多目标非线性预测控制及其在机炉协调优化控制中的应用研究

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在国家节能减排政策的引导下,火电机组朝着大容量、高参数的超超临界机组发展。而由于其非线性、多变量耦合、大惯性、控制受约束、易受燃料变动等不可测扰动影响等特点,使得常规控制方法难以取得良好的控制效果。为此,本文利用超超临界机组协调系统研究先进控制策略,以改进火电机组控制品质。本文主要包括:(1)针对超超临界机组协调系统分别设计了基于微分代数方程的模型预测控制器和基于多模型的预测控制器。其中,基于微分代数方程的模型预测控制为了消除扰动的影响实现无偏跟踪,输出方程中被加入累积跟踪误差引入积分作用。通过采用Lagrange插值多项式和Radau配置法对过程变量进行离散化,采用Gaussian求积公式将目标函数离散化,并构造对应的配置方程和连续性方程。经此数学变换将原非线性预测控制问题转化为非线性规划问题进行求解。对于多模型预测控制,在对协调系统模型进行非线性度分析的基础上用多模型对其描述,并设计增量形式的预测控制实现负荷无偏跟踪。通过协调系统大范围变工况及模型失配工况时的控制性能和计算时间比较,为后续章节选择多模型预测控制提供依据。(2)为了在协调系统负荷调节动态过程中实现节约燃料量、减少节流损失等经济目标,本文提出两种改进的Utopia点跟踪多目标预测控制算法。算法采用双层结构,改进方案分别在上层求解关于稳态折衷点的拟无穷时域预测控制和模糊控制,利用求得值函数的次优性构造下层Utopia点跟踪多目标预测控制的稳定性约束。改进算法可以保证多目标预测控制算法的可行性,同时提高下层多目标优化的裕度。在此基础上,本文探讨了协调系统的多目标运行模式,仿真表明该算法能够优化协调系统负荷动态调节过程中的经济性。(3)为克服协调系统运行中存在的如煤种变化等不可测因素的影响,本文提出一种基于改进扩张观测器的多模型稳定预测控制。主控制器采用稳定预测控制算法,可以在求解控制作用时显式地考虑约束。改进的扩张状态观测器可以处理超超临界机组协调系统的“直馈”特性,将外部不可测扰动和内部模型不确定性作为集总扰动估计出来,并通过合适的前馈增益补偿掉,以增强预测控制器的扰动抑制能力。通过对协调系统的仿真,验证了算法具有同时处理其强非线性和扰动抑制问题的能力。(4)结合协调系统多目标预测控制和干扰抑制控制相关内容,本文提出一种可行的多目标预测控制抗扰动设计。利用扩张状态观测器对集总扰动进行估计,通过稳态折衷点修正计算消除扰动对稳态点的影响。通过对协调系统的进行仿真实验验证所提算法的有效性。
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