【正文】 ecurity and economy running of power plant. Due to the characteristics of reheater such as large inertia, nonlinear, timevarying, multivariable and selfbalance, that makes how to improve the control quality of reheated steam temperature has bee the significant research topic in thermal process control field. In this paper, it analyses the characteristic of reheater which is the controlled object, describes the configuration and the theory in mon use of PID control and fuzzy control system paratively detailed. Paper puts forward FuzzyPID control according to the characteristics of reheater like large inertia, nonlinear, timevarying, multivariable and the control requirements of reheated steam temperature in power plant. Its main objective is to make bination and plementary of advantages of PID control and fuzzy control in order to explore the effective approach to improve the control quality of reheated steam temperature. The result of simulation indicates that the FuzzyPID reheat steam temperature control system does not rely on mathematical models of controlled objects, and that the quality of FuzzyPID control system is better than conventional PID system. This control strategy is beneficial to realize safe, economic, credibly, optimized and environmental protection requirements of power plant and it will be have wide application foreground. Keywords: reheated steam temperature control。我國火電廠的機(jī)組 是以燃煤機(jī)組為主。然而再熱器溫度控制存在著以下調(diào)節(jié)的瓶頸。 火電廠再熱器溫度這種大慣性時(shí)變對象 ， 在一定負(fù)荷下 ， 對象 存在明顯 的 參數(shù)時(shí)變而且干擾較多 。當(dāng)前最主要的有三種形式：模糊 2 控制、專家規(guī)則控制與專家系統(tǒng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。盡管國內(nèi)許多控制專家就 再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(jìn)的控制方案，但因工程實(shí)現(xiàn)存在困難，真正應(yīng)用甚少，故火電廠過再汽溫實(shí)時(shí)控制問題也一直未能得到徹底的解決。 汽溫是按照材料的的許可溫度取安全上限值，當(dāng)再汽溫溫度過高時(shí)，會(huì)使鍋爐受熱面及的蠕變加快，影響使用壽命，若嚴(yán)重 超溫，可能導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降發(fā)生爆炸。因此，在機(jī)組運(yùn)行和工況調(diào)整過程中，維持汽溫的相對穩(wěn)定是非常重要的。 模糊 PID 控制器應(yīng)用在 火 電廠再熱汽溫控制系統(tǒng)中，通過模糊控制和傳統(tǒng) PID 控制的有機(jī)結(jié)合 。 本文針對 再 熱汽溫提出了 FuzzyPID控制的方案 。 它的作用是把汽輪機(jī)內(nèi)作過部分功的蒸汽（高壓缸）再次加熱，達(dá)到一定的過熱溫度，稱為再熱蒸汽，然后這些蒸汽又引返汽輪機(jī)的下一級（ 中壓缸或 低壓缸）內(nèi)繼續(xù)作功。因此，只好采用中間再熱來解決這一矛盾。 再熱 一般采用一次再熱，再熱溫度與初溫相近（在我國的現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，都 取低壓缸 中壓缸 凝汽器 高壓排氣 低壓排氣 鍋爐 高壓缸 中壓缸排氣 新汽 再熱汽 給水泵 冷卻水 5 e d S(熵 ) Xe Xd P2 T0 T1 P1 P0 c b a i（焓） X=1 再熱溫度與初溫相等），再熱壓力為初壓的 20%左右。 