一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法技术

本发明专利技术公开一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法。针对实际工业生产中，锅炉负荷需求量容易发生大幅度变化，而传统三冲量控制作为线性控制器，无法保证在每一个操作点都具有较好的控制效果的问题，提出了基于负荷预知信息的动态优化策略，考虑模型失配对动态优化效果的影响，继而提出了参数估计与动态优化集成的方法，利用负荷变化信息，允许操作量在负荷变化之前发生变化，提前预留一个相反方向的液位，使得液位在正负方向上的波动更加平衡，不容易超过其安全范围，而且存在模型失配时，仍能得到实际对象的最优解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锅炉汽水系统汽包水位的优化控制领域，涉及一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法，用于大范围变负荷情况下汽包水位的有效控制。
技术介绍
锅炉是火电机组中最重要的组成部分之一，其运行状况将直接关系到整个火电机组的正常运行。汽包水位是锅炉汽水系统中的一个关键参数，它的正常与否将直接关系到锅炉能否安全运行，所以汽包水位的控制是整个锅炉系统中非常关键的一个环节。如果汽包水位超过安全上界，将会导致蒸汽中带着大量的水进入过热器或者是汽轮机，潜在地增大维修费用，甚至是大大降低锅炉的使用寿命，给企业和蒸汽用户造成不必要的损失；如果汽包水位低于安全下界，水冷壁管将会被过度加热，严重时可能会导致水冷壁的破裂和干锅现象，从而引起锅炉爆炸和汽包烧损。锅炉系统中汽水流程为：首先具有一定压力的水进入省煤器，吸收来自烟道里烟气释放的热量，变成具有一定温度的水，然后进入汽包，在汽包内保持一定的水位。汽包内的水再沿着下降管进入布置在锅炉炉膛四周的上升管，水吸收燃烧室内的燃料燃烧放出的热量，达到饱和并部分气化成蒸汽，形成汽水混合物。汽水混合物由于密度较小，所以会自然上升回到汽包，汽包将水和汽分离，分离出的蒸汽进入过热器，进一步加热使其温度升高，最后进入汽轮机做功，分离出的水则再次从下降管返回到上升管中吸热气化。在实际工业生产中，锅炉在运行过程中容易受到各种因素的干扰，很少或几乎不可能完全处于稳态运行，负荷需求量容易发生大幅度变化，而蒸发量要随时适应负荷设备的需求量。当负荷发生大幅度变化时，汽包液位下气泡的“收缩与膨胀”特性会引发严重的虚假液位现象，导致变送器的测量信号不能真实地反应汽包液位的实际变化，而且虚假液位的变化速度非常快，在这种情况下还要将汽包液位保持在安全范围内，就对控制系统提出了很高的要求。而且锅炉朝着蒸发量增大，汽包容积相对减小的方向发展，这使得汽包水位对于负荷的变化更加敏感，它将具有更大的变化幅度和更快的变化速度。本专利技术是对大范围变负荷情况下汽包水位的控制问题进行研究。由于锅炉汽水系统具有复杂非线性特性，而且虚假液位幅度与负荷变化量成正比，这使得在负荷大范围变化情况下，大工业现场中广泛使用的三冲量控制无法保证在每一个操作点处都具有良好的控制效果，特别是负荷变化幅度较大的情况下。而且三冲量控制系统是根据系统输出与设定值的偏差情况确定调节行为，是一种被动调节方式，它无法避免调节滞后等缺陷。三冲量控制系统虽然引入了蒸汽流量信号构成前馈回路，但是它也只能在蒸汽流量发生变化时开始动作，不能在负荷变化之前就有所动作为即将发生的液位变化进行准备，也就是说不能有效地利用进行负荷预测得到的负荷未来变化信息。为了利用从知道负荷将要在某个时间点发生变化到负荷发生变化这段时间，并在这段时间内做一些准备，比如说负荷变化将引起液位上升，于是在负荷变化前先使液位下降一定幅度，减小液位最后上升到的最大值，避免超过安全上界，本专利技术提出一种基于负荷预知信息的动态优化方法，能够充分利用提前知道的负荷未来变化信息，在负荷发生变化之前操作量qf进行动作，为负荷变化引起液位变化提供超前的液位准备，使汽包液位在正负方向上的波动更加平缓，既不超过上界，也不低于下界。具体来说，就是根据蒸汽负荷变化信息，允许操作量qf在负荷变化之前有所动作，提前储备一定的液位量，如果负荷发生变化将引起汽包水位上升(下降)，那么在负荷变化之前，先让液位下降(上升)一定幅度，改变液位在负荷变化时发生超调的起始点，避免液位超过安全上界(下界)。由于动态优化是基于模型的，如果模型参数存在失配，则动态优化的效果会受到影响，所以在采用动态优化策略进行汽包水位优化控制的基础上，为了克服模型失配的干扰，通过最小化模型输出与实际输出之间的残差来进行参数估计，获得模型参数，尽可能减小仿真模型与实际对象之间的失配，保证进行动态优化求解能得到最优的液位输出。在锅炉汽水系统中，汽水混合物在上升管-汽包-下降管回路中循环，与管壁之间会有摩擦，从而造成能量损失，本专利技术采用的锅炉模型中引入管壁的摩擦系数这个参数来描述汽水混合物与管壁之间的摩擦，但是这个参数无法通过测量直接获取，而且当锅炉的使用时间增加，金属管壁大量结垢，管壁的粗糙度必然会受到影响，而且如果是船用锅炉，锅炉使用的工质是海水，则管壁会受到比较严重的腐蚀。在这种情况下，上升管-下降管回路中管壁的摩擦系数不可能与锅炉刚投入使用时的值相同，而是会随着水冷壁结垢与腐蚀程度的变化而变化。所以对于摩擦系数，不是进行一次修正后就可以保证它的值永远与实际对象完全匹配，而是需要在锅炉系统使用过程中，随时进行校正。