一种天然气加臭控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种天然气加臭控制系统及其控制方法，其系统包括加臭装置单元、检测单元、电源动力单元、MPC控制单元和上位机，其控制方法采用MPC优化控制，包括预测系统未来动态、滚动优化、优化控制量和反馈校正；本发明专利技术在天然气管道内设有鼓风恒温装置，并利用鼓风恒温装置使管道内部停留较久的THT和燃气再次充分混合，从而减小系统预测值误差，提出模型预测控制算法的控制策略，并对加臭控制系统进行跟踪性能和抗干扰性能测试，提高了THT与天然气混合的均匀程度和抗干扰性，还改善了系统的鲁棒性，其总体性能优于基于PID和LQR算法的控制系统，且优化后的MPC算法在加臭控制系统下优于传统的MPC算法。传统的MPC算法。传统的MPC算法。

【技术实现步骤摘要】
一种天然气加臭控制系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及天然气加臭剂浓度控制
，尤其涉及一种天然气加臭控制系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]燃气加臭是一个频繁变化的过程，实现加臭剂浓度在瞬态条件下的实时控制优化是一个极具挑战性的问题，目前我国城市燃气存在着燃气用户终端的THT浓度不稳定和未达标的问题，确保燃气用户终端的加臭剂浓度在国家标准范围内，对保护燃气使用者和燃气企业具有重要的意义，传统加臭装置喷头装置采用单模式单注入口，且传统的加臭控制装置并未考虑用气低峰期时原本均匀混合的THT和燃气会分离的情况；
[0003]目前，大部分加臭控制采用PID控制算法，PID控制算法是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的，常用的经典控制算法PID虽然响应速度快，不需要加臭控制模型，但是加臭过程中环境复杂、输送管道过长，控制模型具有非线性、大惯性和滞后性等特点，PID很难满足条件，还有一种LQR算法虽然能够对过程进行控制，但是需要精确的系统模型，在管道内随着时间的变化，管道内的温度压强等影响因素都会影响该模型，模型参数随时微变，很难保证模型的准确度，因此，本专利技术提出一种天然气加臭控制系统及其控制方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种天然气加臭控制系统及其控制方法，该控制方法结合优化后的MPC算法控制，将加臭站的电磁泵注入THT值的量作为控制优化量，相比基于PID算法的控制响应时间短数十倍，系统的抗干扰性能更高，系统的鲁棒性更好。
[0005]为了实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种天然气加臭控制系统，包括加臭装置单元、检测单元、电源动力单元、MPC控制单元和上位机，所述加臭装置单元包括单片机控制器、计量泵、阀门和储罐，所述上位机向单片机控制器发送控制量数据和相关指令，所述单片机控制器接收控制量数据和相关指令，后分别向阀门和计量泵发送控制开关指令和频率脉冲指令，阀门打开后，储罐中的THT流入计量泵的输入口，计量泵的输出口连接有天然气管道，计量泵根据脉冲频率向天然气管道内注入THT，天然气管道内设有鼓风恒温装置；
[0006]所述检测单元包括天然气流量计和THT在线检测仪,所述天然气流量计用于测量燃气出口处的天然气流量，所述THT在线检测仪用于测量燃气用户终端THT浓度值，当检测单元完成数据采集后，将数据打包反馈给上位机；
[0007]所述MPC控制单元结合上位机发送的数据进行新一轮的THT输入量预测，并根据新的参考轨迹和预测模型进行滚动优化，将滚动优化的最优解进行再优化后再将预测的THT
输入控制量反馈给上位机。
