些非线性系统可以用特殊的模型来进行描述， 其相应的非线性预测控制方法有： v o l t e r r a 模型、h a m m e r s t e i n 模型、双线性系统、 第一章绪论 l a g u e r r e 模型等。 ( 3 ) 分段多模型方法，通过在多个系统平衡点附近建立子模型，得到非线性系 统的线性化多模型表示，同时将非线性设定值分解后得到适合于非线性系统线性化多 模型表示的相应多模型参考轨迹。可简化非线性优化问题，降低计算难度。 ( 4 ) 神经网络方法，石中锁在文献 2 2 1 中提出神经网络的增量型模型算法控制； 黄道平等在文献 2 3 1 q b 提出一种由人工神经网络与线性a r x 模型相结合的集成模型 的多变量非线性预测控制；陈增强等在文献 2 4 中通过对系统的信号约束，构成有约 束多变量广义预测控制问题，并运用t a n k h o p f i e l d 优化神经网络来求解这一复杂的 优化问题；刘军等在文献【2 5 】利用前馈神经网络建立对象的非线性预测模型，用多级 阶跃响应建立线性模型，利用平均模型进行滚动优化、非线性预测模型校正线性模型 的方法来实现非线性预测控制。 r i e h a l e t 在m a c 的基础上提出了一种新的预测控制方法一预测函数控制【2 6 1 ( p f c ) 。p f c 具有一般预测控制的三大特点，与其他预测控制算法的最大区别是注重 控制量的结构形式，认为控制量与一组相应于过程特性和跟踪设定值的函数有关。因 此每一时刻计算的控制量等于一组事先选定的函数线性组合而成，这些函数称为基函 数。用这些基函数的已知过程响应，通过对目标函数进行优化计算得到各基函数的权 系数而求出相应的控制量。同时预测函数控制在工程应用方面显现出来的特点有：控 制量计算方程简单，实时控制计算量小，适用于快速系统的控制；可以处理不稳定、 时滞、带约束等系统【2 1 7 1 。该方法已经在许多领域得到成功应用。 同时，针对水汽热能全流程系统在变负荷时系统响应慢的情况，参考应用广泛的 电厂协调控制系统，总结目前协调控制系统的研究成果，包括模型的建立及各种控 制手段如自整定、模糊、神经网络、最优、预测、预见、鲁棒、容错、反馈线性化及 多变量频域等。 目前，在我国协调控制系统技术在机组控制方面相对成熟，已有不少单元机组的 负荷控制实现了a g c ，即在采用协调控制系统( c c s ) 实现单元机组负荷控制的基础 上，通过调度指令实现自动发电控制。在未设计协调系统前，对变负荷系统控制效果 并不十分理想，突出表现在负荷响应的滞后时间和负荷响应速率不能满足要求。而 锅炉侧因为存在很大的迟延，导致系统无法及时响应，因此借鉴机组协调控制成熟的 技术背景，本文设计了水汽热能全流程协调控制系统。 协调系统的设计充分考虑了非线性强耦合和纯迟延问题，因此同预测控制相结 合，能够提高协调控制系统负荷响应速度，同时在实用性上是一种优于最优控制的优 化控制方法【2 8 】。文章对生产负荷这种常见生产调度现象作了普遍研究，针对具体系统 提出控制方案，对生产调度的探索表明在现代工业中，生产调度的重要性以及在工厂 中应用这种技术对提高生产效率的积极意义，同时引入m e s 驯的概念，介绍了m e s 的现状以及在工业生产中的发展前景。 北京化工大学硕士学位论文 1 3 2 控制工具 由于对象大滞后、非线性以及系统响应速度慢的特点，要完成整体最优控制并非 易事。必须依靠计算机或以微处理器为单元的控制装置，并采用先进并且合适的控制 方案，才有可能实现较好的控制。 计算机或以微处理器为单元的控制装置成功地用于大滞后工业的控制已有几十 年历史，目前比较成熟和实用的主要有以下三类。 ( 1 ) 可编程调节器 ( 2 ) 可编程调节器和工控机组成复杂控制系统 ( 3 ) d c s 集散控制系统 新型d c s 集散控制系统具有高可靠性、可维护性和可使用性。它一般可支持用 户应用程序开发，可用于数据采集、连续过程控制和间歇过程控制，或者与其他生产 装置构成的联合控制系统。通过o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 服务器与d c s 通讯，在 w i n d o w s 平台上实现先进控制也是一种有着广泛应用前景的模式。s i m a t i cp c s 7 是 s i e m e n s 公司推出的全集成自动化控制系统，其推出的s 5 ，s 7 系列是一种新型过程控 制系统，它基于全集成自动化( t o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ，t i a ) 理念，进行统一的 数据管理、通信和组念功，能为过程工业和制造业的自动化解决方案提供了一种开放 平台。 