模糊控制在鍋爐給水控制系統中的應用

朱洪軍 周 佐 路虹波

（1、中國石油大學（華東）信息控制學院，山東 東營 257061 2、齊魯石化熱電廠，山東 淄博 255410 3、華北電力大學研究生院，北京 102206）

1 引言

FUZZY控制器簡要介紹：

1.1 Fuzzy控制的基本原理

模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思維邏輯，對被控對象的運行規律（往往沒有確切的數學模型）進行總結、抽象、推理、量化，實施有效的控制。模糊控制的基礎是模糊數學，利用模糊數學的推理理論，離線建立隸屬函數數據庫，將各種復雜的過程對象簡單化。該過程需要對被控對象充分的了解，是直接的操作者，具有豐富的經驗，才能總結規律，建立隸屬函數數據庫。當在線運行時，利用計算機的高速、大容量性能，通過推理、量化運算得到具體的控制量。模糊控制是一種非線性控制器，適合于時變、非線性、強耦合系統。

1.2 FUZZY（模糊）控制器的組成

FUZZY控制器主要由四部分組成：

1.2.1 模糊化

這部分的作用是將輸入的精確量進行處理變成模糊控制器要求的輸入量。對處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍，然后進行模糊處理，并用相應的模糊集合表示。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統的輸出或狀態。

1.2.2 知識庫

知識庫通常由數據庫和模糊控制規則庫兩部分組成。數據庫包括各語言變量的隸屬度函數，尺度變換因子以及模糊空間的分級數等。規則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規則。它們反映了實際控制的經驗和知識。

1.2.3 模糊推理

模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理過程是基于模糊邏輯中的蘊涵關系及推理規則來進行。

1.2.4 清晰化

清晰化的作用是將模糊的控制量經清晰化變換變成表示在論域范圍的清晰量，最后將清晰量經尺度變化成實際的控制量。

2 鍋爐給水回路控制原理及過程：

汽包水位控制采用常規儀表或單回路調節器組成的“三沖量汽包水位控制”有兩種方案。方案1是簡單易調的“并極三沖量”。這種控制方案從控制系統原理上講為單閉環加前饋控制系統，被控量為汽包水位，給水流量、主汽流量以前饋方式加到控制輸出。方案2為“串極三沖量”。這種方案從控制系統原理上講為雙閉環加前饋控制系統，外環控制汽包水位，內環控制給水流量，主汽流量以前饋方式加到控制輸出。方案1的優點是須整定的參數少，調試簡單，方便易行；缺點是系統的穩態偏差大，動態過程周期長，容易振蕩，執行器動作頻度大。方案2的優點是系統的穩態偏差小，動態過程周期短，系統的魯棒性能好，執行器動作頻度小；缺點是調試復雜，工作量大，需要技術人員能力較強。目前，方案1基本不用，方案2在單回調節器及常規DCS系統中普遍應用。

上述的方案1和方案2均為傳統的汽包水位控制方案，存在如下缺點：

均為“位置式”PID控制，當給水流量、主汽流量信號故障時，控制回路失靈。

方案Ⅱ在給水壓力波動或給水系統無調壓泵時，給水門動作頻度過大，鍋爐負荷波動時，給水跟蹤慢，水位偏差大。

針對上述情況，HIC-1000系統的給水控制采取了如下措施：

2.1 采用“增量式”PID控制器，雙閉環控制系統。

2.2 主汽流量信號以微分形式作為前饋加入到內環給定。

2.3 外環輸出限幅，使內環給定值與反饋值的偏差非飽和，有效克服給水壓力波動或給水系統無調壓泵時汽包水位控制不穩的困難。

主給水門、副給水門（給水大旁路、幅主給水門）采用雙閉環控制系統，啟動給水門采用單閉環控制系統。鍋爐由點火到并汽前啟動給水門投自動，在10-70%額定負荷時副給水門投自動，在70-100%額定負荷時主給水門投自動。三個給水調節門在任何時刻只能有一個投入自動運行，其余為手動。

符號說明：

sp_h:汽包水位給定值（h:汽包水位）；

sp_Dgs:內環給水流量給定（Dgs:給水流量）；

Dq:主汽流量；

fb0:主汽流量前饋系數；

PI1:主調節器，PI2:副調節器；

G1:給水門特性函數，G2:汽包特性函數。

·PID控制器參數：

共有三組PID控制器參數，每組兩個調節器--汽包水位調節器和給水流量調節器。三組PID控制器參數分別對應主給水門、輔助給水門和啟動給水門。主給水門用于鍋爐70%--100%負荷，輔助給水門用于10--70%負荷，啟動給水門用于鍋爐啟動過程及并汽前的控制。三個給水調節門在任何時刻只能有一個投入自動運行，其余為手動。

PID校正參數：是PID控制的輔助參數，與PID控制器配合實現各種控制狀態的轉換及控制策略的調整。

3 給水控制回路實時趨勢驗證：

投用后趨勢圖（見圖1）：

圖1 投自動后給水流量趨勢圖

從此趨勢圖中可以看出，#5鍋爐投用給水自動控制系統之后，給水流量（位號FT101-FCV）輸出值穩定在縱軸數值188值之下，波動范圍在10之間，振幅不及5%，輸出值穩定，自動控制效果明顯。

4 結論

本文基于模糊控制原理，詳細論述了模糊控制與實時控制相結合的單閉環加前饋控制系統，并將其運用于鍋爐給水控制系統，使得給水流量即使在工況變化較大，負荷擾動等的情況下，依然能夠保持自控，并用實時趨勢圖證明了其良好的控制效果。本文提出的鍋爐給水自動控制思路對于國內鍋爐特別是工況較為惡劣的電站鍋爐的自控長期投運有很好的指導意義。其實施方案易于實現,且與電廠采用的控制設備類型無關。

[1]曾光奇.《模糊控制理論與工程應用》武漢華中科技大學出版社，2006年08月.

[2]張德泉.《集散控制系統原理及其應用》北京電子工業出版社，2007年08月.