（模式识别与智能系统专业论文）水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发.pdf

d e s i g no fo p t i m i z a t i o nc o n t r o l s o f t w a r ef o rl o w t e m p e r a t u r e w a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o no f c e m e n tf a c t o r y z h a o y a n y a n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f m e n gq i n g j i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 8 舢9帅5m 38 洲8 iiiii y 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， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作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责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：戳导师签名：堆 1 期：趁z 丛上 济南大学硕上学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 水泥余热发电系统的研究现状2 1 2 1 国内外水泥余热发电系统的研究现状2 1 2 2 锅炉汽包水位建模研究现状3 1 2 3 锅炉汽包水位控制研究现状4 1 3 本文的研究内容和方法6 1 4 本章小结7 第二章水泥纯低温余热发电机理研究9 2 1 水泥纯低温余热发电相关介绍9 2 1 1 水泥余热发电的发展及其特点9 2 1 - 2 纯低温余热发电的设备和工艺1 0 2 2 纯低温余热发电系统的机理研究1 2 2 2 1 双压纯低温余热发电系统1 2 2 2 2 水泥纯低温余热发电系统工况介绍1 3 2 2 3 优化控制蘑点及其控制策略分析1 4 2 3 本章小结1 5 第三章余热锅炉汽包水位模型的建立1 7 3 1 余热锅炉汽包水位特性分析1 7 3 2 系统辨识及其方法1 8 3 2 1 系统辨识概述1 8 3 2 2 系统辨识方法1 9 3 2 3 最小二乘辨识原理2 0 3 3 余热锅炉汽包水位的最小二乘辨识2 2 3 3 1 递推最小_ ：乘辨识算法2 3 i 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 3 3 2 余热锅炉汽包水位的最小二乘辨识2 3 3 4 本章小结2 8 第四章余热锅炉汽包水位的广义预测控制3 l 4 1 广义预测控制的理论基础3 l 4 1 1 预测控制的基本原理3 1 4 1 2 参数自适应控制的基本原理3 2 4 2 隐式广义预测控制3 4 4 2 1 广义预测控制的基本形式3 4 4 2 2 直接辨识控制器参数的隐式广义预测控制3 8 4 3 实施广义预测控制的关键问题4 0 4 3 1 矩阵求逆的在线实现4 0 4 3 2 算法有关参数的选取4 1 4 4 广义预测控制的控制效果及其分析4 2 4 5 本章小结4 4 第五章余热发电优化控制软件的设计与实现4 5 5 1 水泥纯低温余热发电优化控制软件整体实施方案4 5 5 2 余热发电的d c s 系统4 6 5 3 优化控制软件两种接口技术的实现4 8 5 3 1o p c 技术的实现4 8 5 3 2 数据库访问5 2 5 4 余热发电优化控制软件的实现5 5 5 4 1 软件的开发环境5 5 5 4 2 软件功能及整体介绍5 6 5 4 3 模型辨识环节的实现5 7 5 4 4 广义预测控制环节的实现6 0 5 5 本章小结6 2 第六章总结与展望6 3 参考文献6 5 i i 济南大学硕卜学位论文 致谢6 9 附录7 l 一、在校期间发表的学术论文7 1 二、在校期间参加的项目7 l 三、在校期间获奖情况7 1 水泥纯低温余热发电优化拧制软件的研发 i v 济南大学硕上学壁论文 摘要 水泥行业的纯低温余热发电项目是利用水泥生产过程中的排放的废热烟气 进行发电，具有提高能源综合利用率，降低水泥生产成本，保护环境的重要意义。 余热锅炉作为纯低温余热发电系统中的重要组成部分，研究有效的控制方案至关 重要。余热锅炉是多变量，时延大，非线性的控制对象，也不同一般带燃烧系统 锅炉的控制，传统的控制方式往往效果不佳。目前国内大多数水泥余热电站对余 热锅炉的控制仍然通过现场操作员的经验来进行人工控制。如何改变这一现状， 提高余热电站的自动化水平，完成优化控制是一个迫切应解决的问题。随着各种 先进控制理论的日趋成熟，为这一问题的解决提供了新的思路。 广义预测控制作为一种新颖的控制方法，在其算法不断改进和理论不断完善 的同时，在冶金、化工、建材等多个领域也取得了成功的应用。广义预测控制作 为一种重要的自适应控制算法，在具有在线辨识、输出预测和最小输出方差控制 的基础上，汲取了滚动优化策略，还具有自适应和预测控制的性能。据此，本文 提出了一种将广义预测控制算法应用到水泥余热发电余热锅炉汽包水位控制中 的方法。 本文研究课题来源于山东省信息产业厅的课题水泥低温余热发电控制 软件开发，结合某水泥厂余热发电的实际情况，针对水泥厂余热发电余热锅炉汽 包水位的控制做了深入的研究。