火电厂过热汽温模糊控制的研究所有专业(编辑修改稿)

火电厂过热汽温模糊控制的研究所有专业(编辑修改稿)内容摘要：

式和喷水式两种。 其中，喷水减温又分为表面式喷水减温和给水喷水减温两种型式。 表面式喷水减温的减温水和蒸汽是隔开的，而给水唼水减温则是利用减温水直接喷入过热蒸汽中去进行减温的，因此又称混合式减温器。 采用喷水减温来调节过热汽温， 当减温水流量扰动时，改变了高温过热器入口汽温，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，管内的蒸汽和管壁可视为众多个单容对象串联组成的多容对象，喷水量的变化必须通过这些单容对象，才能影响到过热器出口蒸汽温度，因此与蒸汽流量和烟气热量扰动的情况相比，减温水流量扰动时，汽温的反应比较慢，对象具有大得多的惯性和迟延， 如图 ， 这是此对象难以控制的原因。 图 减温水量变化对过热汽温的影响 总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象作阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知， 其 均为有迟延的惯性环节，但各自的动态特性参数值 (t、 e、 p)有较大 差别 ]4[。 本章小结 影响过热汽温的过程控制有蒸汽流量、烟气传热量和减温水三个主要因素。 在各种扰动作用下，汽温对象都有迟延和惯性，且有自平衡能力。 当蒸汽流量扰动时，过热汽温动态特性的特点是有延迟，有惯性和有自平衡能力。 因蒸汽流量的扰动是由用户决定的，故不能将蒸汽流量扰动作为过热汽温控制火电厂过热汽温模糊控制的研究 11 系统的控制量使用。 引起烟气传热量扰动的原因很多。 烟气流量变化对过热汽温的影响，使被控对象过热器表现出有延迟、有惯性和有自平衡能力的特征。 从理论上说，应该利用烟气传热量扰动来控制过热汽温，而且这种控制还具有方便和容易 操作的特点。 但实际操作中，因烟气控制的操作不易把握，很难满足过热汽温控制过程的需要，故一般不宜将烟气传热量扰动作为过热汽温的主要控制量使用。 减温水量扰动下的被控对象过热器具有延迟，有惯性和有自平衡能力的特点。 理论和实践都支持减温水量作为过热汽温的主要控制量使用。 火电厂过热汽温模糊控制的研究 12 3 过热蒸汽温度串级控制系统的分析 PID控制作用 PID（比例 积分 微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用 中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制器由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成。 其输入 e (t)与输出 u (t)的关系为 )/)(*)(/1)(()( dttdeTdtteTtektu dip   （ 31） 式中积分的上下限分别是 0 和 t。 因此传递函数为： sTsTksEsUsG dip *)*/11()(/)()(  其中 pk 为比例系数； iT 为积分时间常数； dT 为微分时间常数。 比例（ P）控制 控制作用 u 与偏差 e 成比例关系。 单独的比例控制也称 “ 有差控制 ” ，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。 实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太大，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。 对于反应灵敏、放大能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍小些；而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选大一些，以提高整个 系统的灵敏度，也可以相应减小余差。 单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。 工业生产中比例控制规律使用较为普遍。 比 例积分（ PI）控制 比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。 只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。 但是，不能最终消除余差的缺点限制了单独使用。 克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。 积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。 这里的 “ 积分 ” 指的 “ 积累 ” 的意思。 积分控制器的 输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。 只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一火电厂过热汽温模糊控制的研究 13 直到偏差为零，累积才会停止。 所以，积分控制可以消除余差。 积分控制规律又称无差控制规律。 积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。 积分时间越小， 积分 作用越强；反之， 积分 作用越弱。 积分控制虽然能消除余差，但存在着控制不及时的缺点。 因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。 所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比 例控制作用结合起来，构成比例积分控制。 这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。 因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。 比例微分（ PD）控制 比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。 所谓 “ 时间滞后 ” 指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。 为此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢。 犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀 门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制， “ 防患于未然 ”。 这就是具有 “ 超前 ”控制作用的微分控制规律。 微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。 微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。 