本發(fā)明涉及一種用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法,屬于模型預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，隨著中國電力建設(shè)的迅速發(fā)展,大氣和酸雨污染日益嚴重。特別是近年來,大城NOx污染嚴重,區(qū)域性NOx污染逐漸加劇。根據(jù)中國公布實施的《火電廠大氣污染物排放標準》，火力發(fā)電鍋爐氮氧化物排放最高允許限值為100mg/Nm3，高效的解決氮氧化物的排放已經(jīng)是一個很重要的課題。

SCR出口NOx濃度是一項很重要的控制指標，過高的出口NOx會導(dǎo)致最后排出的煙氣中含的氮氧化物濃度高。目前多采用常規(guī)PID對出口NOx濃度進行控制，對于精確的、不變的數(shù)學(xué)模型，PID能夠有效的控制，但是脫硝控制系統(tǒng)是一個大遲延、非線性、時變的控制系統(tǒng)，當(dāng)被控對象發(fā)生變化時，PID控制不能有效的滿足對象的性能。使用模型預(yù)測出口NOx濃度值是一個不錯的研究方向。支持向量機作為一種強大的機器學(xué)習(xí)方法，能夠解決樣本小、非線性、高維度的實際問題。

在實際工程中，出口NOx濃度控制用的是傳統(tǒng)的PID控制，當(dāng)工況變化時不能滿足控制要求，而現(xiàn)有的軟測量技術(shù)建立的都是離線的靜態(tài)模型，在工況不變時，效果可以，但是當(dāng)工況變化時，誤差就會有比較大的波動，本方法把以前的預(yù)測值返回到輸入可以增加模型的準確性。結(jié)合支持向量機回歸算法的軟測量系統(tǒng)，能夠解決脫硝控制系統(tǒng)中因為大遲延造成的控制不及時的問題，并且不用擔(dān)心因為建模困難造成的數(shù)學(xué)模型未知的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問題的用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法，本發(fā)明分析與出口NOx濃度值相關(guān)的輔助變量，現(xiàn)場儀表記錄數(shù)據(jù)；接收到的數(shù)據(jù)上傳到DCS中，然后DCS把數(shù)據(jù)輸入到計算機中，并且接受計算機返回的出口NOx濃度預(yù)測值，構(gòu)成閉環(huán)回路；計算機內(nèi)設(shè)置了支持向量機模型分析模塊，通過支持向量機建模，并把結(jié)合支持向量機回歸算法的出口NOx濃度值估計出來，得到當(dāng)前時刻的預(yù)測值，并且返回到DCS中。

需要選取的輔助變量為：鍋爐負荷(MW)、磨煤機給煤量(t/h)、二次風(fēng)擋板開度(％)、燃盡風(fēng)擋板開度(％)、風(fēng)箱與爐膛差壓(ΔP/Kpa)、SCR入口NOx濃度(mg/m³)。

SCR的英文全稱是Selective Catalytic Reduction，SCR中文名稱是：選擇性催化還原技術(shù)。SCR催化還原技術(shù)是把煙氣中的NOx通過催化劑轉(zhuǎn)換成對人體沒有危害的N2和H2O，通常電廠中催化劑選用TiO2作為載體的V2O2或MoO2，溫度通常在300℃到420℃之間，因為催化劑所需的溫度，所以反應(yīng)器放在省煤器和空預(yù)器之間，選用液氨為還原劑，液氨蒸發(fā)以后與通過稀釋風(fēng)機后的空氣混合，而后經(jīng)分配格柵送到反應(yīng)器中與NOx進行混合。

NOx的英文全稱是nitrogen oxides，NOx中文名稱是：氮氧化物。氮氧化物即氮和氧的結(jié)合物，包括很多種，例如一氧化氮、二氧化氮。

PID的英文全稱是Proportion Integration Differentiation，PID中文全稱是：比例積分微分，PID由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。是使被控對象的特性滿足實際的需要。

DCS的英文全稱是Distributed Control System，DCS中文全稱是：分布式控制系統(tǒng)，在中國又稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制的技術(shù)，是用到分散控制，集中操作，配置靈活以及組態(tài)的便利。

本發(fā)明的用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法首先是對計算機中的模型預(yù)測模塊輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，訓(xùn)練樣本過大里面一定有冗余信息，也會增加計算量，選擇更少的數(shù)據(jù)能代表絕大部分的工況是很重要的，具體包括以下步驟：

(1)采用的是基于相似度函數(shù)的方法優(yōu)化，相似度函數(shù)為：

式中，x_j＝R^m,i＝1,2,3,...n為數(shù)據(jù)樣本；m為數(shù)據(jù)樣本的維數(shù)；n為樣本個數(shù)，||·||是矩陣二范數(shù)；δ為歸一化參數(shù)；F_ij表示第i組數(shù)據(jù)和第j組數(shù)據(jù)之間的相似度。

