毕业设计（论文）_火电厂主汽温控制系统研究

1、引 言过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高，可能造成过热其蒸汽管道和汽轮机的高压局部损坏；过热蒸汽温度过低，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会引起汽轮机末级蒸汽湿度增加，从而降低汽轮机的内效率，加剧对叶片的腐蚀。所以锅炉运行中必须保持过热汽温稳定在规定值附近。因此，火电厂锅炉过热汽温，通常要求它保持在额定值5范围内1。而汽温调节过程是典型的大延迟热工过程，由于大延迟的存在使过程可控指数很低，受控对象为多容、大惯性系统，受控系统存在严重的非线性和时变特性，且影响汽温变化的扰动因素很多，如蒸汽负荷、火焰中心位置等。这就给汽温调节带来很大的困难。

2、而一些常规的控制方案用于大机组汽温调节效果不够理想，因此研究火电厂的主蒸汽温度控制系统的新型控制策略具有重要的意义。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结成假设干规那么，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。由于常规模糊控制器的控制规那么是根据现场操作人员或专家的经验总结出来的，其语言规那么和合成推理往往是固定的，它假设控制过程不会产生超出这些经验范围的显著变化，从而有一定的局限性2。对于一个非线性、大延迟的系统，使用常规的PID控制，或是简单的模糊控制将难以到达满意的控制

3、效果。大型火电厂锅护主蒸汽温度控制系统是提高电厂经济效益，保证机组平安运行的不可缺少的环节。主蒸汽温度一般可看作多容分布参数受控对象，其动态特性表现为具有明显的滞后特性，因此对该对象的控制比拟困难，本文结合模糊控制和串级控制的优点，提出主汽温FUZZY-PI串级控制方法，并且使用MATLAB 中的SIMULINK 软件进行仿真，仿真结果说明该控制器可以使系统具有很好的抗干扰性能和鲁棒性3。 绪论论文的选题背景和意义在火电厂中，热工对象普遍存在着大滞后和大惯性的特征，如电厂汽包锅炉蒸汽压力和燃料控制系统, 汽包锅炉过热蒸汽的温度控制系统 ,这给控制带来了一定的困难。本文以汽包锅炉过热蒸汽温系统为

4、研究对象, 对汽温动态特性分析。过热蒸汽温度一般可以看成多容分布参数受控对象，其动态特性描述一般可用多容惯性环节来表示, 通过其阶跃扰动动态特性实验结果可以看出, 该对象具有明显的滞后特性。原因主要有:锅炉燃烧工况不稳定, 烟气侧扰动频繁且扰动量较大, 影响过热蒸汽温度变化快;由于工艺特性决定各级过热汽管道较长, 造成过热汽温对其控制输入喷水减温器的减温水量变化反响较慢;外部扰动(如主蒸汽流量波动、主汽压力波动、汽水别离器水位波动、给水温度及流量变化、蒸汽吹灰投入等) 变化频繁且扰动量较大, 而使主汽温度长期不能稳定;由于参数整定不当引起一、二级喷水量不匹配, 使得喷水量内扰较大, 造成过热汽

5、温在外扰较小时仍偏离设定值较大。因此, 针对上述情况设计的过热汽温控制系统, 既要求对烟气侧扰动及负荷波动等较大外扰具有足够快的校正速度,同时又要求对减温水内扰有较强的抑制能力, 从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质, 并能保证系统运行的平安性。常规控制方案: 一种是串级控制, 另一种是导前汽温微分信号控制。当工况变化大时, 难以保证控制品质。因而考虑在串级控制系统中引入模糊控制器, 根据运行人员的操作经验, 采用复合模糊串级控制系统。仿真结果说明: 与传统的PID 控制相比, 复合模糊串级控制具有更快的响应、更小的超调和更强的抗干扰能力4 。1965年，美国加利福尼亚大学的扎德教授发表

6、了开创性的论文，从而产生了模糊集合论，并奠定了模糊集理论和应用研究的根底。其后，一些学者把模糊集的思想引入系统控制，提出了模糊控制的概念，并开展了理论及应用方面的研究。1974年，英国的E.H.Mamdani 首先把模糊控制语言组成的模糊控制器用于控制蒸汽发动机；在以后的20多年中，模糊控制在控制领域的应用越来越受到人们的重视。国外不少专家、学者、 工程技术人员都致力于模糊控制的研究，并将模糊控制器用于工业过程控制方面，取得了良好的效果。在高度工业化的日本，其模糊控制理论和研究都处于世界领先地位。从家用电器到生产过程控制，应用模糊控制技术的新一代产品已大量上市。从1979年开始，我国也开始了模

7、糊控制理论及应用方面的研究。目前，模糊理论方面的研究已取得了重要的成果。在各种模糊控制算法和模糊与常规复合控制算法的研究中取得了许多有价值的成就。传统的PID控制器，由于其控制规律简单，参数设置亦不复杂，在过程控制中仍得到广泛的应用。但其致命的缺点是事先设定好的控制参数不能适应过程的不确定性而做出相应的调整。当系统参数变化时，由于控制参数不能随之而变化，不能对受控过程参数做出适时调整，从而使过程的品质指标恶化。 Carcia和Morari在1982年提出了内模控制，这一控制的优点是能将PID控制、SIMULINK 预估控制、确定性线性二次最优反响控制和多种预测控制等归纳在同一架构之下，内模控制