以某水泥余热电站的余热锅炉为研究对象，首先 分析了余热锅炉汽包水位动态特性和具体工况，通过采集现场数据，并将数据预 处理，通过递推最小二乘的方法建立了汽包水位的数学模型。并以该模型作为广 义预测控制算法的预测模型，采用直接辨识控制器参数的隐式广义预测控制算法 实施对被控对象的控制。该算法既保留了广义预测控制基本特征和优点，即引入 不相等的预测长度和控制长度，具有多步输出预测、滚动优化、反馈校正等特征， 而且该算法还具有计算量小、易于在实际工程中实现的优点。 水泥纯低温余热发电优化控制软件的开发采用v i s u a lb a s i c 程序设计语言实 现，结合a b b 公司的f r e e l a n c e 8 0 0 fd c s 系统，将广义预测控制算法引入控制 刚路对余热锅炉汽包水位进行优化控制，并将其编写入优化控制软件中，通过 v 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 o p c 客户端实现与d c s 系统的数据交换，以实现优化控制。从整体上说，水泥 纯低温余热发电优化控制软件由系统登陆界面、数据库访问、o p c 客户端、模 型辨识以及广义预测控制等有机联系的环节所组成。为了方便用户的使用和操 作，该软件将每个环节都以友好的人机交互界面显示，并针对用户可能出现的误 操作给现场造成重大损失，还在相关环节设置了提示以避免不当操作。该优化控 制软件的投入使用将大幅度降低余热电站操作员工作强度，在保证系统运行的稳 定性、提高水泥余热电站自动化水平以及企业的综合效益方面具有重要的实际意 义。 关键词：余热发电；广义预测控制；汽包水位；优化控制软件；v i s u a lb a s i c 程序设计 v l 济南大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ew a s t eh e a tg a sf r o mt h ep r o c e s so fc e m e n tp r o d u c t i o na r eu s e dt og e n e r a t e e l e c t r i c i t y i nt h ep r o j e c to fl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o no ft h e c e m e n tf a c t o r y , w h i c hh a sp r o f o u n ds i g n i f i c a n c et or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s to f c e m e n t ，i m p r o v eo v e r a l le n e r g ye f f i c i e n c y , a n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t w a s t eh e a t b o i l e r , a sa ni m p o r t a n tp a r to fl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，i s ac o m p l e xc o n t r o lo b j e c tw h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i t ya n dl a r g e t i m e d e l a y i na d d i t i o n ，i ti sd i f f e r e n tf r o mc o m b u s t i o n b o i l e r s oi ti sd i f f i c u l tt og a i n g o o dp e r f o r m a n c ew i t ht h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s t h e r e f o r ei ti sv i t a lt of m da n e f f e c t i v ec o n t r o lm e t h o du s e dt oc o n t r o lw a s t eh e a tb o i l e r c u r r e n t l y , m o s tw a s t eh e a t s t a t i o n so fc e m e n ti n d u s t r yi no u rc o u n t r ys t i l la d o p tam a n u a lc o n t r o lm e t h o dt o c o n t r o lw a s t eh e a tb o i l e rb a s e do nt h ef i e l do p e r a t o re x p e r i e n c e h o wt oc h a n g et h e s i t u a t i o na tp r e s e n t ，i m p r o v et h ea u t o m a t i cl e v e lo f l o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ma n dr e a l i z