過熱汽溫串級模糊控制系統設計與仿真

任琦梅，姜建，李曉鋒

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

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

目前，火電廠過熱汽溫控制廣泛采用噴水減溫，系統結構主要采用串級控制系統。但由于過熱器具有大滯后、非線性、多變量和時變等特點，當工況變化比較大時，難以保證控制品質［1］。本文在串級控制的基礎上，提出串級模糊控制策略，并通過仿真對控制效果進行對比分析。

1 串級控制系統組成

采用噴水減溫的過熱汽溫串級控制系統如圖1所示。

圖1 過熱汽溫串級控制系統

有效反映減溫水變化的是減溫器出口的溫度。為了改善系統的動態性能，本文引入減溫器出口溫度信號作為調節器的補充信號，以便快速反映影響過熱汽溫變化的擾動［2］。

過熱汽溫對象延遲和慣性較大，在減溫水擾動下，導前汽溫θ2比主蒸汽溫θ1提前反映控制作用，因此采用導前汽溫信號構成串級系統以改善汽溫的控制質量。只要導前汽溫發生變化，副調節器動作改變減溫水量，初步維持減溫水出口汽溫在一定范圍內，起粗調作用。過熱器出口汽溫θ1的控制是通過主調節器來校正副調節器的動作。過熱汽溫串級控制系統的原理如圖2所示。

圖2 過熱汽溫串級控制系統原理圖

在串級過熱汽溫控制系統中，副回路的任務是快速消除內擾，要求調節過程的持續時間較短，但不要求無差，所以副調節器一般可選用比例調節器。當導前汽溫慣性較大時，也可選用比例微分調節器。主回路的任務是維持過熱汽溫恒定，因此主調節器一般選用比例積分調節器。當過熱汽溫惰性較大時，也可選用比例積分微分調節器。

2 串級模糊控制系統組成

本文設計的過熱汽溫串級模糊控制系統結構如圖3所示。主調節器部分在原來PID控制的基礎上，并聯一個基本的Fuzzy控制器。當過熱汽溫偏差較大時，利用模糊控制結合適當的作用量抑制干擾，保證系統快速響應，同時又保留了串級控制系統抑制內擾的特點，保證控制精度和良好的動態品質。

圖3 過熱汽溫串級模糊控制系統結構圖

本文中的模糊控制器采用二維結構，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 模糊語言變量設計

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E、EC和U的模糊論域均為［-6，6］，語言值均設定為7個，即{負大(NB)，負中(NM)，負小(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編輯器，即可設定模糊語言變量及其高級屬性，可以設定輸入輸出模糊語言變量各語言值的隸屬函數，本文中采用三角形隸屬函數。系統的決策部分采用Madani算法，解模糊化采用重心法。

2.2 模糊規則設計

設計模糊規則的主要依據是操作人員的經驗和具體的技術要求。本文制定模糊規則的基本原則是:在適當考慮模糊量變化大小的前提下，當溫度變化較大時，盡快消除溫度偏差;當溫度變化較小時，注意防止超調和保證系統的穩定性。依據火電廠操作人員“控制過熱汽溫的變化率，防止超調”的經驗得到模糊控制的49條規則［4］(見表1)。

表1 模糊控制規則

用Matlab進行仿真時，可在模糊規則編輯器中編輯模糊規則，然后根據二維模糊控制器的結構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 控制系統仿真模型的建立

以某電廠鍋爐100%負荷時過熱汽溫的模型為仿真對象，被控對象的傳遞函數分別為［2］:

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

圖6 過熱汽溫串級控制系統仿真模型

在Simulink中建立過熱汽溫串級模糊控制系統模型(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相當于模糊控制器的比例作用，kec相當于模糊控制器的微分作用，比例因子ku相當于總的放大倍數。量化因子可根據實際誤差變化范圍初步確定，并在仿真調試過程中適當調整。

4 仿真結果與分析

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。分別對系統出現的減溫水擾動、控制對象增益改變、控制對象時間常數改變、控制對象增加延遲等情況進行了仿真，結果如圖8、圖9、圖10、圖11所示。

圖7 過熱汽溫串級模糊控制系統模型

圖8 1000 s時加入減溫水擾動的響應曲線對比

圖9 惰性區增益改為1.5時響應曲線對比

圖10 惰性區時間常數改為22 s時響應曲線對比

圖11 惰性區加20 s延遲時響應曲線對比

從響應曲線對比可以看出:在給定階躍信號作用下，過熱汽溫串級模糊控制系統的超調量和調整時間都比較小，表現出了良好的動態品質;在減溫水擾動作用下，串級模糊控制系統能更快地恢復，表現出良好的抗內擾特性;在控制對象惰性區增益變化、時間常數變化、增加延遲等數學模型發生改變時，串級控制系統的振蕩增強，調整時間增大，控制品質大大下降，而串級模糊控制系統仍保持了良好的動態性能，表現出較強的自適應性和魯棒性能。

5 結論

針對過熱汽溫高階大慣性、大時滯等特點，設計了過熱汽溫串級模糊控制系統。仿真結果表明，串級模糊控制系統與傳統的串級控制系統相比，在穩定性、快速性、準確性等方面表現出更優越的控制品質，從加入擾動和改變控制對象數學模型的仿真實驗可以看出，過熱汽溫串級模糊控制系統對環境的適應能力更強，具有良好的魯棒性。由于過熱汽溫控制對象工況復雜，包含許多不確定因素，參數變化大，串級模糊控制系統具有廣泛的應用前景。

［1］左燕，侯國蓮，張建華，等.復合模糊串級系統在火電廠過熱汽溫控制中的應用［J］.現代電力，2002，19(1):64-69.

［2］谷俊杰，李建強，高大明，等.熱工控制系統［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［3］謝仕宏.MATLAB R2008控制系統動態仿真實例教程［M］.北京:化學工業出版社，2009.

［4］楊濤，高偉，黃樹紅.基于Matlab的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統仿真［J］.華中科技大學學報，2003，31(4):3-65.

［5］范永勝，徐治皋，陳來九.基于動態特性機理分析的鍋爐過熱汽溫自適應模糊控制系統研究［J］.中國電機工程學報，1997，17(1):23-28.

［6］羅文廣，韓峻峰，蘭紅莉.基于MATLAB(SIMULINK)語言的模糊控制系統高效仿真［J］.計算機仿真，2001，18(3):14-16.