王 剛，陸海榮，白緒濤，張曉晨

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

模糊自適應(yīng)PID控制在主汽溫控制中的應(yīng)用研究

王 剛，陸海榮，白緒濤，張曉晨

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

因常規(guī)的PID控制在對(duì)大滯后、大慣性、非線性復(fù)雜過程進(jìn)行控制時(shí)，在穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)速度上都難以滿足較高的控制要求，因而提出基于模糊控制理論設(shè)計(jì)的具有自調(diào)整能力的模糊PID控制，并對(duì)2種控制方式下的主蒸汽溫度控制進(jìn)行仿真比較。結(jié)果表明：模糊PID控制的調(diào)節(jié)效果要優(yōu)于常規(guī)PID控制。

模糊PID控制；主蒸汽溫度；主汽溫調(diào)節(jié)器

0 引言

電站主蒸汽溫度(以下簡(jiǎn)稱“主汽溫”)是影響電力生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)之一，也是整個(gè)電站汽水循環(huán)中最高溫度的點(diǎn)。主汽溫過高，則容易燒壞過熱器，使管道和汽輪機(jī)內(nèi)某些零件產(chǎn)生過大的熱膨脹而變形毀壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行；主汽溫過低，不僅會(huì)增加燃料消耗量、降低機(jī)組熱效率，而且會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增加，造成末級(jí)葉片侵蝕加劇。如果主汽溫變化過大，還會(huì)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸脹差變化，甚至導(dǎo)致劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全。因此，主汽溫必須維持在一定的范圍內(nèi)，以保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

在汽水循環(huán)過程中，主蒸汽經(jīng)汽包汽水分離后通過過熱器的低溫段，至減溫器，再通過過熱器的高溫段，最后送至汽輪機(jī)。通常鍋爐采用噴水減溫的方式來控制過熱器出口的主蒸汽溫度。影響主汽溫變化的主要因素包括蒸汽流量(負(fù)荷)、煙氣傳熱量和減溫水流量等。

在上述影響主汽溫變化的任何一種因素的擾動(dòng)下，汽溫的階躍響應(yīng)都會(huì)存在遲延、慣性、自平衡的特性。同時(shí)在噴水減溫系統(tǒng)中，減溫水流量的擾動(dòng)最為強(qiáng)烈，對(duì)此段的溫度控制要求要比對(duì)高溫段出口的要求低，在常規(guī)的控制方案中一般只作副參數(shù)考慮。

2 主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)控制方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、工作可靠且具備較強(qiáng)的抗干擾能力，因而廣泛應(yīng)用在電站主汽溫控制中。

2.1 主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)原理

主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的蒸汽流量和減溫水量中起主要作用，針對(duì)汽溫階躍響應(yīng)慣性延遲較大而被調(diào)量反應(yīng)快速的特點(diǎn)，采用中間點(diǎn)信號(hào)作為補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

圖1 主蒸汽串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

2.2 主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)

主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示。其基本原理是：將主汽溫設(shè)定值和反饋值y1的偏差e1作為主調(diào)節(jié)器的輸入；將主調(diào)節(jié)器經(jīng)PID運(yùn)算后輸出u1作為副調(diào)節(jié)器的輸入設(shè)定值，并將此設(shè)定值與噴水減溫器的出口溫度反饋值y2的偏差e2作為二級(jí)過熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，將其輸出u2作為噴水減溫閥的輸入信號(hào)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，內(nèi)回路的主要作用是盡快消除減溫水量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入內(nèi)回路的擾動(dòng)，對(duì)主汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用；而外回路在汽溫調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵性作用，用于保持過熱汽溫始終等于設(shè)定值。

常規(guī)的串級(jí)汽溫控制方案雖然能夠保證主汽溫穩(wěn)定在設(shè)定值，但存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、控制品質(zhì)低的缺陷。

圖2 主汽溫串級(jí)PID控制系統(tǒng)

3 主汽溫模糊自適應(yīng)PID控制

模糊控制是在1965年由L.A.Zadeh教授提出，是以模糊集合、模糊語言變量和模糊推理為基礎(chǔ)的一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制的智能控制策略。模糊自適應(yīng)PID控制是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上利用模糊控制理論對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線修正，具有響應(yīng)時(shí)間快、系統(tǒng)超調(diào)小、控制過程平緩、控制品質(zhì)高等優(yōu)勢(shì)。

3.1 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)如圖3所示。其設(shè)計(jì)原理是：先利用主汽溫設(shè)定值和反饋值計(jì)算當(dāng)前誤差e和誤差變化率ec，并模糊化；再利用模糊規(guī)則進(jìn)行推理，分別得到PID控制器各參數(shù)的變化值；然后與原參數(shù)值相加得到新參數(shù)，以適應(yīng)不同條件對(duì)控制器參數(shù)的要求，從而獲得較好的控制效果。

在主汽溫控制系統(tǒng)中，將主汽溫設(shè)定值和當(dāng)前測(cè)量值的偏差e和其變化量ec作為模糊控制器的2個(gè)輸入值，經(jīng)過處理得到了PID控制器3個(gè)參數(shù)的校正值dKp，dKi，dKd，再代入下列公式，確定當(dāng)前PID的參數(shù)。