eo p t i m i z a t i o nc o n t r o l ，i sr e a l l yap r o b l e mt h a tc a l l sf o r u r g e n ts o l u t i o n w i t hf a s td e v e l o p m e n to f a d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n dm a t u r a t i o no f v a r i o u sc o n t r o lm e t h o d s ，n e wi d e a sa l ep r o v i d e dt os o l v et h ep r o b l e mm e n t i o n e d a b o v e g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，a san o v e lc o n t r o lm e t h o d ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e dt om a n yf i e l d ss u c ha sm e t a l l u r g i c a l ，c h e m i c a l ，b u i l d i n gm a t e r i a l s a sa k i n d o fi m p o r t a n ta d a p t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o ln o to n l yh a s b a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fo n l i n ei d e n t i f i c a t i o n ，m i n i m u mo u t p u tv a r i a n c ec o n t r o la n d o u t p u tf o r e c a s t ，b u ta l s oh a sad i f f e r e n ts t r a t e g yo fr o l l i n go p t i m i z a t i o nw i t ht i m e a t t h es a m et i m e ，i t st h e o r ya n da l g o r i t h ma r ec o n s t a n t l yi m p r o v i n g t h e r e f o r e ，am e t h o d t h a ta p p l i e sg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mt ot h ec o n t r o lo fd r u ml e v e lo f w a s t eh e a tb o i l e ri nl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r v i i 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yi n f o r m a t i o ni n d u s t r yd e v e l o p m e n t s p e c i a lf u n d sp r o j e c t so fs h a n d o n gp r o v i n c e ，n a m e d ”d e s i g no fc o n t r o ls o f t w a r ef o r l o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o no fc e m e n tf a c t o r y ”a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o no fs o m ec e m e n tf a c t o r y , t h ew o r ko ft h i sp a p e ri st os t u d yt h ec o n t r o l o fd r u ml e v e lo fw a s t eh e a tb o i l e ri nw h o l es y s t e m t a k i n gw a s t eh e a tb o i l e ro fs o m e c e m e n tf a c t o r ya sr e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h eo v e r a l lc o n d i t i o no f l o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f d r u ml e v e lo fw a s t eh e a tb o i l e r , a n dt h e ne s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd r u m l e v e lo fw a s t eh e a tb o i l e ru s i n gt h er e c u r s i v el e a s ts q u a r e sm