鄔方磊

摘 要：電廠實(shí)現(xiàn)熱力過程自動化，能使機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。鍋爐是火力發(fā)電廠最重要的生產(chǎn)設(shè)備，過熱蒸汽溫度控制是鍋爐控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。

本文從理論上研究了模糊-PID控制器在控制方面的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合整套控制系統(tǒng)的模糊-PID控制器。以誤差和誤差變化率為輸入， 利用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)了對參數(shù)的在線自動整定， 并且在MATLAB環(huán)境下對該控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。

關(guān)鍵詞：過熱蒸汽溫度；模糊-PID控制器；仿真

1 電廠鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的分析

影響蒸汽溫度的主要因素有減溫水給水量的變化，給水量的多少直接影響了最后出來的蒸汽溫度，如果蒸汽溫度過熱就會損害過熱器和高壓力汽輪機(jī)，太低也不行，因?yàn)樗鼤档碗姀S效率的。除了這個干擾因素外還有過熱蒸汽流量的變化，煙氣溫度的變化，過熱器熱交換性能的變化。各種擾動因素又相互影響，控制其中任何一個都可以實(shí)現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。本文通過對減溫水流量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。

電廠鍋爐蒸汽在工作時(shí)，當(dāng)減溫水發(fā)生擾動時(shí)，汽溫的延遲時(shí)間τ一般在30到60秒之間，而時(shí)間常數(shù)Tc一般在100秒左右。而過熱蒸汽流量的變化與煙氣溫度的變化，發(fā)生擾動時(shí)汽溫的延遲時(shí)間和時(shí)間常數(shù)比減溫水發(fā)生擾動時(shí)的小，因而對于控制過熱蒸汽溫度的動態(tài)特性而言，選擇過熱蒸汽流量與煙氣溫度作為控制量比較好，但是實(shí)際卻很困難，尤其是過熱蒸汽流量是由用戶決定，所以不能作為控制量。

雖然以減溫水的流量作為被控對象的特性不是很理想，但是噴水減溫對過熱器的安全運(yùn)行比較有利，所以目前還是廣泛地把減溫水流量作為控制過熱蒸汽溫度的控制對象。

2 鍋爐蒸汽溫度模糊-PID控制器的設(shè)計(jì)

電廠的鍋爐蒸汽溫度具有大滯后，大慣性等特性，為了能得到較好的控制性能，我們選取減溫水的給水流量作為過熱蒸汽的被控對象，通過控制減溫水的閥門開度，使過熱蒸汽溫度能在比較理想的溫度保持穩(wěn)定或者在極小的范圍之內(nèi)發(fā)生變化。

根據(jù)在減溫水流量發(fā)生擾動時(shí)，我可以測得汽溫T的溫度，然后通過溫度變送器TT把測得的汽溫送到溫度控制器TC，在溫度控制器中已設(shè)置好了期望溫度，對期望溫度與測得的汽溫T進(jìn)行比較，通過兩者之間比較的結(jié)果產(chǎn)生的差值再送入系統(tǒng)當(dāng)中來控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。

設(shè)計(jì)完整體控制系統(tǒng)框圖后，還要選取適當(dāng)?shù)臋z測、變送器，只有選取正確的器件才能使誤差盡量控制在小的范圍之內(nèi)。

控制理論已經(jīng)證明，對單回路定值控制系統(tǒng)這樣的定值閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，當(dāng)控制器放大倍數(shù)較大時(shí)或者含有積分因子時(shí)，其穩(wěn)態(tài)誤差在擾動不變的情況下主要取決于反饋通道即測量誤差的大小。

對測量信號還要進(jìn)行校正，對電廠過熱蒸汽溫度測量時(shí)，通常使用標(biāo)準(zhǔn)溫度組件。在設(shè)計(jì)參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，這種溫度裝置的測量精度較高，當(dāng)參數(shù)偏離給定值時(shí)，測量誤差較大，其主要原因是蒸汽溫度受壓力與流量的影響，為此對其測量信號進(jìn)行壓力和流量校正。

在控制過程中對檢測與變送裝置的響應(yīng)速度也有一定的要求。檢測與變送裝置都有一定的時(shí)間常數(shù)，會造成控制系統(tǒng)中的檢測滯后于變送滯后，這樣會使測量值與真實(shí)值之間產(chǎn)生一定的差異，會影響控制性能。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要選取響應(yīng)快速的檢測與變送裝置。

