先进控制策略在火电厂锅炉蒸汽温度控制系统中的应用

先进控制策略在火电厂锅炉蒸汽温度控制系统中的应用
摘要：随着火电厂对控制参数要求的不断提高，各种先进的控制策略在火电
厂的应用越来越广泛。本文论述了各控制策略针对克服火电厂主汽温被控对象大
延迟、不确定的特点的研究及应用现状。

关键词：先进控制策略 火电厂锅炉蒸汽温度控制系统
近年来火力发电厂不断向着大容量、高参数方向发展，这不仅提高了对设备、
材料的标准要求，同时也对传统的控制品质和控制策略提出了更高的挑战。近年
来，随着各种先进的控制策略研究的日益成熟，模糊控制、预测控制、神经网络
控制等先进控制策略逐步替代了传统的PID控制。为火电厂的安全运行提供了
更有利的保障。

锅炉主蒸汽温度控制系统是提高电厂经济效益，保证机组安全运行的不可缺
少的环节。本文将先进控制策略在火电厂中气温控制系统中的研究和应用现状做
了论述。并描述了各先进控制策略相对于传统控制策略的优势，方便对先进控制
策略的比较和日后应用的研究。

1、传统控制的弊端
首先，介绍一下传统的火电厂锅炉蒸汽温度控制，传统的控制是把减温水量
作为控制对象，锅炉蒸汽温度控制系统常采用串级控制或者带导前微分的双信号
控制。传统的控制策略能够保证机组正常运行是控制要求，一旦环境发生变化，
如：工况发生较大变化或外部扰动较大时，就且易出现系统不易稳定、调节时间
长，超调量大等问题，难以满足控制系统控制要求，需要人为手动干预调节才能
保证主汽温度控制在给定值附近。

2 模糊控制在主气温控制上的应用
模糊控制是一种将专家经验，编写成模糊控制模块，然后用相关计算规则算
法表示出来的先进控制算法。模糊控制的核心就是在于模糊控制器内模糊控制算
法，模糊PID控制器在常规PID调节器的基础上，编写模糊集合，根据控制量
偏差差绝对值和偏差变化率的绝对值，在线自动整定比例参数、积分参数、和微
分参数的模糊控制器。

蒸汽温度的控制分为粗调和细调两个部分：首先将锅炉负荷变化和系统的
PID参数直接联系起来，建立了模糊粗调规则；然后在此基础上利用专家经验建
立模糊细调规则。这种方法不仅具有模糊智能化的特点，而且具有常规PID控
制器结构简单、明确、实用等优点。实践经验及实验证明，模糊自适应PID控
制器能有效地抑制汽温系统的超调，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。

3 神经网络在火电厂主汽温度控制中的应用
随着人工神经网络技术的日益成熟，这种算法越来越多的在实际中得到应
用。主要是因为人工神经网络具有大规模并行处理、信息分布存储等优点，具有
容错性和鲁棒性，自组织、自学习和实时处理等特点，使得人工神经网络理论得
到控制方案设计人员的青睐。下面介绍一种蒸汽温度控制中比较典型的神经网络
算法：DRNN网络自整定PID控制。

DRNN是两级神经网络过热汽温系统自整定PID控制策略，其中两级神经
网络分别为静态网络SNN和动态网络DNN，SNN依据机组运行工况如负荷进
行PID参数的粗调整定，以适应机组负荷的较大范围变化，如机组调峰控制、
机组启动控制；DNN依据偏差和偏差变化率进行PID参数的细调整定,用以克服
机组负荷的小范围变化、参数的慢时变漂移和各种扰动，为了克服控制对象的大
惯性和大迟延的缺点， 引入灰色预测控制器对未来信号进行预测，预测结果作
为DNN使用的整定信息。对某汽温系统的计算机仿真研究结果表明：基于两级
神经网络自整定控制策略的主汽温控制系统获得了良好的动态调节品质，具有更
强的鲁棒性。

4 预测控制在电厂主蒸汽温度控制中的应用
预测控制作对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好，并具有较强的
鲁棒性，特别是对于具有较难解决的纯迟延系统．有独到之处。下面介绍一种典
型的预测控制在主蒸汽温度控制中的应用。

模型预测控制（PFC）把控制输入的结构视为关键，用以克服其他模型预测
控制可能出现规律不明的控制输入问题，模型预测控制具有良好的跟踪能力和鲁
棒性。将PFC和PID控制相结合，提出了PFC-PID 串级主汽温控制策略。系统
的内回路采用PID控制，内回路和主调节区对象构成PFC的广义被控对象，对
广义被控对象进行拟合简化得到一阶加纯滞后对象，作为PFC的预测模型，算
法简单；预测模型失配时，系统仍具有良好的控制品质，易于工程实现，具有较
高实际应用价值。

