【文章內(nèi)容簡介】 是說要使過熱汽溫保持在540177。5℃的范圍內(nèi)。影響過熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐給水溫度變化、進(jìn)入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器的煙汽溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。但歸納起來，主要有三個方面：(負(fù)荷)擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使過熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)曲線如圖2．1所示，其特點(diǎn)是：有滯后、有慣性、有自平衡能力，且較小。當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫隨負(fù)荷變化的方向是相反的。負(fù)荷增加時，通過對流式過熱器的煙汽溫度和流速都增加，從而使對流式過熱器的出口汽溫升高。但是，由于負(fù)荷增加時，爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負(fù)荷增大所需要的吸熱量，因而當(dāng)負(fù)荷增加時，輻射式過熱器出口汽溫是下降的?，F(xiàn)代大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器的受熱面積大于輻射式過熱器的受熱面積，因此總的汽溫將隨負(fù)荷增加而升高。圖2．2表示煙氣熱量Qy階躍變化時過熱汽溫的反應(yīng)曲線，其特點(diǎn)是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。煙氣熱量擾動(煙氣溫度和流速產(chǎn)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圖2．1負(fù)荷擾動下的動態(tài)特性氣傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反應(yīng)較快，其時間常數(shù)和遲延t均比其他擾動小。現(xiàn)場當(dāng)中是通過改變煙氣溫度(例如改變噴燃器角度或改變噴燃器投入的個數(shù))或改變煙氣流量來求取汽溫響應(yīng)曲線的。2．3．3減溫水量擾動下的過熱汽。溫動態(tài)特性當(dāng)減溫水流量擾動時，改變了高一溫過熱器的入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫，其階躍響應(yīng)曲線如圖2．3所示。從圖中可看出，其特點(diǎn)也是有遲延、有慣性、有自平衡能力的。但是由于現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器管路很長，因而當(dāng)減溫水流量擾動時，汽溫反應(yīng)較慢。圖2．2煙氣熱量擾動下的動態(tài)特性對于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間≈30～60s，時間常數(shù)≈100s，而當(dāng)煙氣側(cè)擾動時10～20s，100s?？梢?，當(dāng)負(fù)荷擾動或煙氣熱量擾動時，汽溫的反應(yīng)較快；而減溫水量擾動時，汽溫的反應(yīng)較慢。因而從過熱汽溫控制對象動態(tài)特性的角度考慮，改變煙氣側(cè)參數(shù)(改變煙溫或煙汽流量)的控制手段是比理想的(因?yàn)樨?fù)荷信號由用戶決定，不能作為控制量)，但具體實(shí)現(xiàn)較困難，所以一般很少被采用。噴水減溫對過熱器的安全運(yùn)行比較有利，所以盡管對象的特性不太理想，但還是目前廣泛被采用的過熱蒸汽溫度控制方法。采用噴水減溫時，由于對象控制通道有較大的遲延和慣性以及運(yùn)行中要求有較小的汽溫控制偏差，所以采用單回路控制系統(tǒng)往往不能獲得較好的控制品質(zhì)。針對過熱汽溫控制對象控制通道慣性遲延大、被調(diào)量信號反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對象的控制通道中找出一個比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號，以改善對象控制通道的動態(tài)特性，提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量。目前采用的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)主要有串級控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。2．4串級過熱汽溫控制系統(tǒng)分析2．4．1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理根據(jù)在減溫水量WB擾動時，主蒸汽溫度有較大的容積遲延，而減溫器出口蒸汽溫度卻有明顯的導(dǎo)前作用，完全可以構(gòu)成以為副參數(shù)、島為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2．4所示。系統(tǒng)中有主、副兩個調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器PI1用于維持主蒸汽溫度，使其等于給定值。