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案例详细
标题模糊控制技术在电站锅炉汽温调节上的应用
技术领域电源
行业
简介
内容

 

杜思才

1  前言

 

    工业燃煤锅炉是一种多变量系统，锅炉燃烧过程具有明显的纯滞后特性和非线性特性，被控变量时变性大、影响因素多、内部关联强、外部扰动频繁，建立准确的实用数学模型非常困难。主汽温是锅炉运行中要监视的一个重要参数，维持正常的主汽湿度，对机组的安全经济运行具有重要意义。主汽温过高，会危及机组循环热效率，严重时可能会危及机组设备的安全。而影响主汽温的因素很多。

    (1)  给水温度：给水温度上升或下降，则主汽温下降或上升。例如：汽机高加投入和解列时会引起给水温度的变化。

    (2)  受热面的污染：炉膛受热面的结垢或积灰，则主汽温升高。过热器本身的结垢或积灰将导致主汽温下降。

    (3)  过量空气系数：过量空气系数增大或减少，则主汽温升高或下降。

    (4)  锅炉负荷：锅炉负荷升高(或下降)，主汽温亦随之上升(或下降)。

    (5)  燃煤：煤粉变粗、水分增大或灰分增加，都会使主汽温升高。

    (6)  燃烧器的运行方式：摆动燃烧器喷嘴向上倾斜，会因火焰中心提高而使过热汽温升高。

    (7)  主汽压：主汽压升高，主汽温升高。反之，主汽温下降。

 

    所以，锅炉主蒸汽温度的控制要涉及很多干扰因素。国产420t/h电站锅炉主蒸汽温度是通过减温水量来控制的，该锅炉设有两级喷水减温装置，第一级位于低温过热器和屏式过热器之间，第二级位于屏式过热器和高温过热器之间，每一级减温水又分为两侧，两侧减温水控制方案相同。由于主汽温度属纯时间滞后系统，而纯滞后的存在一方面使被调量不能及时反映控制作用的变化，控制作用只有在延迟τ后才能反映到被调量，另一方面当对象受到干扰而引起被调量改变，控制器产生的控制作用不能立即对干扰产生控制作用，存在较大的超调量和较长的调节时间。因此，基于传统的串级控制系统已不能满足控制要求。

 

    模糊控制是以模糊集合模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，它是一种非线性的智能控制，模糊控制器不像传统的控制器一样有精确的数字模型，它用一种自然的语言来描述，因此更符合人们的思维方式。通过对有经验的操作人员进行手动控制的过程进行总结，利用模糊控制理论，对系统进行模糊度量、模糊识别、模糊推理、模糊控制和模糊决策，得出模糊控制集，应用于模糊控制器。

 

2  模糊控制器的设计

 

    模糊控制器有两部分，一部分是获取控制表的离线算法，另一部分是按控制表查表的在线算法。离线算法是以专家和熟练操作人员的经验为依据，以模糊数学为基础的合成推理过程，其最终目的是生成一张可供模糊控制器在线应用的控制查询表（即模糊控制表）。在线算法实际上就是一个实时查表输出的控制过程。

 

    主汽温模糊控制器采用的是二维模糊控制器。有二个输入信号：主蒸汽温度误差E和主蒸汽温度误差变化率dE，控制器的输出U为减温水调节阀开度。如图1所示。

图1  主蒸汽温度模糊控制结构图

 

        (1)  模糊化过程：测量输入变量主蒸汽温度t，计算t与主汽温定值ts的误差E及误差变化dE，并将计算结果映射到相应的论域中，然后转换成通常用语言表示的一个模糊子集。总结专家和熟练操作人员的经验，可以得出误差E、误差变化dE这两个语言变量各模糊子集用矢量方法表示的隶属度函数。

 

        设输入量量化等级为13级，即x,y=[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3, 4,5,6]，输出量量化等级为9级，即z=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。主汽温误差变化范围为[-EL,+EL]，误差E的论域为[-10,10]，则比例因子：k1=6/10=0.6；误差变化率的变化范围为[-dEL，+dEL]，误差变化率dE的论域为[-20,20]，则比例因子：k2=6/20 =0.3；输出U的变化范围为[-UL,+UL]，论域为[-30,30]，则比例因子：k3=30/4=7.5。输入量转换为：X＝INT（k1?E+0.5），Y＝INT（k2?dE+0.5），INT为取整运算。输出量转换为：U＝k3?Z。误差E和误差变化率dE均划分成“负大（NB）”、“负小（NS）”、“零（ZE）”、“正小（PS）”、“正大（PB）”五个等级。

 

        (2)  模糊控制规则的建立：模糊控制规则是将专家和熟练操作人员的控制经验加以总结，从而得出模糊条件语句的集合，但必须保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静态特性达到最佳。模糊控制器的中心工作是依据语言规则进行模糊推理。模糊逻辑推理的依据是模糊控制规则库。规则的形式可用条件语句IF THEN来表示。其基本形式为：

        IF  x  IS  E  and  y  IS  dE  ,  THEN  z  IS  U

        其中IF部分的“x  IS  E  and  y  IS  dE”称为条件部。THEN部分“z IS U”称为结论部。x，y是输入变量，z是推理结果。E、dE、U是模糊集，它们用隶属度函数来表示。

 

        (3)  求模糊控制表：利用模糊控制规则表对模糊化后的模糊子集E和dE，按照模糊推理公式：U=（E×dE）оR，采用Mamdani极大极小推理法，离线计算出每一个状态的模糊控制输出U，最终生成一张模糊控制表。

 

3  系统的投运

 

        北京和利时公司自行开发的分散控制系统HS2000系统具有模糊控制功能，本项目就是基于该DCS来完成的。利用带模糊控制的控制模块，很容易实现主汽温度的模糊控制功能。由于机组投入自动发电控制（AGC），机组负荷变化比较频繁，锅炉燃烧调整要及时跟随负荷的变化，协调控制系统（CCS）基本满足了负荷迅速变化的控制要求，但主蒸汽温度纯延迟的影响，导致主汽温不能及时跟随负荷的变化。引入模糊控制技术可以很好地解决主汽温调节传统方法中无法处理的问题，取得了较好的效果。由AGC变负荷扰动时主汽温度的调节过程如图2（负荷从79.85MW上升至89.78MW）、图3（负荷从94.51MW下降至75.56MW）所示。主蒸汽温度在自动状态下基本上能控制在535~545℃范围内（主蒸汽温度设定值为540℃），误差在-10~5℃之内。从试验曲线可以看出，控制效果比原控制系统有所改善。

 

4  结束语

 

    模糊控制规则是建立在专家和熟练操作人员经验的基础上，因而带有一定的主观性。该项目设计中量化等级小，论域划分较少的几档，使得调节较粗糙；减温水调节阀漏，输出特性变成非线性，也影响了调节的结果。所以，在没有对主蒸汽温度减温水系统进行改造的情况下，选用模糊控制技术来实施主汽温控制，不失为一种尝试。