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摘要电厂实现热力过程自动化,能使机组安全、可靠、经济地运行锅炉是火力发电厂最重要的生产设备,过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一,过热蒸汽温度控制是锅炉控制系统中的重要环节在实现过程控制中,由于电站锅炉系统的被控对象具有大延迟,大滞后、非线性、时变、多变量耦合的复杂特性,无法建立准确的数学模型,对这类系统采用常规PID控制难以获得令人满意的控制效果在这种情况下,先进的现代控制理论和控制方法已经越来越多地应用在锅炉汽温控制系统本文以某电厂锅炉汽温系统为研究对象,对其进行了计算机控制系统的改造考虑到锅炉汽温系统的被控对象特点,本文分别采用了常规PID控制器和模糊-PID控制器,对两种控制系统对比研究,同时进一步分析了一般模糊-PID控制器的控制特点,在此基础之上给出了一种改进算法,通过在线调整参数,实现模糊-自调整比例常数PID控制在此算法中,比例常数随着偏差大小而变化,有效地解决了在小偏差范围内,一般的模糊-PID控制器无法实现的静态无偏差的问题,提高了蒸汽温度控制系统的控制精度在建立锅炉汽温系统的数学模型的基础上,在两种控制系统中,分别应用SIMULINK仿真软件对其进行给定值扰动和减温水内扰的响应研究、分析对比,结果表明,模糊~自调整比例常数PID控制在动态响应、上升时间、超调量、稳态精度、抗干扰、适应环境能力等诸多性能指标上优于常规PID控制器该算法已成功应用于该电厂锅炉改造,实际应用结果也表明该系统大大提高了锅炉蒸汽温度系统控制品质本文的研究结果,在实际应用中证明可行,它对今后的类似工程实践具有很好的参考意义关键词:锅炉蒸汽温度模糊控制PIDSIMULINK仿真AbstractPowerplantsperformthermalprocessautomation,whichmakesmachinerimsafely,steadily,economically.Boilersarethemostimportantproductionequipmentinthepowerplants.Theoverheatingsteamtemperatureisoneoftheimportantqualitystandards.Theoverheatingsteamtemperaturecontrolbecomesamainlinkintheboilercontrolsystem.Inrealizingprocesscontrol,duetothecontrolledobjeelofpowerstationboilersystemcontmnthecomplexcharacteristicsoflong-delaypure—lag,non-lineartimingchangeandmulti—variablescoupling,theaccuratemathematicalmodelcannotbemade.ThereforeroutinePIDcontrolcannotobtainthesatisfactoryresultforsuchsystem.Inthiscase,moreandmoreadvancedmodemcontroltheoriesandmethodsareapplyingtotheboilersteamtemperaturecontrolsystem.Thepaperdealswiththeupgradeofboilersteamtemperaturecontrolsystemforonepowerplant,inShenyang.Consideringthecharacteristicsofthecontrolledobjectinthesystem,weadaptroutinePIDcontrollerandFuzzyPIDcontrollerinthispaperstudyingthetwokindsofcontrollingsystemscomparablyfurtheranalyzingthecharacteristicsofcommonFuzzyPID,onthebasisofthat,aimprovedalgorithmisgiven.Byadjustingparameteronline,theFuzzyself-adjustmentproportionalparameterPIDcontrolisrealized.Inthealgorithm,proportionalparameterischangedwiththesetoifwhichresolvestheproblemthatthecommonFuzzy—PIDcontrollerhasnowaytorealizestaticnon—setoifandraisestheaccuracyofsteamtemperaturecontrolsystem.Onthebasisofconstructingtheboilersteamtemperaturesystematicmathematicalmodel,inthetwokindsofcontrollingsystems,thesettingvaluedisturbanceandtheresponseofwaterinsidedisturbancearestudied,analyzedandcontrastedbyusingSIMULlNKsimulatedsoftware.Theresulthavedemonstratedthatself-adjustmentproportionalparameterPIDissuperiortotheroutinePIDcontrollerinmanyaspectsofdynamicresponse,risingtime,overvalue,steadystateaccuracyanti—disturbance,environmentaladaptivecapabilityandSOon.Thealgorithmhasbeensuccessfullyusedinthesteamboilerupdateofthepowerplant,theresultinthepracticehasdemonstratedthesystemhasimprovedthecontrolqualityofsteamtemperaturesystem.Theresearchresultofthepaperhasconcludedthatthemathodisfeasibleinthepractice,whichprovidessoftiereferringvaluefortheNmilarprojectinpracticeinthefuture.Keyword:BoilerSteamTemperature,FuzzyControl,PID,SIMULINK,Simulation目录摘要Abstract绪论1.1电厂热力过程自动化研究的背景、目的及意义1.1.1电厂热力过程自动化研究的背景1.1.2电厂热力过程自动化研究的目的1.1.3电厂热力过程自动化研究的意义1.2电厂锅炉汽温控制系统任务的特点1.3模糊控制技术的优点1.4电厂自动控制系统的现状1.4.1电厂自动控制系统的发展概况1.4.2电厂控制系统的基本组成1.4.3电厂控制系统的体系结构1.5本文所做的工作第二章锅炉蒸汽温度自动控制系统的分析2.1引言2.2过热汽温控制的任务
2.3过热汽温控制对象的动态特性分析
2.
3.1蒸汽流量负荷扰动下过热汽温对象的动态特性
2.
3.2烟气热量扰动下过热汽温的动态特性2.3.3减温水量扰动下的过热汽温动态特性2.4串级过热汽温控制系统分析2.4.1系统的结构和工作原理2.4.2串级过热汽温控制系统的整定2.5导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统分析2.5.1系统的组成2.5.2控制系统的分析第三章模糊控制技术概述3.1模糊数学的创立及发展3.2模糊控制发展概况3.3模糊控制系统的指标问题3.4前景及研究动向3.5模糊控制器设计的基本方法3.5.1模糊集3.5.2隶属函数3.5.3模糊推理3.5.4基本模糊控制器的设计3.6模糊—PID复合结构模糊控制器第四章锅炉蒸汽温度自动控制系统的设计4.1现场锅炉运行状况、存在问题4.2蒸汽温度的导前微分控制及调节器参数整定4.2.1蒸汽温度的导前微分控制系统结构4.2.2按补偿法进行调节器参数整定4.3蒸汽温度自动控制的应用4.3.1系统控制流程4.3.2控制系统的应用4.4本章小结第五章模糊控制在锅炉汽温系统中的应用5.1前言5.2模糊控制器的设计5.2.1控制器方案选择5.2.2模糊—自调整比例常数PID控制器结构5.3模糊—PID控制方法5.3.1大偏差区域模糊算法及模糊控制器设计5.3.2小偏差区域自调整比例常数PID算法及控制器设计5.4蒸汽温度自动控制的仿真研究5.4.1仿真与仿真软件简介5.4.2模糊-PID控制与常规控制的仿真与性能分析5.4.3蒸汽温度自动控制的仿真试验的结果与分析5.4.4仿真调试总结5.5结果分析5.6本章小结第六章结论参考文献致谢第一章绪论1.1电厂热力过程自动化研究的背景、目的及意义1.1.1电厂热力过程自动化研究的背景模糊控制简介自从1965年美国加州大学的L.A.ZADEH教授创建模糊集理论和1974年英国的E.H.Mamadani教授成功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来,模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用一般而言,模糊控制器的设计一般大致可分为三部分,首先将精确的输入量模糊化,通过隶属函数的建立,完成精确的数学量到模糊的语言变量的的转换,隶属函数通常采用三角函数,正态分布函数等,以符合人的思维方式第二部是进行模糊推理,由于推理规则库主要是按现场的操作经验与知识而建立的,因此模糊控制具有一定的模拟人的思维的特点第三部是解模糊过程,将推理得到的模糊语言控制量转化为精确的数学变量,去驱动控制机械装置与传统经典控制方法比起来,模糊控制的特点为1在设计控制系统时,可以不要求知道对象精确的数学模型,但要对受控对象的特性有充分了解,是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型的2用语言变量代替常规的数学变量,或两者结合运用,来构造形成专家的知识库3控制系统的鲁棒性强,适应于常规控制难以解决的非线性,时变性,多层次,多干扰的滞后系统目前中国电力系统正经历着一场以市场经济为导向的巨大变革以数字电力系统DPS为代表的计算机技术、通信技术、控制理论及信息处理技术、新材料、新工艺的高速发展,其中,发电环节的热力发电厂及其生产过程自控系统的技术更新速度大大加快,不同技术之间的相互渗透、相互融合也越来越普遍电厂热力过程自动化的发展迎来了前所未有的机遇1.1.2电厂热力过程自动化研究的目的随着我国经济的高速发展,对重要能源“电”的要求快速增长,大容量发电机组的投入运行以及超高压远距离和赢流输电的混和电网的建设,以三峡电网为中心的全国性电力系统的形成,电力系统的不断扩大,对其自动控制技术水平的要求也越来越高同时,地方性的自备热电厂亦有长足发展,随着新建及改造工程的进行,其生产过程自动控制与时俱进,小容量机组“麻雀虽小,五脏俱全”,自备热电厂其自身特点自供电、与主电网的关系疏及相互影响小,供热及采暖季节性等,可以提供更多的应用、尝试新技术、新产品的机会和可能性这样做的重要目标是提高和保证电力,热力及牛产过程的安全可靠、经济高效为了适应发展并实现上述目标,必须采取最新的技术和控制手段对电力系统的各种运铲状态和设备进行有效的自动控制1.1.3电厂热力过程自动化研究的意义火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