模糊自適應PID控制在主汽溫控制中的應用研究

王 剛，陸海榮，白緒濤，張曉晨

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

模糊自適應PID控制在主汽溫控制中的應用研究

王 剛，陸海榮，白緒濤，張曉晨

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

因常規(guī)的PID控制在對大滯后、大慣性、非線性復雜過程進行控制時，在穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)速度上都難以滿足較高的控制要求，因而提出基于模糊控制理論設計的具有自調(diào)整能力的模糊PID控制，并對2種控制方式下的主蒸汽溫度控制進行仿真比較。結果表明：模糊PID控制的調(diào)節(jié)效果要優(yōu)于常規(guī)PID控制。

模糊PID控制；主蒸汽溫度；主汽溫調(diào)節(jié)器

0 引言

電站主蒸汽溫度(以下簡稱“主汽溫”)是影響電力生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)之一，也是整個電站汽水循環(huán)中最高溫度的點。主汽溫過高，則容易燒壞過熱器，使管道和汽輪機內(nèi)某些零件產(chǎn)生過大的熱膨脹而變形毀壞，影響機組的安全運行；主汽溫過低，不僅會增加燃料消耗量、降低機組熱效率，而且會使汽輪機尾部蒸汽濕度增加，造成末級葉片侵蝕加劇。如果主汽溫變化過大，還會引起汽輪機轉子和汽缸脹差變化，甚至導致劇烈振動，危及機組安全。因此，主汽溫必須維持在一定的范圍內(nèi)，以保證機組的安全經(jīng)濟運行。

1 鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)動態(tài)特性分析

在汽水循環(huán)過程中，主蒸汽經(jīng)汽包汽水分離后通過過熱器的低溫段，至減溫器，再通過過熱器的高溫段，最后送至汽輪機。通常鍋爐采用噴水減溫的方式來控制過熱器出口的主蒸汽溫度。影響主汽溫變化的主要因素包括蒸汽流量(負荷)、煙氣傳熱量和減溫水流量等。

在上述影響主汽溫變化的任何一種因素的擾動下，汽溫的階躍響應都會存在遲延、慣性、自平衡的特性。同時在噴水減溫系統(tǒng)中，減溫水流量的擾動最為強烈，對此段的溫度控制要求要比對高溫段出口的要求低，在常規(guī)的控制方案中一般只作副參數(shù)考慮。

2 主汽溫串級控制系統(tǒng)

串級控制方案實現(xiàn)簡單、工作可靠且具備較強的抗干擾能力，因而廣泛應用在電站主汽溫控制中。

2.1 主汽溫串級控制系統(tǒng)原理

主汽溫串級控制系統(tǒng)原理如圖1所示。汽溫串級控制系統(tǒng)的蒸汽流量和減溫水量中起主要作用，針對汽溫階躍響應慣性延遲較大而被調(diào)量反應快速的特點，采用中間點信號作為補充反饋信號，以改善調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

圖1 主蒸汽串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

2.2 主汽溫串級控制系統(tǒng)

主汽溫串級控制系統(tǒng)如圖2所示。其基本原理是：將主汽溫設定值和反饋值y1的偏差e1作為主調(diào)節(jié)器的輸入；將主調(diào)節(jié)器經(jīng)PID運算后輸出u1作為副調(diào)節(jié)器的輸入設定值，并將此設定值與噴水減溫器的出口溫度反饋值y2的偏差e2作為二級過熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，將其輸出u2作為噴水減溫閥的輸入信號。在整個控制系統(tǒng)中，內(nèi)回路的主要作用是盡快消除減溫水量的自發(fā)性擾動和其他進入內(nèi)回路的擾動，對主汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用；而外回路在汽溫調(diào)節(jié)中起關鍵性作用，用于保持過熱汽溫始終等于設定值。

常規(guī)的串級汽溫控制方案雖然能夠保證主汽溫穩(wěn)定在設定值，但存在響應時間長、穩(wěn)定性差、控制品質(zhì)低的缺陷。

圖2 主汽溫串級PID控制系統(tǒng)

3 主汽溫模糊自適應PID控制

模糊控制是在1965年由L.A.Zadeh教授提出，是以模糊集合、模糊語言變量和模糊推理為基礎的一種對復雜系統(tǒng)進行控制的智能控制策略。模糊自適應PID控制是在常規(guī)PID控制的基礎上利用模糊控制理論對PID參數(shù)進行在線修正，具有響應時間快、系統(tǒng)超調(diào)小、控制過程平緩、控制品質(zhì)高等優(yōu)勢。

3.1 模糊自適應PID控制系統(tǒng)

模糊自適應PID控制系統(tǒng)如圖3所示。其設計原理是：先利用主汽溫設定值和反饋值計算當前誤差e和誤差變化率ec，并模糊化；再利用模糊規(guī)則進行推理，分別得到PID控制器各參數(shù)的變化值；然后與原參數(shù)值相加得到新參數(shù)，以適應不同條件對控制器參數(shù)的要求，從而獲得較好的控制效果。

在主汽溫控制系統(tǒng)中，將主汽溫設定值和當前測量值的偏差e和其變化量ec作為模糊控制器的2個輸入值，經(jīng)過處理得到了PID控制器3個參數(shù)的校正值dKp，dKi，dKd，再代入下列公式，確定當前PID的參數(shù)。

