鍋爐蒸汽溫度模糊控制器的設計理論研究

鄔方磊

摘 要：電廠實現熱力過程自動化，能使機組安全、可靠、經濟地運行。鍋爐是火力發電廠最重要的生產設備，過熱蒸汽溫度控制是鍋爐控制系統中的重要環節。

本文從理論上研究了模糊-PID控制器在控制方面的優點，設計出符合整套控制系統的模糊-PID控制器。以誤差和誤差變化率為輸入， 利用模糊推理的方法實現了對參數的在線自動整定， 并且在MATLAB環境下對該控制器進行了設計和仿真。

關鍵詞：過熱蒸汽溫度；模糊-PID控制器；仿真

1 電廠鍋爐蒸汽溫度控制系統的分析

影響蒸汽溫度的主要因素有減溫水給水量的變化，給水量的多少直接影響了最后出來的蒸汽溫度，如果蒸汽溫度過熱就會損害過熱器和高壓力汽輪機，太低也不行，因為它會降低電廠效率的。除了這個干擾因素外還有過熱蒸汽流量的變化，煙氣溫度的變化，過熱器熱交換性能的變化。各種擾動因素又相互影響，控制其中任何一個都可以實現對過熱蒸汽溫度的調節。本文通過對減溫水流量的調節實現對過熱蒸汽溫度的調節。

電廠鍋爐蒸汽在工作時，當減溫水發生擾動時，汽溫的延遲時間τ一般在30到60秒之間，而時間常數Tc一般在100秒左右。而過熱蒸汽流量的變化與煙氣溫度的變化，發生擾動時汽溫的延遲時間和時間常數比減溫水發生擾動時的小，因而對于控制過熱蒸汽溫度的動態特性而言，選擇過熱蒸汽流量與煙氣溫度作為控制量比較好，但是實際卻很困難，尤其是過熱蒸汽流量是由用戶決定，所以不能作為控制量。

雖然以減溫水的流量作為被控對象的特性不是很理想，但是噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利，所以目前還是廣泛地把減溫水流量作為控制過熱蒸汽溫度的控制對象。

2 鍋爐蒸汽溫度模糊-PID控制器的設計

電廠的鍋爐蒸汽溫度具有大滯后，大慣性等特性，為了能得到較好的控制性能，我們選取減溫水的給水流量作為過熱蒸汽的被控對象，通過控制減溫水的閥門開度，使過熱蒸汽溫度能在比較理想的溫度保持穩定或者在極小的范圍之內發生變化。

根據在減溫水流量發生擾動時，我可以測得汽溫T的溫度，然后通過溫度變送器TT把測得的汽溫送到溫度控制器TC，在溫度控制器中已設置好了期望溫度，對期望溫度與測得的汽溫T進行比較，通過兩者之間比較的結果產生的差值再送入系統當中來控制減溫水調節閥門的開度。

設計完整體控制系統框圖后，還要選取適當的檢測、變送器，只有選取正確的器件才能使誤差盡量控制在小的范圍之內。

控制理論已經證明，對單回路定值控制系統這樣的定值閉環反饋控制系統，當控制器放大倍數較大時或者含有積分因子時，其穩態誤差在擾動不變的情況下主要取決于反饋通道即測量誤差的大小。

對測量信號還要進行校正，對電廠過熱蒸汽溫度測量時，通常使用標準溫度組件。在設計參數下運行時，這種溫度裝置的測量精度較高，當參數偏離給定值時，測量誤差較大，其主要原因是蒸汽溫度受壓力與流量的影響，為此對其測量信號進行壓力和流量校正。

在控制過程中對檢測與變送裝置的響應速度也有一定的要求。檢測與變送裝置都有一定的時間常數，會造成控制系統中的檢測滯后于變送滯后，這樣會使測量值與真實值之間產生一定的差異，會影響控制性能。所以在系統設計中要選取響應快速的檢測與變送裝置。

設計所采用的仿真軟件是MATLAB6.5，它可以通過模塊化計算、可視化、智能化的人機交互功能對系統進行仿真調試。

本次設計用到的MATLAB中的編輯器分別有：模糊推理系統編輯器、隸屬函數編輯器、模糊規則編輯器、輸出量曲面觀測窗。

運用MATLAB的編輯器對系統進行模糊推理的設計。

1）通過模糊推理系統編輯器設計模糊控制器的輸入、輸出接口：

整個系統的輸入變量為e，模糊控制器的輸入變量分別為e和ec，而模糊控制器的輸出變量是與常規PID控制器的Kp、Ki、Kd相疊加，所以它的輸出變量也為Kp、Ki、Kd。

本次設計采用的模糊推理系統的類型為Mamdani（曼達尼型），它是一個雙輸入-三輸出的二維模糊推理系統。

2）通過隸屬函數編輯器對模糊控制器隸屬函數進行設計。

本文模糊控制器所用的隸屬函數均為三角形隸屬函數，e、ec的論域范圍都為[-60，60]，而Kp、Ki、Kd的論域都為[-3，3]。

而e、ec、Kp、Ki、Kd的模糊論域分別為：

e=ec=Kp=Ki=Kd={nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}

可以對隸屬函數的名稱、類型、變量取值范圍進行設置，還可以增加覆蓋輸入量模糊子集的數目與調整模糊子集的分布。

3）通過模糊規則編輯器對模糊規則進行設計。

在設計好隸屬函數之后，基于隸屬函數的取值范圍，要設計出一套符合整套系統控制的模糊控制規則。

設計模糊控制規則，一般都是通過模糊用語言來實現的，通過選取合適的模糊語言構成符合控制性能的模糊條件語句，形成模糊規則控制庫來調節整個系統的控制，使其達到很好 控制性能。

根據本文e、ec、Kp、Ki、Kd所選擇的模糊論域，我們設計出如下的控制規則。

If e is nb and ec is nb，then Kp is pb and Ki is nb and Kd is ps

If e is nb and ec is nm，then Kp is pb and Ki is nb and Kd is ns

If e is nb and ec is ns，then Kp is pm and Ki is nm and Kd is nb

If e is nb and ec is zo，then Kp is pm and Ki is nm and Kd is nb

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…………………………………………………………………………

（48） If e is pb and ec is pm，then Kp is nb and Ki is pb and Kd is ps

（49） If e is nb and ec is pb，then Kp is nb and Ki is pb and Kd is pb

模糊規則其實也可以說是一種與數學表達式相似的微分方程，只是這種微分方程是用模糊語言所表達的。

3 結論

維持過熱器出口溫度在允許范圍內是鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統的主要任務。現在國內的大多數電廠還是采用依靠操縱人員的經驗對系統進行現場調節。這種控制方式不僅存在極大的安全問題，而且也會大大降低電廠的工作效率。

本文針對電廠現在存在的這一現象，對過熱蒸汽溫度系統進行控制器設計進行了理論研究。并對仿真結果進行比較，得到的結論是模糊-PID的控制性能要優于傳統PID單回路控制。

參考文獻

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