位,是我国重点能源工业之一其单元发电机组由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群由于其工艺流程复杂,设备众多,管道纵横交错,大型机组多至上千个参数需要监视、操作或控制,而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性,因此,单元机组自动化水平受到特别的重视我国目前电站锅炉中燃煤炉占有最大比重,锅炉是生产蒸汽的设备,比如其过热汽温是保证甩站锅炉机组安全、稳定、经济运行的重要参数和指标之一在火力发电厂中普遍实现热力过程自动化的今天,实现及做好过热汽温自动控制就如同其他重要参数汽包水位控制、燃烧过程控制及协调控制等是必要和具重大意义的,那么让我们来看看电站热力过程实现自动化所具下列的几方面的好处1提高机组运行的安全可靠性安全可靠性是机组运行的首要要求,热力系统复杂,需要监视、控制的项目多,靠人来监视和操作,不仅劳动强度大,而且很难胜任,同时极易因误操作而造成事故,所以必须采用自动化仪表来完成监视和操作2提高机组运行的经济性自动化仪表能保护机组在良好状态下运行,因此,可以减少事故停机的损失和设备检修费用,可提高热效率,降低供电热耗和煤耗3减少运行人员,提高劳动生产率4改善劳动条件实现生产过程自动化,可使运行人员从繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来,值班员除在机组启停时有些操作外,正常运行时只需在控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况1.2电厂锅炉汽温控制系统任务的特点过热蒸汽温度自动控制是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内,并且保护过热器,使管壁温度不超过允许的工作温度过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一,过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性目前,汽包锅炉的过热器侧调温都是以喷水减温方式为主的它的原理是将洁净的给水直接喷进蒸汽,水吸收蒸汽的汽化潜热,从而改变过热蒸汽温度汽温的变化通过减温器喷水量的调节加以控制由于锅炉汽温系统是典型的迟延、滞后、非线性、时变、多变量复杂系统,对其难以建立精确的数学模型,使基于数学模型带固定参数的常规PID控制方案难以获得理想的控制效果,因此,锅炉汽温系统的控制已成为火力发电厂过程控制中的一大难题1.3模糊控制技术的优点模糊控制的突出优点在于控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型,只需提供现场操作人员的经验知识及操作数据,而且在硬件配置不变的情况下,锅炉汽温系统采用不同的算法就可实现不同的控制规律实现不同的控制规律只需要修改软件,而不需要修改硬件这样可以很方便地用同一套硬件构成满足不同要求的锅炉控制系统体现了系统控制的灵活性模糊控制技术从广义上可给它定义为“模糊控制指的是应用模糊集合理论,统筹考虑控制的一种控制方式”目前在工业过程中投入运行的模糊控制器,主要指的是以模糊命题形式表示的一组控制规则,经模糊推理决定控制量的形式它的主要优点是在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型,只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作数据系统的鲁棒性强,尤其适用予非线性、时变、滞后系统的控制;由工业过程的定性认识出发,较容易建立语言变量控制规则由不同观点出发,可以设计几个不同的指标函数,但对一个给定系统而言,其语言控制规则是分别独立的,且通过整个控制系统的协调可以取得总体的协调制控制效果好,且所需设备简单,经济效益显著;综上所述,把模糊控制技术应用在炉汽温控制系统,将有很好的和潜在的应用前景,并有明显的理论意义和实际意义1.4电厂自动控制系统的现状1.4.1电厂自动控制系统的发展概况电厂的自动控制的发展经历了由初级向高级不断发展和完善的过程,根据其各阶段的特点可大致分为以下四个阶段1.4.1.1就地控制阶段在20年代至30年代期间,火力发电机组的容量还不是很大,生产过程对自动控制的要求以及当时所具备的技术条件有限,仅能对发电机组实现简单的自动控制,例如锅炉蒸汽压力、汽包水位、汽轮机转速等的控制所以控制系统基本上分散在个控制对象所在的车问,各控制系统间相互独立,没有任何联系运行人员在就地装置的控制盘上进行监视和操作,所应用的控制设备大都是尺寸较大的基地式仪表国外40年代以前和我国50年代建设的火力发电厂基本上采用这种模式1.4.1.2集中控制阶段40年代初期,由于中间再热式机组的出现,进一步密切了锅炉与汽轮机之间的关系,为了协调机、炉间的运行,加强机组的操作管理和事故处理,满足负荷变化对热力设备的要求,维持运行参数的稳定等,要求对锅炉和汽轮机实现集中控制,即把锅炉和汽轮机的控制系统表盘相对集中地安装在一起,由运行人员同时监视和控制机、炉的运行,保证机组的正常运行当时所采用的控制设备主要是气动和电动单元组合仪表国外40年代至50年代和我国60年代至70年代初期建设的火力发电厂大多采用这种控制方式——局部集中控制进入50年代后,随着火电机组容量的增大,机、炉、电三者的关系更为密切,生产迫切需要对机、炉、电三者实现集中控制与管理同时,由于仪表和控制设备的尺寸缩小,新型巡回检测仪表和局部程控装置的出现,使得整个机组的监视和控制表盘集中在一个控制室内的要求成为现实此时采用的控制设备有电动单元组合仪表、组件组装式仪表,也有以微处理机为核心的数字式仪表国外50年代至60年代以及我国70年代至80年代建设的火力发电厂大都采用这种控制方式——机组集中控制1.4.1.3计算机控制阶段随着火力发电机组向着高参数、大容量的方向发展,生产设备走向大型化,生产系统日趋复杂系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得更加突出,生产过程中需要监视的内容愈睐愈多,过程控制的任务愈来愈重,机组的运行和操作要求更为严格,世界范围内的能源危机和剧烈的市场竞争,对节约能源和减少燃料消耗要求不断提高,环境保护和文明生产的呼声日益高涨等,已反映出以往的生产自动化方式逐渐不能适应时代的发展,火力发电厂自动化面临着严重的挑战集中型计算机控制是火力发电厂计算机控制技术应用的初级阶段,普遍采用的是集中型计算机控制方式,即用一台计算机实现几十甚至几百个控制回路和若干过程变量的控制、显示及操作、管理等与常规仪表管理相比,集中型计算机控制的优点体现在以下几个方面第
一、功能齐全,而且可实现先进的、复杂的控制和联锁功能;第
二、可通过修改软件增删控制回路、改变控制方案、调整系统参数,应用灵活;第
三、信息集中管理、便于分析和综合,为实现整个生产过程的优化控制创造了条件第
四、CRT显示替代了大量的模拟仪表,改善人机接口,缩小了监视面;但是,集中型计算机控制也存在着严重的不足由于当时的计算机硬件可靠性还不够高,而由一台计算机承担所有的控制和监视任务,使得危险高度集中,一旦计算机发生故障,将导致生产过程全面瞬间瘫痪,危及设备安全;另外控制系统软件庞大、复杂,开发难度大,周期长;还有就是~台计算机所承受的工作负荷过大,在计算机速度和容量有限的情况下,影响系统工作的实时性和正确性若采用多台计算机,不仅要解决数据和控制信息的交换问题,而且将大大增加投资和维护费用,这是当时存在的较大实际问题除此之外,由于生产过程内部机理复杂,最优控制所必需的有关数学模型难以建立,性能指标不易确定,控制策略尚不完整等,使得现代控制理论一时难以适应计算机过程控制历史条件的限制和集中型计算机控制存在的缺陷,促使计算机控制系统向着分散化发展70年代初,大规模集成电路的制造成功和微处理器的问世,使得计算机的可靠性和运算速度大大提高,计算功能增强、体积缩小,而价格大幅度下降计算机技术的发展与曰益成熟的分散型计算机控制思想相结合,促使火力发电厂自动化技术进入了分散控制系统DCS,DistributedControlSystem的新时代所谓分散控制系统,是指控制过程所采用的系统,是一种控制功能分散、操作管理集中、兼顾复杂生产过程的局部自治与整体协调的新型分布式计算机控制又称分散控制系统分散控制系统以其功能强、可靠性高、灵活性好、维护和使用方便良好的性能价格比等优点深受工业界的青睐80年代中期,我国已开始在火力发电机组上应用分散控制系统分散控制系统的应用及其自身的不断完善和发展,加速了火力发电厂的自动化进程目前,分散控制系统的应用方兴未艾,在此基础上,火力发电厂正在向着更加完善、更高层次的综合自动化方向发展1.4.1.4综合自动化综合自动化是一种集控制、管理、决策为一体的全局自动化模式它是在对歌局部生产过程实现自动控制基础上,从全局最优的观点出发,把火力发电厂的运做体系视为一个整体,在新的管理模式和工艺指导下,综合运用现代科学技术和手段,将各自独立的局部自动化子系统有机地综合成一个较完整的大系统,对生产过程的物资流、管理过程的信息流、决策过程的决策流等迸行有效的控制和协调,实现生产系统的全局自动化,以适应生产和管理过程在社会发展的新形式下提出的高质量、高速度、高效率、高性能、高灵活性和低成本的综合要求开发型分散控制系统的应用,为综合自动化的实现奠定良好的基础目前,综合自动化的研究和应用正向纵深方向发展,已成为火力发电厂自动化的重要发展方向1.4.2电厂控制系统的基本组成电厂控制系统大都采用计算机控制,控制系统由数字计算机全部或部分取代常规的控制设备和监控仪表,对动态过程进行控制和监视的自动化系统,系统由硬件和软件两大部分组成1硬件部分硬件是组成系统的物质基础组成计算机控制系统的硬件一般包括被控对象、主机、过程通道、外部设备、通信设备、总线、接口、操作站等a被控对象它是被控制的生产设备或生产过程,是控制系统构成的必备客体b主机主机是计算机控制系统的核心,它由中央处理器CPU、内存储器RAM、ROM、输入/输出110电路和其它支持电路等组成主机根据过程通道送来的反映生产过程工作状态的各种实时信息,按预定的控制算法自动地对过程信息进行相应的处理、分析、判断、运算,产生所需要的控制作用,并及时通过过程通道向被控对象发送控制指令c外部设备外部设备是指计算机系统除主机之外的其它必备的支撑设备,它按功能可分成三类输入设备、输出设备、外存储器d过程通道过程通道又称过程输入输出通道,它是计算机和生产过程之间信息传递和交换的桥梁和纽带过程输入通道有模拟量输入通道和开关量输入通道两类,分别用来输入模拟量信号和开关量信号,并将这些输入的过程信息转换成计算机所能接受和识别的代码过程输出通道也有模拟量输出通道和开关量输出通道两类,分别用来将计算机输出的控制命令和数据转换成能控制被控对象运行的模拟量信号和开关量信号e系统总线和接口系统总线是主机与系统其它设备迸行信息交换的某种统一数据格式的信息通路一般有单总线、双总线和多总线之分接口是外部设备、过程通道等与系统总线之间的挂接部件,用来进行数据格式或电平的转换、信息的传输或缓冲通常接口有串行和并行之分,也有专用的标准之别f操作站操作站是各类操作人员与计算机控制系统之间实现信息交换的设备,常被称为“人机联系设备、人机接口设备”操作站一般由CRT显示装置、触摸屏、计算机通用键盘或专用键盘、鼠标和轨迹球以及专用的操作显示面板等组成用于实现对系统运行的有关操作、操作结果的显示、生产过程的状态监视根据使用人员不同、职责范围不同,操作站可分为系统员操作站、工程师操作站、运行员操作站系统员操作站用来实现系统软件编制、系统组态、控制系统的生成;工程师操作站负责系统的组态修改和运行调试、有关参数的设置和整定、系统运行的检查与监督等;运行员操作站负责控制系统运行操作,保证生产过程的正常运行操作站的设置是随系统而异的,并非所有系统都具备上述三种操作站,对于某种操作站也可能设置多个在分散控