【正文】 統(tǒng)的主、副兩個(gè)回路的結(jié)構(gòu) 串級(jí)控制系統(tǒng)的主、副兩個(gè)回路的結(jié)構(gòu)，在較大程度上，保證了過(guò)熱汽溫 復(fù)合模糊 串級(jí) 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。 模糊控制具有人工智能化，對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較高的適應(yīng)性，具有明顯加快系統(tǒng)的控制速度和減小系統(tǒng)控制時(shí)間等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越多的得到運(yùn)用。 可見(jiàn) 過(guò)熱汽溫 復(fù)合 模糊 串級(jí) 控制系統(tǒng)仿真的結(jié)果基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求 ，當(dāng)在主對(duì)象后面同時(shí)添加一個(gè)1201?s的慣性環(huán)節(jié)后，復(fù)合模糊控制系統(tǒng) 受到的影響遠(yuǎn)小于串級(jí)控制系統(tǒng) ，說(shuō)明在一定的范圍內(nèi)，串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性得到了一定的體現(xiàn)。如圖 示。比例因子 Ku=,量化因子 Ke=,Kec=21(通過(guò)在線反復(fù)多次調(diào)試所得 )。 對(duì)應(yīng)規(guī)則語(yǔ)言為 if E=PB and EC=PM then U=NB 如果出口溫度太高，并且溫度偏差朝升高的方向較快增加，那么噴水減溫閥全開(kāi)。 圖 E的隸屬度函數(shù) EC的論域?yàn)?[6, 6],劃分為 7個(gè)等級(jí) ,模糊子集 Bi(i=1,? , 7)的 7個(gè)語(yǔ)言取值 分別為 {NB， NM， NS， O， PS， PM， PB},依次表示的實(shí)際物理意義為出口溫度變化{負(fù)的快速增加、負(fù)的增加 ,負(fù)的稍微增加、不變、正的稍微增加、正的增加、正的快速增加 },隸屬函數(shù)選 trimf (三角形 )（見(jiàn)圖 ）。 （ 2） 平 均最大隸屬度法 平均最大隸屬度法取所有達(dá)到控制作用隸屬度值的最大值的點(diǎn)的平均值作為解模糊結(jié)果。 精確化計(jì)算 通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè) 模糊集合。 （ 2)規(guī)則庫(kù) 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 26 在許多人工控制的工業(yè)系統(tǒng)中，由于被控對(duì)象較為復(fù)雜，很難建立被控對(duì)象較為精確的數(shù)學(xué)模型，因此用常規(guī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制比較困難，但是熟練的操作人員確能通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的觀測(cè)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，并融合相關(guān)的專(zhuān)家知識(shí)，綜合分析，做出決策，最終成功地控制這樣的系統(tǒng)。圖 (即 x∈ [1,+1])的情況，且模糊分割是完全對(duì)稱的。Ku越小 ,系統(tǒng)前向增益越小 ,輸出的上升速度越小 ,快速性變差。即 e， e， u ∈{ 6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6} 首先進(jìn)行偏差 e的變換，對(duì)于實(shí)際偏差 [1,5],要將其變換到相應(yīng)的論域 []，采用線性變換，設(shè)偏差的實(shí)際值為 *e ，經(jīng)過(guò)變換后的偏差為 e，則公式為 )()( *m i n*m i n*m i n**m i n*m a xm i nm a xm i n eekeeeee eeee e ???????? （ 42） 則 e=3 *e 9。 本課題的輸入量為兩個(gè)， 分別為 E(溫度偏差 )和 EC(溫度偏差變化率 )，模糊控制器的輸出量為 U(閥門(mén)開(kāi)度 )。由于模糊集合理論的研究對(duì)象具有“模糊性”和“ 經(jīng)驗(yàn)性 ” ，因此找到一種統(tǒng)一的方法確定隸屬度函數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)榭刂破鞯妮斎胫狄话愣疾皇悄：龜?shù)，因此模糊化過(guò)程就是將輸入值轉(zhuǎn)化為模糊量。 不論如何，模糊控制雖有不足，但有著其他控制方法難以取代的優(yōu)勢(shì)，相信在不久的未來(lái)，模糊控制會(huì) 日 益完善 ]9[ 。 我國(guó)政府也十分重視模糊 控制理論與應(yīng)用研究，通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 和“ 863” 計(jì)劃的立項(xiàng)支持，涌現(xiàn)出了像汪培莊、樓世博、王立新、張文修、諸靜、章衛(wèi)國(guó)、楊汝清等一批學(xué)者。 1974年在加利福尼亞大學(xué)的美日研究班上，開(kāi)始了有關(guān)“模糊集合及其應(yīng)用”的國(guó)際學(xué)術(shù)交流。 扎德教授提出的模糊集合理論，其核心是對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)或過(guò)程 建立一種語(yǔ)言分析的數(shù)學(xué)模式，使自然語(yǔ)言能直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語(yǔ)言。他認(rèn)為“所有的語(yǔ)言都是模糊的”。