p c s 7 采用了t i a 系列的标准硬件和软件，基本部件包括自动化系统、分布式i o 、 操作员站、工程师站和通讯网络。其中自动化系统又分为标准自动化系统、容错自动 化系统和故障安全自动化系统，由s 7 4 0 0 系列的p l c 组成，主要实现过程控制功能。 常用的分布式i o 设备有e t 2 0 0 m 、e t 2 0 0 s 、e t - 2 0 0 i s 和e t - 2 0 0 x ，用于数据采集 和信号输出。 p c s 7 系统由p r o f i b u sd p 总线和工业以太网两级网络组成。p r o f i b u sd p 总线适用 于自动化系统和分散i o 之间的通信，是系统的底层控制网络。工业以太网连接分散 过程控制装置和集中操作管理装置，构成系统的上层网络。 p c s 7b o x 是s i m a t i cp c s 7 家族中“羽毛最为丰满”的一款，它充分利用了 s i m a t i cp c s 7 的所有标准组件，它的优点主要体现在以下几方面【3 0 3 1 】： ( 1 ) 控制系统的所有组件都集成一台工控机中：自动化系统( a s ) ，操作员站( o s ) 和 工程师站( e s ) ； ( 2 ) 用于过程控制系统或独立的小型系统的理想产品； ( 3 ) 集成 a s o s e s 用于小型装置( 整装机组) ，现场运行； ( 4 ) 使用s i m a t i cp c s7 过程控制系统的标准工程与组态工具； ( 5 ) 符合f d a 标准，可充分利用全部的s i m a t i cp c s7 系统功能； ( 6 ) 在s i m a t i cp c s7 中无缝集成； 第一章绪论 ( 7 ) 紧凑设计，结构“娇小； ( 8 ) 无需在每个组件( a s 、o s 、e s ) 之间进行布线； 1 4 本课题的主要内容 锅炉系统由于其自身的特点，使得对它的控制一直是工业控制中的研究重点。具 体表现在以下几个方面： ( 1 ) 是包含多变量、多耦合、非线性、大滞后特性的复杂对象； ( 2 ) 难以建立其机理模型； ( 3 ) 研究虽多，未产生最佳的解决方法； ( 4 ) 工程应用远远落后于理论研究。 本文在充分分析和研究了水汽热能全流程特点的基础上，完成了对其生产全过程 的自动化控制系统的设计，包括基础控制、顺序控制( 开停车控制) 、协调控制四个单 元，并对主蒸汽压力的控制提出应用改进的预测函数控制。最后使用西门子的p c s 7 系统建立了控制系统，运行结果显示可以较好地满足工艺指标和经济指标。 下面简单介绍一下本论文的大体结构。 第一章：简要地介绍了锅炉、蒸发器的工业应用发展现状。指出锅炉及其协调系 统的应用广泛，提高对其生产的自动控制水平有很重大的经济意义，由于全实物实验 是并不具备条件，所以采用化工过程半实物仿真系统作为控制对象。介绍了大滞后工 业及协调控制的发展现状，介绍了目前研究的热点领域，并简要介绍了本文所采用的 控制系统西门子的p c s 7 系统。最后，概述本论文的主要内容。 第二章：由于锅炉主蒸汽压力大滞后特性是研究的难点和重点，提出用改进的预 测函数控制作为主控制器。阐述了其基本的控制原理，并针对预测模型提出改进点， 详细推导了新型预测函数控制的算法，并通过m a t l a b 仿真研究验证了j 下确性。最后通 过p c s 7 的s c l 语言将该算法编译成通用的预测函数控制器。 第三章：针对锅炉同蒸发器之间的协调问题，参考电厂机组协调系统，建立变量 之间模型，利用s c l 语言，在p c s 7 中设计协调控制器，保证了系统能快速响应负荷 变化，提高了系统的经济性。 第四章：在对被控对象特性详细分析的基础上，明确了控制任务，遵循可行性、 合理性，阐述了控制系统总体的设计方案。整个方案包括基础控制、开停车控制、协 调控制三部分；使用西门子p c s 7 系统建立了控制系统，实现了设计方案。给出了控 制系统的总体结构，进行了硬件组态和软件编制，使用s f c 语言实现了顺序控制，使 用s c l 和c f c 语言编写了先进控制器；并用软件w i n c c 进行了操作员站的组态，实 现了对整个流程的监控。 在完成整体设计后，详细介绍了的p c s 7 的工程建立过程以及运行过程。通过加 北京化工大学硕上学位论文 扰动、改变负荷等方式，验证了预测函数控制以及协调系统整体方案设计的正确性和 实效性。 第五章是总结和展望，对本论文的研究成果进行简要的总结，并提出今后努力的 方向。 第二章预测函数控制研究与设计 第二章预测函数控制研究与设计 预测函数控制( p f c ) 是r i c h a l e t 和k u n t z e 等人在8 0 年代提出的一类新型模型 预测控制算、法【3 2 1 。