基于延伸預(yù)測模糊控制的水暖鍋爐自動(dòng)化改造應(yīng)用

王樹東 周盛成 劉旭東 董 蕾

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前我國西北地區(qū)的冬季供暖以鍋爐集中供暖為主，然而鍋爐房自動(dòng)控制系統(tǒng)配置相對落后，存在操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，熱效率低，燃料的消耗量大等問題。因此，提高鍋爐運(yùn)行效率，減小環(huán)境的污染、降低對能源的消耗勢在必行。

鍋爐是一個(gè)典型的非線性時(shí)變多變量的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，不能建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。若采用傳統(tǒng)的控制方法，包括基于經(jīng)典控制理論的控制方法，很難得到理想控制效果，因此考慮使用一些智能手段來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。對其控制算法進(jìn)行研究，具有比較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對空軍某部營區(qū)原有采暖鍋爐所存在的手動(dòng)控制、污染大、能耗高及供暖不連續(xù)、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)設(shè)計(jì)引入了延伸預(yù)測法中具有短期預(yù)測能力的簡單移動(dòng)平均和分時(shí)段、分情況溫度修正的控制法，根據(jù)原系統(tǒng)手動(dòng)運(yùn)行狀況下的大量運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合該采暖鍋爐的特點(diǎn)，以優(yōu)化原系統(tǒng)為前提，運(yùn)用延伸預(yù)測和模糊控制的基本原理，建立本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表，設(shè)計(jì)先進(jìn)的模糊控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原系統(tǒng)由兩臺(tái)水暖鍋爐(供水容量分別為6噸和4噸)組成，每臺(tái)鍋爐分別配有獨(dú)立的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排等輔機(jī)設(shè)備，供回水系統(tǒng)采用同一套循環(huán)水泵。系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下，由一臺(tái)鍋爐擔(dān)負(fù)供暖任務(wù)，另外一臺(tái)作為備用機(jī)組。在兩臺(tái)鍋爐分別運(yùn)行情況下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)只需按照一套系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，在外電路部分設(shè)計(jì)兩系統(tǒng)的切換電路，當(dāng)一臺(tái)鍋爐發(fā)生故障后，能迅速可靠地切換到備用鍋爐中，提高供暖的可靠性。

控制系統(tǒng)主要由上位監(jiān)控系統(tǒng)(IPC)、中央控制單元(PLC)、變頻器和信號采集單元等部分組成。系統(tǒng)采用了目前世界上比較先進(jìn)的基于延伸預(yù)測的模糊控制技術(shù)，對引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵、爐排等進(jìn)行變頻控制;上、下位機(jī)的通訊采用工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中應(yīng)用成熟的MPI網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以提高系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性與可靠性;各控制單元的硬件電路，采用手自動(dòng)靈活切換的方式，使系統(tǒng)工作于不同的控制模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件部分采用研華IPC－610系列臺(tái)式工控機(jī)，上位監(jiān)控軟件采用siemens公司winCC6.0組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)采用siemens公司S7－300系列PLC，CPU采用S7－315－2DP，該型號的CPU帶有兩個(gè)DP通信接口，可以建立一個(gè)MPI(多點(diǎn)接口)網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)，通過其CPU自帶的MPI通訊接口與上位工控機(jī)進(jìn)行通信。S7－300PLC是模塊化中型PLC系統(tǒng)，具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各模塊之間可以進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。PLC實(shí)現(xiàn)對鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、循環(huán)泵的手自動(dòng)控制，對出、回水溫度，出、回水壓力的檢測與控制，以及系統(tǒng)的連鎖、互鎖以及故障檢測與報(bào)警等功能。整個(gè)控制系統(tǒng)由一套siemens公司S7－300系列PLC(包括CPU，DI、DO、AI、AO 模塊等)，溫度傳感器，壓力傳感器，變頻器，各種電機(jī)類負(fù)載，以及各種電控設(shè)備等組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