制系统中,由于采用了面向问题的语言和功能块的系统组态方法,使得控制系统的建立与修改简单方便,这部分工作完全可由工程师完成,因此,分散控制系统一般没有单独设立系统员操作站,现阶段,火力发电厂分散控制系统的运行员操作站一般是多个配置g通信设备通信设备是实现不同功能、不同地理位置的计算机或有关设备之间进行信息交换的设备2软件部分硬件为计算机控制系统提供的是物资基础,是无知识、无思维、无智能的系统躯干软件是计算机控制系统中所有程序的统称,是系统的灵魂,是人的知识、智慧和思维逻辑在系统中的具体体现硬件和软件是相互依赖和并存的计算机软件通常分为两大类系统软件和应用软件a系统软件系统软件一般包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言等语言加工程序、数据结构、数据库系统、管理计算机资源的操作系统、网络通信软件、系统诊断程序等,系统软件一般由计算机设计人员研制,由计算机厂商提供对于计算机控制系统的设计和维护人员,要对系统软件有一定程度的了解,并会使用系统软件,以便更好的编制应用软件b应用软件应用软件是根据用户所要解决的实际问题而编制的具有一定针对性的计算机程序,这些程序决定了信息在计算机内的处理方法和算法计算机控制系统的应用软件一般有过程输入程序、数据处理程序,过程控制程序,过程输出程序,人机接口程序,显示、报警、打印程序以及各种公用子程序等应用软件的开发与被控对象的动态特性以及运行方式密切相关,因此,应用软件的开发人员除掌握计算机的应用技术外,还应了解被控对象的特性和运行要求,才有可能开发出合理的应用软件计算机控制系统的软件优劣与否,既关系到系统硬件的功能发挥,也关系到对生产过程的控制品质和管理水平,同时还影响计算机系统工作的稳定性和可靠性例如,同样的硬件配置,采用高性能的软件,可以获得更好的控制效果,反之,硬件功能难以充分发挥,达不到预定的控制目的,甚至会造成系统“死机”等不良现象计算机控制和管理的实时性,不仅取决于硬件指标,同样很大程度上依赖于系统软件和应用软件1.4.3电厂控制系统的体系结构在火力发电厂内针对不同的控制对象采用不同的过程控制设备可编程逻辑控制器PLC是一种以微处理器为核心、具有贮存记忆功能的数字化控制装置它的最大特点是提供了开关量输入、输出通道,可以通过预先编制好的程序来实现时间顺序控制或逻辑程序控制,以取代以往复杂的继电器控制装置目前,各厂家生产的PLC均已标准化、模块化、系列化PLC中的一个I/0模块通常可输入或输出16~64个点用户可根据需要灵活选配模块构成不同规模的PLC新型的PLC,还提供了模拟量输入、输出通道和PID等控制量算法,可以实现连续过程的控制这种集模拟量控制和开关量控制为一体的PLC,通常也成为可编程控制器ProgrammableController,简称PCPLC一般设有异步通信接口RS—232或Rs—422,它既可作为一个独立的控制站直接与分散控制系统的操作站交换信息,也可以连接到分散控制系统的现场总线上,还可以通过网间连接器与分散控制系统的上层通信网络连接具有很多优点第
一、控制分散、信息相对集中系统运用了大系统递阶控制的思想,将系统功能垂直分解和将生产过程水平分解,采用了全防卫高度分散的系统结构生产过程的控制是容国只负责少量控制回路、功能强大、具有~定自治能力、以微处理器为核心的一系列标准化模件予以实现它既能代替常规模拟仪表完成规定的控制任务,又能实现更为高级复杂的控制规律分散控制结构相对于集中式计算机控制,不仅提高了各功能模件的相对独立性和自主性,还能保证局部故障时不危及整个系统控制上的分散带来的危险分散、大大提高了系统的可靠性利用系统的通信网络、存贮设备和软件系统等,可实现整个系统的监视和操作集中,以及综合信息集中,有利于全面了解和有效操纵生产过程及系统的运行第
二、控制功能齐全、控制算法丰富分散控制系统充分利用和发挥了计算机的优势,可以实现满足生产过程需求的各种控制功能它不仅集连续控制、顺序控制和批量控制于一体,还可以通过软件的开发在原来已有的各种控制算法基础上,方便地吸纳和积累许多新颖实用的控制算法,使其不断地丰富与完善,而且可以实现串级、前馈、复合、解藕等复杂的控制方式和自适应、预报、最优、智能化等更高级更先进的控制技术分散控制系统灵活的组态功能,能使其丰富的控制功能得以充分的体现和应用,从而提高了系统的可控性计算机所具有的强大的贮存和逻辑判断能力,使得分散控制系统可根据生产环境和条件的变化,及时做出判断,选择最为合理的控制对策,以达到理想的控制效果这些是常规模拟调节器所不可比拟的除上述功能之外,分散控制系统还可以实现对生产过程的各级管理如生产过程的平衡计算与性能计算、寿命管理、经济核算、生产计划与调度等等为实现全厂综合自动化提供了物质基础和综合条件第
三、灵活性好、适应性强、具有较好的开放性分散控制系统的硬件和软件都采用标准化、模块化的开放式的设计硬件系统采用积木组装结构,它可以通过选择不同数量、不同功能或类型的插接式模件如5/0模件、控制模件、通信模件、显示模件等等组成不同规模和不同要求的硬件环境,以适应不同用户的需要若要改变系统规模时,只需减少或增加相应的模件,而不影响系统其它硬件的功能发挥同时,系统的应用软件也采用模块结构、用户只需借助系统的组态软件,用回答问题或填写表格等方式,可方便地将所选择的硬件与相应的软件模块联系起来,构成所需功能的控制系统,硬件和软件的模块化,便于系统的O组态,提高了系统配置的灵活性,有利于系统的扩展与升级,适应于各种生产过程控制和管理的应用而且,良好的硬件特性还能提高对各种应用环境的适应能力第
四、实时性好、协调性强分散控制系统采用了现代通信网络和先进的微处理器,可实现各模块或工作单元间的信息高速传输、信息共享以及信息的管理,在优良的实时操作系统如Unix等、实时时钟和中断处理系统的支持下,所有信息采集、处理、显示以及控制都具有良好的实时性,能及时观察到生产过程的微小变化,及时对生产过程进行控制操作,由于微处理器非凡的逻辑功能和计算能力,能综合分析和协调处理各种信息,并能通过通信网络将各工作单元的工作协调起来,所以,分散控制系统既能协调系统内部的工作,也能对生产过程进行从而提高系统的可靠性其次,采用先进的高质量的大规模或超大规模集成电路,在确保选用质量可靠的元器件的基础上,大幅度减少元器件数量和应用表面安装技术,提高硬件设计和制造的可靠性,最大限度地降低硬件故障率再其次,采用硬件冗余和软件容错技术,使系统的关键硬件如通信网络、操作监视站、电源、主要模件等等双重化配置,使系统的软件具有故障检测、诊断、处理和程序卷回、指令复执等功能在系统出现差异时,可实现自动报警、故障部件自动隔离、热备用的冗余部件自动投入、故障部件带电捅拔等在线处理,以及手动后援最后,采用“电磁兼容性”设计,即通过接地、屏蔽、隔离等技术手段,提高系统的抗干扰能力以满足系统应用环境并留有充分的裕度,以保证系统的可靠性SIS系统SupervisionInformationSystem是指电厂厂级监控信息系统,是属于全厂级生产过程自动化的范畴目前,世界范围内都非常重视信息化建设,希望以此推动各国、各部门、各企业的改革和发展随着近几年中国电力体制改的深入发展,厂网分开、竞价上网已经成为必然发展趋势在此大环境下,国内各电厂也必需重视整合企业现有软硬件资源,在整个电厂内实现资源共享,真正做到管控一体化,为电厂整体效益的提高打下坚实的基础,SIS系统的建立响应了以信息化建设来提高电厂生产过程管理、决策水平的需求SIS系统强调面向用户,其主要任务是辅助决策,强调对决策者提供系统外部环境信息、内部综合信息、决策者个人经验和判断等方面的支持1.5本文所做的工作针对某厂自备电站锅炉汽温控制系统,应用模糊控制技术进行改造,通过与传统的PIP控制技术仿真对比,来探讨模糊控制在发电厂锅炉汽温控制系统中的应用为此,本文所做的主要工作如下1以某厂锅炉汽温控制系统为例,在实现传统的PID控制的基础上,进一步应用模糊控制技术的改造方案2锅炉汽水系统模糊控制器的总体方案设计主要包括输入量的模糊化,模糊控制规则的形成,输出信息的精确化3利用MATIAB7.0中的SIMULINK对系统仿真,分析模糊控制与PID控制的优越性4就如何将本文提出的控制理论、算法和控制规则广泛应用于实践进行进一步探讨第二章锅炉蒸汽温度自动控制系统的分析2.1引言过热蒸汽温度自动控制是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内,并且保护过热器,使管壁温度不超过允许的工作温度过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一,过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性目前,汽包锅炉的过热器侧调温都是以喷水减温方式为主的它的原理是将洁净的给水直接喷进蒸汽,水吸收蒸汽的汽化潜热,从而改变过热蒸汽温度汽温的变化通过减温器喷水量的调节加以控制本章将以单元机组为控制对象,讨论汽包锅炉蒸汽温度控制系统的构成、工作原理、特点及方案比较2.2过热汽温控制的任务近代锅炉对过热汽温和再热汽温的控制是十分严格的,允许变化范围一般为额定汽温±5℃汽温过高或过低,以及大幅度的波动都严重影响锅炉、汽轮机的安全和经济性蒸汽温度过高,若超过了设备部件如过热器管、蒸汽管道、阀门,汽轮机的喷嘴、叶片等的允许工作温度,将使钢材加速蠕变,从而降低设备使用寿命严重的超温甚至会使管予过热而爆破过热器、再热器一般由若干级组成各级管子常使用不同的材料,分别对应一定的最高许用温度因此为保证金属安全,还应当对各级受热面出口的汽温加以限制此外,还应考虑平行过热器管的热偏差及汽温两侧偏差,防止局部管子的超温爆漏和汽轮机汽缸两侧的受热不均因而过热汽温的上限一般不应超过额定值5℃蒸汽温度过低,将会降低热力设备的经济性对于亚临界、超临界机组,过热汽温降低10℃,发电煤耗将增加约
1.0g标煤/kWh,再热汽温每降低1℃,发电煤耗将增加约0.89标煤/kWh汽温过低,还会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加,对叶片的侵蚀作用加剧,严重时将会发生水冲击,威胁汽轮机的安全因此运行中规定,在汽温低到一定数值时,汽轮机就要减负荷甚至紧急停机因而过热汽温的下限一般不低于额定值10℃汽温突升或突降会使锅炉各受热面焊口及连接部分产生较大的热应力还将造成汽轮机的汽缸与转子间的相对位移增加,即胀差增加严重时甚至可能发生叶轮与隔板的动静摩擦,汽轮机剧烈振动等过热汽温的额定值通常在500℃以上,例如高压锅炉一般为540℃,就是说要使过热汽温保持在540±5℃的范围内
2.3过热汽温控制对象的动态特性分析影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多,如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟汽温度和流速变化、锅炉受热面结垢等但归纳起来,主要有三个方面
2.
3.1蒸汽流量负荷扰动下过热汽温对象的动态特性当锅炉负荷扰动时,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,使过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图2.1所示,其特点是有滞后、有惯性、有自平衡能力,且较小当锅炉的负荷增加时,对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的负荷增加时,通过对流式过热器的烟汽温度和流速都增加,从而使对流式过热器的出口汽温升高但是,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吸热量,因而当负荷增加时,辐射式过热器出口汽温是下降的现代大型锅炉的过热器,对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积,因此总的汽温将随负荷增加而升高
2.
