基于T—S模糊模型的鍋爐汽包水位模型研究

蔣靜江++李或++尹文佳

摘要 鍋爐汽包水位是一種多變量的非線性耦合系統(tǒng)。對(duì)此應(yīng)用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以鍋爐汽包水位為對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并且針對(duì)廣東粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠裝機(jī)容量700WM的#1機(jī)組鍋爐汽包水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行仿真處理，通過(guò)對(duì)該模型的參數(shù)的預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)以及與實(shí)際輸出的對(duì)比，得到符合條件的鍋爐汽包水位的仿真模型。

關(guān)鍵詞 汽包水位；T-S模糊模型；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；仿真

中圖分類號(hào) TK2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0050-02

面對(duì)日常生活中的時(shí)變系統(tǒng)，研究對(duì)象非常復(fù)雜，我們應(yīng)用理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)研究對(duì)象分析并不容易，這時(shí)最直接的解決方式就是建模。在數(shù)學(xué)領(lǐng)域建模并不能夠具體化，而是借助于一個(gè)系統(tǒng)和處于過(guò)程中的相關(guān)變量之間的某種關(guān)系來(lái)反映的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。電廠正常運(yùn)行，最重要的因素就是汽包水位，如果因素不穩(wěn)定，最嚴(yán)重的結(jié)果就是導(dǎo)致鍋爐MFT。整個(gè)控制，目的在于保證汽水系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?；谄刂葡到y(tǒng)的非線性、多時(shí)變、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，用T-S模糊模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模來(lái)加以分析與優(yōu)化。

1 模型描述

T-S模糊模型是基于Takagi-Sugeno模糊規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)建模的一種模型辨識(shí)方法，簡(jiǎn)稱T-S模型。模型的輸入函數(shù)是規(guī)則后件：

R_i：if x is A_i then y_i=f_i（x）

i=1，2，…，n

（1）

這種語(yǔ)言規(guī)則描述的模型展開(kāi)第f條規(guī)則可寫(xiě)為：

這里， 在模糊系統(tǒng)中是第i條規(guī)則前件的模糊集合；P_im（m=1，2，……，k）是系統(tǒng)參數(shù)；x=[x₁，x₂，……，x_r]是輸入變量；y_i是輸出變量，輸入模糊，輸出確定。整個(gè)模糊推理過(guò)程的輸入與輸出的關(guān)系呈線性。

對(duì)輸入變量x來(lái)說(shuō)，應(yīng)用模糊規(guī)則來(lái)計(jì)算每個(gè)輸入變量的隸屬度：

這里， 是隸屬度函數(shù)的中心和寬度；k是輸入?yún)?shù)；n是子集數(shù)。把隸屬度進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用連乘算子：

2 網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)

T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由5層前向網(wǎng)絡(luò)組成：分為輸入層、模糊化層、模糊條件層、模糊決策層和輸出層。輸入層與輸入向量x連接。模糊化層采用隸屬度函數(shù)（3）對(duì)輸入值進(jìn)行模糊化得到模糊隸屬度值μ。模糊條件層采用模糊連乘公式（4），模糊決策層采用公式（5）計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下。

1）誤差計(jì)算。

這里，y_d是期望輸出；Y_e是實(shí)際輸出；e是期望輸出和實(shí)際輸出的誤差。

2）系數(shù)修正。

這里， 是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)；a是學(xué)習(xí)效率； x_m是輸入?yún)?shù)； 是輸入?yún)?shù)隸屬度連乘積。

3）參數(shù)修正。

式中， ，分別為隸屬度函數(shù)的中心和寬度。

3 建模與仿真

鍋爐汽水系統(tǒng)的流質(zhì)是由給水和蒸汽兩部分來(lái)構(gòu)成，中間部分是鍋爐的汽包，如果給水量等于蒸汽量的時(shí)候，則汽包水位將不會(huì)變化。但鍋爐汽包水位不僅受到這兩部分的影響，還因?yàn)槠旌衔飳?dǎo)致汽包中蓄水的體積不是實(shí)際體積，造成“虛假水位”。

汽包水位H體現(xiàn)不僅僅是汽包中的蓄水體積（包括汽水系統(tǒng)中的管道），也包括了汽水混合物中的汽泡，同時(shí)跟鍋爐負(fù)荷和蒸汽壓力有著直接關(guān)系。影響因素為：給水量；負(fù)荷；蒸汽壓力；燃料量。

汽包容積包括汽包內(nèi)部的水、蒸汽和汽水混合物。燃料量從燃燒到使?fàn)t水加熱蒸發(fā)的這個(gè)過(guò)程有較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)汽包水位的影響滯后，忽略不計(jì)。將鍋爐汽壓變化和負(fù)荷變化這兩者影響水位的變化看成是一項(xiàng)。真正實(shí)質(zhì)上對(duì)汽包水位產(chǎn)生影響的因素則是機(jī)組給水量和鍋爐蒸汽量的階躍變化。

應(yīng)用建模，當(dāng)負(fù)荷在700MW工況下，針對(duì)珠海發(fā)電廠#1機(jī)組鍋爐左右兩側(cè)水位每隔5s測(cè)取數(shù)據(jù)，左、右側(cè)汽包水位取值范圍分別為-20mm～-70mm和-70mm～-120mm，最終的控制范圍為兩側(cè)水位和的平均值，變化范圍大概在-50mm～-80mm之間，根據(jù)測(cè)取的數(shù)據(jù)應(yīng)用T-S模糊模型建立系統(tǒng)模型。系統(tǒng)的算法流程如圖2所示、樣本數(shù)據(jù)實(shí)際擬合曲線與T-S模型預(yù)測(cè)輸出曲線對(duì)比如圖1（a）所示、其誤差曲線如圖1（b）所示，可以清晰的看到汽包水位的實(shí)際曲線與預(yù)測(cè)曲線的對(duì)比關(guān)系。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法針對(duì)鍋爐汽包水位這一多變量非線性系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)樣本數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)擬合曲線與預(yù)測(cè)模型輸出曲線對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，誤差在零點(diǎn)附近較小范圍內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明在本文中建立的模型，與珠海電廠內(nèi)實(shí)際情況相吻合，真實(shí)地反映了珠海發(fā)電廠裝機(jī)容量700WM的#1機(jī)組鍋爐汽包水位情況。對(duì)于今后的分析與控制起到了積極作用，對(duì)今后的研究和深入探討以及工程方面具有重大意義。