【正文】 后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。總之，過熱汽溫過高、過低或變化過大都是生產過程所不允許的。 火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 4 過熱 蒸 汽溫 度 實時控制存在的難度 火電廠過熱汽溫實時控制的復雜性主要表現在以下幾方面。 （ 3） 過熱器呈現非線性、不確定時變等特點 例如，燃料量的變化對過熱汽溫、壓力、汽包水位等的影響有不同的滯后，減溫水量的變化對過熱器出口的過熱汽溫有較大的滯后影響，這些滯后的大小還隨著負荷狀況的改變而改變。 （ 5） 控制手段單一 目前主要以噴水減溫為主要控制手段。正確選擇控制過熱汽溫的控制手段及控制策略是非常重要的 ]3[ 。因為國內外在過熱汽溫控制系統(tǒng)的技術和發(fā)展方面十分接近，所以，這里主要對當前國內過熱汽溫過程控制的方法，進行有限的闡述。 過熱器實時控制常規(guī)控制方案主要包括串級控制、 Smith 預估控制、導前微分、分段式控制和溫差控制等，但投運效果均不理想。能夠利用熟練運行人員的操作經驗或領域專家的知識，解決復雜被控對象的控制問題，故模糊控制從一開始便立刻引起控制界 的廣泛興趣，并得以迅速發(fā)展。 近年來，關于過熱汽溫控制這一課題的研究，主要集中在以下三個方面。 盡管國內許多控制專家就過熱汽溫可控性差的問題，做了很多研究，也提出了不少新的、先進的控制方案，但因工程實現存在困難，真正 應用甚少， 首先過熱汽溫過程控制對火電廠的安全生產是非常重要的。 本文研究目的及研究的主要內容 大型電廠鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)是提高電廠經濟效益，保證機組安全運行的關鍵環(huán)節(jié)。 （ 2） 對 傳統(tǒng)的過熱汽溫所采用的串級控制系統(tǒng)進行結構、原理、特點進行學習分析。鍋爐蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器等。鍋爐蒸汽過熱系統(tǒng)的控制任務，是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內，并保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。對于對流式過熱器，當負荷增加時，通過其煙氣的溫度和流速都增加，因而使過熱汽溫升高，所以對流式過熱氣的出口汽溫隨負荷增加而升高。引起過熱蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流過過熱器的煙氣的溫度和流速變化等，這些因素還可能相互制約。 火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 9 圖 蒸汽量變化對過熱汽溫的影響 煙氣流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性 煙氣流量擾動 (煙氣溫度和流速產生變化 )時，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度 使煙氣傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反應較快，時間常數和遲延均比別的 擾動小，和蒸汽流量擾動的影響類似。其中，噴水減溫又分為表面式噴水減溫和給水噴水減溫兩種型式。 圖 減溫水量變化對過熱汽溫的影響 總的來說，根據對過熱蒸汽溫度調節(jié)對象作階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性曲線可知， 其 均為有遲延的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數值 (t、 e、 p)有較大 差別 ]4[ 。因蒸汽流量的擾動是由用戶決定的，故不能將蒸汽流量擾動作為過熱汽溫控制火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 11 系統(tǒng)的控制量使用。但實際操作中，因煙氣控制的操作不易把握，很難滿足過熱汽溫控制過程的需要，故一般不宜將煙氣傳熱量擾動作為過熱汽溫的主要控制量使用。 PID 控制器簡單易懂，使用 中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。 比例（ P）控制 控制作用 u 與偏差 e 成比例關系。 單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。但是，不能最終消除余差的缺點限制了單獨使用。積分控制器的 輸出不僅與輸入偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。 積分時間的大小表征了積分控制作用的強弱。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比 例控制作用結合起來，構成比例積分控制。所謂 “ 時間滯后 ” 指的是：當被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯后，此時比例積分控制顯得遲鈍、不及時。 