圖 22 中間再熱方式的焓熵示意圖 但采用再熱方式的目的首先在于提高汽輪機(jī)末端的干度。 再熱器特點(diǎn) 再熱器中流動(dòng)的介質(zhì)是中低壓蒸汽，與壓力比較高的過熱蒸汽相比，由于蒸氣密度低，因而傳熱特性也比較差，由于其比熱較小，因而同一熱偏差汽溫偏差也比較大。 二、 再熱器對汽溫偏差敏感 再熱蒸汽比容 Cp 較 過熱蒸汽比容 Cp 小，在相同的熱偏差下，引起的汽溫偏差比過熱器大。 再熱蒸汽的溫度調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)再熱汽 溫的主要方法有：煙氣再循環(huán)、煙氣分配擋板、擺動(dòng)式噴燃器、蒸汽旁通和汽 汽熱交換器等。另外，當(dāng)運(yùn)行工況變化時(shí)如煤種水分變化、過量空氣系數(shù)增加、爐內(nèi)結(jié)渣等，也會(huì)影響再熱蒸汽的溫度。 再熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動(dòng)態(tài)特性的影響 目前，再熱器的調(diào)溫結(jié)構(gòu)通常采用平行煙道擋板、煙氣再 循環(huán)、擺動(dòng)燃燒器、汽— 汽交換器等，調(diào)溫結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)再熱器調(diào)溫。因此其動(dòng)態(tài)特性按 （ 21） 來計(jì)算，且動(dòng)態(tài)特性不會(huì)超過 2 階。 其動(dòng)態(tài)特性可視為吸熱量對出口焓值的擾動(dòng)。 鍋爐 運(yùn)行規(guī)程 參數(shù) 末級過參數(shù)：出口蒸汽流量 ；出口壓力 /溫度 ℃。 表 21 為華能大連電廠二期鍋爐運(yùn)行規(guī)程鍋爐數(shù)據(jù)一覽表 。 本章將首先簡述模糊控制系統(tǒng)的組成，然后講述模糊控制的原理，其次講述模糊控制器的基本設(shè)計(jì) 和 PID 控制 。另外，模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得不到保證。 模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)。它們的作用說明如下： （ 1）模糊化。涉及應(yīng)用領(lǐng)域和控制目標(biāo)的相關(guān)知識，它由數(shù)據(jù)庫和語言控制規(guī)則庫組成。這是模糊控制的核心，以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信 息可通過模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過程。此精確控制作用必須進(jìn)行輸出定標(biāo)，這一作用是在對受控過程進(jìn)行控制之前通過變量交換實(shí)現(xiàn)的 [6]。模糊化在處理不確定信息方面具有重要的作用。 在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，由于必須將模糊控制器輸 入量誤差 e 的任何實(shí)際數(shù)值，變換成其論域中相應(yīng)的元素，二者的 差異很 大，因而需要通過量化因子進(jìn)行論域變換。首先討論數(shù)據(jù)庫。 論域上定義的基本模糊子集可以在論域上均勻地分布，也就是每一基本模糊子集的支集都覆蓋了論域上等寬度的一個(gè)區(qū)段。例如，對于雙輸入 /單 輸出的模糊系統(tǒng)， x 和 y 的模糊分割數(shù)分別為 5 和 7，則最大可能的規(guī)則數(shù)為 57=35。目前，尚沒有一個(gè)確定模糊分割數(shù)的指導(dǎo)性的方法和步驟 ， 主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊來確定 [7]。 （ 2） 函數(shù)描述方法 對于論域?yàn)檫B續(xù)的情況，隸屬度常采用函數(shù)的形式來描述，最常見的有鈴形函數(shù)、三角形函數(shù)、梯形函數(shù)等。 二、規(guī)則庫 模糊控制規(guī)則庫由一系列“ IFTHEN”型的模糊條件句構(gòu)成。 初步建立的模糊控制規(guī)則不一定是完美無缺的，也往往需要進(jìn)一步調(diào)整。記為 Rc。 zyxzC iiii cBAci ???? ???? （ 33） 其中 ? 表示 min。1,CC ，?， 39。139。 在實(shí)際應(yīng) 用中，清晰化常用的方法有三種 ， 即重心法 、 最大隸屬度法 和 系數(shù)加權(quán)平均法 。 圖 32 重心法示意圖 重心法的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 15 dxx dxxxu Nx Nx )( )(????? （ 35） 式 (35)中， ? 表示輸出模糊子集中所有元素的隸屬度值在連續(xù)論域 x 上的代數(shù)積分，而 u 的取值是表示其左、右兩邊的面積為相等。 系數(shù)加權(quán)平均法 系數(shù)加權(quán)平均法的輸出執(zhí)行量由下式?jīng)Q定： iii kxku ??? / （ 36）式 (36)中：系數(shù) ki 的選擇要根據(jù)實(shí)際情況，不同的系統(tǒng)就決定系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性。 