鍋爐控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)各變量之間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，因此，采用傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到穩(wěn)定控制系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)采用基于延伸預(yù)測的模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各參量的綜合控制。主要通過調(diào)節(jié)燃燒控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。(1)通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)與爐排電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例來調(diào)節(jié)風(fēng)煤比。爐排轉(zhuǎn)速相對過高時(shí)，煤層達(dá)不到充分燃燒就已經(jīng)排出，造成資源的浪費(fèi);當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對較高時(shí)，煤層過分燃燒，造成爐膛只在前半段燃燒，后半段由于煤層已經(jīng)燃燒充分而導(dǎo)致熄火，這樣爐膛水管溫度不平衡。因此控制鼓風(fēng)機(jī)和爐排轉(zhuǎn)速比例達(dá)到一個(gè)合適的比例就可以很好地控制爐膛燃燒系統(tǒng)。(2)通過調(diào)節(jié)鼓引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比來調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓。鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對較高時(shí)，爐膛壓力大于外界大氣壓力，火焰外溢，易引起火災(zāi)和傷人事故;引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對較高時(shí)，造成大量熱量隨煙塵被帶出爐膛，造成熱量的散失，降低資源的利用率。因此，控制鼓引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比，使?fàn)t膛負(fù)壓穩(wěn)定在微負(fù)壓狀態(tài)，以便克服上述缺陷。另外，通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵的頻率和補(bǔ)水泵來調(diào)節(jié)供回水溫差和供水壓力。

利用不同時(shí)段，不同供暖季節(jié)人體對溫度的感覺敏感性不同的特性，采用分時(shí)段、分季節(jié)控制，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到或接近最優(yōu)控制的目的。

為了保證系統(tǒng)能夠正常有序地運(yùn)行，在PLC中還設(shè)計(jì)了一系列連鎖、互鎖程序，如引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)鼓風(fēng)機(jī)才可運(yùn)行，循環(huán)泵自動(dòng)運(yùn)行信號消失后變頻器自動(dòng)按照變頻器手動(dòng)設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)行等。另外，控制電路還設(shè)計(jì)了1、2#鍋爐的切換電路，當(dāng)一臺(tái)鍋爐發(fā)生故障后，能在最短時(shí)間內(nèi)可靠地切換到備用鍋爐中，提高供暖的可靠性。

2 系統(tǒng)的優(yōu)化與算法實(shí)現(xiàn)

2.1 延伸預(yù)測

鍋爐控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，而溫度控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是其滯后性。由于這種滯后性的存在，采用傳統(tǒng)控制或單純的智能控制都很難達(dá)到優(yōu)良的控制效果。因此在對鍋爐溫度進(jìn)行智能控制前，利用延伸預(yù)測法對環(huán)境溫度進(jìn)行延伸預(yù)測，以消除滯后性對于系統(tǒng)控制的影響。延伸預(yù)測是工業(yè)控制、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域均適用的利用當(dāng)前和以前數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測數(shù)據(jù)未來走勢的一種方法。常用的延伸預(yù)測法包括簡單移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、季節(jié)指數(shù)水平法等。本系統(tǒng)中，根據(jù)其預(yù)測變量——環(huán)境溫度的特點(diǎn)，考慮系統(tǒng)算法的實(shí)際需求，采用簡單移動(dòng)平均法對環(huán)境溫度進(jìn)行預(yù)測。

簡單移動(dòng)平均法是以過去某一時(shí)間段之內(nèi)的預(yù)測數(shù)據(jù)加權(quán)平均值作為將來某時(shí)刻變量的預(yù)測值的方法。該方法只適用于短期預(yù)測，即以小時(shí)、日等為單位進(jìn)行預(yù)測，消除數(shù)據(jù)中的異常因素或除去數(shù)據(jù)中的周期變動(dòng)成分。由于簡單移動(dòng)平均法適用于短期預(yù)測，因此，對于存在滯后性的供暖系統(tǒng)來說，延伸預(yù)測既可以預(yù)測運(yùn)行時(shí)刻之后某一時(shí)刻的溫度參數(shù)，又可以在一定程度上消除溫度變化的滯后性，提高系統(tǒng)運(yùn)行的性能。簡單移動(dòng)平均法計(jì)算的表達(dá)式為:

其中:Tt+1是 t+1時(shí)刻的溫度預(yù)測值;fi是前 i個(gè)采樣周期的溫度值對下一時(shí)刻溫度的影響度 (權(quán)重)，n是預(yù)測時(shí)間段的長度，其取值的大小反映預(yù)測值對數(shù)據(jù)變化的反應(yīng)速度。本系統(tǒng)中預(yù)測數(shù)據(jù)采樣間隔為30min，預(yù)測時(shí)間段長度 n為2，即利用當(dāng)前溫度值、前半小時(shí)的溫度值、前一小時(shí)的溫度值預(yù)測此后半小時(shí)后的溫度值。各階段溫度歷史數(shù)據(jù)的權(quán)重系數(shù)分別為:f0=1/2，f1=1/3，f2=1/6。根據(jù)系統(tǒng)試運(yùn)行階段抽取的一天內(nèi)溫度測量值跟由上述延伸預(yù)測得到的對應(yīng)時(shí)刻的溫度值的比較結(jié)果可以看出，預(yù)測值基本能夠跟隨實(shí)際溫度的變化規(guī)律，因此在系統(tǒng)中采用上述參數(shù)進(jìn)行延伸預(yù)測。