[0008]进一步的，所述加臭装置单元还包括加臭装置，所述加臭装置包括计量泵(1)、汽化器(2)、注液主管(3)、磁液位计(4)和喷头机构(5)，所述汽化器(2)设于计量泵(1)顶端，所述汽化器(2)通过注液主管(3)与喷头机构(5)连接，所述磁液位计(4)安装于注液主管(3)上，所述喷头机构(5)包括小喷头(501)、中喷头(502)、大喷头(503)和注液分管(504)，所述小喷头(501)、中喷头(502)和大喷头(503)通过注液分管(504)与注液主管(3)连接。
[0009]进一步的，所述电源动力单元给整个系统供电，根据不同设备的性能指标和额定功率分别进行供电。
[0010]一种天然气加臭控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一：预测系统未来动态
[0012]对未来一段时间内的输出进行预测；
[0013]步骤二：滚动优化
[0014]滚动进行有限时域在线优化；
[0015]步骤三：优化控制量
[0016]对滚动优化后的最优解进行再优化；
[0017]步骤四：反馈校正
[0018]通过预测误差反馈，修正预测模型，提高预测精度。
[0019]进一步的，所述步骤一的具体操作步骤为：先采用二阶加时滞的形式表示燃气加臭过程控制模型，其传递函数表示为：
[0020][0021]其中，T1和T2为时间常数，e
‑
τs
为时滞部分，τ表示管网长度所引发的纯滞后时间，K表示传递系数，再将加臭控制系统模型的传递函数进行离散化，并将离散化的系统用状态空间模型表示，当获取到k时刻的燃气用户终端输出THT浓度量、电磁泵输入量和外部干扰变量，根据实际情况调整参数即得k+1时刻的输出变量，离散系统的状态空间模型如下：
[0022]x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Cd(k)
[0023]y(k)＝Dx(k)
[0024]其中x(k)为状态变量，u(k)为控制输入变量，d(k)为可用测量的外部干扰变量，y(k)为被控输出变量，式中：
[0025]C＝0，
[0026]进一步的，所述步骤二的具体操作步骤为：先根据燃气用户终端THT浓度输出值采用一阶滤波算法构建参考轨迹：
[0027]y
r
(k+i)＝α
i
y(k)+(1
‑
α
i
)y
t
，0＜α＜1
[0028]其中，y(k)表示当前THT浓度值，y
t
表示目标THT浓度值，T
S
为采样周期，T为参考轨迹的时间常数，当α越大，轨迹曲线越平滑地接近目标THT浓度值；
[0029]表示为
[0030][0031]其中，y
r
(k+j)表示k+j时刻期望的THT浓度预测值，P表示预测步长；
[0032]为引入积分以减小或消除静态误差，用控制量的增量表示所耗能量大小可表示为：
[0033][0034]其中，L表示控制步长，Δu(k+j
‑
1)表示k+j
‑
1时刻电磁泵的控制量的增量；
[0035]根据参考轨迹值和预测模型的预测输出值确定电磁泵每次加THT的量，滚动优化通过优化性能指标J来确定未来的控制输出，根据加臭控制系统对系统性能的不同要求，用带有权值的表达式表示该性能指标：
[0036][0037]其中，P表示预测步长，L表示控制步长，q表示误差权系数，r表示控制权系数，y
r
表示参考轨迹，y(k+j)表示k+j时刻THT浓度值；
[0038]两个条件的权值q和r相对大小决定该项条件在系统所占比重大小，当q更大则表示对加臭控制系统的准确度要求更高，当r更大则表示对加臭控制系统的低功耗要求更高；
[0039]由得THT浓度最优控制增量矩阵为：
[0040]ΔU＝(A
T
QA+R)
‑1A
T
(Y
‑
Y
r
)
[0041]ΔU＝(E
T
QE+R)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然气加臭控制系统，包括加臭装置单元、检测单元、电源动力单元、MPC控制单元和上位机，其特征在于：所述加臭装置单元包括单片机控制器、计量泵、阀门和储罐，所述上位机向单片机控制器发送控制量数据和相关指令，所述单片机控制器接收控制量数据和相关指令，后分别向阀门和计量泵发送控制开关指令和频率脉冲指令，阀门打开后，储罐中的THT流入计量泵的输入口，计量泵的输出口连接有天然气管道，计量泵根据脉冲频率向天然气管道内注入THT，天然气管道内设有鼓风恒温装置；所述检测单元包括天然气流量计和THT在线检测仪,所述天然气流量计用于测量燃气出口处的天然气流量，所述THT在线检测仪用于测量燃气用户终端THT浓度值，当检测单元完成数据采集后，将数据打包反馈给上位机；所述MPC控制单元结合上位机发送的数据进行新一轮的THT输入量预测，并根据新的参考轨迹和预测模型进行滚动优化，将滚动优化的最优解进行再优化后再将预测的THT输入控制量反馈给上位机。