副調(diào)節(jié)器PI2接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號和減溫器出口溫度信號，副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)世，的位移，從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。圖2．4串級過熱汽溫控制系統(tǒng)為了便于分析，我們給出了主汽溫串級控制系統(tǒng)原理框圖，如圖2．4所示它有兩個閉合的控制回路：(1)由對象的導(dǎo)前區(qū)：導(dǎo)前汽溫變送器：，副調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成的副回路(內(nèi)回路)；(2)由對象的惰性區(qū)，主汽溫變送器．，主調(diào)節(jié)器，以及副回路組成的外回路(主回路)。串級控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)，主要是由于有一個能快速動作的內(nèi)回路存在。由圖2．4可以看出，導(dǎo)前汽溫信號能快速反映擾動，尤其是減溫水側(cè)的自發(fā)性擾動，只要變化，內(nèi)回路就立即動作，用副調(diào)節(jié)器的輸出去控制減溫水量，使維持在一定范圍內(nèi)，從而使過熱汽溫基本不變。當(dāng)主汽溫偏離給定值時，則由主調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號，通過副調(diào)節(jié)器及執(zhí)行器改變減溫水量，使主汽溫最終恢復(fù)到給定值。主調(diào)節(jié)器的輸出信號相當(dāng)于副調(diào)節(jié)器的可變給定值。可見，在串級過熱汽溫控制系統(tǒng)中，內(nèi)回路的任務(wù)是盡快消除減溫水量的自發(fā)性擾動和其他進(jìn)入內(nèi)回路的各種擾動，對過熱汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用，副調(diào)節(jié)器一般可采用P或PD調(diào)節(jié)器：而外回路的任務(wù)是保持過熱汽溫等于給定債，所以主調(diào)節(jié)器可采用PI或PID調(diào)節(jié)器。2．4．2串級過熱汽溫控制系統(tǒng)的整定2．4．2．1動態(tài)參數(shù)法一般講，過熱汽溫控制對象導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性比惰性區(qū)要小，而且副調(diào)節(jié)器又選用P或PD控制規(guī)律。在這種情況下，內(nèi)回路的控制過程要比外回路的控制過程快得多。此時，串級汽溫控制系統(tǒng)可以采取內(nèi)、外回路分別整定的方法進(jìn)行整定。串級過熱汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖如圖2．5所示—導(dǎo)前區(qū)對象傳遞函數(shù)；—惰性區(qū)對象傳遞函數(shù)；一主調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)；圖2．5串級過熱汽溫控制系統(tǒng)原理框圖一副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)；一主汽溫變送器的斜率；—導(dǎo)前汽溫變送器的斜率；—執(zhí)行器的比例系統(tǒng)；一減溫水調(diào)節(jié)閥的比例系數(shù)；一控制作用下的減溫水量；一減溫水流量擾動；一總減溫水量當(dāng)和時，等效副調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 而等效主調(diào)節(jié)器也是PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：此時根據(jù)對象導(dǎo)前區(qū)特性和主汽溫特性，按串級控制系統(tǒng)整定方法，分別求得等效副調(diào)節(jié)器和等效主調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，從而求得、。2．4．2．2現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)整定法在能夠測得對象的階躍響應(yīng)曲線的條件下，可以用上述動態(tài)參數(shù)法整定串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，而在不具備此條件時，在工程上往往采用：(1) 邊界穩(wěn)定法； (2)衰減曲線法。2．5導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)分析2．5．1系統(tǒng)的組成采用導(dǎo)前汽溫微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖2．6所示。這個系統(tǒng)中引入了導(dǎo)前汽溫的微分信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以改善控制質(zhì)量。因?yàn)楹椭髌麥氐淖兓厔菔且恢碌模肓说奈⒎中盘柡?，將有助于調(diào)節(jié)器的動作快速性。在動態(tài)時，調(diào)節(jié)器將根據(jù)的微分信號和與的給定值之間的偏差而動作；但在靜態(tài)時，的微分信號消失，過熱汽溫必然等于給定值。如果不采用導(dǎo)前信號的微分信號，則在靜態(tài)時，調(diào)節(jié)器將保持(+)等于給定值，而不能保持等于給定值。我們根據(jù)圖2．6可以畫出系統(tǒng)的原理方框圖，如圖2．7所示。從圖2．