e t h o dt h r o u g hf i e l dd a t a c o l l e c t i o na n dd a t ap r e t r e a t m e n ti nt u r n f i n a l l y , t a k i n gt h ee s t a b l i s h e dm o d e la sf o r e s t m o d e lo fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ec o n t r o lt o t h ec o n t r o l l e do b j e c tu s i n ga ne a s yr e a l i z a b l eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m o fd i r e c ti d e n t i f y i n gc o n t r o l l e rp a r a m e t e r s t h i sa l g o r i t h mn o t o n l yr e t a i n sb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，s u c ha sm a n ys t e p so u t p u t f o r e c a s t ，r o l l i n go p t i m i z a t i o n ，f e e d b a c kc o r r e c t i o n ，b u ta l s oh a sa d v a n t a g e so fs m a l l c o m p u t a t i o na n de a s yr e a l i z a t i o ni nt h ea c t u a lp r o j e c t t h ew h o l eo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r ef o rl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e r g e n e r a t i o no f c e m e n tf a c t o r yi sr e a l i z e db yu s i n gv bp r o g r a m m i n gl a n g u a g e s t h e o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r ei m p l e m e n t sd a t ae x c h a n g ew i t l la b bf r e e l a n c e 8 0 0 f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h r o u g hp r o g r a m m i n go p cc l i e n t ，a n dp a y sm u c h a t t e n t i o nt or e a l i z et h ec o n t r o lt ot h ed r u ml e v e lo fw a s t eh e a tb o i l e ri nw h o l es o f t w a r e t h r o u g hp r o g r a m m i n gg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mo fd i r e c ti d e n t i f y i n g c o n t r o l l e rp a r a m e t e r s a saw h o l e ，t h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r ei sc o n s i s t e do f s e v e r a lp a r t sw h i c ha r ec o n n e c t e de a c ho t h e r t h e s ep a r t sa r el o g i ni n t e r f a c e ，d a t a b a s e a c c e s s ，o p cc l i e n t ，m o d e li d e n t i f i c a t i o na n dg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 i no r d e r t ou s ea n do p e r a t ec o n v e n i e n t l yf o ru s e r s ，t h i so p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r ed e v e l o p s f r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sf o re v e r yp a r tm e n t i o n e da b o v e ，a n ds e t st i p sf o r 济南大学硕七学伊论文 c o r r e s p o n d i n gp a r t st oa v o i di m p r o p e ro p e r a