一種在線(xiàn)模糊控制的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法

摘 要:傳統(tǒng)的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)過(guò)熱蒸汽溫度及其變化趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)減溫水量，從而維持過(guò)熱蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)#65377;由于過(guò)熱蒸汽溫度在減溫水量擾動(dòng)下延遲較大，這種特性使過(guò)熱蒸汽溫度的控制滯后，控制效果不理想#65377;分析現(xiàn)有熱電廠(chǎng)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略，提出利用鍋爐出口蒸汽溫度的變化率和爐膛出口煙氣溫度作為前饋信號(hào)，解決過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的滯后性#65377;基于此設(shè)計(jì)一種鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度在線(xiàn)模糊PID雙模控制方法，并給出詳細(xì)設(shè)計(jì)方案#65377;現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明該方法可有效提高原系統(tǒng)的魯棒性#65377;

關(guān)鍵詞:鍋爐;過(guò)熱蒸汽溫度;在線(xiàn)模糊控制;魯棒性

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 前 言

過(guò)熱蒸汽溫度是火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐設(shè)備的重要參數(shù)#65377;但受現(xiàn)場(chǎng)工況影響，過(guò)熱蒸汽溫度這一調(diào)節(jié)對(duì)象成為一個(gè)時(shí)變的#65380;非線(xiàn)性#65380;大滯后#65380;大慣性的復(fù)雜熱工控制對(duì)象，控制起來(lái)比較困難，因此也產(chǎn)生了多種不同的控制方法#65377;雖然已有些文獻(xiàn)對(duì)此問(wèn)題作出研究^[1-3]，但現(xiàn)場(chǎng)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的滯后性和穩(wěn)定性仍沒(méi)有較好解決#65377;本文在分析現(xiàn)場(chǎng)工況的基礎(chǔ)上，提出了一種解決過(guò)熱蒸汽溫度滯后性的軟測(cè)量方法，并利用在線(xiàn)模糊PID雙模控制方法改善系統(tǒng)的魯棒性#65377;

2 影響過(guò)熱蒸汽溫度變化的主要擾動(dòng)因素

鍋爐蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)的控制任務(wù)就是控制過(guò)熱器出口汽溫在規(guī)定范圍內(nèi)， 并保護(hù)過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度，從而保證過(guò)熱器的正常使用壽命，又能為汽輪機(jī)的安全運(yùn)行提供有力的保障#65377;主蒸汽溫度是否穩(wěn)定是衡量鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一#65377;

本文所探討的是35～130t/h中溫中壓電站鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度的控制方法#65377;過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示#65377;

由圖1我們可以看出，影響過(guò)熱蒸汽溫度變化的主要擾動(dòng)因素有:1)減溫水流量的變化;2)負(fù)荷(過(guò)熱蒸汽流量)的變化;3)煙氣溫度的變化;4)過(guò)熱器熱交換性能的變化#65377;各種擾動(dòng)因素之間又相互影響，控制其中的任何一個(gè)變量，都可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)#65377;

3 經(jīng)典的過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

根據(jù)圖一所示的過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可設(shè)計(jì)出過(guò)熱蒸汽溫度經(jīng)典串級(jí)控制系統(tǒng)#65377;過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)原理如圖2所示#65377;調(diào)節(jié)器I稱(chēng)主調(diào)節(jié)器 ，調(diào)節(jié)器Ⅱ稱(chēng)為副調(diào)節(jié)器#65377;將過(guò)熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器Ⅰ的輸出信號(hào)，不是用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥而是用來(lái)改變調(diào)節(jié)器Ⅱ的給定值 ，起著最后校正作用#65377;這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起 ，各有其特殊任務(wù)#65377;調(diào)節(jié)閥直接受調(diào)節(jié)器Ⅱ的控制 ，而調(diào)節(jié)器Ⅱ的給定值受到調(diào)節(jié)器Ⅰ的控制 ，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng) ，由副調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度θ2形成的閉環(huán)稱(chēng)為副環(huán)#65377;由主調(diào)節(jié)器和主信號(hào)θ形成的閉環(huán)稱(chēng)為主環(huán)#65377;可見(jiàn)副環(huán)是串在主環(huán)之中 ，故稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)#65377;

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2007年6月第26卷第2期趙 煒等:一種在線(xiàn)模糊控制的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法在以上所述的控制方法中，主#65380;副調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定困難，在鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)效果尚可，能基本解決主汽溫度控制的時(shí)變性問(wèn)題，但無(wú)法解決主汽溫度控制的大滯后問(wèn)題，控制效果不十分理想#65377;

4 在線(xiàn)模糊控制的方案及實(shí)現(xiàn)

模糊控制器由于具有快速跟蹤特性，非常適合于對(duì)大慣性#65380;大滯后的非線(xiàn)性被控對(duì)象進(jìn)行控制#65377;但普通的模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度較差，產(chǎn)生這一問(wèn)題的主要原因是，當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，偏差及其變化率在模糊集合上的投影為零，模糊控制器不再進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)作，也即進(jìn)入了“死區(qū)”#65377;系統(tǒng)在此區(qū)域里的動(dòng)態(tài)特性完全依賴(lài)于受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性#65377;所以，改進(jìn)模糊控制器的調(diào)節(jié)品質(zhì)可以從改進(jìn)模糊控制器的“死區(qū)”特性入手#65377;這里我們采用雙控制模塊的控制器#65377;當(dāng)鍋爐處于動(dòng)態(tài)時(shí)(過(guò)熱蒸汽溫度升降大， 偏差大)投入在線(xiàn)模糊控制，保證減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速響應(yīng);當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，則進(jìn)行在線(xiàn)模糊PID控制#65377;采用模糊控制模塊，模糊控制模塊進(jìn)入“死區(qū)”后，第二個(gè)控制模塊投入使用，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)#65377;本系統(tǒng)選用PID調(diào)節(jié)器作為第二個(gè)控制模塊，就構(gòu)成了Fuzzy-PID雙模控制器#65377;

