模糊控制在鍋爐給水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱洪軍 周 佐 路虹波

（1、中國石油大學(xué)（華東）信息控制學(xué)院，山東 東營 257061 2、齊魯石化熱電廠，山東 淄博 255410 3、華北電力大學(xué)研究生院，北京 102206）

1 引言

FUZZY控制器簡要介紹：

1.1 Fuzzy控制的基本原理

模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思維邏輯，對被控對象的運(yùn)行規(guī)律（往往沒有確切的數(shù)學(xué)模型）進(jìn)行總結(jié)、抽象、推理、量化，實(shí)施有效的控制。模糊控制的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，利用模糊數(shù)學(xué)的推理理論，離線建立隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)庫，將各種復(fù)雜的過程對象簡單化。該過程需要對被控對象充分的了解，是直接的操作者，具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，才能總結(jié)規(guī)律，建立隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)在線運(yùn)行時(shí)，利用計(jì)算機(jī)的高速、大容量性能，通過推理、量化運(yùn)算得到具體的控制量。模糊控制是一種非線性控制器，適合于時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。

1.2 FUZZY（模糊）控制器的組成

FUZZY控制器主要由四部分組成：

1.2.1 模糊化

這部分的作用是將輸入的精確量進(jìn)行處理變成模糊控制器要求的輸入量。對處理過的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍，然后進(jìn)行模糊處理，并用相應(yīng)的模糊集合表示。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)。

1.2.2 知識庫

知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫包括各語言變量的隸屬度函數(shù)，尺度變換因子以及模糊空間的分級數(shù)等。規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則。它們反映了實(shí)際控制的經(jīng)驗(yàn)和知識。

1.2.3 模糊推理

模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理過程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行。

1.2.4 清晰化

清晰化的作用是將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換變成表示在論域范圍的清晰量，最后將清晰量經(jīng)尺度變化成實(shí)際的控制量。

2 鍋爐給水回路控制原理及過程：

汽包水位控制采用常規(guī)儀表或單回路調(diào)節(jié)器組成的“三沖量汽包水位控制”有兩種方案。方案1是簡單易調(diào)的“并極三沖量”。這種控制方案從控制系統(tǒng)原理上講為單閉環(huán)加前饋控制系統(tǒng)，被控量為汽包水位，給水流量、主汽流量以前饋方式加到控制輸出。方案2為“串極三沖量”。這種方案從控制系統(tǒng)原理上講為雙閉環(huán)加前饋控制系統(tǒng)，外環(huán)控制汽包水位，內(nèi)環(huán)控制給水流量，主汽流量以前饋方式加到控制輸出。方案1的優(yōu)點(diǎn)是須整定的參數(shù)少，調(diào)試簡單，方便易行；缺點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差大，動態(tài)過程周期長，容易振蕩，執(zhí)行器動作頻度大。方案2的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差小，動態(tài)過程周期短，系統(tǒng)的魯棒性能好，執(zhí)行器動作頻度??；缺點(diǎn)是調(diào)試復(fù)雜，工作量大，需要技術(shù)人員能力較強(qiáng)。目前，方案1基本不用，方案2在單回調(diào)節(jié)器及常規(guī)DCS系統(tǒng)中普遍應(yīng)用。

上述的方案1和方案2均為傳統(tǒng)的汽包水位控制方案，存在如下缺點(diǎn)：

均為“位置式”PID控制，當(dāng)給水流量、主汽流量信號故障時(shí)，控制回路失靈。

方案Ⅱ在給水壓力波動或給水系統(tǒng)無調(diào)壓泵時(shí)，給水門動作頻度過大，鍋爐負(fù)荷波動時(shí)，給水跟蹤慢，水位偏差大。

針對上述情況，HIC-1000系統(tǒng)的給水控制采取了如下措施：

2.1 采用“增量式”PID控制器，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 主汽流量信號以微分形式作為前饋加入到內(nèi)環(huán)給定。

2.3 外環(huán)輸出限幅，使內(nèi)環(huán)給定值與反饋值的偏差非飽和，有效克服給水壓力波動或給水系統(tǒng)無調(diào)壓泵時(shí)汽包水位控制不穩(wěn)的困難。

主給水門、副給水門（給水大旁路、幅主給水門）采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，啟動給水門采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。鍋爐由點(diǎn)火到并汽前啟動給水門投自動，在10-70%額定負(fù)荷時(shí)副給水門投自動，在70-100%額定負(fù)荷時(shí)主給水門投自動。三個(gè)給水調(diào)節(jié)門在任何時(shí)刻只能有一個(gè)投入自動運(yùn)行，其余為手動。

符號說明：

sp_h:汽包水位給定值（h:汽包水位）；

sp_Dgs:內(nèi)環(huán)給水流量給定（Dgs:給水流量）；

Dq:主汽流量；

fb0:主汽流量前饋系數(shù)；

PI1:主調(diào)節(jié)器，PI2:副調(diào)節(jié)器；

G1:給水門特性函數(shù)，G2:汽包特性函數(shù)。

·PID控制器參數(shù)：

共有三組PID控制器參數(shù)，每組兩個(gè)調(diào)節(jié)器--汽包水位調(diào)節(jié)器和給水流量調(diào)節(jié)器。三組PID控制器參數(shù)分別對應(yīng)主給水門、輔助給水門和啟動給水門。主給水門用于鍋爐70%--100%負(fù)荷，輔助給水門用于10--70%負(fù)荷，啟動給水門用于鍋爐啟動過程及并汽前的控制。三個(gè)給水調(diào)節(jié)門在任何時(shí)刻只能有一個(gè)投入自動運(yùn)行，其余為手動。

PID校正參數(shù)：是PID控制的輔助參數(shù)，與PID控制器配合實(shí)現(xiàn)各種控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及控制策略的調(diào)整。

3 給水控制回路實(shí)時(shí)趨勢驗(yàn)證：

投用后趨勢圖（見圖1）：

圖1 投自動后給水流量趨勢圖

從此趨勢圖中可以看出，#5鍋爐投用給水自動控制系統(tǒng)之后，給水流量（位號FT101-FCV）輸出值穩(wěn)定在縱軸數(shù)值188值之下，波動范圍在10之間，振幅不及5%，輸出值穩(wěn)定，自動控制效果明顯。

4 結(jié)論

本文基于模糊控制原理，詳細(xì)論述了模糊控制與實(shí)時(shí)控制相結(jié)合的單閉環(huán)加前饋控制系統(tǒng)，并將其運(yùn)用于鍋爐給水控制系統(tǒng)，使得給水流量即使在工況變化較大，負(fù)荷擾動等的情況下，依然能夠保持自控，并用實(shí)時(shí)趨勢圖證明了其良好的控制效果。本文提出的鍋爐給水自動控制思路對于國內(nèi)鍋爐特別是工況較為惡劣的電站鍋爐的自控長期投運(yùn)有很好的指導(dǎo)意義。其實(shí)施方案易于實(shí)現(xiàn),且與電廠采用的控制設(shè)備類型無關(guān)。

[1]曾光奇.《模糊控制理論與工程應(yīng)用》武漢華中科技大學(xué)出版社，2006年08月.

[2]張德泉.《集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用》北京電子工業(yè)出版社，2007年08月.