過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

任琦梅，姜建，李曉鋒

(1.河南城建學(xué)院，河南平頂山467036;2.郟縣供電有限責(zé)任公司，河南郟縣467100)

鍋爐過熱蒸汽溫度是影響鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)。過熱汽溫過高，會對過熱器和汽輪機(jī)設(shè)備造成威脅甚至損壞，影響設(shè)備使用壽命;過熱汽溫過低不僅會使機(jī)組循環(huán)熱效率降低，煤耗增大，而且汽輪機(jī)的安全運(yùn)行也無法保證;過熱汽溫變化過大，除了使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)汽缸的轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行。因此，在鍋爐運(yùn)行過程中，必須把過熱汽溫嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

目前，火電廠過熱汽溫控制廣泛采用噴水減溫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用串級控制系統(tǒng)。但由于過熱器具有大滯后、非線性、多變量和時(shí)變等特點(diǎn)，當(dāng)工況變化比較大時(shí)，難以保證控制品質(zhì)［1］。本文在串級控制的基礎(chǔ)上，提出串級模糊控制策略，并通過仿真對控制效果進(jìn)行對比分析。

1 串級控制系統(tǒng)組成

采用噴水減溫的過熱汽溫串級控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)

有效反映減溫水變化的是減溫器出口的溫度。為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，本文引入減溫器出口溫度信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以便快速反映影響過熱汽溫變化的擾動(dòng)［2］。

過熱汽溫對象延遲和慣性較大，在減溫水?dāng)_動(dòng)下，導(dǎo)前汽溫θ2比主蒸汽溫θ1提前反映控制作用，因此采用導(dǎo)前汽溫信號構(gòu)成串級系統(tǒng)以改善汽溫的控制質(zhì)量。只要導(dǎo)前汽溫發(fā)生變化，副調(diào)節(jié)器動(dòng)作改變減溫水量，初步維持減溫水出口汽溫在一定范圍內(nèi)，起粗調(diào)作用。過熱器出口汽溫θ1的控制是通過主調(diào)節(jié)器來校正副調(diào)節(jié)器的動(dòng)作。過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)原理圖

在串級過熱汽溫控制系統(tǒng)中，副回路的任務(wù)是快速消除內(nèi)擾，要求調(diào)節(jié)過程的持續(xù)時(shí)間較短，但不要求無差，所以副調(diào)節(jié)器一般可選用比例調(diào)節(jié)器。當(dāng)導(dǎo)前汽溫慣性較大時(shí)，也可選用比例微分調(diào)節(jié)器。主回路的任務(wù)是維持過熱汽溫恒定，因此主調(diào)節(jié)器一般選用比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)過熱汽溫惰性較大時(shí)，也可選用比例積分微分調(diào)節(jié)器。

2 串級模糊控制系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主調(diào)節(jié)器部分在原來PID控制的基礎(chǔ)上，并聯(lián)一個(gè)基本的Fuzzy控制器。當(dāng)過熱汽溫偏差較大時(shí)，利用模糊控制結(jié)合適當(dāng)?shù)淖饔昧恳种聘蓴_，保證系統(tǒng)快速響應(yīng)，同時(shí)又保留了串級控制系統(tǒng)抑制內(nèi)擾的特點(diǎn)，保證控制精度和良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

圖3 過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文中的模糊控制器采用二維結(jié)構(gòu)，輸入量為偏差e和偏差的變化率ec，輸出量為控制量u［3］。二維模糊控制器如圖4所示。

圖4 二維模糊控制器

2.1 模糊語言變量設(shè)計(jì)

二維模糊控制器的輸入模糊語言變量為E(溫度偏差)和EC(溫度偏差變化率)，輸出模糊語言變量為U(閥門開度)。設(shè)E、EC和U的模糊論域均為［-6，6］，語言值均設(shè)定為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

在Matlab中打開模糊邏輯推理系統(tǒng)編輯器，即可設(shè)定模糊語言變量及其高級屬性，可以設(shè)定輸入輸出模糊語言變量各語言值的隸屬函數(shù)，本文中采用三角形隸屬函數(shù)。系統(tǒng)的決策部分采用Madani算法，解模糊化采用重心法。