8、设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰的影响，是一种设计和分析预测控制系统的有力工具5。在控制工程中，被控对象总是含有种种不确定性。如果用精确数学模型设计相应的控制器，那么当不确定参数变化剧烈时，往往难以获得满意的控制效果，甚至造成无法控制。为了解决这个问题，出现模糊控制等方法。这些方法在一定条件下是可行的。但是当系统操作环境突变例如被控对象发生故障或运行环境发生突变，系统的参数变化很大，常规自适应控制器中的辨识器难以跟随参数的实际变化，导致控制器性能不佳；另外，基于对象模型识别的常规自适应控制器以及目前已提出的模糊自适应控制器或者基于神经网络实现的自适应控制器由于计算量大，控制规律

9、复杂，很难满足实时性要求，尤其是在操作环境突变的暂态性比拟差。1.2论文需要解决的问题论文主要有以下几个方面的工作需要完成：1通过给定的数据和传递函数，根据给定的衰减率进行串级控制系统调节器整定计算，并进行仿真实验。2熟悉MATLAB仿真工具SIMULINK。3利用上述模糊控制方法针对过热器这一温度对象，进行模糊控制器设计，进行仿真实验。 第二章 模糊控制理论的数学根底及模糊控制算法概述模糊集合及其运算定义1：设U为以u表示的一个论域空间，此空间可以是连续的，也可以是离散的。论域空间U上的模糊集合F由隶属函数表示，在区间0，1上取值，即：U0，1。模糊集合可看成普通集合概念的推广。普通集合的隶

10、属函数只能取两值0，1。因此模糊集合可以用其元素u和它的隶属度来表示： F= (u, uU当U连续时，模糊集合F可以简写为： ；当U离散是，模糊集合F可简写为： 。定义2：设A和B为论域U上的两个模糊集合，规定AC的隶属函数分别为，并且对于U上的每一个元素有： 上三式分别为A与B的并集、交集和A的补集。式中“表示取大运算，“表示取小运算，成为Zadeh算子。定义3：笛卡尔乘积，假设A1，A2，An分别为U1,U2,，Un中的模糊集合，A1，A2，An的笛卡尔乘积在乘积空间的隶属函数为：或者：模糊关系及其合成定义4：模糊关系：一个n维的模糊关系为中的模糊集合并表示为： 定义5：模糊关系的合成：假

11、设R和S分别为和中的模糊关系，那么R和S的合成也为一个模糊关系，表示为，定义为： 其中：可以使最小算子，也可以使代数积、有界积等6。语言变量定义6：模糊数：设A为论域U上的模糊集合，为其隶属函数，又设，假设对任意，都是一个闭区间，那么称A是一个模糊数。凡具有连续隶属函数的凸模糊子集都是模糊数，凸模糊集是指以实数为论域且隶属函数满足 的模糊子集而言。定义7： 语言变量：语言变量由一个5元素的集合来表征，其中N是语言变量的名称，如年龄、颜色、速度、体积等；U是N的论域；是语言变量值的集合，每个语言值都是定义在论域上的一个模糊集合；G是语法规那么，用以产生语言变量N的语言值的名称；是语义规那么，使与

12、语言变量相联系的算法规那么，用以产生模糊子集的隶属函数。例：“年龄为一个语言变量，他的语义项集合T年龄可为：T年龄=老，非常老，比拟老，年轻，年少，模糊逻辑和近似推理在模糊逻辑和近似推理中，有两类重要的模糊推理规那么，即：广义肯定式推理GMP前提1 if x is A then y is B前提2 if x is A结论 y is B广义否认式推理GMT前提1 if x is A then y is B前提2 if y is B结论 x is A在广义肯定式推理中，当A= A,B= B时，广义肯定式推理就成了肯定式推理；在广义否认式推理中，当B=非B，A=非A时，广义否认式推理就成了否认式推理

13、。由于广义肯定式推理是前向数据驱动式推理，所以在模糊控制中这种形式的推理更常用。定义8：复合推理规那么：假设为中的一个模糊关系，且为中的一个模糊集合，为中的一个模糊集合，由推出的方法定义为 假设式中取最小算子，那么上式即为Zadeh提出的取大-取小复合推理规那么7。在工业过程中，由于一系列原因例如被控对象和过程是非线性、时变性、多参数间的强耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测量仪表条件的缺乏等，不可能建立被控对象的精确数学模型，而通常只能测得其参数间模糊的关系估计。因此，往往采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。所谓

14、模糊控制，就是在控制方法上应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊逻辑思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。根本Fuzzy控制系统框图如图2-1所示：图2-1 根本Fuzzy控制系统方框图要设计一个模糊控制器以实现语言控制必须经过以下三步：精确量的模糊化，把语言量的语言值化为某适当区域上的模糊子集；模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规那么，并计算模糊控制规那么决定的模糊关系；输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量的转化。现用一简单的模糊控制器图2-1来说明Fuzzy控制的实现步骤。图中R是系统设定值精确量；e、ec分别是系统误差和误差变化精确量；

15、E和EC分别为反映系统误差与误差变化的语言变量的模糊集合模糊量；u为模糊控制器输出的控制作用精确量；y为输出量精确量，下面简要介绍模糊控制器的设计方法。精确量的模糊化设误差的根本论域为，误差所取的模糊集合的论域为，这时需要通过量化因子进行论域变换，量化因子的定义是 2-1一旦量化因子选定，系统的任何误差总可以量化为论域X上的某一元素。例如，实测误差为，那么它必属于以下3种情况之一：123对于情况2及3，分别将量化为-n与n。对于情况1，假设，那么将量化为；假设，那么需要将量化为，为某一整数。从式2-1可以看出，一旦给定论域，量化因子的取值大小可使根本论域发生不同程度的缩小与放大，即当大时，根本

