基于雙模糊PID汽輪機負荷控制系統的研究

韓芹 龔奇斌

【摘要】基于模糊控制技術和汽輪機DEH系統的數學模型，將模糊自整定理論應用于汽輪機DEH系統，設計了一種適用于汽輪機數字電液控制系統的雙模糊自整定PID控制器。通過設計兩個模糊自整定PID 控制器分別取代傳統的轉速控制器和功率控制器。針對 600MW 中間再熱式汽輪機組并網后的負荷控制，在 LABVIEW 中對新的控制方案進行仿真研究。仿真結果和分析表明：在調節穩定性，控制效果和自整定PID參數等方面，模糊自整定PID控制算法均優于傳統PID控制算法。

【關鍵詞】模糊自整定PID控制;汽輪機負荷控制系統;模糊控制

1.引言

隨著DCS在電站的普及，優化控制系統不是簡單地對現有控制系統的調節器參數進行調整，而主要是研究采用新型控制結構和新型控制算法的控制系統。成功應用新型控制系統的關鍵之一就是在實際投運前對其進行詳細的仿真試驗，分析、研究和改善這些控制系統，以便使調試人員掌握新型控制系統的運行特征及控制器參數的工程整定規則[1]。目前，電廠中600MW 汽輪機控制系統，對其特點、功能的介紹比較多，但對其內部控制機理、控制方案的研究卻不多見。古典的PID控制策略仍然是應用最多的，而智能控制和一些復合控制策略在汽輪機控制上應用的比較少見。本文利用模糊控制的快速動態響應和PID控制的穩態性能，針對600MW 中間再熱式汽輪機組并網后的負荷控制，進行仿真研究，通過仿真驗證了其控制效果。

2.汽輪機模糊PID控制系統結構

負荷控制主要是對汽輪機組實發功率增減的控制。目前，控制系統大多采用的方案是串級PID控制方案，功率控制器為主調節器，調節級壓力控制器為副調節器。功率給定信號、轉速控制信號和負荷擾動信號均在功率控制器處匯合，疊加之后的總輸入信號變化較為復雜，對處理它們的控制器要求比較高。同時，當系統受到擾動時，發電機功率的變化因受自身慣性的影響，又受中間再熱容積的影響，其響應時間較長。而正比于機組功率的調節級壓力通過調節級壓力回路可以使系統快速做出響應。為此，把模糊控制技術引入到功率PID控制和調節級壓力PID控制中，設計了一種雙模糊自整定PID控制器應用于汽輪機數字電液控制系統，可以實現系統控制的智能化，當系統發生擾動時參數能夠自動整定。如圖1所示。

圖1 汽輪機模糊PID控制系統設計框圖

圖2 模糊PID功率控制器結構圖

模糊自整定PID參數控制器的目的是為了使參數kp，ki，kd隨著偏差e和偏差變化ke的變化而自行調整[2]。模糊PID功率控制器的設計如圖2所示，把轉速偏差修正后的功率給定值與功率的差值作為誤差e。其目的就是為了保證汽輪機的輸出功率無限接近功率給定值。模糊PID調節級壓力控制器設計如圖3所示，把功率控制器輸出的控制信號與汽輪機反饋的調節級壓力的差值作為誤差e，其目的是為了快速地消除擾動。

圖3 模糊PID調節級壓力控制器結構圖

3.模糊PID控制器設計

由于模糊控制器是采用數字計算機來實現的，因此模糊控制器的設計問題就是模糊化過程、數據庫（含數據庫和規則庫）、推理決策和精確化計算4部分的設計問題[3]。

3.1 隸屬度函數設計

在汽輪機負荷控制系統中，e和偏差變化率ke作為雙模糊控制器的輸入變量，以kp、ki、kd三個參數作為兩個控制器的輸出變量。對偏差e、偏差變化ke及控制參數kp、ki、kd的模糊集及論域定義如下：e、ke和控制參數kp、ki、kd的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，對應的語言值集合為：{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，e、ke的論域均為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，kp的論域為：{-0.3，-0.2，-1，0，1，0.2，0.3}，ki的論域為：{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，kd的論域為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}[4]。

整個模糊控制器的設計均在LabVIEW的模糊控制編輯器中完成。本文針對e、ke和kp、ki、kd均建立了以7個語言變量為名稱的隸屬度函數，其隸屬度函數均為三角型隸屬度函數。以偏差E隸屬度函數設置情況為例，如圖4所示。

圖4 偏差e隸屬度函數

3.2 模糊控制規則[5]

根據實際經驗，參數kp、ki、kd在不同偏差e和偏差變化ec下自適應調整的基本調整規則如下所述：

（1）當e較大時，為加快系統響應，應取較大的kp和較小的kd，由于積分太強會使系統超調加大，因而要對積分作用加以限制，通常取ki=O或者較小值。

（2）當e中等大小時，為減少系統超調，kp應適當減小，同時對ki和kd的取值要適當。

（3）當e較小時，為減小穩態誤差，kp與ki應取得大些，在這種情況下，kd的取值最重要，取值不當會引起系統振蕩。

3.3 去模糊化

模糊控制量不能直接用來作為控制信號，輸入完一個模糊規則表后，還必須進行去模糊化（清晰化），將其轉換為清晰值。采用平均最大隸屬度法來實現去模糊化，若輸出量的隸屬度函數有多個極值，則取這些極值的平均值為清晰值[4]。

4.仿真實驗

通過使用LabVIEW中的模糊控制工具包Fuzzy Logic和，對基于雙模糊自適應PID控制的汽輪機負荷控制系統進行了仿真研究，仿真程序框圖如圖4所示。

圖5 雙模糊自適應PID控制的

汽輪機負荷控制系統程序框圖

功率回路和調節級壓力回路組成串級負荷控制系統。調節器參數的整定采用現場廣泛采用的逐步逼近法，依次整定功率主回路、調節級壓力副回路，然后循環進行，逐步接近主、副回路的最佳整定值。仿真結果如圖6所示，圖7所示的仿真結果來自文獻[4]。兩圖進行對比，可以看出基于雙模糊自適應PID的汽輪機負荷控制要比單模糊PID負荷控制的效果要好些且過渡過程更加平穩，時間有所縮短，抗干擾能力顯著增加，具有較強的魯棒性。

5.結束語

本文基于模糊自適應PID控制，實現了汽輪機負荷控制的研究。控制仿真試驗表明在規定范圍內，系統響應時間和穩態精度都有明顯改善。模糊PID控制器中的參數整定主要集中在模糊控制器中的參數ke、kce、kp、ki上，在對這些參數的整定過程中發現每個參數均有一定的取值范圍，當超過此范圍控制系統將變得不穩定或控制性能變差，多個參數存在一個在多個列向量中求取最佳數值組合的問題。

參考文獻

[1]王爽心，葛曉霞.汽輪機數字電液控制系統[M].北京：中國電力出版社，2004：300-500.

[2]王亞剛，邵惠鶴.自整定PID控制器研究的綜述[J].電氣自動化，2000，22（1）：7-9.

[3]李士勇.模糊控制和智能控制系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

[4]易繼鍇，候嬡彬.智能控制技術[M].北京：北京工業大學出版社，1999：200-350.

[5]韓芹.凝汽式汽輪機虛擬控制裝置研究[D].長沙：長沙理工大學，2009：44-52.

基金項目：湖南科技學院校級課題（13XKYTB001）。

作者簡介：韓芹（1982—），女，湖南永州人，碩士，助教，主要研究方向：計算機智能控制。