3.2烟气热量扰动下过热汽温的动态特性图2.2表示烟气热量Qy阶跃变化时过热汽温的反应曲线,其特点是有迟延、有惯性、有自平衡能力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的变化也是沿整个过热器同时改变的,因而沿过热器整个长度使烟图2.1负荷扰动下的动态特性气传递热量也同时变化,所以汽温反应较快,其时间常数和迟延t均比其他扰动小现场当中是通过改变烟气温度例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的2.3.3减温水量扰动下的过热汽温动态特性当减温水流量扰动时,改变了高一温过热器的入口汽温,从而影响了过热器出口汽温,其阶跃响应曲线如图2.3所示从图中可看出,其特点也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长,因而当减温水流量扰动时,汽温反应较慢图2.2烟气热量扰动下的动态特性对于一般高、中压锅炉,当减温水流量扰动时,汽温的迟延时间≈30~60s,时间常数≈100s,而当烟气侧扰动时10~20s,100s可见,当负荷扰动或烟气热量扰动时,汽温的反应较快;而减温水量扰动时,汽温的反应较慢因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑,改变烟气侧参数改变烟温或烟汽流量的控制手段是比理想的因为负荷信号由用户决定,不能作为控制量,但具体实现较困难,所以一般很少被采用喷水减温对过热器的安全运行比较有利,所以尽管对象的特性不太理想,但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法采用喷水减温时,由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差,所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质针对过热汽温控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点,应该从对象的控制通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号,以改善对象控制通道的动态特性,提高控制系统的质量目前采用的过热蒸汽温度控制系统主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统2.4串级过热汽温控制系统分析2.4.1系统的结构和工作原理根据在减温水量WB扰动时,主蒸汽温度有较大的容积迟延,而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用,完全可以构成以为副参数、岛为主参数的串级控制系统,系统结构如图2.4所示系统中有主、副两个调节器主调节器PI1用于维持主蒸汽温度,使其等于给定值副调节器PI2接受主调节器的输出信号和减温器出口温度信号,副调节器的输出控制执行机构世,的位移,从而控制减温水调节阀门的开度图2.4串级过热汽温控制系统为了便于分析,我们给出了主汽温串级控制系统原理框图,如图2.4所示它有两个闭合的控制回路1由对象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成的副回路内回路;2由对象的惰性区,主汽温变送器.,主调节器,以及副回路组成的外回路主回路串级控制系统能改善控制品质,主要是由于有一个能快速动作的内回路存在由图2.4可以看出,导前汽温信号能快速反映扰动,尤其是减温水侧的自发性扰动,只要变化,内回路就立即动作,用副调节器的输出去控制减温水量,使维持在一定范围内,从而使过热汽温基本不变当主汽温偏离给定值时,则由主调节器发出校正信号,通过副调节器及执行器改变减温水量,使主汽温最终恢复到给定值主调节器的输出信号相当于副调节器的可变给定值可见,在串级过热汽温控制系统中,内回路的任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动,对过热汽温的稳定起粗调作用,副调节器一般可采用P或PD调节器而外回路的任务是保持过热汽温等于给定债,所以主调节器可采用PI或PID调节器2.4.2串级过热汽温控制系统的整定2.4.2.1动态参数法一般讲,过热汽温控制对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小,而且副调节器又选用P或PD控制规律在这种情况下,内回路的控制过程要比外回路的控制过程快得多此时,串级汽温控制系统可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定串级过热汽温控制系统原理方框图如图2.5所示—导前区对象传递函数;—惰性区对象传递函数;一主调节器传递函数;图2.5串级过热汽温控制系统原理框图一副调节器传递函数;一主汽温变送器的斜率;—导前汽温变送器的斜率;—执行器的比例系统;一减温水调节阀的比例系数;一控制作用下的减温水量;一减温水流量扰动;一总减温水量当和时,等效副调节器为PI调节器,传递函数为而等效主调节器也是PI调节器,传递函数为此时根据对象导前区特性和主汽温特性,按串级控制系统整定方法,分别求得等效副调节器和等效主调节器的各个参数,从而求得、、2.4.2.2现场实验整定法在能够测得对象的阶跃响应曲线的条件下,可以用上述动态参数法整定串级控制系统的调节器参数,而在不具备此条件时,在工程上往往采用边界稳定法;2衰减曲线法2.5导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统分析2.5.1系统的组成采用导前汽温微分信号的过热汽温控制系统如图2.6所示这个系统中引入了导前汽温的微分信号作为调节器的补充信号,以改善控制质量因为和主汽温的变化趋势是一致的,引入了的微分信号后,将有助于调节器的动作快速性在动态时,调节器将根据的微分信号和与的给定值之间的偏差而动作;但在静态时,的微分信号消失,过热汽温必然等于给定值如果不采用导前信号的微分信号,则在静态时,调节器将保持+等于给定值,而不能保持等于给定值我们根据图2.6可以画出系统的原理方框图,如图2.7所示从图2.7可以看出,采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统包括两个闭合的控制回路1由控制对象的导前区、导前汽温变送器、微分器、调节器、执行器,和减温水调节阀组成的副回路导前补偿回路;2由控制对象惰性区、主汽温变送器和副回路组成的主回路图2.6导前微分过热汽温控制系统2.5.2控制系统的分析对于这个控制系统的工作原理,有两种不同的分析方法1加入导前汽温的微分信号可以改善控制对象的动态特性对于如图2.7所示的控制系统,当去掉导前汽温的微分信号时,系统就成为单回路控制系统,参考如图2.8双回路系统的等效方框图,控制对象的迟延、惯性较大当系统加入导前汽温微分信号后,调节器将同时接受两个输入信号,系统也成了双回路结构但对这个双回路系统作适当的等效变换后,发现仍可把它当作一个单回路系统来处理,如图2.8所示只是由于微分信号的引入改变了控制对象的动态特性这个新的控制对象的输入仍然是减温水流量信号WB,但输出信号为,等效控制对象的传递函数可以根据方框图求得在静态时,微分器输出为零,所以等效控制对象的输出等效控制对象的输出中除了主汽温信号外,还叠加了导前汽温的微分信号由于的惯性延迟比小得多,因而等效对象的输出的惯性延迟比小;图2.7采用导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统原理框图图2.8双回路系统的等效方框图在静态时,微分器输出为零,所以等效控制对象的输出;在动态过程中,等效控制对象的输出中除了主汽温信号外,还叠加了导前汽温的微分信号由于的惯性延迟比小得多,因而等效对象的输出的惯性延迟比小得多因此,加入导前汽温的微分信号的作用可以理解为改变了控制对象的动态特性,等效控制对象在减温水流量扰动下的特性,可见等效控制对象的输出比主汽温的响应有很大的改善所以,在控制对象惯性迟延较大的情况下导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统的控制品质远比单回路控制系统好2采用导前汽温微分信号的控制系统是串级控制系统的变形前面已经分析说明过,对于惯性迟延大的控制对象,采用串级控制系统能获得较好的控制品质导前汽温微分信号的双回路系统虽然在形式上不同于串级系统,但把它当作一种变形的串级控制系统来研究也是可行的只要把采用导前汽温微分信号的控制系统等效变的串级控制系统,其中微分器传递函数的倒数相当于串级控制系统中主调节器的传递函数,而调节器与微分器的传递函数,而调节器与微分器的传递函数乘积则相当于串级控制系统中副调节器的传递函数在采用导前汽温微分信号的双回路系统中,微分器和调节器的传递函数一般分别为等效主调节器由此可见,等效主调节器具有比例积分调节器的特性,它的参数为等效比例带等效积分时间等效副调节在实际应用,通常比大得多,因此所以,等效副调节器也近似为具有比例积分调节器的特性,它的参数为等效比例带等效积分时间:当把采用导前微分信号的双回路控制系统等效为串级控制系统来分析时,可以清楚地看出微分器参数、和调节器参数、对控制系统性能的影响1微分器参数、相当于串级系统中主调节器的比例带和积分时问按串级控制系统的分析方法,当副回路为快速随动系统时,增大将使主回路主汽温的稳定性提高,但使主汽温的动态偏差增大增大也会提高主回路的稳定性,但影响不太显著增大后,主汽温控制过程的时间拉长2等效副调节器的比例带是,积分时间是,主要影响副回路的控制过程时间,而则影响副回路的稳定性和动态偏差但是,既是副回路的调节器参数,又是主回路的调节器参数当增大时,虽然提高了主回路的稳定性,却使副回路的稳定性下降所以,当需要增大时,为了保持副回路的稳定性,应相应增大,使的比值保持不变第三章模糊控制技术概述3.1模糊数学的创立及发展众所周知,数学已成为各门科学的基础,应用范围广至社会的各个领域,模糊数学是用来描述、研究、处理事物所具有的模糊特征的数学随着科学研究的不断深入,研究的对象越来越复杂,变量越来越多,要求对系统的控制精度越来越高,而复杂的系统是难以精确化的,这样,复杂性与精确性就形成了十分尖锐的矛盾科技工作者在实践中总结出了“不兼容原理”,即当一个系统复杂性增大时,我们使它精确化的能力将减速小,在达到一定阀值即限度之上时,复杂性和精确性将相互排斥具体一点说,一个系统的复杂性与分析它能达到的精度之间服从一个粗略的反比关系这一原理指出,高精度与高复杂性是不兼容的解决精确性与复杂性的矛盾我们还得从电子计算机入手现代电子计算机的计算速度及存储能力几乎达到了无与伦比的程度但为什么在判断和推理方面有时不如人脑呢美国加里福尼亚大学扎德教授仔细地研究了这个问题,他发现德国人Cantor创立的古典集合论中的集合概念必须进行推广,这样有利于数学模型来描述某些现象中的模糊性1965年,扎德教授发表了《模糊集合论》论文,提出了用“隶属函数”这个概念来描述现象差异的中间过渡,从而突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系,标志着模糊数学的诞生模糊数学是研究和处理模糊现象的,所研究的事物的概念本身是模糊的,即一个对象是否符合这个概念难以确定,这种由于概念外延的模糊而造成的不确定性称为模糊性,在[0,1]上取值的隶属函数就描述了这种模糊性模糊数学从1965年延生至今已经30多年了,刚诞生的几年间进展相当缓慢,进入70年代后,模糊集台的概念被越来越多的人所接受,这方面的研究工作迅速发展起来进入80年代,模糊和数学的发展更有加速的趋势1984年成立了国际模糊系统协会IFSA,1985年举行了第一届IFSA大会我国在1983年成立了自己的国际模糊系统数学与模糊系统协会在模糊数学方面,我国与国际水平差距不大,中国与美、法、日被公认为模糊数学四强进入90年代,模糊数学研究的一个显著特点是从理论研究走向了应用,国际学术会议增多,IEEE创办了《模糊系统》会刊,并定期举办国际会议模糊数学在理论上还处于不断发展和完善之中,它的应用曰益广泛它在聚类分析、自动控制、故障诊断、系统评价、机器人、人工智能等多方面得到了应用3.2模糊控制发展概况随着科学技术的不断发展,控制理论自诞生至今也经历了一个不断发展、完善和更新的过程1948年,N.维纳发表了“控制论”一书之后,标志着现代控制理论的诞生它是自动控制、电子计算机、无线电通信与神经生理学、数学等学科互相渗透的一门新的综合性科学维纳对控制论的定义是“关于动物和机器中控制和通讯的科学”1961年,G.