2.2 模糊控制

根據(jù)延伸預(yù)測得到的室外溫度預(yù)測值和操作人員的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過長期運(yùn)行得出的大量運(yùn)行參數(shù)，建立運(yùn)行參數(shù)經(jīng)驗(yàn)表。系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鍋爐輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表如表1所示。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表

圖3 模糊控制原理圖

在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，由于受到鍋爐燃燒情況、管道泄露等因素的影響，爐排、鼓引風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵等雖然按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)行，但是供水溫度經(jīng)常達(dá)不到預(yù)測值，這就需要人為對輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行修正 (主要是循環(huán)泵)，以達(dá)到可靠、穩(wěn)定供暖的目的。在本系統(tǒng)中，采用模糊控制的方法，對循環(huán)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正。

模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它從行為上模仿人的模糊推理和決策過程。該方法首先將現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將輸入變量模糊化，使之與模糊規(guī)則表一一對應(yīng)，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制原理框圖如圖3所示。

對于鍋爐供暖溫度的模糊控制系統(tǒng)，采用常見的二維模糊控制器，即它的輸入變量是出水溫度和出水溫度預(yù)測值的偏差即偏差的變化;輸出變量是循環(huán)泵頻率的調(diào)節(jié)值，它直接影響循環(huán)泵輸出溫度的變化。進(jìn)行模糊控制，首先將上述輸入變量及輸出變量用模糊語言變量的模糊子集表示。輸入偏差用模糊語言變量的模糊集 E 表示，即:E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，輸入偏差對應(yīng)的模糊論域?yàn)?e={－8，－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7，8};輸入偏差的變化率用模糊語言變量的模糊集EC表示，即:EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，輸入偏差的變化率對應(yīng)的模糊論域?yàn)?ec={－0.7，－0.6，－0.5，－0.4，－0.3，－0.2，－0.1，－0.05，0，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7};設(shè)輸出變量的調(diào)節(jié)率用模糊語言變量的模糊集 U表示，即:U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，對輸出變量的調(diào)解率對應(yīng)的模糊論域?yàn)?u={－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}。選擇輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)都為三角形函數(shù)。

模糊控制規(guī)則如下:

如果偏差是“PB(正大)”，即溫度很高，并且偏差變化率是“PB”，即溫度增大變化率較大，那么控制量迅速減少“NB(負(fù)大)”，即迅速降低循環(huán)泵轉(zhuǎn)速;

如果偏差是“PM(正中)”，即溫度中等偏高，并且偏差變化率是“PB”，即溫度增大變化率較大，那么控制量適當(dāng)減少“NM(負(fù)大)”，即適當(dāng)降低循環(huán)泵轉(zhuǎn)速;

……

如果偏差是“NB(負(fù)大)”，即溫度很低，并且偏差變化率是“NB”，即溫度增大變化率較大，那么控制量迅速減少“PB(正大)”，即迅速升高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速。

依次類推，建立模糊控制規(guī)則表，如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則表，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對該規(guī)則進(jìn)行計(jì)算推理，得到一個(gè)定性的用語言表示的決策輸出量。將模糊輸出量的語言域量值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的實(shí)際論域，從模糊推理結(jié)果推理出精確輸出控制量。通過查詢將當(dāng)前時(shí)刻模糊控制器的輸入量及其變化率所對應(yīng)的控制輸出值作為模糊控制器的最終輸出，從而達(dá)到快速實(shí)時(shí)控制。

3 總結(jié)

系統(tǒng)改造完成后，在蘭州軍區(qū)空軍臨洮場站營區(qū)采暖鍋爐系統(tǒng)中進(jìn)行了試運(yùn)行，并且對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。在一周的測試過程中，系統(tǒng)均表現(xiàn)出了良好的魯棒性。由于采用了變頻技術(shù)和各種優(yōu)化算法，鍋爐始終處于經(jīng)濟(jì)燃燒狀態(tài)，即保證系統(tǒng)的供暖效率，又節(jié)約了能源，減少對環(huán)境的污染;同時(shí)還極大地降低了司爐工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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