Fuzzy-PID雙模控制器由一個(gè)選通開(kāi)關(guān)控制，系統(tǒng)遠(yuǎn)離穩(wěn)態(tài)時(shí)采用模糊控制模塊，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)后，PID調(diào)節(jié)器被選通投入控制，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)#65377;系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性接近線(xiàn)性，適合PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié) ，并且PID調(diào)節(jié)器可以達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度，克服了普通模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度較低的缺點(diǎn)，并且在模糊控制模塊進(jìn)入“死區(qū)”后，由于有PID調(diào)節(jié)模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近的動(dòng)態(tài)品質(zhì)#65377;因此Fuzzy-PID雙模控制器是一種比較實(shí)用的模糊控制器#65377;

圖3是Fuzzy-PI雙模控制器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中e和e*分別代表實(shí)際出口蒸汽溫度與設(shè)定值的偏差及偏差的變化率，u代表控制器輸出的控制量#65377;

基本模糊控制器模塊和PI調(diào)節(jié)器模塊都采用的是數(shù)字增量式控制算法#65377;即有:

其中，Tw(n)是水溫的實(shí)際值;Twd(n)是水溫的給定值;Δu(n)是由控制模塊輸出的控制量的變化量;t是控制器的采樣時(shí)間#65377;

在理想控制中，一般希望用減溫器出口溫度作為前饋以彌補(bǔ)主蒸汽溫度的大滯后 ， 但工藝上安裝往往有困難#65377;根據(jù)鍋爐的手動(dòng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)成“控制鍋爐出口蒸汽溫度的變化率，用爐膛出口煙氣溫度作為前饋，防止出現(xiàn)較大超調(diào)”，通過(guò)模糊推理的方法，可以建立如下的控制查詢(xún)表#65377;

鍋爐過(guò)熱蒸汽在線(xiàn)模糊控制過(guò)程可以描述如下:

如果過(guò)熱蒸汽溫度誤差變化率T1C為負(fù)小(NS)而爐膛出口煙氣溫度誤差變化率T2C為負(fù)小(NS)時(shí)，則減溫調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度變化率UC為正大(PB);如果過(guò)熱蒸汽溫度誤差變化率T1C為正中(PM)而爐膛出口煙氣溫度誤差變化率T2C為負(fù)大(NB)時(shí)，則減溫調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度變化率UC為負(fù)中(NM)等，具體見(jiàn)在線(xiàn)模糊控制規(guī)則表(表1)#65377;采用上述推理，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)驗(yàn)要求較少，且在動(dòng)態(tài)中決定減溫調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度變化率UC#65377;這種調(diào)節(jié)方式與實(shí)際人工控制方式十分相似，即在操作減溫調(diào)節(jié)閥門(mén)時(shí)，靈活采取“觀(guān)察——調(diào)整——觀(guān)察”的步驟，其調(diào)整幅度是靈活的#65380;模糊的#65377;

具體過(guò)熱蒸汽溫度在線(xiàn)模糊控制流程如圖4所示#65377;

1) 定時(shí)器t1開(kāi)始定時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)都滿(mǎn)足|T1C -T0|<εT(其中T1C為過(guò)熱蒸汽溫度誤差變化率，T0為過(guò)熱蒸汽溫度設(shè)定額定值，εT為穩(wěn)態(tài)偏差，εT的取值與設(shè)備和運(yùn)行方式有關(guān)，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)，則開(kāi)始在線(xiàn)模糊控制，否則t1清零，重新定時(shí)#65377;

2) 當(dāng)t1沒(méi)有清零，不重新定時(shí)#65377;則t2定時(shí)開(kāi)始，進(jìn)入在線(xiàn)模糊控制程序，當(dāng)檢測(cè)到ΔTi-1>0， ΔTi<0(其中ΔTi-1#65380;ΔTi為鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度誤差)時(shí)，則表明控制目標(biāo)值(鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)#65377;這時(shí)停止在線(xiàn)模糊控制，一直到下次啟動(dòng)模糊控制程序#65377;

5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)上述改進(jìn)的控制系統(tǒng)， 修改了原控制系統(tǒng)的組態(tài)，我們將控制器參數(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試做了進(jìn)一步的修正， 并設(shè)定了前饋信號(hào)參數(shù)#65377;圖5表示: 在主蒸汽定值設(shè)定在450℃的情況下， 曲線(xiàn)1表示在改進(jìn)后用Fuzzy-PID控制情況下主蒸汽溫度響應(yīng)曲線(xiàn)最大動(dòng)態(tài)偏差僅3℃，曲線(xiàn)2表示在改進(jìn)前經(jīng)典控制情況下主蒸汽溫度響應(yīng)曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)偏差達(dá)到10℃#65377;實(shí)際運(yùn)行效果較改進(jìn)前明顯改善#65377;

6 結(jié)束語(yǔ)

以上控制方式在福建龍巖適中火電廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)獲得了良好的效果，能將鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制在±3 ℃范圍內(nèi)#65377;與經(jīng)典的過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)相比 ，它克服了大滯后的問(wèn)題，達(dá)到了滿(mǎn)意的調(diào)節(jié)效果#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。