電廠鍋爐燃燒模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：燃煤鍋爐是電廠重要的動力設(shè)備，鍋爐燃燒系統(tǒng)是電廠的一個重要組成部分。由于鍋爐的燃燒過程具有多輸入、多輸出、大時滯、非線性等特點，常規(guī)的控制方法無法達(dá)到預(yù)期的效果。本文的目的就是設(shè)計一種模糊控制策略并應(yīng)用于這個復(fù)雜的鍋爐燃燒系統(tǒng)。由于鍋爐燃燒系統(tǒng)的各個回路之間存在一定程度的耦合，所以在模糊控制器中引入了靜態(tài)解耦的方法，另外，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差還增加了積分作用。最后對設(shè)計好的電廠鍋爐燃燒模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由仿真結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計的模糊控制策略較之傳統(tǒng)PID控制策略取得了更為滿意的控制效果。

關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒系統(tǒng)；模糊控制；解耦；

1 引 言

電廠鍋爐是火力發(fā)電廠三大主要設(shè)備中的重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，因此對于鍋爐的控制是一個十分重要的問題。燃燒過程的控制是一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時還要保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。火電機組鍋爐燃燒控制是一個時變動態(tài)過程，傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制算法很難使之達(dá)到理想的控制效果和較高的自動投運率。模糊控制系統(tǒng)不需要被控過程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，它充分利用來自工程師和司爐工的語義知識進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，其控制方式類似人的思維模式，因此，對鍋爐采用模糊控制方式可取得令人滿意的效果。

本文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：針對電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計一個模糊控制器，同時還引入了解耦、模糊積分作用等策略，對設(shè)計好的鍋爐燃燒模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)的PID控制策略進(jìn)行對比，分析得出模糊控制器的良好控制效果，體現(xiàn)出這種模糊控制系統(tǒng)的可行性與優(yōu)越性。

2電廠鍋爐燃燒模糊控制系統(tǒng)

火電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)是火電廠最重要的控制系統(tǒng)之一。鍋爐燃燒控制也是火電廠最重要的過程控制。鍋爐燃燒是典型的多變量復(fù)雜系統(tǒng)，主要特征包括：非線性、非最小相位特征、不穩(wěn)定性、時滯和負(fù)荷干擾，對其難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。由于鍋爐燃燒系統(tǒng)具有上述的動態(tài)特性，因此，如何能夠?qū)㈠仩t燃燒系統(tǒng)控制的更加準(zhǔn)確、快速、高效是一個急需攻克的難題[4]。這主要是因為在對象動態(tài)特性不斷變化的情況下，控制器的參數(shù)非常難以整定。即使整定好，隨著工況的變化，控制參數(shù)也會偏離最優(yōu)點。

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zadeh首先提出的，經(jīng)過多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面取得重大成功。它有以下特點：模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器，模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。因此，將模糊控制用于電廠鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中將是一個可行的方案。

本文所研究的鍋爐燃燒控制的三個子系統(tǒng)，即燃料量、送風(fēng)和引風(fēng)控制回路的控制品質(zhì)都直接關(guān)系到整個機組的安全和經(jīng)濟運行。因此鍋爐燃燒被控對象是一個三輸入三輸出的相互關(guān)聯(lián)的多變量對象，其動態(tài)特性可用傳遞矩陣表示：

本文針對三個回路采用三個獨立的模糊控制器，對其分別進(jìn)行控制。因為每一個控制回路都是單變量的，所以選擇單變量二維模糊控制器形式；模糊控制器的輸入量選擇誤差E以及誤差變化EC，模糊控制器的輸出為控制量U。模糊集以及論域定義如下：E、EC和U的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；E、EC和U的的論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

首先將控制量由模糊量轉(zhuǎn)變?yōu)榫_量，為了獲得準(zhǔn)確的控制量，就要求模糊方法能夠很好地表達(dá)輸出隸屬度函數(shù)的計算結(jié)果。本文采用工業(yè)控制中廣泛使用的去模糊方法—中間最大值法。該模糊控制器中有三個重要的比例因子，分別為Ke、Kec和Ku ，這三個比例因子對于模糊控制器的控制效果可以起到調(diào)節(jié)作用。

所要研究對象的第一、第二回路的耦合情況，第一回路的控制量U2 對于第二回路的輸出量Y2 有一定的干擾作用，如果要實現(xiàn)U2 對Y2 的解耦，根據(jù)前饋補償原理可得：

本文所設(shè)計的模糊控制器是在系統(tǒng)的輸出量上加入積分作用，通過對系統(tǒng)的誤差進(jìn)行累加并加入到最后的輸出量上，從而達(dá)到消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差。為了達(dá)到這個控制效果，該模糊控制器是在第一回路中，當(dāng)系統(tǒng)的誤差值小于0.1時，系統(tǒng)開始加入模糊積分作用，即將模糊控制器的系統(tǒng)誤差值進(jìn)行累加，并且將所累加的誤差和值加到系統(tǒng)的輸出端 上，從而消除了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。而第二、三回路中，同樣采用了積分作用，但是另外兩個回路采用模糊積分控制作用的條件與第一回路不同，是當(dāng)系統(tǒng)的誤差小于0.2時即引用模糊積分作用，作用原理與第一回路相同。

3電廠鍋爐燃燒模糊控制系統(tǒng)仿真分析

該模糊控制策略對三個回路的控制均取得了較好的跟蹤效果。PID控制器的超調(diào)量明顯高于模糊控制器，PID控制器的超調(diào)量為12%，而模糊控制器的超調(diào)量幾乎為零；并且，常規(guī)PID控制器的調(diào)節(jié)時間是9.5s，而模糊控制器的調(diào)節(jié)時間為4.0s；另外，模糊控制器的單位階躍響應(yīng)曲線沒有過多的振蕩，而常規(guī)PID控制器的振蕩較為明顯。綜上所述，模糊控制器在對于鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制方面，具有更好的控制效果，明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器。

4 結(jié) 論

電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個龐大的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它具有多輸入、多輸出、大時滯、非線性等特點，由于這些動態(tài)特性決定了不能選擇常規(guī)的控制方法進(jìn)行控制。

本文所設(shè)計的模糊控制器中，增加了解耦、模糊積分作用等控制方法來對復(fù)雜的動態(tài)特性進(jìn)行控制，解耦作用可以對回路間的干擾起到抑制作用；積分作用可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而使控制效果更加理想。為了驗證模糊控制器的可行性與優(yōu)越性，將其與常規(guī)PID控制策略的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，模糊控制器超調(diào)量。調(diào)節(jié)時間等方面具有更好的控制效果，因此，模糊控制器是更適合于這種復(fù)雜控制對象的控制方法。

作者簡介：

施雪峰，（1976-），男，工程師，從事電廠節(jié)能管理工作。