設(shè)計(jì)所采用的仿真軟件是MATLAB6.5，它可以通過模塊化計(jì)算、可視化、智能化的人機(jī)交互功能對系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。

本次設(shè)計(jì)用到的MATLAB中的編輯器分別有：模糊推理系統(tǒng)編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、輸出量曲面觀測窗。

運(yùn)用MATLAB的編輯器對系統(tǒng)進(jìn)行模糊推理的設(shè)計(jì)。

1）通過模糊推理系統(tǒng)編輯器設(shè)計(jì)模糊控制器的輸入、輸出接口：

整個系統(tǒng)的輸入變量為e，模糊控制器的輸入變量分別為e和ec，而模糊控制器的輸出變量是與常規(guī)PID控制器的Kp、Ki、Kd相疊加，所以它的輸出變量也為Kp、Ki、Kd。

本次設(shè)計(jì)采用的模糊推理系統(tǒng)的類型為Mamdani（曼達(dá)尼型），它是一個雙輸入-三輸出的二維模糊推理系統(tǒng)。

2）通過隸屬函數(shù)編輯器對模糊控制器隸屬函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文模糊控制器所用的隸屬函數(shù)均為三角形隸屬函數(shù)，e、ec的論域范圍都為[-60，60]，而Kp、Ki、Kd的論域都為[-3，3]。

而e、ec、Kp、Ki、Kd的模糊論域分別為：

e=ec=Kp=Ki=Kd={nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}

可以對隸屬函數(shù)的名稱、類型、變量取值范圍進(jìn)行設(shè)置，還可以增加覆蓋輸入量模糊子集的數(shù)目與調(diào)整模糊子集的分布。

3）通過模糊規(guī)則編輯器對模糊規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)好隸屬函數(shù)之后，基于隸屬函數(shù)的取值范圍，要設(shè)計(jì)出一套符合整套系統(tǒng)控制的模糊控制規(guī)則。

設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，一般都是通過模糊用語言來實(shí)現(xiàn)的，通過選取合適的模糊語言構(gòu)成符合控制性能的模糊條件語句，形成模糊規(guī)則控制庫來調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的控制，使其達(dá)到很好 控制性能。

根據(jù)本文e、ec、Kp、Ki、Kd所選擇的模糊論域，我們設(shè)計(jì)出如下的控制規(guī)則。

If e is nb and ec is nb，then Kp is pb and Ki is nb and Kd is ps

If e is nb and ec is nm，then Kp is pb and Ki is nb and Kd is ns

If e is nb and ec is ns，then Kp is pm and Ki is nm and Kd is nb

If e is nb and ec is zo，then Kp is pm and Ki is nm and Kd is nb

…………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………

（48） If e is pb and ec is pm，then Kp is nb and Ki is pb and Kd is ps

（49） If e is nb and ec is pb，then Kp is nb and Ki is pb and Kd is pb

模糊規(guī)則其實(shí)也可以說是一種與數(shù)學(xué)表達(dá)式相似的微分方程，只是這種微分方程是用模糊語言所表達(dá)的。

3 結(jié)論

維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)是鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的主要任務(wù)?，F(xiàn)在國內(nèi)的大多數(shù)電廠還是采用依靠操縱人員的經(jīng)驗(yàn)對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)。這種控制方式不僅存在極大的安全問題，而且也會大大降低電廠的工作效率。

本文針對電廠現(xiàn)在存在的這一現(xiàn)象，對過熱蒸汽溫度系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論研究。并對仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得到的結(jié)論是模糊-PID的控制性能要優(yōu)于傳統(tǒng)PID單回路控制。

參考文獻(xiàn)

[1]XiangJie Liu，JiZhen Liu.Neuro-fuzzy generalized predictive control of boiler steam temperature[J].Journal Of Control Theory and Applications，2007，5（1）：83 ～88.

[2]Isidro Sanchez，Julio R Banga，Antonio A Alonso.Temperature control inmiorowave combination ovens[J].Journal of food Engineering，2000，15（2）：21 ～29.

[3]付新河.火電廠鍋爐蒸汽溫度控制方案的探討[J].廣東電力，2007，20（5）：8 ～10.

[4]吳錫生，王士同.工業(yè)鍋爐汽溫控制算法分析與實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表，2004，10（3）：11 ～14.