气化炉的预测型比例积分微分控制方法技术

气化炉的预测型比例积分微分控制方法，针对气化炉被控过程非线性、大滞后及强耦合的特点，该方法利用常规ＰＩＤ控制算法的鲁棒性和易实现性等优点，结合预测控制方法对大滞后对象的有效性，将预测控制思想用于常规ＰＩＤ控制算法中，使用变量预测器预测气化炉被控对象在Ｌ个时刻后的输出，参考输入与该变量预测器的输出相减，作为ＰＩＤ调节器入口偏差，通过数次计算，使得两次计算得到的控制器输出基本不变后，再将此控制作用输出，实现调节器的提前动作，在气化炉工况发生较大范围变化时，仍然取得良好的控制品质。该气化炉预测性ＰＩＤ算法简单，容易在现有商业控制系统软硬件平台上实施。

Predictive proportional integral differential control method for gasifier

The prediction type gasifier proportion integral differential control method, according to the characteristics of gasification furnace controlled process is a nonlinear, big lag and strong coupling, the method of using the conventional PID control algorithm is robust and easy to realize the advantages, combined with the predictive control method on the effectiveness of large delay object, the idea of predictive control for the conventional PID control algorithm in the use of variables predicted gasifier plant output in L hours after the subtraction of the reference input and the output variables as predictor, PID regulator entrance deviation, through several calculation, making the two count output controller obtained basically unchanged, then the control output, realize the regulator in advance action, there is a greater range of changes in the operation of the gasifier, still achieved good control quality. The predictive PID algorithm of gasifier is simple and easy to implement on the hardware and software platform of the existing commercial control system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种针对气化炉的预测型PID控制方法，结合常规PID控制器和预 测控制方法实现对气化炉系统的有效控制，属于热化学反应工程、能动力工程和 自动控制领域。
技术介绍
煤气化是一种重要的清洁能源生产方式，气化炉则是煤气化过程的核心部 件。由于涉及到许多复杂的化学反应过程，气化炉是一个复杂的多变量、大滞后、 非线性及高耦合系统，且对各种扰动的影响都很敏感，其相应的控制理论和应用 都不太成熟。针对气化炉的高品质控制方法是气化炉安全可靠运行的保证，也是 目前气化炉在大规模应用和推广过程中亟待解决的问题。现有的气化炉控制方法主要分为两种(1)基于经典控制理论的常规控制方 法，如常规的PID (比例积分微分)控制方法等；(2)基于现代控制理论的高级 控制方法，如模型预测控制(MPC)等。这两种方法在实际应用中都存在不足。例如，常规的PID控制方法，虽然容易实施，但是由于其算法只是根据当前时刻和前两个采样时刻的设定值与输出之间的偏差进行计算，对于气化炉这样的大滞后对象，控制作用没有提前动作，无法获得令人满意的控制效果；而普通的模 型预测控制(MPC)，由于算法的复杂性，会占据大量的控制器资源，尤其是针 对气化炉这样的高耦合多变量过程，这样的控制方法难以在现有的通用控制系统 的软硬件平台上实施。如果在当前时刻能预测出未来第￡个采样时刻的输出 J7(/t + i)，而PID控制器能根据未来的控制偏差e("-i -j;(;t + i:)进行计算，则PID控制器能提前￡个采样周期改变控制作用，这对大滞后的气化炉过程是 至关重要的。基于这样的思想，本专利技术提出如图1所示的预测型PID控制器 (LP-PID)。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提供一种气化炉预测型比例积分微分(PID)控 制方法，将传统PID控制与预测控制结合，应用预测模型预测系统未来输出， 使PID控制器根据未来时刻的控制偏差对气化炉进行运算，该专利技术是用于解决 气化炉系统大滞后对象，控制作用没有提前动作，普通的控制方法难以在现有的 通用控制系统的软硬件平台上实施，即气化炉被控对象难以被有效控制的方法。