Xi和xj為一個變量不同時刻下的第i和第j個值，Rm中m為數(shù)據(jù)的樣本維數(shù)，R為樣本的數(shù)據(jù)是實數(shù)。

針對數(shù)據(jù)信息，選取歸一化參數(shù)δ，公式為：

公式中D_j為第i組數(shù)據(jù)，m為每組數(shù)據(jù)中的個數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)標準化：

數(shù)據(jù)進行標準化化更有利于支持向量機的計算，而且每個變量的量綱不一樣，如果不處理就輸入的話就會出現(xiàn)很大的誤差，這里選用的標準化方法為：

公式中y為樣本數(shù)據(jù)x經(jīng)過標準化后的數(shù)據(jù)，x_min和x_max為樣本的最大最小值，y_max和y_min是已經(jīng)定義的兩個數(shù)，一般設(shè)為-1,1，y是標準化以后的數(shù)據(jù)。

(3)確定支持向量機的核函數(shù)和估計算法，然后建立支持向量機軟測量模型對出口NOx濃度值進行預(yù)測。

將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，將輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和標準化，輸入到軟測量模型中建立回歸預(yù)測模型。選用的核函數(shù)為徑向基核函數(shù)，估計算法為最小二乘法。

最小二乘支持向量機的函數(shù)為：

上式中ω為置信空間，對模型的復(fù)雜度進行控制，b為可調(diào)參數(shù)，為了使J達到最小，c>0為誤差懲罰函數(shù)，ξ為實際值與最小二乘支持向量機函數(shù)輸出的誤差。

ω^T中的T代表是ω的轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置的含義：設(shè)A為m×n階矩陣(即m行n列)，第i行j列的元素是a_ij，即：A＝(aij)_m×n；有這樣一個n×m階矩陣B，滿足B＝(a_ji)，即b_ij＝aji；

x_i為樣本輸入的第i個數(shù)據(jù)；

是把數(shù)據(jù)x_i映射到高維空間以后的數(shù)值；

s.t.是約束條件；

y_i為樣本輸出的第i個數(shù)據(jù)；

m是樣本的個數(shù)；

通過上式的對偶形式求其最優(yōu)解，對偶形式能夠根據(jù)目標函數(shù)和約束條件建立拉格朗日函數(shù)

根據(jù)優(yōu)化條件：

可得：

式中：α_i＝cξ_i

定義核函數(shù)K(x,x_i)＝Φ(x)^T·Φ(x_i)代替非線性映射，其中Φ(x)為輸入向量到高維空間的非線性映射函數(shù)，根據(jù)上式將街優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程：

最后得到最小二乘支持向量機的估計函數(shù)即軟測量模型為：

上式中的K(x,x_i)為任意滿足Mercer條件的對稱函數(shù)這里選用徑向基函數(shù)為核函數(shù),徑向基函數(shù)為：

K(x,x_i)＝exp(-(x-x_i)²/2σ²)

上式中x_i為核函數(shù)的中心，σ為核函數(shù)的寬度，根據(jù)最小二乘支持向量機法得到軟測量模型，把處理好的數(shù)據(jù)輸入到模型中得到預(yù)測模型，得到預(yù)測的SCR出口NOx濃度值，然后返回到DCS中。

L代表拉格朗日函數(shù)；

α為拉格朗日乘子，

α_i＝cξ_i，c>0為誤差懲罰函數(shù)，

ξ_i為第i個數(shù)據(jù)實際值與最小二乘支持向量機函數(shù)輸出的誤差。

ω^T中的T代表是ω的轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置的含義：設(shè)A為m×n階矩陣(即m行n列)，第i行j列的元素是a_ij，即：A＝(aij)_m×n；有這樣一個n×m階矩陣B，滿足B＝(a_ji)，即b_ij＝aji。

本發(fā)明的優(yōu)點是：采用先進的支持向量機算法回歸SCR出口NOx濃度值，能夠快速、有效的測量出當(dāng)前值，并且能夠得到未來一段時間NOx的變化。支持向量機用到的樣本數(shù)據(jù)少，計算速度快、泛化能力強，能夠快速有效的預(yù)測出SCR出口NOx濃度值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法的說明示意圖；

圖2是本發(fā)明所述用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法的數(shù)據(jù)處理流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。本發(fā)明的用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法首先是對計算機中的模型預(yù)測模塊輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，訓(xùn)練樣本過大里面一定有冗余信息，也會增加計算量，選擇更少的數(shù)據(jù)能代表絕大部分的工況是很重要的，具體包括以下步驟：

