预测控制及其在热工过程控制中的应用

预测控制及其在热工过程控制中的应用
摘要:本文针对预测控制技术的基本原理进行了简要分析，之后探讨了其当前应
用情况，尤其是在热工过程中的使用，之后总结了其未来的研究方向，想可以给
相关工作的开展提供一些参考。

关键词:预测控制技术；热工过程；
对于电网来说，在热工过程中使用自动化技术能够大幅提高经济效益，并且对于保证设
备安全性的作用是非常明显的，对于减轻人们的劳动压力、改善工作人员的工作环境作用是
非常明显的。

目前人们对电能的使用需求还在不断扩大，这也就推动了电力系统的复杂化发展。

在这个过程当中，其安全性和经济性也就成为非常重要的两项内容，并且很多学者也都
提高了对这项内容的探讨力度。

本文首先简要介绍了预测控制技术的原理，之后对其应用情
况和研究方向进行了简要分析。

一、关于预测控制技术的原理分
预测控制技术最早出现于上个世纪的七十年代，经过了一段时间的发展，其现在已经较
为完善了，使用效果较好，并且随着理念的不同其也派生出很多类型的理论，举例来说，约
束算法和非线性算法都是其中已经比较完善的类型。

Mpc的算法很多，但其实关键要素是一
直的，分别是模型预测、滚动优化以及反馈矫正，但是其技术在实际应用当中是否能达到相
应的效果，其实也依赖这三个要素能否正常发挥作用。

总体上来说，最为常见的预测控制系
统结构如图1所示。

图1 预测控制系统典型结构
二、预测控制技术在电厂热工过程中的应用
（一）过热汽温控制
一般来说，火电厂锅炉蒸汽温度控制以改变减温水量作为手段。

因为大惯性、大延迟以
及时变性的特点，再加上该过程的动态特性会因为运行工况的变化作出相应的改变，因此人
们往往在过热汽温控制中运用各种先进控制措施，如预测控制和神经网络PID控制等。

业内
众多专家就预测控制在过热过程中的应用进行研究，提出了建立在变结构基础上的MPC算法，并综合反馈控制以及最优控制，研究出新型的最优预测控制技术等。

（二）单元机组负荷控制
作为参数慢时变、非线性与大惯性并存的多变量系统，电厂锅炉的汽机发电单元当遭遇
大范围的负荷改变时，就会出现协调控制系统运行缓慢的情况，因此需要采用模型预测控制
技术。

基于控制输入受到的约束问题，很多学者在单元机组的负荷控制研究中引入了多变量
约束MPC算法，为过程的实现提供了可能。

该算法具有操作简单、控制能力良好以及在线计算量小的优点。

此外，还有学者综合了模糊控制与预测控制技术，研发出模糊预测控制器，
这为消除非线性以及大时滞的不良影响提供了有效的方法与途径。

（三）主蒸汽压力控制
衡量蒸汽品质的其中一个指标就是主蒸汽压力，如果汽压的波动幅度大，汽轮机组和锅
炉的运行将受到影响。

而影响汽压扰动的主要因素包括燃料量的扰动以及汽轮机组的汽量扰动。

所以，为了确保汽轮机组和锅炉在既安全又经济的状况下运行，就必须控制好蒸汽压力
品质。

凶此，连续时间广义预测控制技术就被运用到电厂锅炉汽机系统的汽压控制过程中，
这种预测技术相对于普通技术来说具有明显的优越性。

此外，也可以利用阶梯式控制技术对
锅炉主蒸汽压力进行广义预测控制。

（四）锅炉水位控制
通常来说，锅炉水位系统的变化具有变参数、纯延迟的特点，还会出现虚假水位的状况。

如果采用常规的控制系统，结果一般并不理想。

因此，可以在汽包水位系统中运用阶梯式广
义预测控制技术，其不但可以提高控制精度，而且可以减缓凋节器的输出波动。

有其他学者
提出使用汽包水位MPC预测技术。

实验证明，这种技术比常规控制方案更加理想，控制效果长期有效。

（五）制粉系统控制
磨煤机制粉系统在实现自动控制时往往会受到大时滞、大惯性以及多变量强耦合和时变
性等因素的影响。

因此，为了实现该系统的自动控制，必须消除上述因素对磨煤机制粉系统
的影响。

于是有学者提出了建立神经网络预测模型，并将其运用于制粉系统球磨机。

实验证明，该技术方法抗干扰能力非常强，且具有较强的鲁棒性。

三、未来一段时间内预测控制技术的发展方向分析
经过一段时间的发展，预测控制技术的理论正在不断发展完善，随着技术的不断成熟，
其种类也会越来越多，并且在应用过程中还会不断完善。

但从另一方面我们也应该看到当前
阶段的mpc算法其实是有瑕疵的，很多理论仍然还无法应用到实际的工作当中，在未来一段时间之内，其研究和发展方向主要体现在以下几个方面
（一）提高稳定性和鲁棒性
其实从mpc技术诞生到现在，其理论已经得到了较为长足的进步，但是目前对于鲁棒性
和稳定性的研究仍然是一个短板。

首先对于参数的设计上我们也应该加强对其稳定性和鲁棒
性进行有效分析。

（二）重视技术的创新
总体上来说mpc算法在当前已经是较为完善了，但是在应用领域仍然存在严重不足，这
就需要我们结合现有的相关理论，探讨新的算法。

前文已经提到，mpc技术本的三个关键要
素是是滚动优化、反馈矫正以及模型预测，这可以说已经将整个mpc技术固化了起来，所以
如果我们想要针对技术进行创新，就需要我们首先突破这个旧有的框架，并且借助先进的理
论加以整合，例如融入模糊控制或者网络神经等方面的技术内容，推动其走向智能化。

（三）视理论的实际应用与高性能软件的开发
虽然预测控制理论成熟，但是有关电厂热工过程中的预测控制技术应用还较少，基本上
多属于理论阶段或试验阶段。

此外，我国目前预测控制的相关软件开发还相对较少，和发达
国家相比显得落后。

因此，重视理论应用与高性能软件的开发意义非凡，不但能促进我国电
厂热工控制技术的不断发展，还将拥有广阔的产业与市场前景。

所以，加强理论应用和软件
开发也是我国预测控制技术未来的重要发展方向。

四、结语
经过前文总结，我们不难发现，热工过程中的对象由于具有较强的动态性所以正常来说
是无法建立一个精确的数学模型，并且由于其延迟过高，耦合性较强，都给其研究带来了很
大的困难。

这样看来，现在mpc等算法在控制过程的那个汇总的应用越来越广泛，并且在应
用中也已经得到了一定的成果，然而我们也不能否认其中仍然存在着一些不足，总体上来说，这项技术现在仍然处于不断完善之中，所以其应用前景会越来越广阔。

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