克劳斯在“从哲学看控制论”中,提出了一个更全面的定义“控制论是关于可能的动态调节及其子系统的联系理论”所以,控制论是一门研究各种不同系统共同控制规律的科学维纳在创立控制论过程中,常常将机器和人、动物进行类比,因而发现了生物系统、工程系统、社会系统都有相似的控制与信息过程,都有共同的控制规律从方法论来说,这正是维纳的高明之处,他冲破了传统观点和方法束缚,开创性的建立了控制论这门科学控制论的创立,在科学方法论的发展中具有十分重要的意义,控制论的理论、方法和原则,已广泛应用与工程技术、生物、社会经济等许多领域,形成了工程控制论、生物控制论、经济控制论等边缘学科,有力地推进了人类的进步,并且正在成为人们认识世界和改造世界的有力工具现有的系统控制理论可分为经典控制论、现代控制论、模糊控制论和灰色控制论经典控制论又成为自动调节原理,它是第二次世界大战期间,为了提高武器发射命中率的需要发展起来的,它主要研究单输入单输出的线性定常系统,系统数学模型的基本形式是传递函数,主要分析方法是频域法和根轨迹法,已广泛用于工业生产系统中但是经典控制论的设计带有试凑的特点,因而无法设计高精度的最优控制系统、自适应控制系统和其它复杂系统现代控制论是五十年代末和六十年代初在经典控制论基础上针对导弹、航天、航海的制导、导航和控制发展起来的,它能用于设计各种高精度复杂系统的控制问题;用状态来描述系统的行为,系统数学模型的基本形式是状态方程,主要的分析方法是状态空间分析法,所设计的控制系统用数字计算机来实现,对于非线性系统、随机性系统,常用状态微分方程和观测方程来描述,在航天工业和其它工业生产上的应用都很见效例如,用卡尔曼Kalman滤波能解决有噪声测量情况下,估计系统状态的问题;用最大值原理实现某些最优控制问题等但是,许多大型工业系统、生物系统、经济系统、社会系统等,由于其非线性、随机性干扰、大的时间滞后和时变性,信息不完备,就很难建立精确的数学模型,无法取得控制效果即使用最优参数估计得到了一个数学模型,而这个模型也是很复杂的综上所述,如果用普通控制理论实现的控制技术,必须要依靠一个有效的精确数学模型,一离开数学模型,这些控制技术及其产生的理论就不起作用了然而,在一些复杂的工业生产过程中,那些并无高深数理知识的操作人员,往往控制比任何常规控制都有成效因而,随着生产力的发展就要求我们去研究操作人员在这些生产过程中的控制策略,并设法通过自动化的办法来实现由于他们使用的策略是建立在直觉的和经验基础之上,所以是模糊的和定性的的描述,是一种启发式的判决法则或经验法则例如,“若锅炉蒸汽压力大且在增加,则把燃料减少一点于是把人的经验归纳成定向表达的一条简单明了的条件语句,然后利用模糊数学的工具把它量化,使控制器得以接受人的经验,模仿人的操作策略,从而产生了模糊控制器在实际运行时,控制器先要了解对象的输出情况,奄控制表,发出控制信号1974年英国的E.H.Mamdani把这种方法用于锅炉和蒸汽的控制;1977年又用于十字路口的交通管理实验;1976年w.J.M.Kickert等用于热交换过程控制等,都取得了良好的效果,这一开拓性的实验和1974—1977年相继在工业上的应用成果,以及R.M.Tong和中国的汪培庄等理论性论文,标志着模糊控制理论的形成和初期成就模糊控制的主要特点是它不需要建立被控对象的数学模型;模糊控制器是通用的,按语言变量来控制,能实现非线性系统的控制,而且对参数的变化有较强的适应性这些特点集中起来,就是模糊控制器能够模拟人的思维方式,对一些无构造数学模型的复杂系统进行控制尤其是它用查德所定义的隶属函数来表达定性信息的能力和简明的执行方法,获得广泛的应用和发展模糊控制理论的主要缺点是信息利用率不高,控制粗糙,精度低显然在高精度场合难以胜任随着模糊数学理论的逐步完善,这一缺点正在得到克服例如,T.5.Procyk和}{.Mamdani研究了自组织控制问题,这种控制起初允许有非常粗糙拙劣的规则,而后根据实际的控制效果自动修改,最后收敛出一个较好的规则~系列模拟实验表明,它对控制对象及其参数有较弱的依赖性和敏感性,能处理的范围较为广泛,如多变量、非线性以及带随机干扰的系统等正是由于生产过程和非生产过程自动控制的要求,模糊集合论于
六、七十年代中期LAZadeh提出,并且在以后得到了迅速的发展,形成了一系列比较完善的基础理论模糊集合理论是具有处理语言信息能力的工具,它的引入使得用比较简单的方法对复杂系统做出合乎实际的符合人类思维方式的成为可能1973年,L.A.Zadeh继续丰富和发展了模糊集合论,提出了~种把逻辑规律的语言表达转化成相关控制量的思想从而为近代模糊控制理论的形成奠定了理论基础模糊控制方法与通常分析系统所用的定量方法本质是不同的,它有三个主要特点1用语言变量代替数学变量或两者结合使用2用模糊条件语句来规划变量间的函数关系3用模糊算法来刻画复杂关系目前,模糊控制无论在理论上还是在工程应用上都有了很大的发展由于许多生产过程,例如金属冶炼、石油化工、工业锅炉等工业控制过程的精确数学模型难以建立,故不宜采用传统控制方式实现对过程的控制如果应用传统的控制方法,有时会遇到很大的困难,而模糊控制的主要工作是建立在人工手动控制的基础上,根据在实践中积累的经验,采取适当的对策对被控过程实现定量控制,这就是设计基本模糊控制器的指导思想3.3模糊控制系统的指标问题稳定性关于模糊控制稳定性分析,至今还没有统一的方法但没有一篇报告提到由于隶属函数和控制规则选择不当而引起不稳定的只要准确地模仿操作者的经验,就不会出现不稳定的现象精度模糊控制系统的精度是令人满意的例如,当列车的制动性能和上下坡分别为+3%、+5%的大干扰情况下,模糊控制比PID控制精度提高2/3许多模糊控制器比传统的DDC系统有更快的响应、更小的稳态误差效益美国SouthnestBell电话网络系统连接着50万台电话,当发生故障时,即使专家也要花一周时间查找,而模糊分析系统只需要几分钟就可以找出故障地点又例如日本日立公司在仙台市投入运行的地铁模糊控制系统比原来的PID系统节省能源14%3.4前景及研究动向所谓模糊控制,既不是指被控过程是模糊的,也不意味着控制器是不确定的,它是表示知识、概念上的模糊性一个模糊控制算法虽然是通过模糊语言来描述,但它所完成的确是一项完全确定的工作对一个从事控制工程的科技工作者来说对此是应该十分明确的模糊控制理论是在控制理论领域中很有发展前途的一个分支,这是因为对于工业生产过程来说,模糊控制具有一系列传统控制无法与之比拟的优点基于模糊逻辑实现的模糊控制,并鉴于它所具有的独特优点,国外专家预言,模糊逻辑可使电子计算机模拟人的直觉,并依据不确切信息做出决定,这将是下一代工厂自动化的基础美国奥姆伦电子公司是工厂自动化设备的主要生产厂家,它的副总经理弗兰克纽伯恩说“模糊逻辑使用的是主观的,面向语言的知识,例如操作人员的专门知识,而不是复杂的数学构模它基本上是以规则为基础的专家系统,工作起来速度非常快,而且模拟人的判断力效率非常高”他还说就工厂而言,模糊逻辑可以帮助那些用常规技术无法实现自动化的任务实现自动化,而且使机器和操作人员之间形成一种新型伙伴关系他最后说模糊逻辑这项技术在不久将来肯定会发生重大影响这是人工智能的一个子系统,具有巨大的潜力但目前模糊控制器尚处于发展过程的初步阶段,还存在大量有待解决的问题,其中主要有1非模糊的精确量如何处理,目前的处理方法是否最好在有模糊控制器的输出模糊集确定一个相应的精确工作量,即在模糊判决问题上,至今尚有争议2在进行模糊化时,输入输出模糊变量的基本论域应分成多少档次为最佳控制规则的条数、采样间隔以及系统增益如何最优化3如何衡量模糊控制系统的功能稳定性问题、最优化问题该如何评价4在模糊运算中,似乎丢失了大量信息,却又能获得优于常规控制的良好控制效果,起控制作用的因素是什么模糊运算中信息损失应否设法修正或补偿综上所述,就目前的现状来说,模糊控制所面临的主要工作拟可归结为1模糊微机的研制,处理模糊信息的处理器—模糊逻辑电路,于1984年研制成功,这意味着模糊控制理论已深入到硬件技术中国内也已生产出能够设计出几十条控制规则的模糊微型机,这种硬件系统的实现将带来控制系统的新飞跃即由目前结构“检测——比较——计算——执行”发展到新的结构“识别—推理——决策——执行”控制系统的输入输出不仅是数字的,而且还可以是文字符号、图象、语言等非数字量2理论上的突破,为使模糊控制向工程化发展和推广,必须解决许多理论问题,特别是有系统的内容,应通过进一步加强研究,解决模糊控制的机理、稳定性分析和可遵循的一般设计准则等一系列问题,以促进模糊控制理论的发展目前,模糊控制系统稳定性分析可归纳为两大类第一类是在一定的条件下把模糊稳定性问题看做多输入多输出系统在频域稳定问题第二类是把系统看作是灰色系统,并根据系统矩阵的特征根的性质来讨论这些方法需有严格的前提条件,因而难以解决工程的普遍问题3设计方法的规范化,关于工程设计,至今缺少设计规范例如在系统设计中建立模糊关系只是个关键问题然而,系的因素,如模糊变量参数集、隶属函数、关于量化水平,采样周期的最优选择、统特性的方法,都需要规范化目前还停留在定性地讨论影响模糊关语言变量规则等因素规则的条数、最小实现问题及评价系统特性的方法,都需要规范化4把已取得的研究成果尽可能应用到实际过程中去,尽快地转化为生产力5模糊控制是出自工程实际问题的迫切需要,在充分发其独特优点的基础上,确立其不可取代的优越地位6传统控制与模糊控制的相互结合以及相互渗透,是今后模糊控制理论研究的一个重要的考虑方向总而言之,模糊控制在工业中的应用,是一个相对迅速发展的领域,随着模糊控制理论的不断发展和运用,模糊控制技术将为今后工业过程控制开辟广阔的前景3.5模糊控制器设计的基本方法3.5.1模糊集模糊集是一种边界不分明的集合,模糊集与普通集合既有区别又有联系这里给出Zadeh在1965年对模糊子集的定义设给定论域U,U到[0,1]闭区间的任一映射都确定U的一个模糊子集A,称为模糊子集的隶属函数,称为对于A的隶属度隶属度也可记为Au在不混淆的情况下,模糊子集也称模糊集合上述定义表明,论域U上的模糊子集A有隶属函数来表征,取值范围为闭区间[O,1],的大小反映了u对于模糊子集的从属程度u的值接近于l,表示u从属于A的程度很高的值接近于0,表示u从属A的程度很低可见,模糊子集完全由隶属函数所描述3.5.2隶属函数正确地确定隶属函数,是运用模糊集合理论解决实际问题的基础隶属函数是模糊概念的定量描述隶属函数的确定过程,本质上说应该是客观的,但每个人对于同一个模糊概念的认识理解又有差异,因此,隶属函数的确定又带有主观性一般是根据经验或统进行确定,也可由专家、权威给出3.5.2.1隶属函数的确定几种常用的方法1模糊统计法2例证法3专家经验法3.5.2.2常用的隶属函数隶属函数形式有多种,可根据实际要求来确定在实际应用中方便起见,常采用三角形、正态形、梯形以下是这3种隶属函数的解析式及曲线图1三角形解析式为隶属函数曲线图如图3.1所示图3.1三角形隶属函数2正态形解析式为隶属函数曲线图如图3.2所示图3.2正态形隶属函数3梯形解析式为隶属函数曲线图如图3.3所示:图3.3梯形隶属函数3.5.3模糊推理模糊推理是采用模糊逻辑由给定的输入到输出的映射过程模糊推理包括五个方面1输入变量模糊化,即把确定的输入转化为由隶属度描述的模糊集2在模糊规则前件中应用模糊算子与、或、非3根据模糊蕴含运算由前提推断结论4合成每一个规则的结论部分,得出总的结论5反模糊化,即把输出的模糊量转化为确定的输出3.5.4基本模糊控制器的设计对于基本模糊控制器的设计与构造,并没有固定的方法,但一般来说基本模糊逻辑控制器的工作过程可分为四个步骤3.5.4.1构造模糊控制系统的结构构造模糊控制系统的结构,根据本次采样得到的系统输出值,计算所选择的系统的输入变量该步骤所完成的工作就是确定模糊控制器的输入量和输出量由于模糊控制器是模仿熟练操作人员的控制决策对工业过程进行控制,而操作工人一般是靠观测被控对象的输出和输出变化率或输出变量和输出变量的总和来设定控制量的大小的因此,模糊控制器的结构设计就是确定哪些变量作为模糊控制器的输入和输出常见的模糊控制器结构及其对应的控制规则的类型如下1以模糊E为模糊控制器的输入2以误差E和误差变化量Ec作为模糊控制器的输入;3误差E和误差的和s作为模糊控制器的输入;以上都以控制量u或控制量的变化AU作为模糊控制器的输出3.5.4.2模糊化“模糊化”,即实现输入量或输出量精确量的模糊化,我们把模糊控制器的输入误差E,误差变化率Ec和控制量u的实际范围称为变量的基本论域,显然基本论域的变量为精确量将精确量转化到相应的模糊论域,需要对精确量进行转化转化因子即量化因子K、误差变化率量化因子K及控制量量化因子足通过量化因子将精确量变化的范围基本论域模糊化成在模糊集论域范围内我们可以把精确量用“正大”、“正中”、⋯⋯“负中”、“负小”等模糊语言来分成个档这些档的大小关系我们就用在模糊论域上的模糊子集来表示定义一个模糊子集,实际上就是要确定模糊子集的隶属函数曲线的形状,不同的隶属函数代表着不同的系统特性,将确定的隶属函数曲线离散化,就得到了有限个点的隶属度我们一般在系统误差较大时采用具有高分辨率的隶属函数3.5.4.3模糊控制表合成模糊控制表的运算合成,有了前两个步骤的工作,我们得到输入量和输出量的模糊数,结合操作经验或数据,我们就可以将输入量和控制量的模糊数安排到由一系列的if—then控制规则组成的集合中,利用这些规则信息,采用极大极小值合成法或其他合成算法,我们就可以合成得到控制表该控制表储存于计算机中,供程序查询输出3.5.4.4控制量查表输出和输出量的精确化通过精确量的模糊化和模糊控制规则合成,我们得到了模糊控制表,将离线运算得好的模糊控制表以计算机程序语言的形式输入计算机,计算机程序运行就是通过进行查表,查表得到非模糊子集的控制量,乘以输出量的量化因子就得到精确量的控制量U,这实际上是在一个输出范围内,找到一个被认为最具有代表性的、可直接驱动控制装置的确切的输出控制值一般有3种方法1最大隶属度法,即取“’使该隶属函数达最大值采用这种方法时,某一状态下的控制量只依赖于某一条控制规则这时的控制算法基本上相当于普通的逻辑控制2重心法,这实际上是一种加权平均方法,即以输出论域u中的每个元素对于最终模糊集所包含的信息,由于它所具有的优点,故常选用重心法作为决策方法3中位法,为了充分利用模糊子集所有的信息量,我们可以求出把隶属函数曲线与横坐标围成区域的面积平分为两部分的数,作为判决的结果我们就可利用计算得出非模糊子集控制量合成总控制表这样,在控制过程软件处理过程中,计算机将采样和变换得来的E和Ec直接与表中的行列相比较,即可马上得出所需要的控制量u,这就构成了基本模糊控制器该控制量输出直接控制工业对象过程模糊算法流程图3.4所示3.6模糊—PID复合结构模糊控制器模糊控制器可以看成PD控制器,稳态性能不好是其一大先天不足为得