(1)采用的是基于相似度函數(shù)的方法優(yōu)化，相似度函數(shù)為：

式中，x_j＝R^m,i＝1,2,3,...n為數(shù)據(jù)樣本；m為數(shù)據(jù)樣本的維數(shù)；n為樣本個數(shù)，||·||是矩陣二范數(shù)；δ為歸一化參數(shù)；F_ij表示第i組數(shù)據(jù)和第j組數(shù)據(jù)之間的相似度。

Xi和xj為一個變量不同時刻下的第i和第j個值，Rm中m為數(shù)據(jù)的樣本維數(shù)，R為樣本的數(shù)據(jù)是實數(shù)。

針對數(shù)據(jù)信息，選取歸一化參數(shù)δ，公式為：

公式中D_j為第i組數(shù)據(jù)，m為每組數(shù)據(jù)中的個數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)標準化：

數(shù)據(jù)進行標準化化更有利于支持向量機的計算，而且每個變量的量綱不一樣，如果不處理就輸入的話就會出現(xiàn)很大的誤差，這里選用的標準化方法為：

公式中y為樣本數(shù)據(jù)x經(jīng)過標準化后的數(shù)據(jù)，x_min和x_max為樣本的最大最小值，y_max和y_min是已經(jīng)定義的兩個數(shù)，一般設(shè)為-1,1，y是標準化以后的數(shù)據(jù)。

(3)確定支持向量機的核函數(shù)和估計算法，然后建立支持向量機軟測量模型對出口NOx濃度值進行預(yù)測。

將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，將輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和標準化，輸入到軟測量模型中建立回歸預(yù)測模型。選用的核函數(shù)為徑向基核函數(shù)，估計算法為最小二乘法。

最小二乘支持向量機的函數(shù)為：

上式中ω為置信空間，對模型的復(fù)雜度進行控制，b為可調(diào)參數(shù)，為了使J達到最小，c>0為誤差懲罰函數(shù)，ξ為實際值與最小二乘支持向量機函數(shù)輸出的誤差。

ω^T中的T代表是ω的轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置的含義：設(shè)A為m×n階矩陣(即m行n列)，第i行j列的元素是a_ij，即：A＝(aij)_m×n；有這樣一個n×m階矩陣B，滿足B＝(a_ji)，即b_ij＝aji；

x_i為樣本輸入的第i個數(shù)據(jù)；

是把數(shù)據(jù)x_i映射到高維空間以后的數(shù)值；

s.t.是約束條件；

y_i為樣本輸出的第i個數(shù)據(jù)；

m是樣本的個數(shù)；

通過上式的對偶形式求其最優(yōu)解，對偶形式能夠根據(jù)目標函數(shù)和約束條件建立拉格朗日函數(shù)：

根據(jù)優(yōu)化條件：

可得：

式中：α_i＝cξ_i

定義核函數(shù)K(x,x_i)＝Φ(x)^T·Φ(x_i)代替非線性映射，其中Φ(x)為輸入向量到高維空間的非線性映射函數(shù)，根據(jù)上式將街優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程：

最后得到最小二乘支持向量機的估計函數(shù)即軟測量模型為：

上式中的K(x,x_i)為任意滿足Mercer條件的對稱函數(shù)這里選用徑向基函數(shù)為核函數(shù),徑向基函數(shù)為：

K(x,x_i)＝exp(-(x-x_i)²/2σ²)

上式中x_i為核函數(shù)的中心，σ為核函數(shù)的寬度，根據(jù)最小二乘支持向量機法得到軟測量模型，把處理好的數(shù)據(jù)輸入到模型中得到預(yù)測模型，得到預(yù)測的SC R出口NOx濃度值，然后返回到DCS中。

L代表拉格朗日函數(shù)；

α為拉格朗日乘子，

α_i＝cξ_i，c>0為誤差懲罰函數(shù)，

ξ_i為第i個數(shù)據(jù)實際值與最小二乘支持向量機函數(shù)輸出的誤差。

ω^T中的T代表是ω的轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置的含義：設(shè)A為m×n階矩陣(即m行n列)，第i行j列的元素是a_ij，即：A＝(aij)_m×n；有這樣一個n×m階矩陣B，滿足B＝(a_ji)，即b_ij＝aji。

圖1是本發(fā)明所述用于脫硝控制系統(tǒng)的軟測量方法的說明示意圖；圖2為數(shù)據(jù)處理的流程，首先輸入數(shù)據(jù)，因為數(shù)據(jù)信息較大，并且有很多的冗余信息，所以用樣本優(yōu)化來進行篩選，能夠用更少的數(shù)據(jù)來代表所有的信息；不同的物理量有不同的單位，不同單位的數(shù)值是不能進行計算的，所以要對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進行標準化，都統(tǒng)一到一個標準下來進行計算；處理完后數(shù)據(jù)進入到最小二乘支持向量機預(yù)測模型中，能夠?qū)ο乱粋€時刻的出口NOx濃度值進行預(yù)測。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。