5 模糊免疫PID控制在主汽温控制系统中的应用
生物免疫系统是一种在大量干扰和不确定性环境中都具有很强鲁棒性和自
适应性的系统，能对侵入机体的非己成分(如细胞、病毒和各种病原体等)以及发
生了突变的自身细胞(如癌细胞)进行精确识别、适度响应和有效排除。借鉴生物
免疫反馈响应过程的调节作用，提出将模糊免疫PID控制策略应用到火电厂主
汽温控制系统中，并且进过试验仿真结果表明在被控对象参数匹配、失配和具有
扰动情况下，其控制性能优于常规的P1D控制。

6 解耦控制在火电厂蒸汽气温控制系统中的应用
火电厂蒸汽气温控制系统也存在这多变量解耦问题，这也要求我们引入研究
多变量系统的解耦算法。对一般的多变量系统控制问题已有一些较好的解耦控制
方法，但多变量系统如何在预测控制方法中实现解耦，则研究甚少。模糊控制是
一种典型的基于规则的控制，它能够将专家经验以模糊语言规则的形式表达出
来，经过模糊逻辑推理，使控制系统的性能渐近趋于最优 。因此，针对运行工
况变化较频繁的锅炉蒸汽汽温系统，提出一种基于模糊逻辑推理自整定设计参数
的自适应解耦DMC算法。这种新的方法将自校正控制、动态矩阵控制、解耦控
制和模糊逻辑推理自整定方法相结合，其中自校正思想是为了获取过程在不同工
况下的模型，预测控制思想是完成过程的预测和控制量计算及实施控制作用，模
糊逻辑自整定思想则是考虑到DMC在模型结构和参数变化较大时(这对汽温系
统是常见的)的情况。DMC一开始的有关设计参数不适合于新的对象模型，需要
进行重新设定，而解耦控制算法则是针对多变量系统对DMC算法的一种推广，
使其更适合于多变量被控系统。在设计DMC 的这些参数时，虽然有一定的规则
可以利用，但其最终结果往往还是人在调试的过程中反复凑试得到的。而人的思
维具有模糊性 因此，本文既考虑到规则的作用，又有模拟人的思维的模糊性，
从而提出自适应动态矩阵控制设计参数的模糊自整定思想，整定过程分为基于规
则的粗调整定和基于有关性能指标的模糊微调整定。

7 二自由度PID内模主汽温控制
二自由度PID内模主汽温控制。主蒸汽温度一般可看做多容分布参数受控
对象，通过其动态特性实验结果可以看出，该对象具有明显的滞后特性，因此对
该对象的控制比较困难。常规的蒸汽温度控制方案大致可分为两种：一种是串级
控制，另一种是导前汽温微分信号控制。而对于工况参数对模型参数有较大影响
的主汽温对象，当采用常规控制方法，则当工况发生较大变化时很难保证控制系
统的控制品质。采用二自由度控制器则可以同时满足控制系统各方面的性能要
求。本策略是在内膜控制的基础上建立起来的，内膜控制的优点是能将PID控
制、Smith预估控制、线性二次最优反馈控制和多种预测控制等归纳在同一架构
之下。根据内模控制的特点，二自由度PID内模控制 应用于火电厂主汽温系统。
所设计的二自由度PID控制器，可以分别调整位置跟随性能和抗干扰性能。使
用MATLAB中SIMLINK工具箱进行仿真，仿真结果表明该控制器可以使系统
具有很好的位置跟随性能、抗干扰性能和鲁棒性。

8 小结
本文将应用在火电厂锅炉蒸汽温度的控制策略如模糊控制，神经网络控制
的研究及应用逐一进行了介绍，并将各控制则略的优势一一列举，先进的控制策
略都不同方面优于常规PID的控制效果。这也正是我们所期望的结果。这也表
明先进控制策略在火电厂中的气温控制中的应用，有很大的市场和发展潜力，从
控制运行速度，精度还是运行成本上都有所提高，换句话说就是，先进控制策略
为火电厂的安全运行和经济运行提供了相比传统控制方案更好的保障。

参考文献：
[1]. 王东风，韩璞，郭启刚. 锅炉过热气温系统的DRNN网络自整定PID
控制. 西安：中国电机工程学报2004
[2]. 张益农，李永霞，孙云兰. CFB锅炉主汽温度模糊PID控制研究. 北京：
北京联合大学学报2005：:50-55

[3]. 马永，李刚. 基于模糊技术的温度控制系统研究. 西安：西安科技大学
学报2005