微分輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關。同理，微分時間的選取，也是需要根據實際情況來確定 的。尤其是對容量滯后大的對象，可以減小動偏差的幅度，節(jié)省控制時間，顯著改善控制質量。只要三個作用的控制火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 14 參數選擇得當，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果 ]5[ 。由圖 ，引入2? 負反饋而構成的副回路起到了穩(wěn)定 2? (或 j? )的作用，從而使過熱汽溫保持基本不變。由圖 看出，主控制器的輸出信號 1TI 相當于副控制器的可變給定值。 火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 15 圖 串級控制系統(tǒng)的方框圖 從方框圖可以看出，串級調節(jié)系統(tǒng)有兩個閉合的調節(jié)回路： (1)由副控制器、調節(jié)閥、副對象、副溫度變送器和執(zhí)行器組成的副調節(jié)回路； (2)由主對象、主汽溫變送器、主調節(jié)器以及副調節(jié)回路組成的主回路。 串級控制雖然有兩個控制器，兩個變送器和兩個測量參數，但仍然是一個單輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個需要人為設定的給定值，只有一個控制變量 (即副控制器輸出 )，只有一個執(zhí)行機構，只有一個被控變量，這一點和單回路控制系統(tǒng) 極其相似。過程控制中還會經常遇到具有兩個回路的控制系統(tǒng)，只要不符合以上兩個特征，就不是串級控制系統(tǒng)。 在設計串級控制系統(tǒng)時，盡量要把被控對象的主要擾動包括在副回路內?？梢园堰^熱器出口溫度作為主信號，減溫器出口溫度作為導前信號，主控制器的輸出作為副控制器的給定值。 在 正常 運行 工況 下 對象的 傳遞函數為 被控對 象導前區(qū)傳遞函數 ： 2)151( 8 s? （ 32） 主對象傳遞函數： 3)251( s? （ 33） 針對實際情況，本文有兩種干擾作用，內擾為減溫水自發(fā)擾動，外擾為燃燒率變化擾動。 調節(jié)時先調節(jié)副控制器，先將主控制器的參數 Kp設置為 1， Ki設置為 0，在對副控制器參數進行適當調節(jié)，取副控制器參數 Kp為 ， Ki， Kd仍然為 0，此時 逐漸增大比例系數 Kp，直到系統(tǒng)出現等幅振蕩（即臨界穩(wěn)定），記錄此時的臨界振蕩增益 Ku= Tu=90。 仿真時間 t仿真結果 圖 減溫水擾動 對過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的影響 火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 18 在 t=0時，在加入減溫水擾動的同時，再加入燃燒率 擾動 ， 得到仿真后的圖形為圖 。 通過對搭建好的過熱 汽溫串級控制系統(tǒng)的如上幾種情況的仿真圖形可以看出，在合適的參數條件下， 串級控制系統(tǒng)是一個衰減振蕩的過程， 并且有較強的自適應能力，由于過熱器的 大遲延、大慣性的特點 ，使其控制過程控制時間比較長。 比例控制具有加快響應速度，減小靜差的作用，因此，副回路具有快速消除發(fā)生在內回路內擾的作用，使串級控制系統(tǒng)具有較強的自適應能力和抗干擾能力。 串級控制系統(tǒng)具有主副兩個回路，在參數整定方面需要對主、副控制器的參數都進行整定，在整定時原則上先整定副回路，再對主回路進行整定，最后反復微調直到達到要求。 串級控制系統(tǒng)對于具有較大的容量、較大的慣性、較強的非線性的對象來說并不是一種理想的控制方式，因為在模型不確定 性的存在時，控制系統(tǒng)的設計應能保證系統(tǒng)穩(wěn)定．并使得動態(tài)特性變化盡 可能的小 。模糊控制有更快的響應和更小的超調，不依賴被控對象的數學模型，對過程參數的變化不敏感 (魯棒性強 )，能夠克服非線性等不確定因素的影響 。 早在 20世紀 20年代，就已有學者研究如何描述客觀世界中普遍存在的模糊現象。例如，“紅的”和“老的”等概念，雖然沒有明確的內涵和外延，是不明確和模糊的，但在特定的環(huán)境中，人們用這些概念來描述某個具體對象時，卻又能心領神會，很少引起誤解和歧義。隸屬函數突破了 19世紀末笛卡爾的經典集合理論，奠定模糊理論的基礎。正是在這種背景下，作為智能控制的一個重要應用分支的模糊控制理論便應運而生了。 進入 20世紀 70年代后，模糊集合的概念被越來越多的人所接受，這方面的研究工作也迅速發(fā)展起來了。 1978年國際上開始發(fā)行 (Fzzy Setsand systems)專業(yè)雜志。 我國對模糊控制的理論與應用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊信息論和模糊模式識別等領域取得了不少有實際影響的結果。值得特別指出的是，我國各高校的教師、專家和各行各業(yè)的技術人員，在人工智能、專家系統(tǒng)和自適應等方面也取得了許多突出的研究成果。 