基于雙模糊PID汽輪機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)的研究

韓芹 龔奇斌

【摘要】基于模糊控制技術(shù)和汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將模糊自整定理論應(yīng)用于汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種適用于汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)的雙模糊自整定PID控制器。通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)模糊自整定PID 控制器分別取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器和功率控制器。針對(duì) 600MW 中間再熱式汽輪機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷控制，在 LABVIEW 中對(duì)新的控制方案進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果和分析表明：在調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，控制效果和自整定PID參數(shù)等方面，模糊自整定PID控制算法均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制算法。

【關(guān)鍵詞】模糊自整定PID控制;汽輪機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng);模糊控制

1.引言

隨著DCS在電站的普及，優(yōu)化控制系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單地對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而主要是研究采用新型控制結(jié)構(gòu)和新型控制算法的控制系統(tǒng)。成功應(yīng)用新型控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一就是在實(shí)際投運(yùn)前對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的仿真試驗(yàn)，分析、研究和改善這些控制系統(tǒng)，以便使調(diào)試人員掌握新型控制系統(tǒng)的運(yùn)行特征及控制器參數(shù)的工程整定規(guī)則[1]。目前，電廠中600MW 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)其特點(diǎn)、功能的介紹比較多，但對(duì)其內(nèi)部控制機(jī)理、控制方案的研究卻不多見(jiàn)。古典的PID控制策略仍然是應(yīng)用最多的，而智能控制和一些復(fù)合控制策略在汽輪機(jī)控制上應(yīng)用的比較少見(jiàn)。本文利用模糊控制的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和PID控制的穩(wěn)態(tài)性能，針對(duì)600MW 中間再熱式汽輪機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷控制，進(jìn)行仿真研究，通過(guò)仿真驗(yàn)證了其控制效果。

2.汽輪機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

負(fù)荷控制主要是對(duì)汽輪機(jī)組實(shí)發(fā)功率增減的控制。目前，控制系統(tǒng)大多采用的方案是串級(jí)PID控制方案，功率控制器為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制器為副調(diào)節(jié)器。功率給定信號(hào)、轉(zhuǎn)速控制信號(hào)和負(fù)荷擾動(dòng)信號(hào)均在功率控制器處匯合，疊加之后的總輸入信號(hào)變化較為復(fù)雜，對(duì)處理它們的控制器要求比較高。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)功率的變化因受自身慣性的影響，又受中間再熱容積的影響，其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。而正比于機(jī)組功率的調(diào)節(jié)級(jí)壓力通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)壓力回路可以使系統(tǒng)快速做出響應(yīng)。為此，把模糊控制技術(shù)引入到功率PID控制和調(diào)節(jié)級(jí)壓力PID控制中，設(shè)計(jì)了一種雙模糊自整定PID控制器應(yīng)用于汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的智能化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)參數(shù)能夠自動(dòng)整定。如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 模糊PID功率控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊自整定PID參數(shù)控制器的目的是為了使參數(shù)kp，ki，kd隨著偏差e和偏差變化ke的變化而自行調(diào)整[2]。模糊PID功率控制器的設(shè)計(jì)如圖2所示，把轉(zhuǎn)速偏差修正后的功率給定值與功率的差值作為誤差e。其目的就是為了保證汽輪機(jī)的輸出功率無(wú)限接近功率給定值。模糊PID調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制器設(shè)計(jì)如圖3所示，把功率控制器輸出的控制信號(hào)與汽輪機(jī)反饋的調(diào)節(jié)級(jí)壓力的差值作為誤差e，其目的是為了快速地消除擾動(dòng)。

圖3 模糊PID調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制器結(jié)構(gòu)圖

3.模糊PID控制器設(shè)計(jì)

由于模糊控制器是采用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此模糊控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題就是模糊化過(guò)程、數(shù)據(jù)庫(kù)（含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)）、推理決策和精確化計(jì)算4部分的設(shè)計(jì)問(wèn)題[3]。

3.1 隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

在汽輪機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)中，e和偏差變化率ke作為雙模糊控制器的輸入變量，以kp、ki、kd三個(gè)參數(shù)作為兩個(gè)控制器的輸出變量。對(duì)偏差e、偏差變化ke及控制參數(shù)kp、ki、kd的模糊集及論域定義如下：e、ke和控制參數(shù)kp、ki、kd的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值集合為：{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，e、ke的論域均為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，kp的論域?yàn)椋簕-0.3，-0.2，-1，0，1，0.2，0.3}，ki的論域?yàn)椋簕-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，kd的論域?yàn)椋簕-3，-2，-1，0，1，2，3}[4]。