16、论域缩小，而当小时，根本论域放大，从而提高了误差控制的灵敏度。同理，对于误差变化率的根本论域，假设选定构成论域的元素量化档数n，那么误差变化率的量化因子定义为 对于系统控制量的变化，根本量化因子的概念，定义为 为其比例因子。其中，为控制量变化的根本论域；为根本论域的量化档数。一般来说，等级分的越细,控制精度越高，但占用的计算机内存也越大，速度下降，所以在划分等级时，必须综合这两项指标。本文、和分别规定为以下模糊子集：E= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PBEC= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PBU= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB它们

17、的论域划分为14个等级，隶属函数是正态分布的，这符合传统习惯和人的思维特点。在给定论域上确定模糊子集的隶属函数时要注意下面三个问题：1、任意两个相邻子集的最大隶属度值在0.40.7之间。这个值取得较小时，控制作用比拟灵敏；较大时，对被控对象参数的变化适应性较强，即鲁棒性强。2、隶属函数的形状对控制效果影响较大。窄型隶属函数，控制灵敏度高；宽型隶属函数控制特性比拟平缓，系统较为稳定。因此，一般在系统误差较大的范围内，采用具有低分辨率隶属函数的模糊集合，而在误差较小，或接近于零时，宜采用高分辨率隶属函数的模糊集合。3、为了保证控制作用的隶属函数是单峰的，各模糊子集必须是正规凸的。模糊推理算法模糊控

18、制规那么的一般形式为：if E is, EC is then U is 这里、是模糊子集；E表示被控量的设定值R对其实际值Y的偏差e=R-Y所对应的模糊子集，EC用来表示偏差变化率的模糊子集，U表示输出控制量的模糊子集，是E的模糊子集划分数目，是EC的模糊子集的划分数目。上述模糊条件语句可归结为一个模糊关系，即： 式中，符号“表示Cartesian积。如果偏差、偏差变化率分别取E和EC，根据模糊推理合成规那么，输出的控制量应当是模糊子集U， 式中符号“表示模糊合成运算。这样，假设输入量E、EC和输出控制量U，就可以根据上述规那么把相应的模糊关系求出来；凡过来，假设系统的模糊关系为时，就可以根据

19、E和EC求出模糊控制量U。输出量的模糊判决通过模糊推理得到的模糊控制器的输出是一个模糊子集，但被控对象只能接受精确的控制量，因此需要解决将模糊量转化为精确量的判决问题。现有的解模糊方法很多，如重心法、最大隶属度法、系数加权平均数法和取中位数法等。其中，重心法不仅有公式可循，而且在理论上比拟合理，它涵盖和利用了模糊集合的所有信息，并根据隶属度的不同而有所侧重，所以本文采用重心法。通过根本模糊控制设计过程可知，模糊控制具有以下优点：模糊控制系统不依赖系统精确的数学模型，特别适宜于系统过程与模糊性对象采用，因为它们的精确数学模型很难获得或根本无法找到。模糊控制的知识表示，模糊规那么和合成推理是基于专

20、家知识或熟练操作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，因此，它具有智能性和自学习性。模糊控制的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以计算机微机、单片机等为主体，因此它兼有计算机控制系统的特点，如具有数字控制的精确性和软件编程的柔软性等。模糊控制系统的人-机界面具有一定程度的友好性，它对于有一定操作经验的而对控制理论并不熟悉的工作人员来说，很容易掌握和学会，并且易于使用“语言进行人-机对话，更好的为操作者提供控制信息。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合非线性、时变及纯滞后系统的控制。尽管模糊控制有许多优点，但在理论研究和实际应用中尚有许多问题需要深入研究。作者在

21、查阅、综合、分析了大量文献的根底上，选定了几种具有代表性的新型模糊控制算法加以概述。Fuzzy-PID复合控制Fuzzy-PID复合控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制算法。这种控制方法常见的一种是模糊控制与PI调节器相结合应用的Fuzzy-PI双模控制形式。这种改良的控制方法的出发点主要是因为一般模糊控制器消除系统稳态误差的性能比拟差，难以到达较高的控制精度。尤其是在离散有限论域设计时，更为明显。而PI调节器的积分作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误差作用。因此，有人提出了模糊控制和PI控制相结合的一种方案，以增加稳态控制性能。当误差在一个阀值以外时，

22、那么采用模糊控制以获得更好的瞬态性能；当误差落到阀值以内的范围时，那么采用PI控制，以获得更好的稳态性能。这种复合控制器的结构框图如图2-2所示。图2-2 Fuzzy-PI复合串级控制系统自组织模糊控制模糊控制器具有良好控制效果的关键是有一个完善的控制规那么。但对于高阶、非线性、大时滞、时变以及随机干扰严重的复杂被控过程，仅靠对操作者实践经验的总结或模糊信息的归纳，很难设计出适合被控过程的所有不同运行状态的控制规那么。为解决这类设计问题，人们设计了一种可以在运动过程中自动对本身或控制规那么进行调整的模糊控制器，即自组织模糊控制器。它可使系统的性能不断完善，能适应不断变化的情况。目前主要有以下两

