电厂锅炉主汽温模糊控制器的研究与应用

1 审稿意见：

电厂锅炉主汽温模糊控制器的研究与应用

郭峰 ，王建伟 ，高澎亮

（ 华北水利水电学院 河南 郑州 450011 ）

摘要：针对火电厂主汽温系统的大滞后、大惯性、非线性等特点，提出了模糊控制的思路，设计了模糊控制模型并与普通PID控制进行了比较。应用Matlab软件进行了仿真研究，从仿真结果中可以看出:模糊控制鲁棒性高、系统响应快,与常规PID控制相比，具有明显的优势.

关键词: 主汽温；模糊控制；PID控制；Matlab仿真

中图分类号: TM273.4 文献标识码: A

The Research and Application of Fuzzy Controller in the

Temperature Control of Superheated Steam in Power Plant

Guo Feng Wang Jianwei

(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou

450011,China)

Abstract:Considering the long time lag, big inertia and nonlinearity characteristic of fresh steam

temperature,we apply fuzzy controller to the control of boiler's main-stream temperature,and

presents a fuzzy controlling system comparing with normal PID control.Carrying on simulate base

on Matlab.Simulation results show that,fuzzy controll can provide a better control quality,stronger

robustness, quicker speed than the conventional PID control.

Keywords: the Main-stream Temperature, fuzzy controll, PID control, Matlab Simulatlon,

1． 引言

火电厂中从汽包出来的蒸汽，经过锅炉烟道中的过热器同高温烟气热交换，在过热器出口所得到的蒸汽温度被称为主蒸汽温度或过热蒸汽温度，简称主汽温度或过热温度[1] 。在现代火力发电厂热工控制中，主蒸汽温度是火电厂生产运行中的一个重要检测和控制参数，对电厂的安全经济运行有重大影响。一般中高压锅炉主汽温的暂时偏差不允许超过±10℃

长期偏差不允许超过±5℃ 这个要求对汽温控制系统来说是非常高的。主汽温偏高过高、主汽温偏低都会降低机组的效率，影响机组运行的经济，缩短汽轮机叶的使用寿命[2]。

模糊控制是当今控制领域中令人瞩目的控制方法和技术，它通过把专家的经验和要求总 2 结成若干规则，采用简便、快速、灵活的手段，来完成那些用经典和现代控制手段难以实现的自动化的目标，因而在多个领域中得到越来越广泛的应用。模糊控制器是近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小 [3]。本文以此为基础借助于Matlab软件来构建火电厂主汽温控制系统的仿真模型，更好的达到控制效果。

2．模型建立及过程的仿真分析

2．1数学模型

本文所选的是某单元机组容量为300MW的主蒸汽温度，这一具体对象[1]是:

(1)主调节区传递函数: 301)125(125.1)(ssW

(2)导前区传递函数为: 202)115(8)(ssW

整个主汽温调节系统过程的方框图如图1[4]

图1 主汽温调节系统过程方框图

其中02W--导前区对象传递函数；01W--惰性区对象传递函数；1TW--主调节器传递函数；2TW--副调节器传递函数；2HW导前气温变送器的斜率；1HW主气温变送器的斜率。

2．2模糊控制原理

过热汽温的模糊控制一般是将图2-1所示的控制系统中主调节器用模糊控制代替，副调节起仍采用P调节器，如图2所示：

图2 过热器温模糊控制系统结构图 3 2．3 模糊控制器结构设计

模糊控制器的结构设计[5] 实质上是确定模糊控制器的输入语言变量、输出语言变量及模糊控制器的不同组合与扩展问题。

对于锅炉主汽温控制系统的设计，这里我们选择的是双输入单输出的二维模糊控制器，模糊控制器的输入量是锅炉过热蒸汽温度与给定值的偏差（即偏差e）和偏差e的变化率ec，输出量是减温水量u。

2．4 模糊控制器规则设计

控制规则的设计[5]是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分，选择描述输入变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。

在这里，我们将偏差e所对应的语言变量E、偏差变化率ec所对应的语言变量EC、输出变量u所对应的语言变量U都分为7档:{NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB}即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}，其中对应取E、EC的量化论域为[-6, 6] 对应取U的量化论域为[-7, 7]。

隶属函数均为三角形隶属函数，隶属函数曲线图形如图3、4 所示。

图 3 E、EC的隶属函数图形

图 4 U的隶属函数图形 4 基于操作者手动控制策略总结，得出一组由模糊条件语句构成的控制规则，将这些条件语句加以归纳，可建立主汽温系统控制规则的模糊控制状态表（如表1）。

表1 主汽温系统控制的模糊控制状态表

NB NM NS ZO PS PM PB

NB PB PB PB PB PM ZO ZO

NM PB PB PB PB PM ZO ZO

NS PM PM PM PM ZO NS NS

ZO PM PM PS ZO NS NM NM

PS PS PS ZO NM NM NM NM

PM ZO ZO NM NB NB NB NB

PB ZO ZO NM NB NB NB NB

2．4 主汽温系统模糊控制仿真及结果

2．4. 1 串级PID控制

串级系统与单回路系统的区别在与前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰预先进行调节，从而改善了整个系统的动态品质。一般电厂的主汽温系统采用串级控制，它是利用导前区温度及内回路用P调节器，外回路采用PID调节。经过调节可得仿真参数为(主回路)kp1 = 2, ki1 =0 , kd1=74;(内回路)kp1 = 25，即)7411(21sWT，252TW，121HHWW。仿真结果见图4,(时间轴单位为s，纵轴表示给定值为1的阶跃信号，下同。)

图4 仿真结果

2．4. 2模糊控制 E

EC 5 首先我们在基于Matlab环境下的“模糊推理系统工具箱”提供的图形用户界面来建立前面所述的模糊推理系统，然后再Simulink环境下建模，所得到的锅炉过热汽温模糊控制系统如图（5）所示。

图5 锅炉过热汽温模糊控制系统仿真框图

仿真参数与PID控制相同(主回路)kp1 = 2, ki1 =0 , kd1=74;(内回路)kp1 = 25，即)7411(21sWT，252TW，121HHWW。仿真结果见图6,

图6 仿真结果

比较图5、图6可以看出，模糊控制系统较之PID控制系统具有很小的调量，稳定时间短，而且系统也不再振荡。

3．结论

总之，仿真结果表明，模糊控制用于锅炉主汽温的控制具有比常规PID控制更好的控制效果，这也和模糊控制的奠基人Mamdani首先将模糊用于锅炉和蒸汽机的控制并取得成功相吻合。当然在现实的实时控制中， 由于还有许多不确定因素，外界干扰加大，甚至还伴随有复杂的过程，因此需要不断调试，还可能修

该控制规则等。

参考文献: 6 [1] 边立秀、周俊霞等，热工控制系统[M]，北京：中国电力出版社 2002，1

[2] 刘林华等，电站锅炉气温问题的现状及应采取的对策[J]，热能动力工程，1996，NO.5：297～300

[3] 陶永华、尹怡新、葛芦生，新型PID控制及其应用[M]，北京:机械工业出版社 1998

[4] 白晓旭，模糊控制器的研究及其在主汽温系统中的应用[D]， 华北电力大学 2006

[5] 章卫国、杨向忠，模糊控制理论与应用[M]，西安:西北工业大学出版社 1999

[6] 李士勇，模糊控制、神经控制和智能控制论[M]，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 1998

[7] 林梅金，模糊PID控制器在火电厂主汽温控制中的应用[J]，中国动力工程学报，2005，NO.2:231～234