t i o nt h a tw i l lc a u s eh e a v yl o s s t h eu s a g e o ft h i so p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r ec a ng r e a t l yr e d u c ew o r k i n gi n t e n s i t yo fo p e r a t o r s i nt h ew a s t eh e a tp o w e rs t a t i o n ，a n dh a sa c t u a ls i g n i f i c a n c ei ng u a r a n t e e i n gt h e s t a b i l i t yo fw h o l es y s t e m ，i m p r o v i n gt h e a u t o m a t i cl e v e lo fw a s t eh e a tp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ma n dp e r f o r m a n c eo f w h o l ec e m e me n t e r p r i s e k e yw o r d s ：w a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o n ；g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ；d r u m l e v e l ；o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r e ；v i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n g i x 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 x 济南大学硕卜学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 随着社会经济的不断发展，资源约束和环境污染的矛盾日益凸显。节约能源 成为经济社会可持续发展的重要保证，是我国经济社会的藿大战略方针【1 1 。为了 保护环境，国际社会方面也对温室气体减排提出了更高的要求。 余热是工业生产中潜力分布面最广大的一种能源。利用余热可节约大量燃料 节省运输、减少大气污染、改善劳动条件、增加副产品、降低成本等 2 1 。随着生 产的发展和燃料消耗量相应的增加，工业余热能源的数量必然要大大地增加。即 以2 0 0 0 多万吨标准煤热量的余热能源为例，如果全部以蒸汽的形式回收利用， 就相当于每年2 亿吨余热蒸汽。这蝗蒸汽假使以热效率平均为7 0 的锅炉生产的 话，就要消耗2 9 0 0 万吨标准煤，折原煤3 6 0 0 万吨。 随着国内新氆干法水泥生产线的建设规模的扩大，水泥工业节能技术水平有 了很大的进步，但是受水泥煅烧技术和国内节能技术水平的限制，水泥生产过程 中仍然有约占熟料烧成热耗3 5 左右的温度为3 5 0 以下的中、低温废气余热不 能被充分利用，不仅造成能源浪费，排入大气也产生严重污染。对于水泥生产企 业，如果将这些中、低温废气余热转换为电能并回用于水泥生产，可以大幅减少 向发电厂的购电量，还可避免水泥窑废气余热直接排入大气造成的热污染，可减 少粉尘和二氧化碳等燃烧废物的排放而有利于保护环境。 新型干法水泥窑纯低温余热发电【3 】正是一项将水泥窑中低温废气余热转化 为电能的符能技术，可有效提高水泥生产过程中的能源利用效率，降低能源消耗， 减轻环境热污染【4 】o 截至2 0 1 0 年底，我国新型f 法生产线已经达到1 0 8 0 条左右， 除已建和在建外，还有约4 0 的生产线可以配置余热发电装置。如果以上新型干 法熟料线全部配套余热发电，每年可实现节电2 7 0 亿千瓦时，相当于节约煤炭消 耗1 0 0 0 万吨，共减排二氧化碳约2 3 6 0 万吨。 纯低温余热发电是符合国家关于节约资源、保护环境及可持续发展的方针政 策的，可以实现资源综合利用、节约能源、发展循环经济的目的，有利于企业清 洁生产，降低成本，保护环境，实现社会经济的叮持续发展。不论从外部环境还 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 是内在需求，对中低温余热发电技术的进一步研究已成为摆在国内专家学者的紧 迫课题，本课题的研究正是在这样的背景及意义下应运而生。 1 2 水泥余热发电系统的研究现状 1 2 1 国内外水泥余热发电系统的研究现状 随着预分解水泥生产和水泥烧成技术的发展，水泥窑排出的废气温度从干法 中空窑的8 0 0 - 9 0 0 ，下降至预分解窑的3 1 0 - - 4 3 0 。然而窑头空气冷却机( 简 称a q c ) 和窑尾预热器( 简称s p ) 排放的这部分中低温废气所带走的热星仍占 烧成热耗的3 5 - - 一4 0 。水泥纯低温余热发电就是在降低能源消耗与保护环境的 背景下产生的，是利用分别设置于a q c 和s p 之后的a q c 余热锅炉和s p 余热锅炉 来产生低压过热蒸汽供汽轮机组发电，水泥纯低温余热发电系统正是完全利用水 泥生产中的中低温废气，以此作为热源，而无需外加别的热源的发电系统【5 】。 国外纯低温余热发电技术从六十年代末期开始研制，到七十年代中期，无论 是热力系统还是装备系统已经町以投入实际使用。