23、种自组织模糊控制器。1、带修正因子的自组织模糊控制器在采用公式法的常规模糊控制器中，是利用以下计算控制量U的： 其中：x，y分别为模糊控制量偏差及偏差变化率的论域元素，a是介于0，1之间实数。a值的大小，直接反响了对偏差e及偏差变化率e的加权程度。因此通过调整单一因子a的值，就可以方便地修改控制规那么，以改善系统的控制效果。但这种单因子自调整方法存在一些缺乏，就是其控制规那么只依赖一个a值，a值一旦确定，那么偏差e及偏差变化率e的权重就确定了。这在实际系统中，显然不能满足系统状态发生变化的需要。为了克服单因子的缺点，后来又有人提出带两个因子及带四个因子的自组织模糊控制器，但其结果，从理论上还是

24、会存在稳态误差的。最近又有人提出对多因子进行寻优的模糊控制器，即采用ITAE积分性能指标： 式中，表示误差函数加权时间之后的积分面积的大小。括号中英文字母汉译分别是：I-积分；T-时间；A-绝对值；E-误差。该指标能够综合评价控制系统的动态和静态性能，从理论上来讲，应具有良好的品质，但在实际工程中，采用寻优的方法很难到达理想的控制效果。尽管如此，带修正因子的自组织模糊控制器可以抛开控制表。把模糊控制规那么综合成一个简单算式，直接求出控制器，并可以根据系统的运行状态，通过调整a值，很方便的进行在线调整控制规那么，以改善系统的控制性能。因此这是一种既方便又有效的自组织模糊控制器，特别适合于工程应用

25、。2、参数自整定模糊控制器模糊控制系统的性能不但与控制规那么有关，而且模糊化和精确化的两个过程直接影响被控过程动态特性的优劣，这主要反映在量化因子、和比例因子的选取上。通常这三个因子都是一次确定的，这样做往往不能全面适应被控对象变化的情况。借鉴PID参数自整定的思想，又提出了在线自整定模糊控制器的概念，其结构如图2-3所示。我们知道，典型的单变量二维模糊控制器代数模型可用下式表示： 比例因子和分别相当于模糊控制的比例作用和微分作用的系数，那么相当于总的放大系数。、增大，相当于控制器的比例作用和微分作用增强；而增大，相当于控制器总的放大倍数增大。因此，假设要加快系统的响应速度，减少稳态误差与误差

26、变化率，就必须增大、，但可能引起系统较大的超调，调节时间增长、，严重时还会产生振荡乃至系统不稳定。过大，会导致系统输出上升速率过大，从而产生过大超调乃至振荡或发散。系统参数自调整的思想是：当偏差较大时，缩小和，放大，降低对e和ec的分辨率；而当偏差和偏差变化率较小时，参数整定思想与上述相反。图2-3 参数自整定模糊控制系统参数自整定模糊控制器的提出和实现，无疑为提高控制器的性能提供了一种有益的方法。但通常对三个因子的自整定过程中，变化不大，因而仍然不能保证对人和系统都有优良的品质。自适应模糊控制器一个控制过程，如果不能完全预知其环境和控制对象，但能够在其运行过程中，利用输入和输出观察到的信息，

27、逐步减少对系统进行有效控制的先验不确定性，以逐步到达最优或次优，那么称其为一个自适应模糊控制过程。采用模糊信息处理技术，具有自适应功能的控制系统称为自适应模糊控制系统。自适应模糊控制器是在根本模糊控制器的根底上，增设了三个功能块儿构成的，其结构如图2-4所示。性能测量：根据测量出的实际输出特性与希望特性的偏差，确定输出响应的校正量；控制量校正：通过修正控制规那么来实现对控制量的校正；模糊控制的过程为每一个采样周期过程的每一个输出的校验，给出关于该输出的性能测量，然后算出每一个采样周期的输出特性的校正量P(nT),通过控制量校正求出控制量校正量R(nT)，进而修正控制规那么。2.4.4多变量模糊

28、控制前面提到的几种模糊控制是针对简单系统采用的双输入单输出的模糊控制器，而图2-4 自适应模糊控制系统对于多变量复杂系统，各输入输出变量之间存在着不同程度的相互影响。当多个输出变量之间耦合程度较强时，便无法分为几个独立的单回路控制系统，这时必须才用多变量控制策略。对于多变量被控过程，如果采用模糊控制，即模糊集合表达的控制规那么，那么其表达形式与单变量系统的模糊控制根本相同，所不同的是多变量模糊控制规那么更难提取，同时，由于多变量系统变量增多，用于表达多变量控制规那么的计算量增大，对计算机存储量的要求增大。为了解决多变量模糊控制系统中的这些问题，Gupta等在1986年对多变量控制系统的表达式进

29、行了研究，给出了多变量模糊控制规那么的分解近似表达式。这样，不但为研究多变量模糊控制系统提供了根本结构，而且降低了计算机存储容量的要求。可是，对于建立规那么库仍不易实现。徐承伟分别用模糊关系和语言变量描述方法对多变量被控过程建模，并利用解耦思想在模糊模型上设计解耦补偿器，但还不够成功，存在求解计算量大，甚至描述不正确等问题。但是到目前为止，还没有很好的方法解决8。第三章 汽温调节对象的动态特性及常规控制方式3.1汽温控制系统介绍3.1.1 汽温调节的目的 蒸汽过热器是锅炉的重要组成局部，它的作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽，锅炉过热器是由辐射过热器，对流过热器和减温器等组成。现代