p f c 通常采用一阶的预测模型，在实际的工业过程中，对象经常存 在纯滞后现象，同无滞后的过程相比，存在滞后使系统响应性能变差，预测控制的鲁 棒性能变低；传统的预测函数控制将高阶系统近似为一阶加纯滞后的环节【3 3 1 ，改善了 系统的响应特性。 在实际应用过程中，如果一阶预测模型与实际被控对象模型匹配时，预测函数控 制可以达到很好的控制效果。但是大多数工业对象都具备高阶特性，一阶预测模型不 能完全表征被控对象，因此文献提出用二阶特征模型作为预测模型【蚓。本文通过二阶 辨识算法进行模型辨识，得到较高精度的二阶加滞后模型作为预测模型，利用斐波那 契数列求解控制器输出，改善了预测函数控制的效果。 同时，本文采用第三代预测控制，预测函数控制具备运算量小，速度快的特点， 易在工业d c s 上实现，它不同于以往的预测控制，对控制器的输出形式的要求高于 其他方式，因此对于设定值的跟踪比较平滑f 3 邓6 j 。 2 1 预测函数控制基本原理 2 1 1 预测函数控制内容 预测函数仍属于模型预测控制的范畴，具备m p c 的三个特征，即： 1 ) 内部模型，p f c 采用变量模型来预测过程的未来输出值； 2 ) 参考轨迹，p f c 用指数律表征闭环系统期望的未来行为； 3 ) 误差修正，p f c 采用时域或频域外推方法来修j 下模型误差。 但是较之以往的预测控制方法，p f c 对控制器的输出形式要求较高，因此对于设 定值的跟踪比较平滑【3 7 。3 9 1 。预测函数控制的结构如图2 1 所示。 l 基函数集i l j d “j 阿) 图2 1 预测函数控制结构图 f i g 2 1p r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o lc h a r t 北京化工大学硕上学位论文 2 1 2 预测模型 p f c 贝u 把控制输入的结构视为确保控制系统性能的关键。在p f c 中，新加入的控 制作用可表示为若干已知基函数 f ，撑= 1 ，彻的线性组合： “( k + i ) - - x j u 。( f ) ，i = 0 ，p 一1 式嘶( 行= l 朋基函数；1 1 线性组合系数；石何基函数在t - - - i t 时6 i c j 值； p - _ 预测优化时域长度。 基函数的选择取决于设定值的性质，通常采用多项式基函数的形式，当设定值在 被控区间罩其变化率小于或等于某一阈值0 时，控制输入可以取一个基函数，即采用 阶跃响应函数，当设定值在被控区间里其变化率大于某一阈值0 时，控制输入可以取 两个基函数，即采用阶跃响应函数和斜坡响应函数【4 0 4 。 预测模型，通常指对象的脉冲响应或阶跃响应。利用这一模型，可由系统的输入 量直接预测其输出。以单输入单输出系统为例，模型预测值由模型自由输出和模型函 数输出两部分组成： 1 ) 模型自由输出 ( k ) = 互( 算( j ) ) f = 1 ，p 式中：x 例k 时刻一直的信息，包括过去时刻的控制量和输出量以及对未来控制输入 的已知假设； f 2 一对象预测模型的数学表达式； “自由”是指k 时刻的输出预测是在未考虑该时刻新加入的控制作用前做出的。 2 ) 模型函数输出 w ( 垆昂( 吼f = 卜，尸 # = l 它表示在后时刻起加入控制作用球依+ 砂后新增加的模型响应。这是p f c 与一般预 测控制算法的不同之处。新加入的控制输入不是在时间上各自独立的量，而是基函数 的线性组合。因此，其引起的输出变化是不同基函数的叠加，而非不同时间点控制效 应的叠加。式中劭已知，所未知的只是线性组合系数芦丹。 上述预测模型是针对渐近稳定对象的。对于非自衡的被控对象，可通过常规控制 方法，例j t h p i d 调节器，首先使其稳定，然后再建立广义对象的预测模型。 2 1 3 误差预测及补偿控制 对象与模型输出之间的误差被送至预测器，对未来优化时域中的误差进行预测， 并作为前馈量引入参考轨迹中加以补偿。误差预测的方法有多种( 4 2 1 。这里取未来预测 误差e 伍+ 砂为： 第二二章预测函数控制研究与设计 e t k + i ) = y ( k ) - y m ( k ) 其中，助内岳时刻的模型输出。 在此基础上，可得到误差补偿后的预测输出： 昨( j | + f ) = ( 七+ f ) + ，( f ) + e ( 七+ f ) ，f = l ，p 2 1 4 优化计算 假设未来的参考轨勘传+ 砂为： 一( j i + f ) = 墨( j ，( | i ) ，c ( | i + f ) ) ，f = l ，p 其中， cf ，j | + 卜未来k + f 时刻的设定值。 一种常见的参考轨迹形式是： 一生 ”忙+ f ) = y ( | i ) + ( 卜) c ( 七+ f ) ，p = e 优化的目标就是要寻找一组系数芦i ，跚，使整个