在发达国家此项技术的应用到 2 0 世纪8 0 年代初期达到了高潮，特别是能源短缺地区，纯低温余热发电已被广 泛应用。例如在日本，此项技术较为成熟，不但在自己国家的二十几条预分解窑 水泥生产线上应用得相当广泛，并且出口到别的一些地区和国家。美国水泥协会 也在1 9 9 5 年就提出，在降低水泥综合电耗的同时提高余热利用率，争取到2 0 1 5 年新趔干法水泥厂的余热发电量要基本七满足自身用电的要求【6 】。 我国的纯低温余热发电的研制起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代，直到1 9 9 8 年，由日本政府提供的一套先进而成熟町靠的低温余热发电成套设备才在海螺集 团宁国水泥厂投产发电。经过最近十几年的发展和一些实际工程投产运行，纯低 温余热发电技术无论是热力循环系统还是余热发电重要设备也已发展成熟叮靠， 但与国际先进水平还有一些差距，例如在汽轮机本体效率就比国外的稍低一些。 总体来说已经町以为国内众多水泥厂提供适合不同水泥厂自身情况的纯低温余 热发电技术和装备伊7 1 。 另外随着集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 的广泛应 用和先进控制理论的不断发展完善，国外已经将这止电先进控制理论应用f 水泥纯 低温余热发电系统，通过开发功能强大的优化控制软件包，并将这些软件包和 2 济南大学硕卜字位论文 d c s 结合使新型干法水泥企业低温余热发电实现操作自动化的基础上，实现操 作的优化。对于国内纯低温余热发电控制系统方面，虽然已经投入使用d c s 系 统，但基本只是使用其监视的功能，自动化水平低，特别是对于作为余热发电系 统中的重要组成部分一余热锅炉的控制，仍然采取人工控制这种相对落后的控 制方式。前面已经提到由于我国水泥余热发电与国际先进水平相对落后，这表现 在设备水平、工艺测点等方面。因此，国外开发的优化控制软件很难适用于国内 的水泥余热发电系统i 。 国内纯低温余热发电系统的现状给相关研究人员以艰巨的任务，如何提高整 个余热发电系统的整体性能成了研究工作中的当务之急。特别是对于已经建好的 水泥余热电站来说，水泥余热发电系统采用的主要设备及整体结构已经确定，也 就是说其系统的基本工艺以及设备等硬件条件基本不能做出较大的调整。所以要 想提高整个余热发电系统的整体性能( 包括保证系统运行的稳定性、增加设备的 使用寿命以及保障发电量达到设备的设定值等) ，就必须从对设备的控制策略入 手来进行优化。因此在现有的余热发电基础上，实现这种优化控制策略并将其运 用到实际的余热发电系统中具有重要的现实意义。 1 2 2 锅炉汽包水位建模研究现状 余热锅炉作为水泥余热电站重要控制对象，是水泥余热发电系统优化的关键 点，因此研究余热锅炉汽包水位的控制具有很大的现实意义。而建立合理的锅炉 汽包水位模型又是为确定控制策略对锅炉汽包水位进行优化控制的基础。国内外 不少研究人员就不同锅炉汽包水位建模做了大量有意义的研究工作，归纳起来主 要有以下的一些建模方法。 ( 1 ) 理论分析方法 理论分析方法是根据一些基本的科学定律，从锅炉内部工作过程的机理出 发，为锅炉汽包水位建立的数学模璎。文献 8 1 q 了，在质量、动量平衡的基础上， 建立了锅炉汽包水位的数学模型，得到了一些对汽包水位如何控制的有霞要意义 的结论和规律。文献 9 】中和文献 1 0 l 都提出了建立了锅炉汽包水位的数学模型的 方法，并建立了模型。一般来说，采用理论解析方法建立起来的模犁的精度一般 不很高，这是由于建模时的假设条件及简化建模方法等因素的影响，但它的定性 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 结论却比较合理，可以用来分析系统结构对运行特性的影响。 ( 2 ) 经验归纳方法 经验归纳方法是不考虑锅炉的工作机理，而是根据实测数据的定量关系来建 立锅炉汽包水位的数学模型。例如加入单位阶跃信号或者加入特殊模式的输入信 号，从而建立起系统的数学模型。文献 1 l 】中和文献 1 2 】中通过进行了阶跃扰动 响应的仿真实验，建立起锅炉汽包水位的数学模型，取得了良好的效果。采用经 验归纳方法是一种黑箱建模，只反映系统输入和输出之间的关系特性，对系统内 部联系及信息不能充分反映。这种方法建立的数学模型的精度主要取决于取得原 始数据的广泛程度和进行数据处理的方法和手段。 ( 3 ) 理论分析方法和经验归纳方法结合的方法 采用理论解析与经验归纳相结合的方法来建立锅炉汽包水位的数学模型。文 献 1 3 1 中就是采用这种方法进行建模的，提高锅炉汽包水位模型的精度，同时又 使模型具有一定的适用范围。采用理论解析与经验归纳相结合的方法建立起的模 型的总体结构仍具有较明确的物理意义，从而保留了理论解析方法建立的模型的 基本优点。 总结以上对锅炉汽包水位建模的方法，要想使建立的模型能用到实际中需要 必须采用实验建模的方法。而上述提到的采用加入单位阶跃信号或者加入特殊模 式的输入信号的实验建模方法，对一个已经正常运行的系统来说是不允许的，因 此本文根据水泥余热电站实际，根据系统正常运行时的输入输出数据来进行对余 热锅炉汽包水位的建模，即采用系统辨识方法进行建模。 1 2 3 锅炉汽包水位控制研究现状 锅炉汽包水位本身具有多变量、大滞后、耦合性大等非线性的特点，属于工 业控制中较难控制系统之一。