[发明专利]基于扰动抑制广义预测控制的SCR脱硝系统控制方法

权利要求书

1.一种基于扰动抑制广义预测控制的SCR脱硝系统控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)采用控制时域内的控制序列使得广义预测控制的性能指标函数最小化，即：

式中，J为广义预测控制的性能指标，为基于当前t时刻及以前时刻的已知数据对系统进行t+j时刻的预测值；Δu(t+j-1)为t+j-1时刻的控制增量，Δ＝1-z^-1为差分算子；N₁与N₂分别为预测开始及结束时刻；N_u为控制时域；μ(j)与λ(j)分别是在相应时域内对将来的跟踪误差以及控制增量幅度进行惩罚的加权序列；r(t+j)为参考设定值序列，取设定点或者取从被控量的当前输出向已知参考值的经过滤波器的平滑过渡值；

(2)建立并优化被控量预测方程；

式中：为输出预测向量，Δu为控制输入增量向量简记，Δδ为扰动增量向量简记，x为自由响应系数向量简记，G_p，Ω_p，F分别为基于已知控制输入量、扰动量以及输出量对未来输出量影响贡献的多项式矩阵，Δu_c，Δδ_c，y_c分别为已知控制输入量系列、扰动量序列以及输出量序列；

(3)将步骤(2)中优化后的被控量预测方程代入步骤(1)中的性能指标函数式中，并经整理得到：

J＝Δu^T(Λ+G^TG)Δu+2(G_pΔu_c+Fy_c+ΩΔδ+Ω_pΔδ_c-r)^TGΔu+(G_pΔu_c+Fy_c+ΩΔδ+Ω_pΔδ_c-r)^T(G_pΔu_c+Fy_c+ΩΔδ+Ω_pΔδ_c-r)

其中，T为矩阵转置运算符号，r＝[r(t+τ+1) r(t+τ+2) … r(t+τ+N₂)]^T为设定值序列，Λ为对将来的跟踪误差进行惩罚的加权对角矩阵，维数为N₂×N₂，对角元素为λ(j)，对于脱硝这样的单变量系统，令μ(j)为常数1，仅对λ(j)作调整，通过最小化该性能指标函数来求解优化控制输入指令序列Δu，有控制增量序列表达式：

Δu＝P^-1G^T(r-Fy_c-G_pΔu_c-ΩΔδ-Ω_pΔδ_c)

其中，P＝Λ+G^TG，采用所求控制增量序列Δu中第一个元素参与控制，记矩阵P^-1的第一行向量为p，则需要的控制增量值Δu(t)＝pG^T(r-Fy_c-G_pΔu_c-ΩΔδ-Ω_pΔδ_c)；

(4)计算控制增量值Δu(t)，已知信息包括当前的参考值r(t)、输出y(t)、输入增量Δu(t)及扰动信息Δδ(t)，控制增量值Δu(t)的计算式为：

Δu(t)＝l(z)r(t)+s(z)y(t)+q(z)Δu(t)+(σ_p(z)+σ_c(z))Δδ(t)

其中，

s(z)＝-pG^TF＝s₁+s₂z^-1+…+s_na+1z^-na

q(z)＝-pG^TG_p＝q₁z^-1+q₂z^-2+…+q_nb+τz^-(nb+τ)

式中，l₁，l₂，…，s₁，s₂，…，s_na+1，q₁，q₂，…，q_nb+τ为多项式系数，na，nb分别为CARIMA模型中多项式A，B的阶次，σ_p(z)是包含扰动的过去信息-pG^TΩ_p的系数多项式，σ_c(z)是包含扰动的将来信息-pG^TΩ的系数多项式，其形式由输入到输出延时τ与扰动到输出延时τ_D之间的大小关系确定，具体形式如下：

式中，为多项式系数，nc为CARIMA模型中多项式C的阶次，并根据包含扰动的过去信息-pG^TΩ_p的系数多项式σ_p(z)和包含扰动的将来信息-pG^TΩ的系数多项式σ_c(z)给出带可测扰动的广义预测控制结构图；

(5)对参考设定进行过渡处理，增加设定值滤波器，参考设定的过渡值通过采用闭环系统动态特性与期望的设定值动态过渡过程之间的计算得出：其中f取值在0与1之间；

(6)将喷氨量与烟气量的比值设计为控制输入量，将风煤比设计为可测扰动，借鉴BTU热值校正思想，设计催化性能校正策略，对计算得到的控制输入信号进行慢速积分修正，以应对催化剂性能逐渐减弱对脱硝控制系统造成的影响。

2.根据权利要求1所述的基于扰动抑制广义预测控制的SCR脱硝系统控制方法，其特征在于：步骤(2)中所述的建立并优化被控量预测方程的具体方法是：

步骤(1)中所述的性能指标函数式中基于当前t时刻及以前时刻的已知数据对系统进行t+j时刻的预测值Δu(t+j-1)的计算涉及到如下受控自回归滑动平均模型(CARIMA)：

上式中，δ(t)为t时刻的可测扰动；y(t)为当前t时刻的预测输出；u(t-1)为t-1时刻的控制输入；e(t)为零均值白噪声；A，B与C分别是关于后移算子z^-1的多项式；τ与τ_D分别是输入到输出和扰动到输出的基于采样时间的滞后步长，等式右边第二项为可测扰动影响项，简记为预测方程具体如下表述：

式中，为输入到输出的阶跃响应系数；Ω为扰动到输出的阶跃响应系数矩阵；为被控系统的自由响应系数；

简记输入到输出的阶跃响应系数矩阵为G，简记输出预测向量为简记控制输入增量向量为Δu，简记扰动增量向量为Δδ，简记自由响应系数向量为x，预测方程重新表述为以下表达式：Δτ的正负决定扰动矩阵Ω不同的三种形式，其中Δτ＝τ-τ_D，具体形式为：

式中，ω_i为扰动到输出的阶跃响应系数，矩阵Ω的维数为N₂×N₂；

自由响应系数向量x为已知输入量、已知扰动量和已知输出量对未来输出量的影响之和，故x写成x＝G_pΔu_c+Ω_pΔδ_c+Fy_c，其中G_p，Ω_p，F分别为基于已知控制输入量、扰动量以及输出量对未来输出量影响贡献的多项式矩阵，Δu_c，Δδ_c，y_c分别为已知控制输入量系列、扰动量序列以及输出量序列，于是预测方程再次改写为：