冷凝器真空壓力模糊PI控制系統(tǒng)

羅 馬，孫建華，汪 偉

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

冷凝器真空壓力模糊PI控制系統(tǒng)

羅 馬，孫建華，汪 偉

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

分析冷凝器真空形成的原因以及影響真空穩(wěn)定的因素，通過模糊PI的方法設(shè)計出冷凝器在不同工況下的真空壓力控制器。通過仿真表明，模糊PI控制器較之常規(guī)PI控制器，對于冷凝器真空壓力的控制性能更好。

冷凝器;壓力;模糊PI

0 引言

冷凝器是汽輪機熱力系統(tǒng)中的一個重要換熱設(shè)備，在汽輪機裝置熱力循環(huán)中起著冷源的作用，用于降低汽輪機排汽壓力和排汽溫度，從而提高循環(huán)的熱效率，其工作性能的好壞直接影響到整個船舶動力裝置的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行［1］。

冷凝器真空壓力是汽輪機運行中的重要參數(shù)，真空的形成是由于汽輪機的排汽被凝結(jié)成水，蒸汽比容降低且體積大為縮小，使冷凝器汽側(cè)形成高度真空，它是汽水系統(tǒng)完成循環(huán)的必要條件。如果冷凝器真空過低，不僅會引起蒸汽在機組中的有效焓降減小，還會導(dǎo)致汽輪機排汽溫度升高，排汽缸變形和振動等故障。

在工作中，冷凝器真空度的下降會影響機組運行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性，因而有效控制并維持一定的冷凝器真空壓力是非常必要的［2－3］。

1 冷凝器真空產(chǎn)生機理

在冷凝器運行過程中，需要通入大量的冷卻水來對排汽進行冷凝。蒸汽在凝汽器內(nèi)受循環(huán)水冷卻凝結(jié)，比容降低，體積縮小，原來被蒸汽充滿的空間壓力降低而形成一定的真空，從而可以維持一定的真空度。另外，由于設(shè)備氣密性的原因，冷凝器中會不斷漏入空氣，而很小的空氣含量就會明顯地影響到蒸汽與冷卻水管之間的傳熱效率，從而導(dǎo)致冷凝器內(nèi)真空壓力的失衡。當空氣不能被有效抽出而在冷凝器內(nèi)大量積聚時，其本身的分壓也直接導(dǎo)致冷凝器內(nèi)壓力的升高，凝汽器壓力不能再視為蒸汽凝結(jié)溫度所對應(yīng)的飽和壓力，空氣的分壓將不能被忽略［4］。

因此，在冷凝器運行中，冷卻水量和空氣含量是維持冷凝器真空壓力的重要因素，同時冷凝器內(nèi)壓力的失衡也會導(dǎo)致冷凝器凝結(jié)水過冷度的增加，因此維持冷凝器內(nèi)真空壓力的平衡穩(wěn)定是很重要的。

2 控制方案設(shè)計

2.1 控制策略

在船舶航行過程中，冷凝器所需的冷卻水量隨著船舶推進功率的變化而不斷變化。為滿足在不同功率工況下的冷卻水需求量，需通過控制器來調(diào)節(jié)循環(huán)水泵吸入的海水量來實現(xiàn)。

2.2 模糊PI控制方法

對于以上所提到的不同功率工況，均通過循環(huán)水泵來調(diào)節(jié)和維持冷凝器的真空壓力。在不同工況下，均采用模糊自適應(yīng)PI控制方法來進行真空壓力的控制。

此方法的工作原理如圖1所示［5－6］。

圖1 模糊PI控制器原理框圖Fig.1 Principium of fuzzy PI controller

模糊自適應(yīng)PI控制器以真空壓力誤差e和誤差變化ec作為輸入，在不斷檢測e和ec的過程中，根據(jù)模糊控制原理對控制參數(shù)進行修改，以滿足不同時刻的e和ec對PI控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動靜態(tài)性能。

2.3 模糊PI控制器設(shè)計

在模糊推理系統(tǒng)中，誤差e和誤差變化率ec為輸入量，選取誤差e和誤差變化率ec的論域范圍均為［－6，6］，語言變量集為 {NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別表示 “負大”、 “負中”、 “負小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。同時設(shè)定e和ec的隸屬函數(shù)為高斯型隸屬度函數(shù)，模糊推理系統(tǒng)的輸出則為Kp，Ki的增量ΔKp和ΔKi，其論域和語言變量集與誤差e和誤差變化率ec一致，并設(shè)置其隸屬函數(shù)為三角形隸屬度函數(shù)。

根據(jù)Kp和Ki在控制系統(tǒng)中的不同作用及其相互關(guān)系，并結(jié)合工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立如表1和表2所示的模糊規(guī)則表。

然后通過計算誤差e和誤差變化率ec的實時值，利用模糊規(guī)則進行模糊推理得出修正參數(shù)ΔKp和ΔKi代入到下式:其中:Kp0和Ki0為比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki的初始值。將修正后的Kp和Ki代入到PI控制器中進行控制，此過程不斷重復(fù)。

表1 Kp模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rules of Kp

表2 Ki模糊規(guī)則表Tab.2 Fuzzy rules of Ki

3 仿真實驗結(jié)果

在某已有的冷凝器模型上進行仿真，冷凝器真空壓力的初始值為25 kPa，要求冷凝器的真空壓力控制在34 kPa。當船舶分別以最大功率和10%功率推進時，2種工況都分別通過模糊PI控制器和常規(guī)PI控制器來調(diào)節(jié)循環(huán)水泵，以達到真空壓力的控制要求，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 最大功率推進時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.2 Change of condenser pressure in maximal power

圖3 10%功率推進時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.3 Change of condenser pressure in 10%power

當推進功率在10%功率和最大功率之間互相轉(zhuǎn)換時，也分別用常規(guī)PI控制器和模糊PI控制器對冷凝器真空壓力進行控制，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 由10%功率向最大功率切換時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.4 Change of condenser pressure from 10%power tomaximal power

圖5 由最大功率向10%功率切換時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.5 Change of condenser pressure from maximal power to 10%power

從以上仿真實驗結(jié)果可以看出，無論冷凝器是在高功率還是低功率工況運行時，模糊PI控制器較之常規(guī)PI控制器，都明顯縮小了真空壓力控制曲線的超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時間，上升時間大致相當;同時，當推進功率在高低工況之間互相切換時，模糊PI控制器相對于常規(guī)PI控制器，背壓的過渡過程更加平穩(wěn)，控制性能更好，從而可更好地滿足大范圍功率水平控制要求。

4 結(jié)語

通過以上對冷凝器真空壓力控制系統(tǒng)的研究，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計的模糊PI控制器在冷凝器運行的不同工況下，對其真空壓力的控制效果要優(yōu)于常規(guī)PI控制器，適應(yīng)性更好。因此，運用該模糊PI控制方法改善了冷凝器的工作性能，從而可以提高整個機組的工作效率。

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Research on condenser pressure control system based on fuzzy PI control

LUO Ma，SUN Jian-hua，WANGWei
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper analyses the occurring reasons of condenser pressure and the factor that affect it，it designs the condenser pressure control systems in different situations by themethod of fuzzy PI.Through the simulation，it shows that fuzzy PI controller has a better performance on condenser pressure control than traditional PI controller.

condenser;pressure;fuzzy PI

U664.113;TK264.1+1

A

1672－7649(2013）03－0061－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.013

2012－11－15;

2013－01－11

羅馬(1990－），男，碩士研究生，研究方向為核能科學(xué)與工程。