到比较好的稳态性能,我们可以用模糊控制器和PID控制器构成双模控制器模糊—PID控制器采用模糊控制器和PID控制器作为两个控制模块,模糊--PID双模控制器由一个选通开关控制,系统接近稳态后,被控量误差减小到~定值时,可以认为这时系统接近稳态,系统的动态特性接近线性,适合PID控制器进行调节,PID调节控制模块被选通并投入控制,将系统在稳态点附近调节这是采用PID控制器可以达到较高的调节精度,克服了普通模糊控制器稳态精度较低的缺点,当系统远离稳态时偏差较大时选通模糊控制模块,这时可以发挥模糊控制器的特点,使系统具有响应速度快,鲁棒性好等特性采用模糊—_PID复合控制器,可以极大地提高系统的动态特性和稳态特性我们可以在对系统稳态要求较高的控制场合采用该种控制器模糊一PID双模控制如图3.5所示图3.5Fuzzy—PID双模控制第四章锅炉蒸汽温度自动控制系统的设计4.1现场系统分析4.1.1现场锅炉运行状况、存在问题4.1.1.1运行状况某电厂锅炉设备基本现状该厂共有三台蒸汽锅炉,负责厂内的蒸汽供给任务由于设备投产较早,受当时的技术条件限制,三台蒸汽锅炉普遍存在着控制效果差、锅炉热效率低、能耗大、环境污染比较严重等诸多问题通过详细调查,我们发现该车间锅炉控制系统的严重落后是导致以上述诸多问题的直接原因4.1.1.2存在问题我们发现该厂锅炉控制系统存在以下四方面主要问题1完全手动控制方式,汽包锅炉蒸汽温度、汽包锅炉水位、给煤控制、鼓风控制、引风控制、二次风控制和炉排控制均由现场操作工人凭借经验进行调节在这样的控制方式下,工人的劳动强度大并且增加了系统的不可靠性;2检测手段落后,炉膛负压等许多检测装置失灵,不能使用,减温水控制阀经常失灵;3控制效果差,急需改造,汽包锅炉蒸汽温度、汽包锅炉水位、汽包压力等重要指标经常在大范围波动;4经济效益差,工厂为防止冒黑烟,锅炉长期工作在大鼓风大引风状态下,热量损失严重,锅炉效率低4.1.2现场控制系统的软硬件环境根据该厂锅炉的具体情况,现场采用PLC/上位机控制系统,硬件选用了SIMATICs7系列产品s7—3007LCCPU314,SIEMENSSTEP一7梯形逻辑语言编程,软件则采用同来自SIMATIC的WinCC在进行硬件设计中我们遵循了以下基本原则1最大限度地满足被控对象的控制要求设计前深入现场进行调查研究,收集资料,并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合,共同拟订控制方案,协同解决设计中出现的各种问题2在保证控制系统安全、可靠的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便,满足控制要求3考虑到生产的发展,工艺的改进及系统的扩充,在选择可编程控制器的CPU模板及I/0模板时,应适当留有余量4.2蒸汽温度的导前微分控制及调节器参数整定根据该厂锅炉具体情况,采用导前气温微分信号控制的双回路过热气温控制系统4.2.1蒸汽温度的导前微分控制系统结构蒸汽温度的导前微分控制系统结构见图4.3图
4.3蒸汽温度的导前微分控制系统结构4.2.2按补偿法进行调节器参数整定设定调节器、微分器传递函数为;其他;通过上节实测方法求得;按第二章分析按补偿法等效对象法进行调节器参数整定算法微分器参数确定已知控制对象惰性区的传递函数,则由于惰性区的传递函数阶数则微分器参数;当此组参数时,可使补偿对象的近似传递函数为(2将被控对象以及微分器部分化作等效对象后,图43所示的系统可简化为图4·4系统,变成单回路进行整定单回路整定计算应用广义频率特性法,由此可写出系统的特征方程式为令,使系统降为二阶;当时,对应的阻尼比由此可求,因此,调节器的整定参数为,图4.4蒸汽温度的导前微分控制系统的简化结构
4.3蒸汽温度自动控制的应用
4.
3.1系统控制流程根据原理图来绘制SAMA系统逻辑图及控制流程图如下图4.5系统逻辑图及控制流程图4.3.2控制系统的应用采用本文研究的控制算法和设计的导前微分控制器,已经成功应用于某厂锅炉蒸汽温度控制系统改造现场采用PLC/上位机控制系统上位机采用WINCC6.0版,实现实时传送现场数据,在线监视调节,累积量记录、查询,历史数据记录、查询等功能下位机选用SIEMENSS7—300PLCCPU314,sTEP一7梯形逻辑编程语言,可在线编程调试,大大增强了控制效率现场采集的模拟量信号转换成4-20mA电信号,送到PLC;PLC与上位机之间通过MPI协议,采用RS232实现串行通信4.4本章小结1采用导前微分控制器,实现了锅炉汽温系统的手动控制方式到自动控制,并且达到了较好的控制效果;2设计锅炉汽温自动控制系统,首先是掌握被控对象的特性;其次是根据被控对象的特性和运行要求提出符合实际情况的控制指标;最后根据所提的控制指标设计出满足要求的控制器在设计中感到确定传递函数不易,受现场实验条件的限制和被控对象运行工况的约束,试验法定传递函数有很大的偏差,这一点通过实践已经得到证明近似传递函数有偏差,整定计算亦有偏差,解决办法a以相似被控对象的经验传递函数作为参考,保证不出大的偏误;b通过现场运行调试,修正调节器参数;c通过研究试验得飞升曲线,合理降阶近似处理3锅炉这样一个典型的非线性时变多变量耦合系统,用传统PID控制算法存在过渡过程时间调节时间t与超调量之间的矛盾可以尝试采用更先进的控制方法来达到更理想的控制效果第五章模糊控制在锅炉汽温系统中的应用5.1前言上一章,通过某电厂锅炉控制系统改造项目,实现锅炉汽温自动控制,但在系统的运行调试中发现和证明了,锅炉这样一个典型的非线性时变多变量耦合系统,用试验取得系统动态特性的不精确和调节器参数整定困难,使得采用常规的固定参数的PID控制手段调节锅炉蒸汽温度存在过渡过程时间调节时间与超调量之间的矛盾无论怎样调节的3个参数,也无法解决若要超调量小,则过渡过程时间增长,很难得到理想的效果,而模糊控制则以其响应速度快,鲁棒性好等特点在锅炉控制中得到比较广泛的应用,可以很好地解决这个矛盾,过渡过程的快慢几乎与超调量无关,因它可以通过改变参数,以最快速无超调或很小的超调量进入稳态对其控制算法进行研究,结合本系统研究的母管制蒸汽锅炉控制系统大延迟,大滞后的工作特性,这一章分析了一般模糊—PID控制器的控制特点,在此基础之上给出了一种改进算法,通过在线调整参数,实现模糊—自调整比例常数PID控制在此算法中,比例常数随着偏差大小而变化,加强了控制性能该方法有效地解决了在小偏差范围内,一般的模糊—PID控制器无法实现的静态无偏差的问题,提高了蒸汽温度控制系统的控制精度并通过仿真研究、分析对比、调试,该算法已成功应用于该电厂锅炉改造,实际应用结果表明该系统大大提高了锅炉蒸汽温度系统控制品质5.2模糊控制器的设计5.2.1控制器方案选择汽温对象在蒸汽流量、炉膛温度、减温水量等扰动下都有延迟,有惯性,有自平衡能力,见图5.1针对过热蒸汽温度控制对象控制通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点,应该从对象的控制通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号,以改善对象控制通道的动态特性,提高控制系统的质量根据该厂锅炉设备具体情况,采用导前汽温微分信号的温度控制系统,见图5.2图5.1蒸汽温度控制对象的动态特性图5.2导前微分信号汽温调节系统原理图5.2.2模糊—自调整比例常数PID控制器结构蒸汽温度控制系统要求控制精度比较高,国家标准要求不超过给定值上下5℃但是,在多数温度控制系统中,小偏差范围内如正负430℃是控制器的死区或盲区原因就是模糊控制器本身消除系统稳态误差能力比较差,难以达到较高的控制精度,尤其是在离散有限论域设计时,尤为明显,即连续变化的输入量,为了推理、合成以及模糊运算的需要,先离散化为{-n,n}区间内的有限个数值,如输入量不是整数,按四舍五入原则化为整数,这可以从它处理输入输出的方法来分析考虑典型的模糊控制器,对于偏差输入信号,要把它转化为偏差论域上的点,即,式中为某时刻k的偏差,是偏差的量程转换量化因子,INT为四舍五入取整运算,为转化到偏差论域上的点由上式可见,当=0时,即.式中是偏差信号的物理范围[-e,e]到偏差论域量程转换的量化因子,考虑于是上式变为:;一般规范化的离散论域形式中常常取n=6或7,因此大约有,也就是说在偏差量程最大值e的大约O.07以内时,模糊控制器已经把它当作0来对待了,因此的稳态误差,模糊控制器无法消除,这是控制点附近的一个控制上的盲区和死区对于控制作用,模糊控制器可以采用它的增量△u作为输出,积分后输出给被控对象,这样相当于引入了积分作用,有利于消除稳态误差然而△u是解模糊后后的离散点,不连续,因而控制作用不细腻,不利于精调消除稳态误差例如到某一稳态时刻,偏差为0,维持在这一点的控制作用应该是某一稳态值设为,那么希望模糊控制器的控制输出此时等于,即希望为控制作用量程转换的比例因子,由于△u不连续,上式一般不能精确的成立,这就造成控制对象的状态还会变化,偏差不能自此时刻起就维持为0把PID控制策略引入模糊控制器,构成模糊—PID复合控制器如图5.3,是改善模糊控制器稳态性能的一种途径;在PID控制中再引入以偏差为调节量的自调整比例系数控制算法,对系统分区域采用不同控制策略,即在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转换成自调整PID控制,二者的转换由程序根据给定的偏差范围自动实现图5.3模糊~PID复合控制器结构5.3模糊~PID控制方法针对本系统,当偏差℃时采用模糊控制,即为模糊控制区;当时采用自调整比例系数PID控制,即为确定控制区5.3.1大偏差区域模糊算法及模糊控制器设计5.3.1.1模糊控制器的结构的确立基本论域物理范围的选择,一般由于事先对被控对象缺乏先验知识,本系统的输入偏差及偏差变化率的实际范围的初步选择是根据考察系统在常规PID的控制下从现场试验取得的飞升、抗扰等曲线,输入偏差的物理范围以给定值作为参考;输入偏差变化率的物理范围亦从试验曲线,取值范围最大到最小受偏差斜率最大值与一次响应控制过程中控制作用次数的约束,并根据香农采样理论和上位机的运算速度等因素作为参考合适即可,采样频率过高无实在意义,够用就好;输出控制量的基本论域根据被控对象提供的数据选定,参考常规控制的KP值作为变化量基值这样的选择需经过仿真和系统运行对不同采样时间进行实验、调整确定本系统最佳采样时间1输入变量e为给定温度与实际温度的差值在模糊控制区内,偏差e的基本论域物理范围取,偏差e所取模糊集的论域划分为13个等级,即,偏差e的量化因子为,模糊集E取七个语言值,分别为{NB,NM,Ns,Z0,PS,PM,PB}2输入变量为给定温度与实际温度的偏差变化率在模糊控制区内,偏差变化率的基本论域为[一
0.05,0.05],偏差变化率所取模糊子集的论域划分为13个等级的量化因子为,模糊集EC取七个语言值,分别为;3输出变量△u即控制量输出控制采用增量形式,控制量△u的基本论域取[-2,2],输出增量△u划分为13个等级,即△U={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},则控制量△u的比例因Ku=6/2=3模糊集△u的7个语言值取为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};5.3.1.2模糊变量赋值表的确定模糊变量误差e、误差变化及控制量U的模糊集和论域确定后,考虑对论域的覆盖程度、灵敏度、稳定性以及鲁棒性原则,各模糊集以三角形曲线为隶属函数曲线,如图5.4取三角函数作为隶属函数的曲线,这不仅出于它的形状简单,计算工作量少,可节约存储空间的考虑,也是在于当输入变化时,三角形状的隶属函数比正态分布的隶属函数具有更大的灵敏性,当存在一个与设值的偏差时,就能很快产生一个相应的调整量的输出,这一点对于控制器的特来说是相当重要的通过隶属函数,确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度图5.4模糊集以三角形曲线为隶属函数曲线5.3.1.3模糊控制规则的建立根据系统输出的误差及误差的变化趋势来消除误差的模糊控制规则是基于该系统多年现场运行试验、经验积累、手动操作策略来确立的系统模糊控制规则对于温度控制系统来说控制对象的控制规则共有49条规则,用下述30条模糊条件语句来描述1ifE=NBorNMandEC=NBthenu=NBor2ifE=NBandEC=NMthenu=NBorf3ifE=NSorZOandEC=NBthenu=NMor4ifE=NMorNSandEC=NMthenu=NMor5ifE=NBORNMandEC=NSthenu=NMor6ifE=NBandEC=ZOthenu=NMor7ifE=PSorPMandEC=NBthenu=NSor8ifE=ZOorPSandEC=NMthenu=NS9ifE=NSORgoandEC=NSthenU0rNS10ifE=NMorNSandEC=ZOthenU=NS0r11ifg=NBorNMandEC=PSthenU=NSOr12ifg=NBandEC=PMthenU=NS0r13ifE=PBandEC=NBthenU=ZO0r14ifE=PMandEC=NMthenU=ZOOr15ifg=PSandEC=NSthenU=ZOOr16ifE=NSandEC=PSthenU=ZOOr17ifE=NMandEC=PMthenU=ZOOr18ifg=NBandEC=PBthenU=ZOOr19ifE=PBandEC=NMthenu=PSOr20ifE=PMorPBandEC=NSthenu=PSOr21ifE=PSORPMandEC=ZOthenu=PSOr22ifg=ZOorPSandEC=PSthenU=PSOr231ifE=NSOrZOandEC=PMthenu=PS0r24ifE=NMORNSandEC=PBthenu=PS25ifE=PBandEC=ZOthenu=PMor26ifE=PMorPBandEC=PSthenu=PMor27irE=PSorPMandEC=PMthenu=PMor28ifE=ZOorPSandEC=PBthenu=PMor29ifE=PBandEC=PMthenu=PBor30ifE=PMorPBandEC=PBthenu=PB5.3.1.4模糊查询表的建立1非模糊化—即控制量的模糊量u转化为精确量采用最大隶属度法进行解模糊,由于计算量大,下面给出算法由30条模糊条件语句确定相应模糊关系,第一条语句确定第二条语句确定第三十条语句确定2根据误差量e和误差的变化,由相应控制规则可以算出模糊控制量为则控制量为模糊集合U,表示为3采用最大隶属度方法,将控制量由模糊量变为精确量根据各模糊变量的赋值表取值,预先计算好控制量u,制成如表5.5所示的模糊查询表,作为“文件”存贮在计算机中,便于根据输出的信息,从“文件”中查询所需采取的控制策略5.3.2小偏差区域自调整比例常数PID算法及控制器设计控制理论中阐述,PID控制实际上就是适当选取比例、积分、微分的常数K、TI、TD进行对系统的控制根据系统的具体条件我们可以适当变化K,使之根据偏差的不同而不同原则上就是偏差越大,比例常数K也越大;偏差越小,比例常数K也越小这么做的好处就是,当被控对象偏离设定值越大,它的偏差被放大的越多,PID控制反应越灵敏,阀门动作也就越快,实现在线自调整的功能具体方法如下变K采用的公式K-KO+K0~偏差为零时比例常数的基值,根据现场调试取KO=