如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。 微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。 当微分时间为 0 时，就没有微分控制作用了。 同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况来确定 的。 微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。 因此，不能单独使用微分控制规律。 比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。 尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 比例积分微分（ PID）控制 最为理想的控制当属比例 积分 微分控制规律。 集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。 当偏差阶跃出 现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。 只要三个作用的控制火电厂过热汽温模糊控制的研究 14 参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果 ]5[。 过热汽温串级控制系统 目前，火电厂对于具有大滞后、非线性、时变、多变量和有自平衡能力等特点的被控对象过热器，大多采用串级控制。 串级控制系统的基本组成如图。 串级控制系统能改善过 热汽温控制品质，主要是因为有一个快速动作的副控制回路存在的缘故。 由图 ，引入2 负反馈而构成的副回路起到了稳定 2 (或 j )的作用，从而使过热汽温保持基本不变。 副回路起着粗调 主汽温 1 的作用。 而过热汽温的规定值，主要由主控制器 Pl(或PID)来保证。 只要 1 不等于规定值，主控制器就会不 断地改变其输出信号 1TI ，并通过副控制器去不断改变减温水流量，直到 1 恢复到等于规定值为止。 由图 看出，主控制器的输出信号 1TI 相当于副控制器的可变给定值。 稳定时，过热汽温等于规定值。 可以把整个副回路当成一个等效环节，串联在主回路的前向通道上，这就是串级控制名称的由来。 图 串级控制系统的基本组成 为了更好的分析串级调节系统的特点，根据图 统的方框图 ]6[ ，如图。 火电厂过热汽温模糊控制的研究 15 图 串级控制系统的方框图 从方框图可以看出，串级调节系统有两个闭合的调节回路： (1)由副控制器、调节阀、副对象、副温度变送器和执行器组成的副调节回路； (2)由主对象、主汽温变送器、主调节器以及副调节回路组成的主回路。 串级调节系统之所以能改善系统的调节品质，主要是由于有一个快速动作的副调节回路存在。 为了保证快速性，副调节回路的 副控制器 采用比例 (P)或比例微分(PD)调节器，使过热汽温基本保持不变，起到了粗调的作用： 为了保证调节的准确性，主调节回路的 主控制器 采用比例积分 (PI)或比例积分微分 (PID)调节器，使过热汽温与设定值相等，起到了细调的作用。 对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主调节回路 ，都能迅速的作出反应，快速消除过热汽温的变化。 串级控制虽然有两个控制器，两个变送器和两个测量参数，但仍然是一个单输入单输出系统，系统只有一个需要人为设定的给定值，只有一个控制变量 (即副控制器输出 )，只有一个执行机构，只有一个被控变量，这一点和单回路控制系统 极其相似。 由于串级控制的主控制器和整个副控制回路串联在主回路中，主控制器的输出是副控制器的给定值，主控制器接受设定的给定值。 因而整个串级控制系统是一个定值控制系统。 副控制器的给定值是主控制器的输出，因这个输出要随着扰动而变化，故副回路是一个随动系统。 过程控制中还会经常遇到具有两个回路的控制系统，只要不符合以上两个特征，就不是串级控制系统。 从作用原理上看，内扰首先影响副对象的输出 (称为副参数 )，副控制器立即产生控制作用。 因副对象惯性较小，故扰动的影响很快得到克服，不会对被控变量产生大的影响。 串级控制的副回 路对进入副回路的内扰有很强的克服能力，这是串级火电厂过热汽温模糊控制的研究 16 控制的一个显著的特点。 在设计串级控制系统时，尽量要把被控对象的主要扰动包括在副回路内。 这是设计串级控制系统的基本原则。 外扰对副回路影响较小。 针对被控对象的容积滞后和纯迟延，串级控制系统中有主、副两个控制器。 可以把过热器出口温度作为主信号，减温器出口温度作为导前信号，主控制器的输出作为副控制器的给定值。 副控制器动作迅速，尽快抵消内扰，且副环主要控制任务为“粗调”，并不要求导前区的温度有无静差，故采用 P控制器即可满足工艺要求。 因主控制器用于“细调”，保证过热 汽温被调量没有静差的火电厂生产的安全性和经济性的要求，故可采用 PI控制 ]1[。 过热汽温串级控制系统的仿真研究 利用 MATLAB软件的 simulink功能对过热汽温串级控制系统进行仿真研究，通过对参考资料的整理，被控对象参数采用参考文献 [16]中给出的参数。 在 正常 运行 工况 下 对象的 传递函数为 被控对 象导前区传递函数 ： 2)151( 8 s （ 32） 主对象传递函数： 3)251( s （ 33） 针对实际情况，本文有两种干扰作用，内扰为减温水自发扰动，外扰为燃烧率变化扰动。 根据 串级控制系统的方框图在 MATLAB的 simulink中搭建出系统模型。 如图 所示。 对过热蒸汽串级控制系统的主、副控制器参数整定采取的方法是先整定副控制器，然后整定主控制器，最后进行反复微调直到达到要求 效果的方法 ]8[。 调节时先调节副控制器，先将主控制器的参数 Kp设置为 1， Ki设置为 0，在对副控制器参数进行适当调节，取副控制器参数 Kp为 ， Ki， Kd仍然为 0，此时 逐渐增大比例系数 Kp，直到系统出现等幅振荡（即临界稳定），记录此时的临界振荡增益 Ku= Tu=90。 利用表 31的公式进行换算Kp=， Ti=， Ki=Kp/Ti=。 火电厂过热汽温模糊控制的研究 17 图 过热蒸汽温度串级控制系统仿真图 表 31 临界比例度法整定 PID参数 得到的初步图形存在震荡，超调过大，以及调节时间过长的问题，无法满足要求，因此，在初步图形的基础上，利用 P,I,D的调节特性 对参数进行反复的微调，直到达到需要的效果，此时副控制器 Kp=25，主控制器 Kp=1， Ki=。 在 t=0时，单独加入 减温水量的自发扰动 ，仿真后得到的图形为图。 仿真时间 t仿真结果 图 减温水扰动 对过热汽温串级控制系统的影响 火电厂过热汽温模糊控制的研究 18 在 t=0时，在加入减温水扰动的同时，再加入燃烧率 扰动 ， 得到仿真后的图形为图。 仿真时间 t仿真结果 图 减温水、燃烧率扰动 对 过热汽温串级控制系统的影响 另外，尝试 改变被控对象的数学模型 ，在主对象中增加一个 1201s 的惯性环节。