基于Fuzzy自整定PID的主汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

馬 陽,李玉杰

（沈陽工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110136）

主蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,主蒸汽溫度過高或過低都會(huì)顯著地影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過熱汽溫的上限一般不應(yīng)超過額定值5℃,過熱汽溫的下限一般不低于額定值10℃。過熱汽溫的額定值通常在500℃以上,例如高壓鍋爐一般為540℃,要使過熱汽溫保持在540±5℃的范圍內(nèi)。汽溫過高會(huì)使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快,影響使用壽命。汽溫降低會(huì)使機(jī)組循環(huán)熱效率降低,煤耗增大。此外,汽溫過低,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子所受的軸向推力增大,對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行十分不利。

目前,火電機(jī)組廣泛應(yīng)用PID串級(jí)控制方式控制過熱蒸汽溫度。由于過熱汽溫對(duì)象的大慣性、大延遲和時(shí)變特性,給蒸汽溫度調(diào)節(jié)帶來很大困難,當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性變化明顯,參數(shù)和結(jié)構(gòu)變化較大,常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足其調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求。因此,研究和改善現(xiàn)有的控制方式顯得尤為重要,并具有實(shí)用價(jià)值。模糊控制作為一種智能控制方式,在工業(yè)控制中逐步得到應(yīng)用。模糊PID控制器不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,能夠克服非線性因素的影響。因此,模糊控制技術(shù)很適合應(yīng)用于火電廠主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)這樣復(fù)雜的系統(tǒng)中。

1 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)

1.1 控制對(duì)象特性

汽溫控制的質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,而過熱汽溫的控制又是鍋爐各項(xiàng)控制中較為困難的任務(wù)之一。

a.造成過熱汽溫變化的原因很多,例如：負(fù)荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過量空氣系數(shù)及火焰中心的位置、燃料成分等都會(huì)影響汽溫的變化。

b.在各種擾動(dòng)作用下汽溫對(duì)象具有非線性、時(shí)變等特性,使控制難度加大。

c.汽溫對(duì)象具有大遲延、大慣性等特點(diǎn),尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高,蒸汽過熱受熱面比例的增大,使其遲延和慣性更大,從而進(jìn)一步加大了控制的難度。

過熱器工作在高溫、高壓的環(huán)境下,出口汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點(diǎn),也是金屬壁溫的最高處,工藝上允許的汽溫變化范圍又很小,加之干擾因素多,對(duì)象特性呈現(xiàn)非線性等諸多不利因素,使汽溫控制系統(tǒng)復(fù)雜化。

1.2 主汽溫控制方式

目前,采用最多的是串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)噴水減溫控制方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器,主調(diào)節(jié)器PI1用于維持主蒸汽溫度θ1,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(hào)和減溫器出口溫度信號(hào),副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)KZ的位移,從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。

在主蒸汽溫度串級(jí)PID控制系統(tǒng)中,有時(shí)會(huì)將負(fù)荷信號(hào)、燃料量信號(hào)、主蒸汽壓力信號(hào)、給水流量信號(hào)以前饋形式引入到串級(jí)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器中,以實(shí)現(xiàn)“超前”調(diào)節(jié)。但以調(diào)節(jié)參數(shù)固定不變的PID控制器來控制主蒸汽溫度這種時(shí)變的復(fù)雜對(duì)象時(shí),控制效果仍會(huì)很不理想。

圖1 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)

2 Fuzzy自整定PID控制器的設(shè)計(jì)

2.1 Fuzzy自整定PID控制器結(jié)構(gòu)與原理

Fuzzy自整定PID控制器目前有多種結(jié)構(gòu)形式,但其工作原理基本一致。如圖2所示,模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入,可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改,便構(gòu)成了Fuzzy自整定PID控制器。

圖2 Fuzzy自整定PID控制器結(jié)構(gòu)圖

PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。在線實(shí)時(shí)模糊自整定PID控制器控制方案原理如圖2所示。模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變換率ec,利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立合適的模糊規(guī)則表。建立好針對(duì)kp、ki、kd3個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表之后,可以根據(jù)如下方法進(jìn)行kp、ki、kd3個(gè)參數(shù)自適應(yīng)自校。將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域。其模糊子集為e,ec= {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},設(shè)e、ec和kp、ki、kd服從正態(tài)分布。因此,可得到各模糊子集的隸屬度函數(shù),根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型,應(yīng)用模糊合成推理,設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表,查出修正參數(shù)帶入下式計(jì)算：