国内外的很多专家学者对其进行了研究，并针对不 同结构锅炉汽包水位提出了相应的锅炉汽包水位的自动控制方案，包括经典控制 策略和各种先进控制策略，总结如下： ( 1 ) 经典控制策略 经典的锅炉汽包水位控制策略是三冲量控制，是以汽包水位为主控制信号， 蒸汽流黾为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。该控制策 4 济陌大掌修士掌p 论文 实质是前馈加反馈的控制方法，也就是常规的p i d 串级控制。文献 1 4 1 就是采用 这种经典的控制策略来控制锅炉汽包水位的。但是采用多个p i d 回路进行控制的 有一个缺点，当其中某个p i d 修改自身的控制量以后，会同时对别的几个回路造 成干扰，究其原因在于对于用于不同的锅炉水位的非线性和强耦合，因此单纯采 用传统控制方法很难达到理想的控制效果。 ( 2 ) 模糊控制方法 模糊控制可以不要求知道对象精确的数学模型，但要对受控对象的特性有充 分了解，是以专家的经验知识或现场操作人员的归纳和总结经验而建立知识模型 进行控制的，具有较强的稳定性和鲁棒性。文献【1 5 】和文献 1 6 1 中采用模糊控制 和传统p i d 控制相结合的方式研究了对锅炉汽包水位的控制。而文献 1 7 1 中提到 了一种优化因子模糊控制方法，通过适时地调整量化因子来调节误差的控制权 重，从而能够获得更好的控制效果。 ( 3 ) 神经网络控制和遗传算法 神经网络具有学习功能，它能够适应环境的变化，自动修改网络参数，因此为 解决复杂过程的自动控制提供了一条有效的途径文献 1 8 】中提出了一种燃煤锅 炉水位神经元网络优化控制方法。遗传算法是模拟自然界遗传机制和生物进化论 而成的一种并行随机搜索最优化方法。具有搜索效率高，不存在局部收敛问题。 文献【1 9 l 中采用遗传算法来寻找到最优的p i d 参数，从而获得对锅炉汽包水位更 好的控制。 ( 4 ) 专家控制方法 专家控制系统需要在线运行，具有实时性的要求，并且它不仅是独立的决策 者，还口j 以获得反馈信息实施在线控制。文献【2 0 】中通过确定的专家来实现对汽 包水位的控制。其实质足基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式 利用这蝗知识来设计控制器，利用专家的经验来设计p i d 参数便构成专家。 ( 5 ) 预测控制方法 预测控制足一种优化控制算法，它通过某一性能指标的最优来确定系统未来 的控制作用。利用滚动时段优化，并建立在实际反馈信息基础上的反复优化，能 不断考虑到不确定性的影响，具有很强的鲁棒性。文献 2 1 1 q 将预测函数控制应 用到锅炉汽包水位控制系统，将蒸汽流量信号引入至i j p f c 的预测模型中，用具有 水泥缝低温余热发电优化控制软件的研发 对负荷变化前馈补偿的汽包水位系统预测函数控制策略，具有良好的动态调节品 质。 ( 6 ) 复合控制方法 复合控制方法是将各种先进控制方法结合，从而获得更加的控制效果。文献 2 2 冲采用模糊神经网络控制结合的方式设计控制器对汽包水位进行控制。这种 方式结合了模糊控制与神经网络控制的优点，这种控制器不仅可以在线调整p i d 参数，而且可以通过自学习能力找到一组最优的控制器参数。文献 2 3 1 中采用模 糊和预测控制结合的方式，采用模糊去建立了预测控制中的预测模型，用基于模 糊模型的预测控制方案对汽包水位进行控制，并验证了该方案的有效性。 总结上述对不同锅炉汽包水位控制的众多方法，得出应该根据系统的实际情 况来制定一个有效的对锅炉汽包水位进行控制的方案。针对本文的水泥余热锅炉 的控制，并不同于一般带燃烧锅炉的控制，因此研究合理的控制策略对水泥余热 锅炉汽包水位进行控制具有重要的实际应用意义。 1 3 本文的研究内容和方法 本文来源于山东省信息产业厅的课题水泥低温余热发电控制软件开发。 试验现场为某水泥余热电站。该水泥余热电站d c s 系统投产于2 0 0 8 年，其热力系 统是双压补汽式纯低温余热发电热力循环系统。对于这种余热发电系统的控制难 点就在于如何应对窑头废气的温度变化较大这种剧烈变化的运行工况。对于该水 泥余热电站来说，也存在这种剧烈的运行工况，因此对余热锅炉汽包水位的控制 仍然是通过现场操作员的经验来进行人工控制。 因此，本文针对余热电站的实际情况，以余热锅炉为研究对象，在充分分析 余热发电工艺流程和余热锅炉汽包水位特性和机理的基础上，通过采集现场数 据，并对数据进行预处理，通过实验建模方法中的最小二乘的方法建立了汽包水 位的数学模型。并以该模型作为广义预测控制算法的预测模型，采用直接辨识控 制器参数的隐式广义预测控制算法实施对被控对象的控制。该算法既保留了广义 预测控制基本特征和优点，即引入不相等的预测长度和控制长度，具有多步输出 预测、滚动优化、反馈校正等特征，而且该算法还具有计算量小、易于在实际工 程中实现的优点。为了将该隐式广义预测控制算法能在实际的余热工程中实现， 6 济南大学硕 学位论文 本文完成了水泥纯低温余热发电优化控制软件的编写。该优化控制软件采用v b 语言进行编程，通过o p c 客户端实现与d c s 系统之间的数据通信，然后由d c s 系 统将控制量的下达到现场，从而实现优化控制的目的。 1 4 本章小结 本章首先说明了水泥余热发电的背景和意义，在分析了国内外水泥余热发电 系统的研究现状的基础上，着重分析了锅炉汽包水位建模和控制的研究现状，指 出了研究水泥余热锅炉汽包水位控制策略的必要性。并结合某水泥余热电站的实 际情况，给出了课题研究的内容和方法。 7 水泥纯低温余热发电优化控制软件的研发 8 济南大学硕l 学位论文 第二章水泥纯低温余热发电机理研究 水泥纯低温余热发电是随着水泥生产技术的多次变革而发展起来的，也是人 们针对水泥这