與建立在 數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)的 PID控制相比，模糊控制的主要特點(diǎn)是基于人工控制經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制的。 主控制器用于“細(xì)調(diào)”，保證過(guò)熱汽溫被調(diào)量沒(méi)有靜差的火電廠生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求，故可采用 PI控制。 另外，在 加入了慣性環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的振蕩馬上 增大 ，控制過(guò)程的品質(zhì)變差了，這說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)學(xué)模型的變化時(shí)是十分敏感的。 對(duì)過(guò)熱蒸汽串級(jí)控制系統(tǒng)的主、副控制器參數(shù)整定采取的方法是先整定副控制器，然后整定主控制器，最后進(jìn)行反復(fù)微調(diào)直到達(dá)到要求 效果的方法 ]8[ 。 針對(duì)被控對(duì)象的容積滯后和純遲延，串級(jí)控制系統(tǒng)中有主、副兩個(gè)控制器。 副控制器的給定值是主控制器的輸出，因這個(gè)輸出要隨著擾動(dòng)而變化，故副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成 為了更好的分析串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)圖 統(tǒng)的方框圖 ]6[ ，如圖 。串級(jí)控制系統(tǒng)能改善過(guò) 熱汽溫控制品質(zhì)，主要是因?yàn)橛幸粋€(gè)快速動(dòng)作的副控制回路存在的緣故。 比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。這里的 “ 積分 ” 指的 “ 積累 ” 的意思。 對(duì)于反應(yīng)靈敏、放大能力強(qiáng)的被控對(duì)象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍小些；而對(duì)于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對(duì)象，比例度可選大一些，以提高整個(gè) 系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 12 3 過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的分析 PID控制作用 PID（比例 積分 微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。 當(dāng)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，過(guò)熱汽溫動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是有延遲，有慣性和有自平衡能力。減溫器有表面式和噴水式兩種。 圖 過(guò)熱蒸汽溫度的靜態(tài)特性 過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 過(guò)熱 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指引起過(guò)熱汽溫變化的擾動(dòng)與汽溫之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。因此，必須控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度，使不超出規(guī)定的范圍。 本文研究的主要內(nèi) 容有 （ 1） 對(duì)過(guò)熱汽溫的特性進(jìn)行分析， 了解目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 具有大滯后和大慣性特點(diǎn)的過(guò)熱汽溫控制方面所采取的控制方案的情況。 （ 3） 開(kāi)發(fā)解 耦 控制系統(tǒng) 針對(duì)過(guò)熱器的強(qiáng) 耦 合性，開(kāi)發(fā)解 耦 控制系統(tǒng)。 模糊控 制是由控制理論與模糊集合理論相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種新型控制技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)火電廠被控對(duì)象過(guò)熱器具有大滯后、非線性、多變量和時(shí)變等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)熱汽溫控制方法進(jìn)行了很多有益探索和研究。故現(xiàn)代大型機(jī)組對(duì)過(guò)熱汽溫參數(shù)要求很?chē)?yán)格，通常中高壓鍋爐過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)偏差不允許超過(guò)士 10℃，長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)士 5℃。如何有效地控制過(guò)熱汽溫始終成為人們關(guān) 注的 問(wèn)題 ]2[ 。 （ 2） 過(guò)熱汽溫過(guò)低，汽輪機(jī)的安 全運(yùn)行無(wú)法保證 如果過(guò)熱汽溫過(guò)低，將會(huì)降低全廠的熱效率。 通過(guò)對(duì) 過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制現(xiàn)狀 資料的查閱 ，發(fā)現(xiàn)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)在正常工況下，能基本滿足過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的需要。 