30、锅炉的过热器是在高温，高压条件下工作的，锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水运行过程中的最高温度，对于电厂的平安经济运行有重大影响，汽温过高会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，汽温偏低会降低机组热效率，影响经济运行。所以，在锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附近。一般要求过热蒸汽温度与规定值的暂时偏差值不超过10长期偏差不超过59。3.1.2汽温调节系统的组成及功能 由于过热器的管道较长，结构复杂，其滞后和惯性较大，因此大局部机组的过热蒸汽温度的自动调节采用两级喷水调节方式，第一级起粗调作用，正常运行时，取两侧屏式过热器出口汽温的平均值作被调量，其输出直接控制两侧喷水调节门开

31、度，改变减温水量，适应负荷改变时对蒸汽品质的要求，同时保证屏的平安。第二级实现细调，调节减温水量以消除燃烧工况不均匀时对系统的影响，保持额定的蒸汽温度，保证最末级过热器平安。3.1.3 过热汽温调节对象的静态特性过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温静态特性完全相反，对于对流式过热器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和流速都增加，因而使过热汽温升高。所以对流式过热器的出口汽温随负荷增加而升高。对于辐射式过热器，由于负荷增加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的热量，因此辐射式过热器的出口汽温随负荷增加而降

32、低如图3-1所示。可见，过热器的传热形式、结构、布置将直接影响过热器的静态特性。现代大容量锅炉的过热器系统都采取了对流式过热器、辐射式过热器和屏式半辐射式过热器交替串联布置的结构，这有利于减小过热器出口汽温的偏差，并改善了过热汽温调节对象的静态特性。3.1.4 过热汽温调节对象的动态特性如图3-2所示，过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热汽温温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流过过热器的烟气温度和流速变化等。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化负荷变化，加热烟气的热量变化和减温水流

33、量变化过热器入口汽温变化。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动实验，可得到不同扰动作用下的对象动态特性，它们均为迟延的惯性环节，但各自的动态特性参数值、有较大差异。图3-1 过热汽温的静态特性 图3-2 过热汽温调节对象的动态特性当负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器各点的蒸汽温度也几乎同时改变。所以在负荷扰动下，汽温的迟延和惯性比拟小。当烟气热量扰动烟气温度和流速产生变化时，由于烟气流速和温度变化也是沿整个过热器同时改变，与蒸汽流量变化对传热情况类似，所以汽温的反响也是较快的。当减温水量扰动时，改变了高温过热器的入口

34、汽温，从而影响了过热器出口汽温。由于大型锅炉的过热器管路很长，因此减温水流量扰动时，汽温的反响是较慢的。对于一般高中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间 =3060s,时间常数=100s；而当烟气侧扰动时， =1020s，=100s。3.2 主汽温对象的一般特性在现代火力发电厂热工控制中，锅炉出口过热蒸汽温度、主汽温是锅炉的主要参数之一，对电厂的平安经济运行有重大影响。主汽温偏高会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，威胁机组的运行平安。主汽温偏低那么会降低机组的热效率，影响机组运行的经济性 同时主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加；从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，因此必须将主蒸汽温度严

35、格控制在给定值附近。例如，亚临界压力机组的主蒸汽温度通常要求其暂态偏差不能超过8稳态偏差不允许超过2。然而，随着电力事业的开展，现代锅炉机组大多采用那些大容量高参数、高效率的大型锅炉，其过热器管道相应地加长，其结构也更复杂。此外，在电力生产过程中，过热器出口温度还受到诸如蒸汽流量负荷变化、炉膛热负荷变化、烟气量及烟气温度波动、过热器管壁结焦等等可测的或不可测的外部因素影响。在这些外部因素的共同作用下，主汽温对象除了具有多容大惯性、大迟延特性之外，往往又表现出一定的非线性和时变特性。理论分析和大量的实践说明，在影响过热汽温的诸多因素当中，蒸汽流量负荷、烟气扰动热负荷、过热器入口温度 、减温水量是

36、三个最主要的因素。根据不同的调节机理，在实际应用中可采用设置摆动式燃烧器、烟气挡板和多级喷水减温等调节方式。其中，喷水减温因为调节方式灵活、设备相对简单易于控制是电厂主汽温调节,特别是高温过热器出口汽温调节是最主要的调节手段.由于各种过热器的构造不同,它们的动态特性和静态特性也有差异.所以在我们将应用前一章所介绍的模糊自适应预测控制算法着重研究。3.3 常规串级控制系统的设计与分析3.3.1过热汽温串级调节系统的组成图3-3过热汽温串级调节系统。汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温水流量为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温为输入信号。为了改善调节品质，系统中采用减温器出口处汽温作为辅助调

37、节信号称为导前汽温信号。当调节机构动作喷水量变化后，导前汽温信号的反响显然要比被调量信号早很多。图3-3过热汽温串级控制由于从调节对象中引出了信号，对象调节通道的动态特性可以看成由两局部组成：以减温水流量作为输入信号，减温器出口温度作为输出信号的通道，这局部调节通道称为导前区，传递函数；以减温器出口温度作为输入信号，过热器出口汽温为输出信号的通道，这局部调节通道称为惰性区，传递函数。显然，导前区的迟延和惯性都要比惰性区的小得多。3.3.2串级汽温调节系统的分析串级汽温调节系统的方框图如图3-4所示，它有两个闭合的调节回路：由对象调节通道的导前区、导前汽温变送器、副调节器、执行器和减温水调节阀组