2.2 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模糊規(guī)則的主要依據(jù)是操作人員的經(jīng)驗(yàn)和具體的技術(shù)要求。本文制定模糊規(guī)則的基本原則是:在適當(dāng)考慮模糊量變化大小的前提下，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，盡快消除溫度偏差;當(dāng)溫度變化較小時(shí)，注意防止超調(diào)和保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。依據(jù)火電廠操作人員“控制過熱汽溫的變化率，防止超調(diào)”的經(jīng)驗(yàn)得到模糊控制的49條規(guī)則［4］(見表1)。

表1 模糊控制規(guī)則

用Matlab進(jìn)行仿真時(shí)，可在模糊規(guī)則編輯器中編輯模糊規(guī)則，然后根據(jù)二維模糊控制器的結(jié)構(gòu)搭建模糊控制器模型(見圖5)。其中量化因子ke、kec和比例因子ku可以在仿真的過程中在線修改［5］。

圖5 模糊控制器仿真模型

3 控制系統(tǒng)仿真模型的建立

以某電廠鍋爐100%負(fù)荷時(shí)過熱汽溫的模型為仿真對象，被控對象的傳遞函數(shù)分別為［2］:

在Simulink中建立過熱汽溫串級控制系統(tǒng)模型(見圖6)。圖6中溫度變送器傳遞函數(shù)取1，副調(diào)節(jié)器采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用PI控制，主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定后，在仿真調(diào)試的過程中可以再適當(dāng)修改，以求得到更好的控制效果。

圖6 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)仿真模型

在Simulink中建立過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)模型(見圖7)。圖7中模糊控制模塊為圖5中的模糊控制器封裝得到［6］。量化因子和比例因子是影響模糊控制器控制效果的重要因素。量化因子ke相當(dāng)于模糊控制器的比例作用，kec相當(dāng)于模糊控制器的微分作用，比例因子ku相當(dāng)于總的放大倍數(shù)。量化因子可根據(jù)實(shí)際誤差變化范圍初步確定，并在仿真調(diào)試過程中適當(dāng)調(diào)整。

4 仿真結(jié)果與分析

為便于對比分析，本文將串級控制和串級模糊控制的仿真曲線繪制在一張圖上。分別對系統(tǒng)出現(xiàn)的減溫水?dāng)_動(dòng)、控制對象增益改變、控制對象時(shí)間常數(shù)改變、控制對象增加延遲等情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖8、圖9、圖10、圖11所示。

圖7 過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)模型

圖8 1000 s時(shí)加入減溫水?dāng)_動(dòng)的響應(yīng)曲線對比

圖9 惰性區(qū)增益改為1.5時(shí)響應(yīng)曲線對比

圖10 惰性區(qū)時(shí)間常數(shù)改為22 s時(shí)響應(yīng)曲線對比

圖11 惰性區(qū)加20 s延遲時(shí)響應(yīng)曲線對比

從響應(yīng)曲線對比可以看出:在給定階躍信號作用下，過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間都比較小，表現(xiàn)出了良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì);在減溫水?dāng)_動(dòng)作用下，串級模糊控制系統(tǒng)能更快地恢復(fù)，表現(xiàn)出良好的抗內(nèi)擾特性;在控制對象惰性區(qū)增益變化、時(shí)間常數(shù)變化、增加延遲等數(shù)學(xué)模型發(fā)生改變時(shí)，串級控制系統(tǒng)的振蕩增強(qiáng)，調(diào)整時(shí)間增大，控制品質(zhì)大大下降，而串級模糊控制系統(tǒng)仍保持了良好的動(dòng)態(tài)性能，表現(xiàn)出較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性能。

5 結(jié)論

針對過熱汽溫高階大慣性、大時(shí)滯等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，串級模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的串級控制系統(tǒng)相比，在穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等方面表現(xiàn)出更優(yōu)越的控制品質(zhì)，從加入擾動(dòng)和改變控制對象數(shù)學(xué)模型的仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，過熱汽溫串級模糊控制系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，具有良好的魯棒性。由于過熱汽溫控制對象工況復(fù)雜，包含許多不確定因素，參數(shù)變化大，串級模糊控制系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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