一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法技术

本发明专利技术公开了一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法。本发明专利技术首先通过采集输入输出数据建立过程模型，然后将过程状态变化和输出追踪误差组合为新的过程状态量，进一步以此建立新的过程模型，最后以二次目标函数来设计控制器，设计出最优更新律。不同于传统的控制方法，通过在过程间引入状态变化和输出追踪误差，控制器的调节更为灵活，使得系统容错能力提升，部分执行器故障的影响得以改善。

A two-dimensional fault-tolerant LQG control method for cement rotary kiln firing process

【技术实现步骤摘要】
一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法
本专利技术属于自动化工业过程控制领域，涉及一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法。
技术介绍
在实际的工业生产中，工业生产过程建模和控制策略正变得越来越重要，同时由于对产品质量和操作安全性的高要求使得工业生产过程生产的运行规范越发严格，进而导致控制系统故障的概率增大。例如，在实际的水泥回转窑烧成过程中，水泥回转窑的窑头喷煤执行器出现故障尤为常见，主要体现为窑头喷煤阀门故障，这将使得最终的水泥熟料的质量下降，同时考虑到执行器断电、卡住的情况下，水泥回转窑烧成过程将不再可控，依此设计控制器将无意义。因此，有必要提出一种控制方法来处理部分执行器故障的情况，以保障水泥回转窑烧成过程的稳定性，保障最终水泥熟料的高标准、高质量的稳定生产。
技术实现思路
本专利技术目的是为改善水泥回转窑烧成过程控制系统部分执行器故障的影响，提出了一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法。本专利技术首先通过采集输入输出数据建立过程模型，然后将过程状态变化和输出追踪误差组合为新的过程状态量，进一步以此建立新的过程模型，最后以二次目标函数来设计控制器，设计出最优更新律。不同于传统的控制方法，通过在过程间引入状态变化和输出追踪误差，控制器的调节更为灵活，使得系统容错能力提升，部分执行器故障的影响得以改善。本专利技术的技术方案是通过数据采集、模型建立、控制器设计等手段，确立了一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法，利用该方法可有效保证水泥回转窑烧成过程的稳定和优化控制性能及实现系统的容错控制。本专利技术方法的步骤包括：步骤1、求解水泥回转窑烧成过程中被控对象的拓展状态空间模型，具体步骤是：1-1.采集水泥回转窑烧成过程的实时运行数据，建立在不定干扰下的水泥回转窑烧成过程系统模型：x(t+1,k)＝Ax(t,k)+Bu(t,k)+w(t,k)y(t,k)＝Cx(t,k)+v(t,k)其中k和t分别表示批次和批次运行时刻，x(t+1,k)、x(t,k)分别是t+1、t时刻k批次的过程状态，y(t,k)是t时刻k批次的系统输出，u(t,k)是t时刻k批次的系统输入，w(t,k)是t时刻k批次的过程噪音，v(t,k)是t时刻k批次的过程测量噪音。A，B，C分别是适当维度的系统矩阵。1-2.窑头喷煤输入阀门的开度部分故障模型描述如下：uF(t,k)＝αu(t,k)其中uF(t,k)是t时刻k批次的执行器的实际控制动作，α表示执行器故障的影响程度。和α(α<1)是可靠性的上下界限值，为已知值。1-3.基于步骤1-2的窑头喷煤输入阀门的开度部分故障模型，得到变换后的系统模型描述如下：1-4.定义批次维差分算子：ΔkuF(t,k)＝uF(t,k)-uF(t,k-1)Δkx(t,k)＝x(t,k)-x(t,k-1)Δky(t,k)＝y(t,k)-y(t,k-1)其中Δk表示批次维的差分算子，uF(t,k-1)是t时刻k-1批次的系统输入，x(t,k-1)是t时刻k-1批次的过程状态，y(t,k-1)是t时刻k-1批次的系统输出，ΔkuF(t,k)是t时刻k批次的系统批次维输入变化，Δkx(t,k)是t时刻k批次的批次维过程状态变化，Δky(t,k)是t时刻k批次的批次维系统输出变化。1-5.定义水泥回转窑烧成过程追踪误差：e(t,k)＝yr-y(t,k)进一步得到e(t+1,k+1)＝e(t+1,k-1)-CAΔkx(t,k)-CBΔkuF(t,k)-CΔkw(t,k)-Δkv(t+1,k)其中yr是系统参考轨迹，e(t,k)是t时刻k批次的过程追踪误差，e(t+1,k)、e(t+1,k+1)分别是t+1时刻k、k+1批次的过程追踪误差，Δkx(t,k+1)是t时刻k+1批次的批次维过程状态变化，ΔkuF(t,k+1)是t时刻k+1批次的系统批次维输入变化，Δkw(t,k+1)是t时刻k+1批次的批次维过程噪音变化，Δkv(t+1,k+1)是t+1时刻k+1批次的批次维过程测量噪音变化。1-6.引入新的组合状态变量为：其中X(t,k)是t时刻k批次的拓展过程状态。1-7.根据步骤1-1到1-6，最终得到拓展二维水泥回转窑烧成过程模型为：其中X(t+1,k+1)、X(t,k+1)是t+1、t时刻k+1批次的拓展过程状态，X(t+1,k)是t+1时刻k批次的拓展过程状态，Y(t,k)是t时刻k批次的拓展过程输出，I为适当维度的单位阵。步骤2、设计被控对象控制器，具体步骤是：2-1.引入如下所示的LQG目标函数：其中J表示目标函数，Q1,Q2,R分别是相应的控制加权矩阵。2-2.求解上述LQG目标函数，得到水泥回转窑烧成过程最优窑头喷煤输入阀门开度变化为：ΔkuF(t,k)＝K1X(t,k+1)+K2X(t+1,k)其中K1、K2分别是时间维、批次维的迭代更新增益。K＝[K1K2]，K为满足以下黎卡提方程的解。2-3.在下一时刻，重复步骤2.1到2.2继续求解新的LQG目标函数，得到最优窑头喷煤输入阀门开度变化ΔkuF(t,k)，作用于控制对象，并依次循环。本专利技术的有益效果：本专利技术考虑了实际的水泥回转窑烧成过程中水泥回转窑的窑头喷煤阀门出现故障的情况，在普通二维LQG控制的基础上，加入了容错控制模型，降低窑头喷煤阀门故障对生成的水泥熟料质量的影响，有效得保障了水泥回转窑烧成过程的稳定性，保障了最终水泥熟料生产的高标准、高质量的稳定生产。具体实施方式以水泥回转窑烧成过程为例：在水泥流程生产过程中，水泥回转窑烧成过程是水泥生产中的重要一环。水泥生料制备完成后，水泥生料继续进入水泥回转窑，此时回转窑的喷煤窑头开始向回转窑喷煤，回转窑受热，水泥熟料进行反应，随着回转窑烧成带的温度上升到一定程度，水泥生料逐步转变成水泥熟料。本实施例的方法具体是：步骤1、求解水泥回转窑烧成过程中被控对象的拓展状态空间模型，具体步骤是：1-1.首先采集水泥回转窑烧成过程的实时运行数据，建立以下述形式表示的在不定干扰下的水泥回转窑烧成过程系统模型：x(t+1,k)＝Ax(t,k)+Bu(t,k)+w(t,k)y(t,k)＝Cx(t,k)+v(t,k)其中k和t分别表示水泥回转窑烧成过程的批次和批次运行时刻，x(t+1,k)、x(t,k)分别是t+1、t时刻k批次的过程状态，y(t,k)是t时刻k批次的回转窑温度，u(t,k)是t时刻k批次的窑头喷煤输入阀门开度，w(t,k)是t时刻k批次的过程噪音，v(t,k)是t时刻k批次的过程测量噪音。A，B，C分别是适当维度的系统矩阵。1-2.窑头喷煤输入阀门的开度部分故障模型描述如下：uF(t,k)＝αu(t,k)其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：/n步骤1、求解水泥回转窑烧成过程中被控对象的拓展状态空间模型，具体步骤是：/n1-1.采集水泥回转窑烧成过程的实时运行数据，建立在不定干扰下的水泥回转窑烧成过程系统模型：/nx(t+1,k)＝Ax(t,k)+Bu(t,k)+w(t,k)/ny(t,k)＝Cx(t,k)+v(t,k)/n其中k和t分别表示批次和批次运行时刻，x(t+1,k)、x(t,k)分别是t+1、t时刻k批次的过程状态，y(t,k)是t时刻k批次的系统输出，u(t,k)是t时刻k批次的系统输入，w(t,k)是t时刻k批次的过程噪音，v(t,k)是t时刻k批次的过程测量噪音；A，B，C分别是适当维度的系统矩阵；/n1-2.窑头喷煤输入阀门的开度部分故障模型描述如下：/nu