Kp′=Kp+dKp；Ki′=Ki+dKi；Kd′=Kd+dKd。式中：Kp′，Ki′，Kd′為當前時刻的 PID 控制參數(shù)值；Kp，Ki，Kd為前一時刻值。

這樣控制參數(shù)就能不斷隨環(huán)境改變而自動修正，保證控制系統(tǒng)始終能獲得比較好的控制效果。

3.2 模糊控制規(guī)則表的建立

模糊控制器的輸入和輸出變量分別為e，ec和dKp，dKi，dKd，各變量模糊語言值選用“大、中、小”3個詞匯來描述?？紤]正負方向及零狀態(tài)，可描述為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。輸入量e，ec的隸屬度函數(shù)和輸出變量模糊子集的隸屬度函數(shù)均選為三角函數(shù)(邊界選用高斯函數(shù))。

針對不同的e和ec，Kp，Ki，Kd的整定原則如下。

(1) 當|e|較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應取較大的Kp與較小的Kd，同時，為避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調(diào)，應對積分作用加以限制，通常取Ki=0。

(2) 當|e|和|ec|中等大小時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應取小一些；在這種情況下，Kd的取值對系統(tǒng)的影響較大，也應取小一些；Ki的取值則要適當。

（3） 當|e|較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp和Ki均應取大些。同時，為避免系統(tǒng)在設定值時出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾的性能，當|ec|較大時Kd可取小些；|ec|較小時，Kd可取得較大一些。

圖3 模糊PID控制器系統(tǒng)原理

由上述分析可以建立模糊控制規(guī)則，如表1，2，3所示。

表1 Kp的模糊控制規(guī)則

表2 Ki的模糊控制規(guī)則

表3 Kd的模糊控制規(guī)則

比例因子ke，kec和ku對模糊控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能有較大的影響，一般有如下規(guī)律。

(1)ke越大，系統(tǒng)的超調(diào)越大，引起過度過程越長，穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)越?。籯e越小，則系統(tǒng)變化越慢，穩(wěn)態(tài)精度降低。

(2)kec越大，系統(tǒng)變化率越小，響應越慢；kec越小，系統(tǒng)反應加快，超調(diào)量增大，特別是反向超調(diào)會變大。

(3) 在上升段，ku越大，上升得快，但容易引起超調(diào)；ku越小，系統(tǒng)響應變得比較緩慢。在穩(wěn)態(tài)階段，ku過大則容易引起振蕩。

在實際選擇比例因子時，需要不斷調(diào)整，才能尋找到比較合適的值。

在主汽溫實時控制中，由e，ec經(jīng)模糊控制器得到參數(shù)校正量，利用重心法進行解模糊處理，再乘以比例因子得到PID參數(shù)調(diào)整量，最終與前時刻基準值相加得到當前時刻的PID參數(shù)值。

4 仿真比較

選取某鍋爐過熱器作為被控對象：采用噴水減溫的調(diào)節(jié)手段；被調(diào)對象導前區(qū)傳遞函數(shù)為G02(s)=7.5/(1+16s)2；被調(diào)對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)G01(s)=1.5/(1+25s)3；電動執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥的傳遞系數(shù)已包含在被調(diào)對象的放大系數(shù)中；測量變送器的斜率取為γθ1=γθ2=0.1。

采用所述的模糊控制系統(tǒng)設計方案，利用MATLAB進行編程仿真，調(diào)試后在階躍輸入下的輸出值和偏差值曲線如圖4，5所示。

通過仿真曲線可以看出：基于模糊控制的智能PID控制主汽溫控制方案，能取到較好的控制效果。其各項性能指標均優(yōu)于常規(guī)PID控制，具有響應時間短、超調(diào)小、過渡時間快、動態(tài)性能優(yōu)良以及靜態(tài)精度高等優(yōu)點。

圖4 主汽溫控制響應曲線

圖5 誤差變化曲線

5 結論

將模糊控制與常規(guī)PID控制相結合，設計出具備自適應能力的智能PID控制系統(tǒng)。選用電站主汽溫作為研究對象，MATLAB仿真結果表明，該智能PID控制器用于主汽溫控制后，響應時間短、超調(diào)量小、調(diào)節(jié)過程平緩，使主汽溫的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高，具有一定的實用價值。

1 楊 濤，高 偉，黃樹紅.基于Matlab的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真[J].華中科技大學學報，2003，31(4)：63-65.

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4 王曉麗，郝 娜，劉鑫輝.一種Fuzzy-PID復合控制器在過熱汽溫控制中的仿真應用研究[J].電力科學與工程，2006，22(3)：44-46.

5 魏宏信，張金中，鄭 華，等.基于MATLAB的自適應模糊PID控制系統(tǒng)研究[J].機械設計，2005，22(21)：59-61.

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7 劉金琨.先進PID控制和MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

2017-06-10。

王 剛(1988—)，男，工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護工作，email：wanggang@cgnpc.com.cn。

陸海榮(1986—)，男，工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護及技術改造工作。

白緒濤(1982—)，男，高級工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護及技術改造工作。

張曉晨(1993—)，男，助理工程師，主要從事電站儀控系統(tǒng)維護及技術改造工作。