在如今的形式下，電廠電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到企業(yè)的榮辱興衰，由于電力行業(yè)是國(guó)家的命脈行業(yè)，電廠生產(chǎn)能否做到安全性和經(jīng)濟(jì)性兩手抓將直接影響社會(huì)的安定和國(guó)家的長(zhǎng)治久安。這些特點(diǎn)表明，電力生產(chǎn)的勞動(dòng)條件和環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，本身潛伏著諸多不安全因素，潛在的危險(xiǎn)性大，這些都構(gòu)成了對(duì)職工人身安全的危脅。 （ 3）電力生產(chǎn)的特點(diǎn)需要安全生產(chǎn)。 并 為各行各業(yè)（如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、科研）提供電力，為人民的日常生活提供電力，如果供電中斷，特別是電網(wǎng)事故造成大面積停電，將使各行各業(yè)的生產(chǎn)停頓或癱瘓，有的還會(huì)產(chǎn)生一系列次生事故，帶來(lái)一系列次生災(zāi)害。 火電廠主汽溫控制系統(tǒng)中的控制對(duì)象本身就具有滯后大和慣性大的特 點(diǎn) ，并且主汽溫變化的原因很多，這樣系統(tǒng)就非常的復(fù)雜。并利用 MATLAB進(jìn)行了仿真， 結(jié)果表 明 控制系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力和適應(yīng)性。 （ 2）電力安全生產(chǎn)影響電力企業(yè)本身。電力生產(chǎn)的這些內(nèi)在特點(diǎn)決定了電力生產(chǎn)的發(fā)、供、用必須有極高的可靠性和連續(xù)性，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生 事故，都可能帶來(lái)連鎖反應(yīng)，造成人身傷亡、主設(shè)備損壞或大面積停電，甚至造成全網(wǎng)崩潰的災(zāi)難性事故。對(duì)于火力發(fā)電行業(yè)，發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行一直是電廠生產(chǎn)管理的核心，設(shè)備安全性的提升以及一系列安全生產(chǎn)規(guī)程的制訂使火力發(fā)電行業(yè)的安 全性有了很大的提升， 90年代以來(lái)，我國(guó)大部分新建的火力發(fā)電機(jī)組均采用了分散控制系統(tǒng)（ Distributed Control System，簡(jiǎn)稱 DCS）。整個(gè)生產(chǎn)工程可分為三個(gè)階段：一：燃料的化學(xué)能 在鍋爐中轉(zhuǎn)化成熱能，加熱鍋爐中的水使之變成蒸汽，稱為燃燒系統(tǒng)；二：鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，稱為汽水系統(tǒng)；三：由汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，稱為電氣系統(tǒng)。 過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)程控制的重要性 鍋爐過(guò)熱汽溫是影響鍋爐生產(chǎn)過(guò)程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，主要 表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。所以，過(guò)熱汽溫過(guò)低不僅會(huì)使機(jī) 組循環(huán) 熱效率降低，煤耗增大，而且汽輪機(jī)的安全運(yùn)行也無(wú)法保證。另外，蒸汽負(fù)荷、減溫水量、煙氣流量和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起過(guò)熱汽溫變化 （ 2） 過(guò)熱汽溫被控對(duì)象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn) 過(guò)熱器具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)。過(guò)熱器是在高溫 高壓環(huán)境 下工作，過(guò)熱器出口的過(guò)熱汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁 溫的最高處?；痣姀S中的過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制，如果采用傳統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律，因?yàn)閰?shù)整定困難，缺乏對(duì)過(guò)熱器動(dòng)態(tài)變化的自適應(yīng)能力，達(dá)不到火電廠中的過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控 制要求。如果單獨(dú)使用模糊控制對(duì)過(guò)熱汽溫進(jìn)行過(guò)程控制，也不能滿足過(guò)熱汽溫實(shí)時(shí)控制的要求。影響過(guò)熱汽溫過(guò)程控制的因素眾多，過(guò)熱汽溫過(guò)程控制的優(yōu)化仍是沒(méi)有真正解決的難題。 （ 4） 將 復(fù)合 模糊串級(jí)控制與傳統(tǒng)串級(jí)控制進(jìn)行對(duì)比研 究。 過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的靜態(tài)特性 過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性指汽溫隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)關(guān)系。 