38、成的副调节回路；由对象调节通道的惰性区、过热汽温变送器、主调节器以及副调节回路组成的主回路。串级调节系统能改善调节品质，主要是由于有一个快速动作的副调节回路存在。由图可以看出，引入负反响而构成的副回路起到了稳定的作用，从而使过热汽温保持不变，因此可以认为副回路起着粗调节过热汽温的作用。而过热汽温的规定值，主要由主调节器来严格保持。只要不等于规定值，主调节器就会不断改变其输出信号并通过副调节器不断改变减温水流量，直到恢复到等于规定值为止。可见，主调节器输出信号相当于副调节器的可变给定值。稳定时过热汽温等于给定值，而导前汽温那么不一定等于原来的数值，的信号数值等于稳态时主调节器输出值。对于串级汽温

39、调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主调节回路，其调节品质都是优于单回路调节系统的。图3-4 汽温串级调节系统方框图-减温水流量；-减温水流量扰动；-调解作用引起的减温水流量变化；-调解通道导前区的传递函数；-调解通道惰性区的传递函数；-副调解器的传递函数；-主调解器的传递函数；-导前汽温变送器的斜率；-主汽温变送器的斜率；-执行器的比例系数；-减温水调节阀的比例系数1扰动发生在副回路内，例如当减温水流量发生自发性波动可能是减温水压力或蒸汽压力改变而引起变化时，对于单回路汽温调节系统，由于没有副调节回路去迅速消除的波动，所以必然要影响到主汽温的稳定；对于串级汽温调节系统，由于有副回路存

40、在，而且导前区的惯性又小，副调节器能及时动作，快速消除掉减温水流量的自发性波动，从而使过热汽温根本不变。2扰动发生在副回路以外，引起过热汽温偏离给定值时，串级系统首先由主调节器改变其输入信号，通过副调节回路去改变减温水流量，使过热汽温恢复的给定值。这时，主调节器的调节对象可以近似认为是等效对象，它的惯性迟延比采取单回路汽温调节系统时的调节对象=要小，因此在这种情况下，串级系统的调节质量还是优于单回路系统的。可见，在串级汽温调节系统中，副回路的任务是尽快消除减温水流量的自发性扰动和其它进入副回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用。汽温系统的副调节器一般采用比例调节器，主调节器的任务是保持过热

41、汽温等于给定值，所以可采用比例积分或比例积分微分调节器。 调节器的整定根据参考文献10知：副调节器 主调节器 变送器斜率 被控对象惰性区 (/mA)被控对象导前区 (/mA)根据参考文献10可知被控对象的传递函数 K=由于，nT=215+320=90,nT3,主副回路可相互独立的原那么进行参数整定，即认为副回路是一个快速随动系统。副回路中调节器的参数整定：副回路的特征方程式：1+= 0 1+=0 225+30s+1+=0这是一个二阶系统，设副回路的整定要求为衰减率=0.75，相应的阻尼系数由上式可算出调节器的比例带为=主调节器参数的整定：当副回路整定好以后，副回路的闭环传递函数可写为=当前向传

42、递函数远大于1时，那么上式中分母的1可以忽略，得副回路的闭环传递函数为=主回路的开环传递函数为=.式中图3-5 主调节器参数整定的根轨迹图如图3-5所示，在根据平面上相应于的射线0-1，并计算出极点的位置。首先，令=时，在原点处的极点被抵消，根据轨迹的幅角条件，过P点做出与实轴夹角为的直线，此直线与射线0-1相交于点，应用三角公式或直接从图上量出的坐标为.然后，设，那么坐标为.应用三角公式求出：至P点距离，到0点的距离；与负实轴的夹角。至此，可确定积分时间根据轨迹的幅角条件，零点Z至的幅角，可由此定出零点位置Z，并求出Z点的坐标，j0,那么值为 调节器的比例带可用此法求出。零点Z至的距离，根据

43、轨迹的幅值条件，那么调节器的比例带为第四章 复合模糊控制系统及仿真研究4.1 复合模糊串级系统的设计4.1.1复合模糊串级控制思想的提出常规喷水调节经常采用带负荷的前馈信号的串级PID控制系统, 以保证过热汽温度在大局部工况下保持在设定值540左右,但假设采用以固定参数为主的常规PID制器, 当外界扰动较大和对象特性变化较大时, 抑制干扰能力及控制效果均较差。因此，考虑模糊控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的控制品质。由于带根本Fuzzy 控制器的减温水量过热汽温Fuzzy控制系统误差e 和误差的变化率ec 作为输入量,实质上是具有PD 控制规律的一种控制系统, 考虑到语言变量根

44、本论域的量化特点,该系统不具有消除稳态误差的能力, 且由于在“0档处量化死区的影响, 还可能出现稳态等幅振荡。因而采用在根本Fuzzy 控制器根底上再构造一个PI并联通道的Fuzzy-PI复合模糊控制结构。当过热汽温偏差较大时, 利用模糊控制结适宜当的作用量抑制干扰, 保证系统响应的快速性,同时又保存了串级控制系统抑制内扰的特点, 保证控制精度和良好的动态品质。本文所设计的复合模糊串级汽温控制系统结构如图4-1所示11。图4-1 复合模糊串级汽温控制系统方框图4.1.2 系统的总体设计和任务规划本文主要研究温度对一级过热器的影响。其特性已经在第四章中阐述过了。算法研究在MATLAB的SIMUL