在線運(yùn)行過程中,控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算,完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

由圖2可知,模糊控制器為2輸入3輸出結(jié)構(gòu)。兩個(gè)輸入量分別是e（pH誤差）、ec（pH誤差變化率）。輸出分別是kp、ki、kd。根據(jù)實(shí)際情況,語言變量論域與語言值集合設(shè)為

根據(jù)汽溫對(duì)象的特性采用經(jīng)驗(yàn)歸納法建立kp、ki、kd的模糊控制規(guī)則表如表1、表2、表3所示。

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立合適的模糊控制規(guī)則表,因此PID參數(shù)的整定必須考慮在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。根據(jù)參數(shù)kp、ki和kd對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況,可歸納出在一般情況下,在不同的e和ec時(shí),被控過程對(duì)參數(shù)kp、ki和kd的自整定要求。

表1 kp的模糊規(guī)則表

表2 ki的模糊規(guī)則表

表3 kd的模糊規(guī)則表

a.當(dāng)誤差較大時(shí),說明誤差的絕對(duì)值較大,不論誤差的變化趨勢(shì)如何,都應(yīng)該考慮控制器的kp取較大值,以提高響應(yīng)的快速性;而為防止誤差變化率瞬時(shí)過大,ki應(yīng)該取較小的值;為控制超調(diào),kd也應(yīng)該取值很小。

b.當(dāng)誤差在中等大小時(shí),為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度并控制超調(diào),kp、ki、kd值應(yīng)減小。

c.當(dāng)誤差較小時(shí),為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性,應(yīng)加大kp、ki的取值,同時(shí)為避免產(chǎn)生振蕩,kd的取值應(yīng)該和誤差變化率聯(lián)系起來。

3 系統(tǒng)仿真

本文以某電廠300 MW機(jī)組主汽溫為被控對(duì)象,對(duì)象模型為

設(shè)計(jì)了常規(guī)PID控制系統(tǒng)和Fuzzy自整定PID控制系統(tǒng)。為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制品質(zhì),運(yùn)用Matlab對(duì)系統(tǒng)在不同工況下進(jìn)行單位階躍定值擾動(dòng)仿真,在200 s控制作用加入階躍擾動(dòng)。

圖3所示為分別采用模糊PID控制、常規(guī)PID控制的系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出特性曲線。對(duì)比2條仿真曲線,通過分析可以得到如下結(jié)論。

圖3 控制系統(tǒng)輸出曲線

a.普通PID控制器響應(yīng)速度快,但過渡時(shí)間較長,由于主汽溫對(duì)象遲延時(shí)間大并伴有較大超調(diào),對(duì)干擾抑制能力也較差,而且伴有振蕩狀態(tài)。

b.模糊自適應(yīng)PID控制超調(diào)較小,調(diào)節(jié)速度較快,尤其在抗干擾方面能力最強(qiáng)。擾動(dòng)發(fā)生后,在較短的時(shí)間內(nèi)在線調(diào)整控制器參數(shù),使輸出較平穩(wěn)的恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

4 結(jié)束語

火電廠主汽溫對(duì)象較為復(fù)雜,存在較大遲延及難以確切描述的非線性,常規(guī)控制策略難以取得較好的控制效果。本文提出了基于模糊控制技術(shù)的智能控制策略,設(shè)計(jì)了Fuzzy自整定PID控制器。通過分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及運(yùn)行人員的操作經(jīng)驗(yàn),建立了PID參數(shù)的模糊規(guī)則表,從系統(tǒng)仿真曲線可看出本文所設(shè)計(jì)的Fuzzy自整定PID控制器具有一定的容錯(cuò)能力,抗干擾能力強(qiáng),可以有效地抑制實(shí)際系統(tǒng)中非線性的不利影響,具有良好的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性,是一種較好的控制方案。

[1] 邊立秀.熱工控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,2002.

[2] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003.

[3] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4] 湯振志.改進(jìn)型鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)[J].云南電力技術(shù), 2010,38（1）：77-78.

[5] 白雄懷,王文蘭.新型SMITH預(yù)估控制算法在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].工控自動(dòng)化,2010,36（1）：58-60.

[6] 王 斌,李 鵬.Fuzzy自調(diào)整PID的Smith預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)[J].電氣技術(shù),2008,（4）：45-47.