蒸汽流量 (負(fù)荷 )擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過(guò)熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過(guò)熟器的對(duì)流放熱系數(shù)，使沿整個(gè)過(guò)熱器各點(diǎn)的 蒸汽溫度幾乎同時(shí)改變，因而汽溫反應(yīng)較快，遲延時(shí)間較小。 采用噴水減溫來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫， 當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，改變了高溫過(guò)熱器入口汽溫，從而影響了過(guò)熱器出口汽溫。煙氣流量變化對(duì)過(guò)熱汽溫的影響，使被控對(duì)象過(guò)熱器表現(xiàn)出有延遲、有慣性和有自平衡能力的特征。其輸入 e (t)與輸出 u (t)的關(guān)系為 )/)(*)(/1)(()( dttdeTdtteTtektu dip ??? ? （ 31） 式中積分的上下限分別是 0 和 t。 比 例積分（ PI）控制 比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。所以，積分控制可以消除余差。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過(guò)程控制。微分時(shí)間越大，微分輸出維持的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此微分作用越強(qiáng)；反之則越弱。集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。而過(guò)熱汽溫的規(guī)定值，主要由主控制器 Pl(或PID)來(lái)保證。為了保證快速性，副調(diào)節(jié)回路的 副控制器 采用比例 (P)或比例微分(PD)調(diào)節(jié)器，使過(guò)熱汽溫基本保持不變，起到了粗調(diào)的作用： 為了保證調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，主調(diào)節(jié)回路的 主控制器 采用比例積分 (PI)或比例積分微分 (PID)調(diào)節(jié)器，使過(guò)熱汽溫與設(shè)定值相等，起到了細(xì)調(diào)的作用。因副對(duì)象慣性較小，故擾動(dòng)的影響很快得到克服，不會(huì)對(duì)被控變量產(chǎn)生大的影響。因主控制器用于“細(xì)調(diào)”，保證過(guò)熱 汽溫被調(diào)量沒(méi)有靜差的火電廠生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求，故可采用 PI控制 ]1[ 。 火電廠過(guò)熱汽溫模糊控制的研究 17 圖 過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真圖 表 31 臨界比例度法整定 PID參數(shù) 得到的初步圖形存在震蕩，超調(diào)過(guò)大，以及調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，無(wú)法滿足要求，因此，在初步圖形的基礎(chǔ)上，利用 P,I,D的調(diào)節(jié)特性 對(duì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的微調(diào)，直到達(dá)到需要的效果，此時(shí)副控制器 Kp=25，主控制器 Kp=1， Ki=。 過(guò)熱蒸汽串級(jí)控制系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路組成。二是主 控制器的 PI控制消除了系統(tǒng)的靜差。而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是由語(yǔ)言來(lái)表達(dá)的，這些語(yǔ)言的控制規(guī)律又帶有相當(dāng)?shù)哪：浴？低袆?chuàng)立的經(jīng)典集合論中屬于或不屬于的絕對(duì)關(guān)系。 模糊數(shù)學(xué)從 1965年誕生至今已經(jīng) 40多年了。 1984年年底，“國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)”成立，下設(shè)“智能系統(tǒng)”和“經(jīng)營(yíng)與生產(chǎn)中的模糊系統(tǒng)”兩個(gè)研究部，并己召開(kāi)了幾屆國(guó)際模糊系統(tǒng)會(huì)議。 模糊控制的特點(diǎn) 所謂模糊控制，即不是指被控對(duì)象是模糊的，也不是指控制器是不確定的， 而是指在表示知識(shí)、概念上的模糊性。 模糊控制器是模糊控制的核心，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動(dòng)控制的主要標(biāo)志。非模糊化過(guò)程將輸出量的分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為規(guī)范化的輸出量。凸模糊集實(shí)質(zhì)上就是隸屬函數(shù)，具有單峰值特性，今后所用的模糊集合一般均指凸模糊集。 在火電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中，因系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，故模糊控制器的輸入量偏差 E，偏差變化率 EC和輸出量 U的實(shí)際變化范圍可取 [1， 5]。 Ke過(guò)大 ,將產(chǎn)生較大的超調(diào) ,嚴(yán)重時(shí)