45、INK环境下进行。本文控制系统的设计、仿真研究包含以下内容： 1过热器固有特性的识别与分析；2模糊控制器的设计及仿真试验；3Fuzzy-PI复合的设计及仿真试验；4. 对象固有特性的识别与分析世界上任何事物的运动都要遵循一定的客观规律，控制就是通过规律性的人为干预对象的行为来到达预期目的的。因而，从某种意义上说，了解对象的运动规律是实施有效控制的前提，各种控制方法只是了解的方式和规律的表达方式的不同而已。对模糊控制而言，是根据手动控制经验与控制指标要求来完成。在系统工作区间内，被调量的允许最大变化范围是10，正常运行时的最小偏差是5，控制量的变化范围是060T/H，通过分析可以得出以下规律；K

46、包括量化因子和比例因子两局部，主要受工作点及工作状态的影响，当负荷增加时，过热器对象的K将增加，且表现为非线性，这时减温水的变化对被调量的控制作用加强；当过热器结垢非常严重时，将使K减小，减温水的变化对被调量的控制作用减弱。量化因子和比例因子的取值影响模糊化的精度：量化因子越大系统调节惰性越小，系统上升速率越大，过大，将产生较大的超调量严重时会产生振荡，甚至使系统不稳定工作。过小，导致快速性变差。另一方面，它严重影响系统的稳态特性，导致稳态精度降低。而量化因子的作用效果与相反。比例因子作用类似比例作用，越大，上升速率越快，过大那么容易使系统输出产生波动，可能导致等幅震荡甚至发散；越小，系统向前

47、增益越小，输出的上升的速度越小，快速性变差。对过热器对象来说，结垢增加也将使得对象的容量滞后 增加，这时控制量对对象的控制作用没有改变，但是对象的最大变化速度向后推移，系统的调节速度降低。在相同条件下，较大的输入量会产生较大的最大误差变化率。相同的控制量，会在较低负荷处产生较大的误差变化率。这些结论是基于有限数据总结的，可以设想把工作区间细分，逐段测试，可以把握更充分、更细致的材料，但这些实验还不能在工程上全部实现。 4.1.4 SIMULINK工具箱简介控制系统的计算机辅助设计技术从成为一门专业的学科以来，已有二十多年的历史，一直受到控制届的普遍重视，在其开展的过程中出现了各种各样的实用工具

48、和理论成果。MATLAB是MathWorks公司的软件产品，正是进行这种设计技术的方便可行的工具，目前已成为国际控制界应用最广泛的语言工具。现在MATLAB已经成为一个系列产品，MATLAB主包和工具箱TOOLBOX)。功能丰富的工具箱将不同领域和不同方向的研究者吸引到MATLAB的编程环境中，成为MATLAB的忠实用户。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包，它支持连续，离散及两者混合的线性系统，也支持具有多种采样速度的多速率系统。SIMULINK为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就象用笔和纸画一样容易。SIMULINK包含有sinks输入方式

49、、Source输入源、Linear线性环节、Nonlinear有线性环节、Connections连接与接口和Exrra其它环节子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创立用户自己的模块。用创立的模型可以具有阶梯结构，因此可以采用从上到下或从下到上的结构创立模型。在定义完一个模型以后，以后可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行为方式对于运行仿真非常有作用。用Scope模块和其它的画图模块，在仿真进行的同时，就可观察到仿真结果。除此之外以后该可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的

50、结果可以存放到的工作空间里做事后处理。模型分析工具箱包括非线性和平衡点分析工具、MATLAB的许多工作及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。SIMULINK for Windows依赖于Windows和MATLAB的要求，因而它所需要的系统配置和其它设置就不必专门增加或改变，只要能满足系统的需要即可12。4.1.5 模糊推理工具箱简介二十多年前，LAZadeh教授提出了模糊集合理论已经在众多领域中的工程领域得到广泛深入的研究。对于实际操作人员，即时没有精确三数据个过程模型，也可以操作和复杂的过程

51、。而模糊理论正式将操作人员的操作经验转换成可以在计算机上运行的算法，以实现模糊控制13。目前，模糊集合理论受到了世人前所未有的关注。澳大利亚Queensland大学的教授开发了基于MATLAB环境的“模糊推理系统工具箱Fuzzy Inference Toolbox For MATLAB。该工具箱集成度高，内容丰富，根本包括了模糊集合理论的各个方面，根本包括了模糊集合理论的各个方面，其主要内容有：1 模糊集合各种运算。2模糊逻辑推理。3非模糊化。(4)模糊集合理论在自动控制中的应用4.2模糊控制器的设计采用Fuzzy logic 工具箱的FIS 编辑器编辑模糊控制器, 针对火电厂主汽温对象控制品

52、质要求, 保证出口温度为530 545。4.2.1确定输入输出变量输入变量为2个，分别为偏差e和偏差的变化率ec,输出变量为u。模糊语言变量分别为E (温度偏差) ，EC(温度偏差变化率)和U(阀门开度)。4.2.2模糊化E 的论域为 - 20, 20 , 划分为7个等级，模糊子集 ( i= 1, , 7)的7个语言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的实际物理意义为出口温度很高、较高、稍高、正好、稍低、较低、很低, 它们的隶属函数选trimf (三角形) 。EC 的论域为 - 20, 20 , 划分为7个等级, 模糊子集 ( i= 1, ,