所以，为了能够及时修正模型，保证动态优化的效果，本专利技术提出了基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法，将参数估计与动态优化迭代求解，进行在线的参数估计来随时修正失配模型，保证进行动态优化求解得到实际对象的最优解。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前锅炉生产中大范围变负荷的需求越来越迫切，而实际工业中广泛使用的三冲量控制在负荷大幅度变化时的控制效果不能满足生产安全要求，提出了一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法。该方法是采用基于负荷预知的动态优化方案，允许操作量在负荷大范围前提前动作，使液位在正负方向上的波动更加平缓，这样在负荷大范围变化时，液位不容易超过其安全范围，能更好地满足工业生产需求，并将参数估计与动态优化集成求解，在系统运行过程中及时进行参数估计，有效地克服了模型失配对动态优化造成的干扰，使动态优化方案在具有模型失配的情况下仍能得到关于实际对象的最优解。在本质上参数估计属于最优化问题，就是根据实际运行数据寻找未知参数的最优值，使得理论模型更接近实际对象。本专利技术通过一个锅炉汽水系统仿真模型作为进行动态优化求解时的优化模型，一个锅炉作为实际对象用来采集真实数据，通过最小化两者之间的残差来估计参数，使得仿真模型中的摩擦系数β最接近实际对象中的摩擦系数。基于仿真模型进行动态优化求解时，模型中摩擦系数的值不一定与实际对象完全匹配，而且可能随着系统运行时间或者运行环境的变化而发生变化，所以将参数估计与动态优化集成求解，在线地进行参数估计，来随时修正失配模型。动态优化以最优液位输出为目标建立优化命题，基于提前知道的负荷变化信息，允许操作量提前动作，在负荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).在AMPL平台下建立锅炉汽水系统的全联立仿真模型；所述的锅炉汽水系统模型是K.J和Bell R.D建立的四阶机理模型；该锅炉汽水系统的输出变量是汽包压力和液位，输入变量是热量、给水流量和蒸汽流量；其中蒸汽流量是表征负荷变化的量，给水流量是调控汽包液位的操作量；步骤(2).首先确定负荷在未来某一时刻tm的变化情况，允许操作量提前动作，即在tm之前允许其发生变化；然后建立以最优液位输出为目标的动态优化命题，进行优化求解，获得操作变量qf的最优值和模型的最优液位输出值Level；步骤(3).保存步骤(2)中得到的最优操作变量值qf，作为实际对象的输入，在该输入作用下进行模拟得到实际对象的液位输出，保存该实际输出值Levelfact；步骤(4).利用步骤(2)中得到的模型输出Level与步骤(3)中得到的实际输出Levelfact，建立以最小化模型输出与实际输出之间的残差为目标的优化命题，进行参数估计，保存此次估计得到的参数值β，其中β为摩擦系数；步骤(5).利用步骤(4)中得到的参数值β，更新全联立仿真模型的摩擦系数，并重新进行步骤(2)～(3)，得到新的模型输出与实际输出；然后判断新的模型输出与实际输出的残差是否在误差允许范围内，若是则优化结束，该新的模型输出即为最优的液位输出，若否则继续进行步骤(4)～(5)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于负荷预知的动态优化与参数估计集成的方法，其特征
在于该方法包括以下步骤：
步骤(1).在AMPL平台下建立锅炉汽水系统的全联立仿真模型；
所述的锅炉汽水系统模型是K.J和Bell R.D建立的四阶
机理模型；该锅炉汽水系统的输出变量是汽包压力和液位，输入变量
是热量、给水流量和蒸汽流量；其中蒸汽流量是表征负荷变化的量，
给水流量是调控汽包液位的操作量；
步骤(2).首先确定负荷在未来某一时刻tm的变化情况，允许操
作量提前动作，即在tm之前允许其发生变化；然后建立以最优液位输
出为目标的动态优化命题，进行优化求解，获得操作变量qf的最优值
和模型的最优液位输出值Level；
步骤(3).保存步骤(2)中得到的最优操作变量值qf，作为实
际对象的输入，在该输入作用下进行模拟得到实际对象的液位输出，
保存该实际输出值Levelfact；
步骤(4).利用步骤(2)中得到的模型输出Level与步骤(3)
中得到的实际输出Levelfact，建立以最小化模型输出与实际输出之间
的残差为目标的优化命题，进行参数估计，保存此次估计得到的参数
值β，其中β为摩擦系数；
步骤(5).利用步骤(4)中得到的参数值β，更新全联立仿真模
型的摩擦系数，并重新进行步骤(2)～(3)，得到新的模型输出与
实际输出；然后判断新的模型输出与实际输出的残差是否在误差允许
范围内，若是则优化结束，该新的模型输出即为最优的液位输出，若
否则继续进行步骤(4)～(5)。
2.如权利要求1所述的一种基于负荷预知的动态优化与参数估计

\t集成的方法，其特征在于步骤(2)采用联立法求解动态优化问题，
是将全部状态变量和控制变量进行离散化，将原先的动态优化问题转
化为大规模的非线性规划NLP问题，然后利用NLP求解器进行求解。
3.如权利要求1所述的一种基于负荷预知的动态优化与参数估计
集成的方法，其特征在于步骤(2)采用有限元正交配置法建立以最
优液位输出为目标的动态优化命题，进行优化求解，获得操作变量...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯竹芹，赵均，徐祖华，邵之江，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33