Kp′=Kp+dKp；Ki′=Ki+dKi；Kd′=Kd+dKd。式中：Kp′，Ki′，Kd′為當(dāng)前時(shí)刻的 PID 控制參數(shù)值；Kp，Ki，Kd為前一時(shí)刻值。

這樣控制參數(shù)就能不斷隨環(huán)境改變而自動(dòng)修正，保證控制系統(tǒng)始終能獲得比較好的控制效果。

3.2 模糊控制規(guī)則表的建立

模糊控制器的輸入和輸出變量分別為e，ec和dKp，dKi，dKd，各變量模糊語言值選用“大、中、小”3個(gè)詞匯來描述?？紤]正負(fù)方向及零狀態(tài)，可描述為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。輸入量e，ec的隸屬度函數(shù)和輸出變量模糊子集的隸屬度函數(shù)均選為三角函數(shù)(邊界選用高斯函數(shù))。

針對(duì)不同的e和ec，Kp，Ki，Kd的整定原則如下。

(1) 當(dāng)|e|較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的Kp與較小的Kd，同時(shí)，為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0。

(2) 當(dāng)|e|和|ec|中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取小一些；在這種情況下，Kd的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，也應(yīng)取小一些；Ki的取值則要適當(dāng)。

（3） 當(dāng)|e|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp和Ki均應(yīng)取大些。同時(shí)，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾的性能，當(dāng)|ec|較大時(shí)Kd可取小些；|ec|較小時(shí)，Kd可取得較大一些。

圖3 模糊PID控制器系統(tǒng)原理

由上述分析可以建立模糊控制規(guī)則，如表1，2，3所示。

表1 Kp的模糊控制規(guī)則

表2 Ki的模糊控制規(guī)則

表3 Kd的模糊控制規(guī)則

比例因子ke，kec和ku對(duì)模糊控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能有較大的影響，一般有如下規(guī)律。

(1)ke越大，系統(tǒng)的超調(diào)越大，引起過度過程越長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)越??；ke越小，則系統(tǒng)變化越慢，穩(wěn)態(tài)精度降低。

(2)kec越大，系統(tǒng)變化率越小，響應(yīng)越慢；kec越小，系統(tǒng)反應(yīng)加快，超調(diào)量增大，特別是反向超調(diào)會(huì)變大。

(3) 在上升段，ku越大，上升得快，但容易引起超調(diào)；ku越小，系統(tǒng)響應(yīng)變得比較緩慢。在穩(wěn)態(tài)階段，ku過大則容易引起振蕩。

在實(shí)際選擇比例因子時(shí)，需要不斷調(diào)整，才能尋找到比較合適的值。

在主汽溫實(shí)時(shí)控制中，由e，ec經(jīng)模糊控制器得到參數(shù)校正量，利用重心法進(jìn)行解模糊處理，再乘以比例因子得到PID參數(shù)調(diào)整量，最終與前時(shí)刻基準(zhǔn)值相加得到當(dāng)前時(shí)刻的PID參數(shù)值。

4 仿真比較

選取某鍋爐過熱器作為被控對(duì)象：采用噴水減溫的調(diào)節(jié)手段；被調(diào)對(duì)象導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為G02(s)=7.5/(1+16s)2；被調(diào)對(duì)象惰性區(qū)傳遞函數(shù)G01(s)=1.5/(1+25s)3；電動(dòng)執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥的傳遞系數(shù)已包含在被調(diào)對(duì)象的放大系數(shù)中；測(cè)量變送器的斜率取為γθ1=γθ2=0.1。

采用所述的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用MATLAB進(jìn)行編程仿真，調(diào)試后在階躍輸入下的輸出值和偏差值曲線如圖4，5所示。

通過仿真曲線可以看出：基于模糊控制的智能PID控制主汽溫控制方案，能取到較好的控制效果。其各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)PID控制，具有響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)小、過渡時(shí)間快、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良以及靜態(tài)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 主汽溫控制響應(yīng)曲線

圖5 誤差變化曲線

5 結(jié)論

將模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具備自適應(yīng)能力的智能PID控制系統(tǒng)。選用電站主汽溫作為研究對(duì)象，MATLAB仿真結(jié)果表明，該智能PID控制器用于主汽溫控制后，響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)量小、調(diào)節(jié)過程平緩，使主汽溫的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 楊 濤，高 偉，黃樹紅.基于Matlab的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(4)：63-65.

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5 魏宏信，張金中，鄭 華，等.基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22(21)：59-61.

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7 劉金琨.先進(jìn)PID控制和MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

2017-06-10。

王 剛(1988—)，男，工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護(hù)工作，email：wanggang@cgnpc.com.cn。

陸海榮(1986—)，男，工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護(hù)及技術(shù)改造工作。

白緒濤(1982—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護(hù)及技術(shù)改造工作。

張曉晨(1993—)，男，助理工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護(hù)及技術(shù)改造工作。