【技术特征摘要】
1.一种水泥回转窑烧成过程二维容错LQG控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、求解水泥回转窑烧成过程中被控对象的拓展状态空间模型，具体步骤是：
1-1.采集水泥回转窑烧成过程的实时运行数据，建立在不定干扰下的水泥回转窑烧成过程系统模型：
x(t+1,k)＝Ax(t,k)+Bu(t,k)+w(t,k)
y(t,k)＝Cx(t,k)+v(t,k)
其中k和t分别表示批次和批次运行时刻，x(t+1,k)、x(t,k)分别是t+1、t时刻k批次的过程状态，y(t,k)是t时刻k批次的系统输出，u(t,k)是t时刻k批次的系统输入，w(t,k)是t时刻k批次的过程噪音，v(t,k)是t时刻k批次的过程测量噪音；A，B，C分别是适当维度的系统矩阵；
1-2.窑头喷煤输入阀门的开度部分故障模型描述如下：
uF(t,k)＝αu(t,k)



其中uF(t,k)是t时刻k批次的执行器的实际控制动作，α表示执行器故障的影响程度；和α(α<1)是可靠性的上下界限值，为已知值；
1-3.基于步骤1-2的窑头喷煤输入阀门的开度部分故障模型，得到变换后的系统模型，描述如下：



1-4.定义批次维差分算子：
ΔkuF(t,k)＝uF(t,k)-uF(t,k-1)
Δkx(t,k)＝x(t,k)-x(t,k-1)
Δky(t,k)＝y(t,k)-y(t,k-1)
其中Δk表示批次维的差分算子，uF(t,k-1)是t时刻k-1批次的系统输入，x(t,k-1)是t时刻k-1批次的过程状态，y(t,k-1)是t时刻k-1批次的系统输出，ΔkuF(t,k)是t时刻k批次的系统批次维输入变化，Δkx(t,k)是t时刻k批次的批次维过程状态变化，Δky(t,k)是t时刻k批次的批次维系统输出变化；
1-5.定义水泥回转窑烧成过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：李容轩，张日东，吴胜，欧丹林，蒋超，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，浙江邦业科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33