7可以看出，采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)包括兩個閉合的控制回路：(1)由控制對象的導(dǎo)前區(qū)、導(dǎo)前汽溫變送器、微分器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器，和減溫水調(diào)節(jié)閥。組成的副回路(導(dǎo)前補(bǔ)償回路)；(2)由控制對象惰性區(qū)、主汽溫變送器和副回路組成的主回路。圖2．6導(dǎo)前微分過熱汽溫控制系統(tǒng)2．5．2控制系統(tǒng)的分析對于這個控制系統(tǒng)的工作原理，有兩種不同的分析方法。(1)加入導(dǎo)前汽溫的微分信號可以改善控制對象的動態(tài)特性對于如圖2．7所示的控制系統(tǒng)，當(dāng)去掉導(dǎo)前汽溫的微分信號時，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，參考如圖2．8雙回路系統(tǒng)的等效方框圖，控制對象的遲延、慣性較大。當(dāng)系統(tǒng)加入導(dǎo)前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對這個雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖2．8所示。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入仍然是減溫水流量信號WB，但輸出信號為，等效控制對象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號外，還疊加了導(dǎo)前汽溫的微分信號。由于的慣性延遲比小得多，因而等效對象的輸出的慣性延遲比?。?圖2．7采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)原理框圖圖2．8雙回路系統(tǒng)的等效方框圖在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出；在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號外，還疊加了導(dǎo)前汽溫的微分信號。由于的慣性延遲比小得多，因而等效對象的輸出的慣性延遲比小得多。因此，加入導(dǎo)前汽溫的微分信號的作用可以理解為改變了控制對象的動態(tài)特性，等效控制對象在減溫水流量擾動下的特性，可見等效控制對象的輸出比主汽溫的響應(yīng)有很大的改善。所以，在控制對象慣性遲延較大的情況下導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)遠(yuǎn)比單回路控制系統(tǒng)好。(2)采用導(dǎo)前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)是串級控制系統(tǒng)的變形前面已經(jīng)分析說明過，對于慣性遲延大的控制對象，采用串級控制系統(tǒng)能獲得較好的控制品質(zhì)。導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)雖然在形式上不同于串級系統(tǒng)，但把它當(dāng)作一種變形的串級控制系統(tǒng)來研究也是可行的。只要把采用導(dǎo)前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)等效變的串級控制系統(tǒng)，其中微分器傳遞函數(shù)的倒數(shù)相當(dāng)于串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，而調(diào)節(jié)器與微分器的傳遞函數(shù)，而調(diào)節(jié)器與微分器的傳遞函數(shù)乘積則相當(dāng)于串級控制系統(tǒng)中副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)中，微分器和調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般分別為 (a) 等效主調(diào)節(jié)器由此可見，等效主調(diào)節(jié)器具有比例積分調(diào)節(jié)器的特性，它的參數(shù)為等效比例帶：等效積分時間：(b) 等效副調(diào)節(jié) 在實(shí)際應(yīng)用，通常比大得多，因此所以，等效副調(diào)節(jié)器也近似為具有比例積分調(diào)節(jié)器的特性，它的參數(shù)為等效比例帶：等效積分時間: 當(dāng)把采用導(dǎo)前微分信號的雙回路控制系統(tǒng)等效為串級控制系統(tǒng)來分析時，可以清楚地看出微分器參數(shù)、和調(diào)節(jié)器參數(shù)、對控制系統(tǒng)性能的影響：(1)微分器參數(shù)、相當(dāng)于串級系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時問。按串級控制系統(tǒng)的分析方法，當(dāng)副回路為快速隨動系統(tǒng)時，增大將使主回路(主汽溫)的穩(wěn)定性提高，但使主汽溫的動態(tài)偏差增大。增大也會提高主回路的穩(wěn)定性，但影響不太顯著。增大后，主汽溫控制過程的時間拉長。(2)等效副調(diào)節(jié)器的比例帶是，積分時間是，主要影響副回路的控制過程時間，而。則影響副回路的穩(wěn)定性和動態(tài)偏差。但是，既是副回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)，又是主回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)。