电厂锅炉主汽温模糊控制器的研究与应用

1审稿意见：电厂锅炉主汽温模糊控制器的研究与应用郭峰，王建伟，高澎亮（华北水利水电学院河南郑州450011）摘要：针对火电厂主汽温系统的大滞后、大惯性、非线性等特点，提出了模糊控制的思路，设计了模糊控制模型并与普通PID控制进行了比较。应用Matlab软件进行了仿真研究，从仿真结果中可以看出:模糊控制鲁棒性高、系统响应快,与常规PID控制相比，具有明显的优势.关键词:主汽温；模糊控制；PID控制；Matlab仿真中图分类号:TM273.4文献标识码:ATheResearchandApplicationofFuzzyControllerintheTemperatureControlofSuperheatedSteaminPowerPlantGuoFengWangJianwei(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)Abstract:Consideringthelongtimelag,biginertiaandnonlinearitycharacteristicoffreshsteamtemperature,weapplyfuzzycontrollertothecontrolofboiler'smain-streamtemperature,andpresentsafuzzycontrollingsystemcomparingwithnormalPIDcontrol.CarryingonsimulatebaseonMatlab.Simulationresultsshowthat,fuzzycontrollcanprovideabettercontrolquality,strongerrobustness,quickerspeedthantheconventionalPIDcontrol.Keywords:theMain-streamTemperature,fuzzycontroll,PIDcontrol,MatlabSimulatlon,1．引言火电厂中从汽包出来的蒸汽，经过锅炉烟道中的过热器同高温烟气热交换，在过热器出口所得到的蒸汽温度被称为主蒸汽温度或过热蒸汽温度，简称主汽温度或过热温度[1]。在现代火力发电厂热工控制中，主蒸汽温度是火电厂生产运行中的一个重要检测和控制参数，对电厂的安全经济运行有重大影响。一般中高压锅炉主汽温的暂时偏差不允许超过±10℃长期偏差不允许超过±5℃这个要求对汽温控制系统来说是非常高的。主汽温偏高过高、主汽温偏低都会降低机组的效率，影响机组运行的经济，缩短汽轮机叶的使用寿命[2]。模糊控制是当今控制领域中令人瞩目的控制方法和技术，它通过把专家的经验和要求总2结成若干规则，采用简便、快速、灵活的手段，来完成那些用经典和现代控制手段难以实现的自动化的目标，因而在多个领域中得到越来越广泛的应用。模糊控制器是近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小[3]。本文以此为基础借助于Matlab软件来构建火电厂主汽温控制系统的仿真模型，更好的达到控制效果。2．模型建立及过程的仿真分析2．1数学模型本文所选的是某单元机组容量为300MW的主蒸汽温度，这一具体对象[1]是:(1)主调节区传递函数:301)125(125.1)(ssW(2)导前区传递函数为:202)115(8)(ssW整个主汽温调节系统过程的方框图如图1[4]图1主汽温调节系统过程方框图其中02W--导前区对象传递函数；01W--惰性区对象传递函数；1TW--主调节器传递函数；2TW--副调节器传递函数；2HW导前气温变送器的斜率；1HW主气温变送器的斜率。2．2模糊控制原理过热汽温的模糊控制一般是将图2-1所示的控制系统中主调节器用模糊控制代替，副调节起仍采用P调节器，如图2所示：图2过热器温模糊控制系统结构图32．3模糊控制器结构设计模糊控制器的结构设计[5]实质上是确定模糊控制器的输入语言变量、输出语言变量及模糊控制器的不同组合与扩展问题。对于锅炉主汽温控制系统的设计，这里我们选择的是双输入单输出的二维模糊控制器，模糊控制器的输入量是锅炉过热蒸汽温度与给定值的偏差（即偏差e）和偏差e的变化率ec，输出量是减温水量u。2．4模糊控制器规则设计控制规则的设计[5]是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分，选择描述输入变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。在这里，我们将偏差e所对应的语言变量E、偏差变化率ec所对应的语言变量EC、输出变量u所对应的语言变量U都分为7档:{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，其中对应取E、EC的量化论域为[-6,6]对应取U的量化论域为[-7,7]。隶属函数均为三角形隶属函数，隶属函数曲线图形如图3、4所示。图3E、EC的隶属函数图形图4U的隶属函数图形4基于操作者手动控制策略总结，得出一组由模糊条件语句构成的控制规则，将这些条件语句加以归纳，可建立主汽温系统控制规则的模糊控制状态表（如表1）。表1主汽温系统控制的模糊控制状态表NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB2．4主汽温系统模糊控制仿真及结果2．4.1串级PID控制串级系统与单回路系统的区别在与前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰预先进行调节，从而改善了整个系统的动态品质。一般电厂的主汽温系统采用串级控制，它是利用导前区温度及内回路用P调节器，外回路采用PID调节。经过调节可得仿真参数为(主回路)kp1=2,ki1=0,kd1=74;(内回路)kp1=25，即)7411(21sWT，252TW，121HHWW。仿真结果见图4,(时间轴单位为s，纵轴表示给定值为1的阶跃信号，下同。)图4仿真结果2．4.2模糊控制EEC5首先我们在基于Matlab环境下的“模糊推理系统工具箱”提供的图形用户界面来建立前面所述的模糊推理系统，然后再Simulink环境下建模，所得到的锅炉过热汽温模糊控制系统如图（5）所示。图5锅炉过热汽温模糊控制系统仿真框图仿真参数与PID控制相同(主回路)kp1=2,ki1=0,kd1=74;(内回路)kp1=25，即)7411(21sWT，252TW，121HHWW。仿真结果见图6,图6仿真结果比较图5、图6可以看出，模糊控制系统较之PID控制系统具有很小的调量，稳定时间短，而且系统也不再振荡。3．结论总之，仿真结果表明，模糊控制用于锅炉主汽温的控制具有比常规PID控制更好的控制效果，这也和模糊控制的奠基人Mamdani首先将模糊用于锅炉和蒸汽机的控制并取得成功相吻合。当然在现实的实时控制中，由于还有许多不确定因素，外界干扰加大，甚至还伴随有复杂的过程，因此需要不断调试，还可能修该控制规则等。参考文献:6[1]边立秀、周俊霞等，热工控制系统[M]，北京：中国电力出版社2002，1[2]刘林华等，电站锅炉气温问题的现状及应采取的对策[J]，热能动力工程，1996，NO.5：297～300[3]陶永华、尹怡新、葛芦生，新型PID控制及其应用[M]，北京:机械工业出版社1998[4]白晓旭，模糊控制器的研究及其在主汽温系统中的应用[D]，华北电力大学2006[5]章卫国、杨向忠，模糊控制理论与应用[M]，西安:西北工业大学出版社1999[6]李士勇，模糊控制、神经控制和智能控制论[M]，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社1998[7]林梅金，模糊PID控制器在火电厂主汽温控制中的应用[J]，中国动力工程学报，2005，NO.2:231～234