模糊PID控制在锅炉过热汽温系统的应用.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date模糊PID控制在锅炉过热汽温系统的应用模糊PID控制在锅炉过热汽温系统的应用模糊PID控制在锅炉过热汽温系统的应用史玲玲（广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510600）摘要：在对锅炉高温过热器汽温对象进行动态特性分析的基础上建立模型，分别采用PID串级和自适应模糊PID控制策略进行仿真，并对仿真结果进行了分析。结果表明，用自适应模糊PID控制策略建立的过热汽温

2、控制系统具有较好的控制品质性能和较强的自适应能力，验证了模糊控制对系统性能的改善作用。关键词：直流锅炉；过热汽温；建模；自适应；模糊控制1 引言在电厂锅炉运行中，维持稳定的过热蒸汽温度是机组安全、经济运行的重要保证。对汽包锅炉而言，过热蒸汽温度的控制一般要求在70100负荷时，实际汽温与设定值的偏差在5之间，而对于直流锅炉而言，在35100负荷区间都要将温度控制在这一偏差范围1。目前，火电机组广泛应用PID串级控制方式控制过热蒸汽温度。直流锅炉过热蒸汽温度的控制则是由燃水比调节和两级喷水减温来实现的。两级减温控制中采用的PID串级控制，由于过热汽温对象的惯性和迟延特性，给蒸汽温度调节带来很大困

3、难，尤其是在负荷发生变化时，主蒸汽温度的动态特性变化明显，常规设计的PID串级控制难以取得满意的控制效果。文中基于建立的模型，分别采用PID串级和自适应模糊PID控制策略进行仿真，并对仿真结果进行了分析，验证了模糊控制对系统性能的改善作用。2 高温过热器喷水扰动下的汽温动态特性应用线性化分布参数建模方法可得到某工况点附近减温水扰动下汽温特性的传递函数2 （1）其中，；。式中，为过热器出口温度；D和分别为主蒸汽流量和喷水流量；和分别为喷水处的蒸汽焓和喷水焓；和比分别为环节中工质的平均定压比热和环节出口工质的定压比热；为工质流过整个受热管的平均时间；称为动态参数；为金属蓄热时间常数；和分别为环节容

4、积和环节内工质的平均密度；为环节的表面积；和分别为管壁金属的质量和比热；为对流放热系数；，分别为流体的热导率和动力粘度；为常数。公式（1）中的所有模型参数均可以看作是工况参数（主蒸汽流量（负荷）D，主蒸汽压力P和蒸汽温度T）的函数，即影响模型参数发生变化的参数主要为工况参数（D，P，T）。三个工况参数中，温度的变化对模型参数的影响最小；压力次之；而蒸汽流量的变化对模型参数的影响最大。直流锅炉正常运行时，必须严格控制燃水比（燃饶率与给水流量之比)，所以在锅炉正常运行时，过热汽温的变化不会很大，在设计控制系统时可以忽略温度对模型参数的影响。此外，在锅炉升降负荷或启停时蒸汽流量的变化与压力的变化是耦

5、合的，即流量增大，压力上升；流量减少，压力下降。且此变化过程相对于焓温通道来说是很快的。所以压力可以近似地看成是流量的函数。在进行自适应模糊控制系统设计时可以近似地取主蒸汽流量作为模糊控制规则的前提变量。从式(1)可知，减温水扰动下过热汽温特性中包含一个纯滞后环节和一个超然函数项。由于超然函数形式的传递函数不便于应用，人们通常用一个高阶惯性环节代替式（1）。其中，。为减少控制通道上的惯性和滞后并提高控制系统抗内扰的能力，在工程上通常采用串级控制方案。为此过热器又被分为导前区和惰性区两部分，各部分的近似传递函数分别为： 导前区： （2）惰性区： （3）整个汽温对象： （4）其中，导前区的时间常数

6、和阶次都远小于惰性区的时间常数和阶次。3 自适应模糊PID控制自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制品质保持在最佳范围内，但是控制效果的好坏实际取决于辨识模型的精确度。这对于复杂系统是非常困难的。因此，现代工业生产中仍以PID算法为主，PID整定方法有很多，但大部分是以对象特性为基础的。随着计算机技术的发展，出现了智能PID控制。智能PID控制把古典PID控制和先进的专家系统相结合，实现系统的最佳控制。这种控制必需精确地确定对象模型，首先将操作人员（专家）长期积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理对PID参数实现最佳调整。但是操作者经验不易精确描述，控

7、制过程中各种信号量和评价指标不易定量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径。模糊自适应PID控制是运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件和操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评价指标、初始PID参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际相应情况（即专家系统的输入条件），运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳调整3。自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构如图1所示。图1 自适应模糊控制器结构PID参数模糊

8、自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。模糊自整定PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。3.1 模型的选取由高温过热器喷水扰动下的汽温动态特性得出，可以根据负荷的变化，选取多个固定模型来表征系统的时变特性。在表l中，选取4个典型负荷点处的汽温模型，导前区对象和P控制器构成副回路系统，并按照随动系统整定副回路控制器参数，将整定好的副回路系统与惰性区对象共

9、同形成广义被控对象，经拟合后表示成一阶时滞对象4，其动态特性如表1所示。表1 过热汽温4种负荷下的模型参数及等效一阶滞后模型负荷导前区惰性区等效的一阶加纯滞后模型3750751003.2 自适应模糊PID控制器设计模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对kp，ki，kd三个参数分别整定的模糊控制规则表。kp的模糊规则表如表2所示。ki和kd模糊规则表与此类似，具体参见文献3。 表2 kp的模糊规则表 eceNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBP BPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPM

10、PSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB3.3 仿真研究常规的串级PID控制，各自的传递函数分别为： （5） （6）针对37和75工况，各自的整定参数为：37工况：；75工况：；整定曲线如图1所示：图1 37工况和75工况下PID串级控制曲线若采用低负荷时对应的参数不加调整，直接应用到高负荷时，则曲线显示为如图2所示。图2 控制参数不变条件下PID串级控制曲线比较分析可知：37工况和75，固定工况下的控制参数在另一工况下就不适合，不同的整定参数才使得PID控制得到较为满意的结果。主控制器采用自适应模糊PID后，曲线如图

11、3和图4所示。图3 37工况下自适应模糊PID控制曲线图4 75工况下自适应模糊PID控制曲线结合仿真结果，可以看出：1）在各自工况下，采用模糊控制的模糊PID串级响应曲线，比常规的PID串级的效果要好，系统性能表现更稳定，控制品质有所改善；2）对于不同工况，模糊PID串级响应曲线，相对于常规的PID串级，则表现的更加稳定，即体现了模糊控制对系统自适应性、抗干扰性的改善作用。5 结论由于过热汽温的参数变化大、影响因素多，所以在实际运行过程中，对象的参数特性变化较大，因此采用自适应模糊PID控制，对系统的主汽温控制能起到一定的改善作用，增强了系统的自适应能力和抗干扰性能5。参考文献：1刘树清.

12、900MW超临界直流锅炉的数学模型与仿真研究J.计算机仿真，2005，22(10):215-218.2范永胜，徐治皋，陈来九. 基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究J. 中国电机工程学报，1997，17(1):20-25.3刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真M. 北京：电子工业出版社，2008.4谷俊杰，米翠丽.基于多模型的内模控制及其在电厂过热汽温中的应用J.华北电力大学学报，2006，33(2):83-86.5李士勇模糊控制、神经控制和智能控制M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.作者单位和地址：广州市梅花路73号 广东省电力科学研究院热工室 邮编：510600史玲玲联系方式：E-mail: linyi0518电话：15915870512-