2.010-5e~偏差u~系数此处设1度为最大偏差.偏差最大时取=2.3x10-5根据软件自带数制转换计算得u=
1.44x10-7将该公式录入程序,因为该算法应用于小偏差范围内,所以在正负1度范围内每个偏差对应一个比例常数经过这样的处理,实现在1度范围内自调整比例系数PID控制5.4蒸汽温度自动控制的仿真研究5.4.1仿真与仿真软件简介5.4.1.1系统仿真的概念l、仿真就是模仿真实的事物,也就是用一个模型包括物理模型和数学模型来模仿真实的系统,对其进行实验研究用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真,它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真我们这里讲的是后一种仿真
2、数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型,并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真,又称计算机仿真
3、系统仿真,就是以系统数学模型为基础,以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法
4、要对系统进行研究,首先要建立系统的数学模型对于一个简单的数学模型,可以采用分析法或数学解析法进行研究,但对于复杂的系统,则需要借助于仿真的方法来研究
5、控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理5.4.1.2仿真技术分析研究锅炉自动控制系统系统仿真的概念随着计算机技术的迅速发展,数字计算机的性能价格比不断提高,数字计算机在我国已目益普及在这种情况下,数字仿真技术已经成为电力系统控制工程师们必须掌握的一门技术仿真技术对于分析研究锅炉汽温自动控制系统的特性是非常有用的,主要用于以下两个方面1控制系统设计与试验设计新型控制系统时,由于所设计的控制装置尚未生产出来,因此无法通过试验研究其特性进行锅炉控制系统研究设计时,应该先提出系统的结构和参数,建立所设计系统的数学模型,在计算机上进行仿真,了解新系统的性能如果新系统的性能不理想,则修改系统的参数或结构,然后再修改数学模型,在计算机上重新进行仿真,求出其性能依此反复分析研究,直到对系统性能满意为止2动态特性的分析与研究一个已经生产出来的控制系统投入运行前,要整定许多参数为了能适用于不同的锅炉系统,控制器的参数在应用不同的锅炉系统是需要整定的,具体的控制器参数应在投入运行前确定这些可整定的参数整定值可以通过仿真确定通过仿真还可以模拟系统在正常运行状态和非正常运行状态下的动态行为,以便研究系统动态特性和稳定性,也可分析系统故障的发生、发展及后果目前,控制系统数学仿真技术已基本成熟,也积累了一些锅炉汽温控制系统的仿真经验数学仿真还有一个突出的优点是可以很方便地仿真各种非线性特性控制器对系统运行的影响5.4.1.3MATLAB简介1MATLAB语言的使用与程序设计MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算语言它是MatrixLaboratory矩阵实验室的英文缩写它不但具有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能,而且还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力,以及许多具有特殊意义的MATLAB工具箱,如控制系统工具箱、信号处理工具箱、系统辩识工具箱、模糊控制工具箱、神经网络工具箱等等所有这些为系统仿真提供了十分便利的条件现在MATLAB已广泛地应用于自动控制、信号处理、图像分析、人工智能、生物医学工程、通信工程和金融系统等领域,是国际上最流行的系统辅助设计与系统仿真的软件工具2MATLAB在控制系统仿真中的应用控制系统的数学模型对于控制系统的研究具有重要意义要对系统进行仿真研究,首先应建立系统的数学模型,在此模型的基础上建立系统的仿真模型,然后进行仿真,分析研究系统,并设计出相应的控制器对系统进行控制,使系统响应达到预期目标5.4.1.4SIMULINK简介动态系统建模仿真工具SIMULINK是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,是面向系统结构图的方便的仿真工具它有两个显著的功能SIMU仿真和LINK连接,即可以方便地利用鼠标在模型窗口上画出所需系统模型图,来对系统进行建摸、仿真与分析,从而使一个复杂系统模型的建立和仿真变得相当简单和直观SIMULINK提供了一个图形化的用户界面点击MATIAB命令空间的快捷键或在命令空间中写入SIMULINK回车,即可进入SIMULINK工作环境,SIMULINK支持连续与离散系统以及连续离散混合系统,也支持线性与非线性系统,还支持具有多种采样频率的系统,也就是不同的系统能够以不同的采样频率进行组合,以仿真较大较复杂的系统5.4.2模糊-PID控制与常规控制的仿真与性能分析5.4.2.1蒸汽温度系统仿真模型的建立在做仿真研究时,应首先建立仿真模型方框图按两种控制策略,根据系统传递函数就可在SIMULINK软件环境下建立仿真模型方框图“具体做法就是从SIMULINK库中取出相应的模块放入模型界面上,用线连接好,并设置对应参数再根据需要对控制对象和传递函数进行封装另外,对于其中模糊控制器,要先编好其对应的S-Functoin函数,然后封装起来,就完成了SIMULINK仿真模型的建立常规PID控制系统仿真模型如图5.5;模糊自调整比例常数PID控制系统仿真模型如图5.6图5.5常规PID控制系统仿真模型图5.6模糊-自调整比例常数PID控制系统仿真模型5.4.3蒸汽温度自动控制的仿真试验的结果与分析5.4.3.1给定值扰动变工况试验及结果分析分别对常规PID控制系统和模糊-自调整比例常数PID控制系统加绘定值扰动这里模拟一种极限情况,给定值从零加到额定运行值,常规PID控制定值扰动的系统响应如图5.7所示;模糊-自调整比例常数PID控制下的响应如图5.8所示从以上仿真结果可以看出,在稳态误差为2%的情况下,常规PID控制的给定值扰动响应的超调量为盯=6.9%,调节时间为=180秒;模糊-自调整比例常数PID控制的给定值扰动响应的超调量为1.2%,调节时间为=160秒通过比较分析以上仿真结果,在固定的给定值扰动状况下,采用模糊-自调整比例常数PID控制系统,可以获得更快的动态响应,更小超调量,有效的改善了系统的动态特性图5.7常规PID控制系统仿真图58模糊-自调整比侧常数PID控制系统仿真5.4.4仿真调试总结针对某厂电站锅炉汽温系统,我们分别应用常规PID控制和模糊—PID控制两种控制算法进行了控制器的设计在做给定值扰动试验时,模糊-自调整比例常数PID控制器具模糊控制鲁棒性模糊控制在锅炉汽温系统中的应用强,动态响应好、上升速度快,而且超调量小;同时兼具传统PID的动态跟踪品质和稳态精度模糊-自调整比例常数PID控制器系统的抗干扰能力强,在进行减温水内扰试验时偏差很小,且回到稳态工作点的时间短对生产现场的干扰具有较好的抑制作用从仿真结果来看,模糊-自调整比例常数PID控制器的控制性能总体优于常规PID控制器应用该方案控制锅炉汽温系统可行5.5结果分析1本算法已经成功应用于某厂锅炉蒸汽温度控制系统改造从现场调试来看使用一般的常规PID自动控制方法超调量较大,稳定时间较长,精度偏低,控制结果不很理想,各项控制指标为超调量=4.59%,响应时间280s,控制精度为1.93%;应用了引入模糊算法的自调整比例常数PID控制系统达到了十分理想的控制品质超调量=1.16%,响应时间120s,控制精度为0.463%
(2)通过对系统的各项参数调整与试验,最终取得了较为满意的实际控制效果5.6本章小结锅炉是一个多变量输入,输出的复杂系统其过程的传递函数是相当复杂的,很难用数学模型来精确描述常规的PID调节器控制原理简单,容易实现,长期以来广泛应用于工业过程控制,并取得了良好的控制效果然而,大多数工业过程都不同程度的存在非线性、参数时变性、模糊不确定性等问题模糊控制器具有无须建立被控对象的数学模型,对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力,即鲁棒性较好等特点将模糊控制与PID控制结合在一起,不仅引入了经典PID调节器原理简单、调节细腻等特点,而且具有模糊控制器的灵活性和适应性,具有智能控制的特点,提高了系统的控制精度但是,现目前在有些系统上应用的模糊一PID控制器在较小偏差范围内控制品质尚不能令人满意,控制精度难以再有提高本文设计出具有自调整特点的智能PID控制器,再将模糊控制算法应用于智能PID,使之兼有模糊控制特点及自调整控制特点,使其无论在大偏差范围内还是小偏差范围内均能收到理想的控制效果实际应用结果表明,系统的控制精度大大提高对于具有大惯性、大延迟环节,难以建立准确数学模型的被控对象,PID与模糊控制的复合控制能够满足系统要求,具有良好的快速性和稳态精度针对模糊控制在小偏差范围内控制精度不高的特点,引入自调整比例常数PID控制算法可以有效地提高精度,增强抗干扰能力与一般自动控制相比具有较大的优势针对我国目前大多数投入运行的锅炉控制水平不高,效率普遍低于国家标准的生产状态,此控制方法具有很大的推广意义第六章结论如何维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内机是锅炉过热蒸汽温度控制系统的主要任务目前,沈阳某自备电厂的锅炉燃烧系统完全依靠现场操作工人凭借经验进行调节,不仅工作量大,丽且还存在着重大的安全隐患另外,由于采用这种控制调节方式速度慢,反应又不灵敏,而且误差大,造成了锅炉效率低、系统的经济性不高等问题为此,这种控制方式已经不能满足生产运行的要求本文针对该厂锅炉汽温系统的特点,以锅炉过热蒸汽温度系统为控制对象进行了分析,提出了针对该锅炉汽温系统的自动化改造方案首先对控制系统的硬件进行了初步设计,并将传统的PID控制理论应用于锅炉系统的控制中,遵循工程上的一般原则,通过现场试验、确立控制方案、整定计算、仿真实验、编程调试,实现常规PID控制,通过现场实际运行,控制器的输出响应快、抗内扰能力较强,达到了一定的控制效果但由于锅炉汽温控制系统本身具有很大的不确定性,锅炉汽温系统具有较大的滞后性、非线性、时变性的控制对象,单纯采用PID控制存在调节时间与超调量之间的矛盾,效果不理想,决定采用模糊控制,针对该控制系统采用雕D与模糊控制的复合,郎模-PID控制是一个比较好解决方案,它能够发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点,又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度,针对模糊控制在小偏差范围内控制精度不高的特点,引入自调整比例常数PID控制算法可以有效地提高精度,增强抗干扰能力,使控制能够满足系统要求,达较好的效果模糊控制器的设计主要包括第
一、建立了模糊逻辑控制器的结构模型;第
二、确立了模糊输入/输出量,并给出了模糊输入/输出量的隶属函数模型;第
三、提出了相应的模糊控制规则和算法,得到输出量自调整比例常数PID控制的设计,建立在常规PID控制参数基础上,经过试验,确定比例常数调整函数经过计算机程序判断,在大偏差范围内,模糊控制器根据采样时刻所获得的误差及误差变化率信号,以及它们模糊化的结果通过模糊查询表,得到输出精确量,经比例因子映射到基本论域得到实际控制量对被控对象施加控制作用;在小偏差范围内,通过比例常数调整函数在线调整PID的kp值,有效地提高精度,进一步增强抗干扰能力,得到较好输出效果仿真实验应用MATLAB7.O1中的SIMULINK软件对常规PID控制器和模糊一自调整比例常数PID控制器进行仿真研究模糊-自调整比例常数PID控制器的控制性能总体优于常规PID控制器,体现在以下三方面第