2.根据权利要求1所述的一种天然气加臭控制系统，其特征在于：所述加臭装置单元还包括加臭装置，所述加臭装置包括计量泵(1)、汽化器(2)、注液主管(3)、磁液位计(4)和喷头机构(5)，所述汽化器(2)设于计量泵(1)顶端，所述汽化器(2)通过注液主管(3)与喷头机构(5)连接，所述磁液位计(4)安装于注液主管(3)上，所述喷头机构(5)包括小喷头(501)、中喷头(502)、大喷头(503)和注液分管(504)，所述小喷头(501)、中喷头(502)和大喷头(503)通过注液分管(504)与注液主管(3)连接。3.根据权利要求1所述的一种天然气加臭控制系统，其特征在于：所述电源动力单元给整个系统供电，根据不同设备的性能指标和额定功率分别进行供电。4.一种天然气加臭控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：预测系统未来动态对未来一段时间内的输出进行预测；步骤二：滚动优化滚动进行有限时域在线优化；步骤三：优化控制量对滚动优化后的最优解进行再优化；步骤四：反馈校正通过预测误差反馈，修正预测模型，提高预测精度。5.根据权利要求4所述的一种天然气加臭控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一的具体操作步骤为：先采用二阶加时滞的形式表示燃气加臭过程控制模型，其传递函数表示为：其中，T1和T2为时间常数，e
‑
τs
为时滞部分，τ表示管网长度所引发的纯滞后时间，K表示传递系数，再将加臭控制系统模型的传递函数进行离散化，并将离散化的系统用状态空间模型表示，当获取到k时刻的燃气用户终端输出THT浓度量、电磁泵输入量和外部干扰变量，根据实际情况调整参数即得k+1时刻的输出变量，离散系统的状态空间模型如下：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Cd(k)y(k)＝Dx(k)其中x(k)为状态变量，u(k)为控制输入变量，d(k)为可用测量的外部干扰变量，y(k)为被控输出变量，式中：6.根据权利要求4所述的一种天然气加臭控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤二的具体操作步骤为：先根据燃气用户终端THT浓度输出值采用一阶滤波算法构建参考轨迹：y
r
(k+i)＝α
i
y(k)+(1
‑
α
i
)y
t
，0＜α＜1其中，y(k)表示当前THT浓度值，y
t
表示目标THT浓度值，T
S
为采样周期，T为参考轨迹的时间常数，当α越大，轨迹曲线越平滑地接近目标THT浓度值；表示为其中，y
r
(k+j)表示k+j时刻期望的THT浓度预测值，P表示预测步长；为引入积分以减小或消除静态误差，用控制量的增量表示所耗能量大小可表示为：其中，L表示控制步长，Δu(k+j
‑
1)表示k+j
‑
1时刻电磁泵的控制量的增量；根据参考轨迹值和预测模型的预测输出值确定电磁泵每次加THT的量，滚动优化通过优化性能指标J来确定未来的控制输出，根据加臭控制系统对系统性能的不同要求，用带有权值的表达式表示该性能指标：其中，P表示预测步长，L表示控制步长，q表示误差权系数，r表示控制权系数，y
r
表示参考轨迹，y(k+j)表示k+j时刻THT浓度值；两个条件的权值q...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛亮，张乐，肖小汀，方鑫，韦国晖，刘娟，胡泽，罗明，马乐，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：