53、 7) 的7个语言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的实际物理意义为出口温度变化负的快速增加、负的增加, 负的稍微增加、不变、正的稍微增加、正的增加、正的快速增加, 它们的隶属函数选trimf (三角形)。U 的论域为 - 20, 20 , 划分为7个等级, 模糊子集 ( i= 1, , 7)的7个语言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的实际物理意义为喷水减温阀全关、半关、稍微关小、不动、稍微开大、半开、全开, 它们的隶属函数选trimf (三角形)1415。4.2.3模糊规那么编辑该模

54、糊控制器的模糊规那么具有如下形式:if E = and EC= then U = , i= 1,. . . , n, 其中, , 分别为E、EC 和U的模糊子集。由经验整定规那么共49条, 如如果出口温度太高, 且温度偏差快速增加, 那么喷水减温阀全开对应规那么语言: if E = N B and EC= N B then U = PB如果出口温度恰好, 且温度偏差朝升高的方向快速增加, 那么喷水减温阀全开对应规那么语言: if E = ZO and EC= N B then U = PM如果出口温度太低, 且温度偏差快速减小, 那么喷水减温阀不动对应规那么语言: if E = PB and

55、EC= N B then U = ZO其余规那么照规那么表4-1一一写入控制规那么编辑中。建立好隶属函数和规那么后,系统的决策局部选用Madani算法, 解模糊选用中位数16。U ECNBNMNSZOPSPMPBENBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB表4-1 模糊控制规那么表图4-2 模糊规那么规那么和模糊推理的输出曲面在任一编辑器的View下拉菜单中选择“View rules,可以观察模糊规那么的图形表示，

56、如图4-3所示17。图4-3 观察模糊规那么图4-4 观察输出曲面推在任一编辑器的View下拉菜单中选择“View rules,可以观察模糊理的输出曲面。用鼠标按钮按住输出曲面并移动鼠标，可以从不同角度观察输出曲面，如图4-4所示。在任一编辑器的File下拉菜单中选择：Save to disk,将所做的工作保存到磁盘中。至此，就完成了整个模糊推理系统的建立。4.3 仿真研究 仿真简介在SIMULINK的模型中，每一个模块都有一些公共的特性，如一组输入、一组输出和一组状态，状态变量可能由连续状态、离散状态后两种混合状态组成。图4-5 隶属函数编辑器界面仿真包括两个阶段：初始化阶段和仿真阶段。在仿

57、真初始化阶段，所以模块的参数被传给MATLAB，以便MATLAB进行计算，同时模型的递阶结构被展开，所有的模块在仿真是按照它们每步更新的先后顺序进行排序，除此之外对模块与模块之间的连接进行检查，以便确保每个模块输出的向量维数和输入的维数相同。只有在上面的步骤完毕之后，才能进行仿真18。翻开MATLAB软件，在它的command window 中输入fuzzy后如4-5所示然后单击隶属函数编辑器工具栏中Edit，在Edit中单击add variable 增加输入变量,如图4-6所示：图4-6 设置隶属函数输入变量之后再单击选中所要修改的输入、输出变量名称和改变他们的MFS如图4-7所示：图 3-

58、3图4-7 设置输入变量的隶属度其它输入、输出变量变化也相同。 例如，我们可以以阀门开度e、阀门开度变化率ec为输入变量，u为输出变量。如图4-8所示。图4-8 隶属函数图形及其修改接着我们可以在隶属函数编辑器上将完整的显示输入变量e如图4-9所示。图4-9 隶属函数修改按照同样的步骤和方法，按照自己的经验，添加并设置输入ec和输出变量u的隶属函数。ec和u的隶属函数如图4-10和图4-11所示。图4-10 变量ec的隶属度函数图4-11 变量u的隶属函数4.3.2 常规串级PID 控制系统现行国产单元机组主汽温自动调节常采用串级系统。针对实际情况, 这里考虑了两种干扰作用。扰动1主要是减温水

59、量的自发扰动, 扰动2主要是燃烧率的变化19。，分别为汽温调节系统的副调节器和主调节器的传递函数; ，分别为调节对象导前区和惰性区的传递函数; 是燃烧率扰动对过热汽温的传递函数;变送器斜率为mA/; , 分别为导前汽温a 和过热汽温H的测量单元。被调量是过热汽出口温度, 而辅助信号为减温器后的某一点过热汽温20。在正常运行工况下对象的传递函数(直接引用文献10 中的模型)。 在没有任何外扰只有给定值扰动的情况下，PID串级控制仿真系统模型如图4-12所示调节器的参数采用 25。图4-12 主汽温控制串级PID调节系统仿真图4.3.3 复合模糊串级控制系统2122主调节器采用复合模糊控制器如图4

60、-13所示, 即由一个常规比例积分(PI) 控制器和一个二维模糊控制器相并联。副调节器依然采用上述形式。由simulink和fuzzy logic 工具箱库中模块根据被控对象设计要求搭接模块 , 进行仿真。图4-13 复合模糊串级控制系统仿真图图4-14 锅炉过热汽温Fuzzy-PI控制系统仿真试验图在串级控制的根底上，我们把模糊控制与之结合起来，并且是在有扰动的情况下进行。就构成模糊PI复合控制系统图。如图4-14所示。4.4 仿真结果图4-15给定值等于1系统的输出相应曲线图4-12、4-14仿真结果如图4-15所示，曲线1是没有内、外扰动、给定值等于1时串级控制系统输出的响应曲线 ，曲线