技术方案本专利技术公开一种气化炉的预测型比例积分微分(PID)控制方法， 该方法的具体实施歩骤如下歩骤l:在气化炉系统的控制回路中，控制器根据变量预测器的输出量及控 制系统的参考输入量，利用参考输入量减去变量预测器的输出量，初值设置为5^ + " = :KA)，得到控制器的入口偏差，控制器根据入口偏差计算输出控制 量"(A)，其中/t为当前采样时刻；/(々)是当前采样时刻被控过程的输出；歩骤2:利用气化炉被控过程数学模型，在获得对象纯延迟之后确定预测歩 长丄，根据步骤l)的输出控制量"("，按照预测控制理论预测被控对象，获得第丄个采样时刻的预测输出值70 +乙)；步骤3:将步骤2的输出值？^ + "作为歩骤1中变量预测器的输出量， 重复计算输出控制量"(W;步骤4:将最终的输出控制量"O)作为气化炉控制回路的控制输入，完成 对气化炉的预测型比例积分微分控制。所述输出控制量"("为丰H"K(i+V ;+7;/蔣) 一^(i+2v:r》(/:—i)+iy^/7;啾-2)式中，尺p，7;，7;分别为比例积分微分调节器的比例增益、积分时间和微分时间；《S，w(A:—l)为当前和前一采样时刻的比例积分微分输出，e(巧,e(A:-l)，e(A:-2)分 别为当前采样时刻、前一采样时刻、前两个采样时刻的比例积分微分入口偏差；7;为采样时间间隔。步骤2中的被控过程的数学模型为CARIMA模型△式中，少(",m("^("分别为被控过程在&时刻的输出、输入及均值为零的白噪声序列；A = l —《—\ v4(《—",5(《—"是如下后移算子g^的多项式 物-')4+^+…+ U-"6fl,为^多项式的系数；6,为S多项式的系数；"。为^多项式的阶数；叫为B多 项式的阶数。上述步骤l)的入口偏差由参考输入和变量预测器的输出量获得，即未来时 刻系统输出信号，相减获得。步骤3)重复计算输出控制量"(O次数不少于二 次。预测型PID控制器(LP-PID)的计算过程为① 设置变量预测器的输出初值为？(* + "=少&)。② 计算PID控制器的输出控制量为"0t)。PID控制器的入口偏差为4^=/ -;(A:+丄)。 PID控制器的输出控制量为,="("i)"p(i+r"7;+7;/，)-^(i+2vr>("i)" 2) (1)式中，a^，7;,7;分别为pid调节器的比例增益、积分时间和微分时间；w(S,m(A:—1)为当前和前一采样时刻的PID输出，^e^-l)，e(A:—2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻、前两个采样时刻的PID入口偏差；7;为采样时间间 隔。③ 根据被控过程数学模型及上一歩计算的控制作用w(&)，预测过程在未来第丄个采样时刻的输出值;("丄)。被控过程的数学模型为如下CARIMA (Controlled Auto-Regressive Integrated Moving Average,被控自回归积分滑动平均)模型1 XKA) = 1- 0 +《("/ △ (2)式中，K"，"("^(W分别为被控过程在A时刻的输出、输入及均值为零的白噪声序列；A^l — f1; 、万(《—"是如下后移算子^1的多项式。(3)丑(f )"o—+ ~W,J 过程输出在未来第A个采样时刻的预测值为+丄)=(g—1 +丄一1) + FL )y(&) (4)式中(一) = ^(《-1 )=g。 + g(1 +... + g叔一'(5)多项式￡(^—",(《一)可通过以下Diophantine(丢番图，古希腊数学家)方程获 得1 =五^-')必+ ^^(《—') (6)式中，对于没有不稳定极点的被控过程，可取未来控制增量的次数为1，即有Aw(A:)=孝)—w(众一 1) Aw(A: + /) = + /) — i/(A: + / — 1) = 0J (8)(/ = 1，2,..-,^-1)将式(8)、 (5)代入式(4)可直接求得输出在未来第丄个采样时刻的预测 值为5(A: +丄)=W1+1C )碎-1) + ^A" W(9)式中，9"《—1) = 十…+ ^+"(("6—1)，="("l)，,为第②步所计算的PID输出。 '④ 根据上面所计算的输出预测+返回到第②歩进行重复计算，直至连续二次计算的PID输出基本不变为止， 一般需重复计算3至5次。⑤ 将最终的控制信号"("作用于实际过程，确保预测型PID控制器能提前丄个采样周期动作。有益效果本专利技术通过结合现有气化炉控制方法的优点，提出预测型PID控制方法，在传统的PID算法基础上，应用于气化炉被控过程的控制，使控制系统提前动作，PID控制器可以根据未来时刻的控制偏差进行运算，可以有效地克服气化炉大滞后特性，显著提高控制系统品质，且底层采用常规的PID控制算法，可以方便地在现有通用控制系统软硬件平台实施，简单易行，调节效果显著。附图说明图1是本专利技术预测型PID控制器结构框图。图2是本专利技术采用预测型PID控制方法的气化炉系统实施例框图。具体实施方式本专利技术的具体实施步骤如下步骤l)在气化炉系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气化炉的预测型比例积分微分控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：　步骤１：在气化炉系统的控制回路中，控制器根据变量预测器的输出量及控制系统的参考输入量，利用参考输入量减去变量预测器的输出量，初值设置为＊（ｋ＋Ｌ）＝ｙ（ｋ），得到控制器的入口偏差，控制器根据入口偏差计算输出控制量ｕ（ｋ），其中ｋ为当前采样时刻；ｙ（ｋ）是当前采样时刻被控过程的输出；　步骤２：利用气化炉被控过程数学模型，在获得对象纯延迟之后确定预测步长Ｌ，根据步骤１的输出控制量ｕ（ｋ），按照预测控制理论预测被控对象，获得第Ｌ个采样时刻的预测输出值＊（ｋ＋Ｌ）；　步骤３：将步骤２的输出值＊（ｋ＋Ｌ）作为步骤１中变量预测器的输出量，重复计算输出控制量ｕ（ｋ）；　步骤４：将最终的输出控制量ｕ（ｋ）作为气化炉控制回路的控制输入，完成对气化炉的预测型比例积分微分控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕剑虹，吴科，赵亮，向文国，丁维明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]