整個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)均在LabVIEW的模糊控制編輯器中完成。本文針對(duì)e、ke和kp、ki、kd均建立了以7個(gè)語(yǔ)言變量為名稱的隸屬度函數(shù)，其隸屬度函數(shù)均為三角型隸屬度函數(shù)。以偏差E隸屬度函數(shù)設(shè)置情況為例，如圖4所示。

圖4 偏差e隸屬度函數(shù)

3.2 模糊控制規(guī)則[5]

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)kp、ki、kd在不同偏差e和偏差變化ec下自適應(yīng)調(diào)整的基本調(diào)整規(guī)則如下所述：

（1）當(dāng)e較大時(shí)，為加快系統(tǒng)響應(yīng)，應(yīng)取較大的kp和較小的kd，由于積分太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，因而要對(duì)積分作用加以限制，通常取ki=O或者較小值。

（2）當(dāng)e中等大小時(shí)，為減少系統(tǒng)超調(diào)，kp應(yīng)適當(dāng)減小，同時(shí)對(duì)ki和kd的取值要適當(dāng)。

（3）當(dāng)e較小時(shí)，為減小穩(wěn)態(tài)誤差，kp與ki應(yīng)取得大些，在這種情況下，kd的取值最重要，取值不當(dāng)會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。

3.3 去模糊化

模糊控制量不能直接用來(lái)作為控制信號(hào)，輸入完一個(gè)模糊規(guī)則表后，還必須進(jìn)行去模糊化（清晰化），將其轉(zhuǎn)換為清晰值。采用平均最大隸屬度法來(lái)實(shí)現(xiàn)去模糊化，若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個(gè)極值，則取這些極值的平均值為清晰值[4]。

4.仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)使用LabVIEW中的模糊控制工具包Fuzzy Logic和，對(duì)基于雙模糊自適應(yīng)PID控制的汽輪機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真程序框圖如圖4所示。

圖5 雙模糊自適應(yīng)PID控制的

汽輪機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)程序框圖

功率回路和調(diào)節(jié)級(jí)壓力回路組成串級(jí)負(fù)荷控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定采用現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的逐步逼近法，依次整定功率主回路、調(diào)節(jié)級(jí)壓力副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路的最佳整定值。仿真結(jié)果如圖6所示，圖7所示的仿真結(jié)果來(lái)自文獻(xiàn)[4]。兩圖進(jìn)行對(duì)比，可以看出基于雙模糊自適應(yīng)PID的汽輪機(jī)負(fù)荷控制要比單模糊PID負(fù)荷控制的效果要好些且過(guò)渡過(guò)程更加平穩(wěn)，時(shí)間有所縮短，抗干擾能力顯著增加，具有較強(qiáng)的魯棒性。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文基于模糊自適應(yīng)PID控制，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)負(fù)荷控制的研究。控制仿真試驗(yàn)表明在規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度都有明顯改善。模糊PID控制器中的參數(shù)整定主要集中在模糊控制器中的參數(shù)ke、kce、kp、ki上，在對(duì)這些參數(shù)的整定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)每個(gè)參數(shù)均有一定的取值范圍，當(dāng)超過(guò)此范圍控制系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定或控制性能變差，多個(gè)參數(shù)存在一個(gè)在多個(gè)列向量中求取最佳數(shù)值組合的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]王爽心，葛曉霞.汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004：300-500.

[2]王亞剛，邵惠鶴.自整定PID控制器研究的綜述[J].電氣自動(dòng)化，2000，22（1）：7-9.

[3]李士勇.模糊控制和智能控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4]易繼鍇，候嬡彬.智能控制技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1999：200-350.

[5]韓芹.凝汽式汽輪機(jī)虛擬控制裝置研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009：44-52.

基金項(xiàng)目：湖南科技學(xué)院校級(jí)課題（13XKYTB001）。

作者簡(jiǎn)介：韓芹（1982—），女，湖南永州人，碩士，助教，主要研究方向：計(jì)算機(jī)智能控制。