模糊控制理論是控制領域中非常有發(fā)展前途的一個分支，這是由于模糊控制具有許多傳統(tǒng)控制無法與之比擬的優(yōu)點，其中主要是 ： （ 1） 使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數學模型。 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)框圖簡圖如圖 。 模糊控制器的組成 模糊控制器 (Fuzzy controller)通常由下列幾個部分組成 (如圖 示 )。語言控制規(guī)則和模糊邏輯推理是控制器的核心。 隸屬度函數及模糊化 模糊集合是普通集合的推廣 ， 是用隸屬度函數來描述的。 一般在實際應用中為了簡化計算，常選取三角形、梯形、鐘形等曲線作為隸屬度函數曲線。模糊控制器的輸入是精確的數值，必須變換成相應的自然語言，模糊控制器才能接受，人們將該變換過程稱為模糊化 。 （ 2） 將上述處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。每個模糊語言變量的取值為一組模糊語言名稱，構成了模糊語言名稱的 集合，每個模糊語言名稱對應一個模糊集合。同樣，可得到偏差變化率 ec=3 *ec 9。另一方面 ,也嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性 ,導致穩(wěn)態(tài)精度降低。 知識庫 (1)輸入和輸出空間的模糊劃分 模糊控制規(guī)則中前提的語言變量構成模糊輸入空間，結論的語言變量構成模糊輸出空間。如 NB：負大 (negative big)； NM：負中 (negative medium)；NS：負小 (negative small)： ZE：零 (zero)； PS：正小 (positive small)； PM：正中 (positive medium)； PB：正大 (positive big)。在特殊情況下，模糊語言名稱也可為非對稱和非均勻地分布 。模糊劃分的個數越多，控制規(guī)則數越多，這將給確定控制規(guī)則帶來困難；但是模糊劃分的個數太小，將導致控制太粗略，難 以對控制性能進行精心的調整。操作人員的經驗知識就是控制規(guī)則 的源泉。設計規(guī)則庫遵循的一般原則 為 ： (1)規(guī)則庫必須完備，對于每一個輸入應確保至少有一條可適應的規(guī)則。但在實際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個確定的值才能去控制或驅動執(zhí)行機構。方法簡單易行，算法實時性好，突出了錄屬度最大元素的控制作用，對于錄屬程度較小元素的控制作用沒有考慮，利用的信息量少。可能出現所有隸屬度最大的點構成一條直線，那麼可以取這條直線的中點作為解模糊的結果。模糊語言變量分別為 E(溫度偏差 ),EC(溫度偏差變化率 )和 U(閥門開度 )。 圖 EC的隸屬度函數 火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 28 U的論域為 [6, 6],劃分為 7個等級 ,模糊子集 Ci(i=1,..., 7)的 7個語言取值 分別是 {NB， NM， NS， O， PS， PM， PB},依次表示的實際物理意義為噴水減溫閥 {全關、半關、稍微關小、不動、稍微開大、半開、全開 },隸屬函數選 trimf (三角形 )（見圖 ）。本課 題必須首先使過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到保證，同時兼顧快速性和準確性的總原則 。 對應規(guī)則語言為 if E=NB and EC=NM then U=PB 其余的規(guī)則控制作用依此類推。 復合 模糊 串級 控制系統(tǒng)的仿真研究 本文所設計的 復合 模糊 串級 控制系統(tǒng)結構如圖 。 模糊控制的封裝模塊如圖 。 為了便于觀察、比較和分析，將過熱汽溫的串級控制系統(tǒng)與 復合 模糊 串級 控制系統(tǒng)進行同時仿真和輸出。 火電廠過熱汽溫模糊控制的研究 33 仿真時間 t仿真結果 模糊控制串級控制 圖 減溫水、燃燒率擾動 下 過熱汽溫 復合 模糊控制與 串級控制系統(tǒng)的 比較 為了更直觀的理解模糊控制器的作用，可以在復合模糊控制器和主控制器后面都接一個顯示器，同時顯示控制器的圖形輸出。 仿真時間 t仿真結果 模糊控制串級控制 圖 被控對象的數學模型發(fā)生變化時得到的仿真圖形 圖 ，相對于串級控制， 復合模糊串級控制超調量更小 ,調節(jié)時間更短 ,整個過渡過程顯得更加平穩(wěn)，且有較強的抗干擾能力， 改善 了 動態(tài)品質 。 本章小結 支撐模糊控制的主要基石是模糊集理論、基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和控制理論。 模糊控制器的設計 可以在 fuzzy logic controller中實現，要注意 論域的分割和模糊規(guī)則的選用，這樣才能達到最好的控制效果。 過熱汽溫 復合 模糊 串級 控制系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的穩(wěn)定性、快速性、準確性和魯棒性，主要原因有幾