PID 控制理論 PID 控制概述 在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，常采用由比例 （ Proportional） 、積分 (Integral)、微分(Differential)控制策略形成的校正裝置作為系統(tǒng)的控制器。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。 PID控制簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 但仍不可否認(rèn) PID也有其固有的缺點(diǎn)： PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作地不是太好。模擬 PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 33所示。 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 采樣周期的選擇 由 香農(nóng) （ Shannon） 采樣定理可知，只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號不失真地復(fù)現(xiàn)原來的信號。 3）選擇控制度。該方法只需整定一個(gè)參數(shù)即可，故稱其為歸一參數(shù)整定法。 （ 3） 湊試法 整定 PID 參數(shù) 在 PID 參數(shù)整定方法中，最基本和最簡單的方法為湊試法，即對參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，先置微分時(shí)間常數(shù) Td 為零。 基于再 熱汽溫控制的模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制工具箱（ FUZZY LOGIC)簡介 針對模糊邏輯尤其是模糊控制的迅速推廣和應(yīng)用， Mathworks 公司在其 Matlab軟件中添加了 Fuzzy Logic 工具箱。該編輯器用于建立模糊邏輯系統(tǒng)的整體框架，包括輸入與輸出數(shù)目、解模糊化方法等；其中模糊推理系統(tǒng)可以采用 Mamdani或 Sugeno 兩種類型，解模糊方法有最大隸屬度法、中位數(shù)法、加權(quán)平均法等幾種。 3） 模糊 規(guī)則編輯器 (Rule Editor)。 4） 模糊 規(guī)則觀察 器 (Rule Viewer)。用于顯示輸入、輸出量對應(yīng)的表面空間，并可改變各軸對應(yīng)的變量及觀察的視角，便于用戶對設(shè)計(jì)的模糊推理進(jìn)行修改和優(yōu)化。 圖 41 模糊邏輯編輯窗口 模糊決策采用 Mamdani 模糊推理法 ，解模糊 數(shù)采用 重心法 。 圖 42 變量編輯窗口 對變量采用正、負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)的描述方法 ， 即 采用 {NB， NM， NS， ZO，PS， PM， PB}7 個(gè)狀態(tài)來描述。由第二章中所述本文共有 49條控制規(guī)則如表 41 所示。 圖 44 模糊規(guī)則編輯窗口 此外 ， 在模糊 規(guī)則編輯時(shí) ， 在 View 菜單下，選擇 Rules 可以在模糊規(guī)則觀察器 23 中觀測到規(guī)則的變化過程，如圖 45 所示。 在 SIMULINK 平臺下構(gòu)建該模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖，如圖 47 所示 。 圖 49 Fuzzy 控制 再熱汽溫 系統(tǒng)仿真框 圖 按 圖 49 的 仿真框圖 進(jìn)行仿真，得到 Fuzzy 控制再熱汽溫 系統(tǒng) 的 單位階躍響應(yīng) 曲線如圖 410 所示 。 圖 412 FuzzyPID 控制 再熱汽溫系統(tǒng) 仿真框圖 其中 Subsystem 為子系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 47。 圖 414 PID 控制 再熱汽溫 方案圖 由此控制方案圖，在 SIMULINK 下，將 其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的仿真框圖，如下圖 415所示 。 仿真分析 將三種控制策略下再熱汽溫系統(tǒng) 仿真得到的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)制作為如表 42。 仿真實(shí)驗(yàn)表明 ： 在 再 熱汽溫 FuzzyPID 控制系統(tǒng)中， 既減小了較 常規(guī) PID 控制系統(tǒng) 的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，又減小了較模糊控制系統(tǒng)的上升時(shí)間 ， FuzzyPID 控制 結(jié)合了 PID 控制和模糊控制 各自的優(yōu)點(diǎn)，可以得到優(yōu)于常規(guī) PID 控制方案的控制效果。從論文的選題及研究，從資料的收集到構(gòu)思，從思路的形成到 仿真 ，直到最后的撰 寫論文階段，一步 步的進(jìn)展，一點(diǎn)一滴的收獲都傾注著導(dǎo)師的大