當(dāng)增大時，雖然提高了主回路的穩(wěn)定性，卻使副回路的穩(wěn)定性下降。所以，當(dāng)需要增大時，為了保持副回路的穩(wěn)定性，應(yīng)相應(yīng)增大，使的比值保持不變。第三章 模糊控制技術(shù)概述3．1模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)立及發(fā)展眾所周知，數(shù)學(xué)已成為各門科學(xué)的基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍廣至社會的各個領(lǐng)域，模糊數(shù)學(xué)是用來描述、研究、處理事物所具有的模糊特征的數(shù)學(xué)。隨著科學(xué)研究的不斷深入，研究的對象越來越復(fù)雜，變量越來越多，要求對系統(tǒng)的控制精度越來越高，而復(fù)雜的系統(tǒng)是難以精確化的，這樣，復(fù)雜性與精確性就形成了十分尖銳的矛盾?？萍脊ぷ髡咴趯?shí)踐中總結(jié)出了“不兼容原理”，即：當(dāng)一個系統(tǒng)復(fù)雜性增大時，我們使它精確化的能力將減速小，在達(dá)到一定閥值(即限度)之上時，復(fù)雜性和精確性將相互排斥。具體一點(diǎn)說，一個系統(tǒng)的復(fù)雜性與分析它能達(dá)到的精度之間服從一個粗略的反比關(guān)系。這一原理指出，高精度與高復(fù)雜性是不兼容的。解決精確性與復(fù)雜性的矛盾。我們還得從電子計算機(jī)入手?，F(xiàn)代電子計算機(jī)的計算速度及存儲能力幾乎達(dá)到了無與倫比的程度。但為什么在判斷和推理方面有時不如人腦呢?美國加里福尼亞大學(xué)扎德教授仔細(xì)地研究了這個問題，他發(fā)現(xiàn)德國人Cantor創(chuàng)立的古典集合論中的集合概念必須進(jìn)行推廣，這樣有利于數(shù)學(xué)模型來描述某些現(xiàn)象中的模糊性。1965年，扎德教授發(fā)表了《模糊集合論》論文，提出了用“隸屬函數(shù)”這個概念來描述現(xiàn)象差異的中間過渡，從而突破了古典集合論中屬于或不屬于的絕對關(guān)系，標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生。模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊現(xiàn)象的，所研究的事物的概念本身是模糊的，即一個對象是否符合這個概念難以確定，這種由于概念外延的模糊而造成的不確定性稱為模糊性，在[0，1]上取值的隸屬函數(shù)就描述了這種模糊性。模糊數(shù)學(xué)從1965年延生至今已經(jīng)30多年了，剛誕生的幾年間進(jìn)展相當(dāng)緩慢，進(jìn)入70年代后，模糊集臺的概念被越來越多的人所接受，這方面的研究工作迅速發(fā)展起來。進(jìn)入80年代，模糊和數(shù)學(xué)的發(fā)展更有加速的趨勢。1984年成立了國際模糊系統(tǒng)協(xié)會(IFSA)，1985年舉行了第一屆IFSA大會。我國在1983年成立了自己的國際模糊系統(tǒng)數(shù)學(xué)與模糊系統(tǒng)協(xié)會。在模糊數(shù)學(xué)方面，我國與國際水平差距不大，中國與美、法、日被公認(rèn)為模糊數(shù)學(xué)四強(qiáng)。進(jìn)入90年代，模糊數(shù)學(xué)研究的一個顯著特點(diǎn)是從理論研究走向了應(yīng)用，國際學(xué)術(shù)會議增多，IEEE創(chuàng)辦了《模糊系統(tǒng)》會刊，并定期舉辦國際會議。模糊數(shù)學(xué)在理論上還處于不斷發(fā)展和完善之中，它的應(yīng)用曰益廣泛。它在聚類分析、自動控制、故障診斷、系統(tǒng)評價、機(jī)器人、人工智能等多方面得到了應(yīng)用。3．2模糊控制發(fā)展概況隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制理論自誕生至今也經(jīng)歷了一個不斷發(fā)展、完善和更新的過程。1948年，N．維納發(fā)表了“控制論”一書之后，標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生。它是自動控制、電子計算機(jī)、無線電通信與神經(jīng)生理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科互相滲透的一門新的綜合性科學(xué)。維納對控制論的定義是“關(guān)于動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)”。1961年，G．克勞斯在“從哲學(xué)看控制論”中，提出了一個更全面的定義：“控制論是關(guān)于可能的動態(tài)調(diào)節(jié)及其子系統(tǒng)的聯(lián)系理論”。所以，控制論是一門研究各種不同系統(tǒng)共同控制規(guī)律的科學(xué)。維納在創(chuàng)立控制論過程中，常常將機(jī)器和人、動物進(jìn)行類比，因而發(fā)現(xiàn)了生物系統(tǒng)、工程系統(tǒng)、社會系統(tǒng)都有相似的控制與信息過程，都有共同的控制規(guī)律。從方法論來說，這正是維納的高明之處，他沖破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)和方法束縛，開創(chuàng)性的建立了控制論這門科學(xué)?？刂普摰膭?chuàng)立，在科學(xué)方法論的發(fā)展中具有十分重要的意義，控制論的理論、