一、模糊-自调整比例常数PID控制的动态特性好,响应速度快,超调量小;第
二、兼具良好的稳态品质,稳态过程没有震荡;第
三、系统的抗干扰能力增强,对生产现场的各种噪声和干扰具有较好的抑制作用本文研究设计的传统PID控制器和模糊-自调整比例常数PID控制器,其控制策略和算法已成功应用于锅炉汽温系统的控制中大大地提高了机组运行的安全可靠性、运行的经济性、提高了生产效率、改善了劳动条件通过对模糊-自调整比例常数PID控制器在锅炉汽温控制系统中的应用研究,取得了一些结论,为模糊-自调整比例常数PIB控制器应用于锅炉汽温系统提供了理论基础和应用方法但如何进一步完善模糊控制规则,提高它的控制精度,完善控制系统硬件,把它应用于其它各种类型锅炉等相关问题,还需要继续深入研究参考文献【1】张化光,何希勤.模糊自适应控制理论及其应用I-M1,北京北京航空航天大学出版社,2002【2】边立秀,周俊霞等.热工控制系统[M],北京中国电力出版社,2002【3】李遵基.热工自动控制系统[M],北京中国电力出版社,1997【4】张栾英,孙万云.火电厂过程控制EM],北京中国电力出版社,2000【5】高伟.计算机控制系统[M],北京中国电力出版社,2000【6】黄焕春.发电厂热力设备[M],北京水利电力出版社,1985,88—120【7】王常力,廖道文.集散型控制系统的设计与应用[M],北京清华大学出版社,1993【8】孙庚山,兰西柱.工程模糊控制[M],北京机械工业出版社,1995【9】杨辉,王金章.模糊控制技术及其应用[M],南昌江西科学技术出版社,1997【10】李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M],北京电子工业出版社,2005【11】金以慧.过程控制[M],北京清华大学出版社,1998【12】易继锴,侯嫒彬.智能控制技术[M],北京北京工业大学出版社,1999【13】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,1996【14】孙海维.SIMATIC可编程控制器及应用I-M],北京机械工业出版社,2005【15】李先斌.电力系统自动化[M],北京水利电力出版社,1986【16】张恩勤,施颂椒,翁正新.模糊控制与PID控制方法的比较[J],上海交通大学学报,1999【17】陈冬林.工业锅炉微机控制的仿真研究[D],武汉华中理工大学,1988【18】西门子中国有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCCV6.0[MI,北京北京航空航天大学出版社,2004【19】西门子中国有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子s7—300PLC[M],北京航空航天大学出版社,2004【20】TahaniMA,LucasC.Developmentofexpertcontrollerforsteamtemperatureregulationinpowerplants[J].IEEEInternationalWorkshop0i3IntelligentRobertSandSystem1991,31334-1337【21】LiuWending,XieKeming,DongWenbin.Theself—adjustingintelligentfuzzycontrolsystemtosuperheatedsteamtemperatureinmono—blockunit[A].In Proceedingsofthe3rdWorldCongressandAutomation[c].20001667—1670【22】杨纶标,高英仪.模糊数学原理及应用第三版[M],华南理工大学出版社,2002【23】关学忠,高杉,曾凡军.锅炉燃烧器模糊-PID复合控制器的设计[J],自动化技术与应用,2004,15145—51【24】孙志英,佟振声.模糊自调整PID过热气温控制系统[J],华北电力大学学报,2001,28433—38【25】吕剑虹,陈来九.模糊PID控制器及在蒸汽温度控制系统中的应用研究[J],中国电机工程学报,1995,15116-22【26】左燕,侯国莲,等.复合模糊串级系统在火电厂过热汽温控制中的应用[J],现代电力,2002,19164—69【27】胡一倩,吕剑虹,等.模糊控制在火电厂热力过程自动控制中的应用[J],工业控制计算机,2002,15425—27【28】刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真第二版[M],电子工业出版社,2004【29】章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M],西北工业大学出版社,2001【30】诸静,等.模糊控制原理及应用[M],机械工业出版社,1995【31】刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M],电子工业出版社,2004【32】飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[M],电子工业出版社,2005【33】孙虎章.自动控制原理[M],中央广播电视大学出版社,1984【34】李庆扬、王能超、易大义.数值分析[M],华中理工大学出版社,1986【35】Ni1sJ.Nilssoe.人工智能[Ml,郑扣根、庄越挺译,机械工业出版社,2000【36】黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整[M],中国电力出版社,2002【37】郭培源.电力系统自动控制新技术[M],科学出版社,2001【38】PLC应用开发技术与工程实践[M],人民邮电出版社,2004【39】孙海维.SIMATIC可编程控制器及应用[M],机械工业出版社,2005【40】ZadehLA,FuzzySet.Informationandcontr01.1965,82338—358【41】ZadehLA.OutlineofanewapproachtotheanalysiSofcomplexsystemsanddecisionprocesses.IEEETransSyst,Man,Cybern,1973,SMC一3128—44【42】MamdaniEH.ApplicationsofFuzzyAlgorithmsforControlofSimpleDynamiCPlant.ProcIEEE,1974,1211585—1588【43】权太范,等.模糊控制技术在过程控制中的应用现状及前景,控制与决策[M],1988【44】汪培庄.模糊集合及其应用FM],上海上海科学技术出版社,1983【45】张化光.复杂系统的模糊辨识与模糊自适应控制[M],沈阳东北大学出版社,1994【46】王学慧,田成芳.微机模糊控制理论及其应用[M],北京电子工业出版社,1986【47】李宝绥,刘志俊.用模糊集合理论设计一类控制器[J],自动化学报,1980【48】徐嗣鑫,等.基于模糊推理的自校正控制器现状及展望[J],信息与控制,1992【49】王殿辉,柴天佑,张化光.一种Fuzzy推理合成的新算法[J],控制与决策,
1994.9159—63【50】刘向杰,周孝信,柴天佑.模糊控制的研究现状和新发展信息与控制[M],1999,284283—292【51】朴营国,何希勒,张化光.一种多变量模糊自适应控制器的研究[J],自动化学报,20001105-110【52】王立信.自适应模糊系统与控制——设计与稳定性分析[M],北京国防工业出版社,1995【53】陈来九.热工过程自动调节原理和应用[M],北京水利电力出版社,1982【54】冯纯伯,费树岷.非线性控制系统分析与设计,第二版[M],北京电子工业出版社,1998【55】鲍信福,等.自调整比例因子模糊控制器[J],自动化学报,19872129—133【56】张化光,柴天佑.操作人员控制作用的模糊建模及其应用[J],自动化学报,19943308315【57】张玉铎,王满稼.热工自动控制系统[M],北京水利电力出版社,1985【58】金以慧主编.过程控制[M],北京清华大学出版社,1993【59】顾晓东,徐耀文.电厂热工过程自动调节[M],北京电力工业出版社,1981【60】Owens,D.11.,FeedbackandMultivatiableControlSystems,PeterPeregrines,London1978【61】林金栋主编.自动调节原理及系统I-M],北京中国电力出版社,1996【62】邵裕森主编.过程控制及仪表[M],上海上海交通大学出版社,1995【63】罗万金主编.电厂热工过程自动调节[M],北京水利电力出版社,1991StudyontheBoilerDrumWaterLevelBasedonFuzzyAdaptiveControlAbstract:Theboilercontrolisthethermalpowerplantmostbasicindustrialcontrol.Thecascade-threeparameterswaterlevelcontrolsystemincludessteamdrumwaterlevelsteamflowandwatersupplyadjustwatersupplyfortheopeningFuzzyadaptivecontrolbyseekingthethreeparametersofPIDcontrollerandtherelationshipbetweeneandsoonmakethebestadjustmentforPIDparametersonthesteamdrumwaterlevelsystemautomatically.Thesimulationresultsshowthesystemismorestablecanmeettheloadvolatileandfrequentfluctuationsofwatersupplypressureandimprovethequalitycontroloftheinternalandexternaldisturbances.Keywords:fuzzyadaptive;PIDparameter;boilerdrumwaterlevel
1.INTRODUCTIONTheautomationlevelofthermalpowerplantisameasureofproductiontechnologyofpowerplantsadvancedornotandanimportantsymbolofenterprises’modernization.Thetaskofboilerdrumwatersupplyautomaticcontrolsystemistomakewatersupplyadapttoboilerwaterevaporationandmakethewaterlevelofboilerdrumkeepacertainrange.Onlyguaranteethedrumwaterlevelfluctuationwithinpermittedrangecanrealizeunitoperatedsafelyandeconomically.Thereforethedrumwaterlevelisanimportantfactortoaffectthesafeandeconomicoperationofentireunitsowewillhaveabettercontrolschemetorealizethedrumwaterlevelcontrol.Judgingfromthetraditionalcontrolmodetheyeithersystemstructureissimpleandcostislowbutcantcontrolboilerdrumfalsewaterlevelphenomenoneffectivelyoritcantosomeextentcontrolfalsewaterlevel”phenomenonbutthesystemistoocomplicatedanditcoststoomuch.Thecascade-threeparametersdevelopedonthebasisofasingleimpulseandsinglestagethree-impulsepowerregulatingmodeiscurrentlymostlyusedcontrolmodeinthermalpowerplant.cascade-threeparameterssystemusetworegulatormasterregulatorandminorregulatorthetaskofthetworegulatorsettingacleardivisionofworkandadjustmentvariableofregulatoriscomparativelyeasyanditdoesntrequireasteady-statewaterflowsignalandsteamflowsignalexactlyequalitiseasytogetbetteradjustqualitysothiskindofcontrolmodeismainlyusedinfield.Theminorregulatorusuallyusetheratiorulethemasterregulatorreceivedwaterlevelsignalasthemainsignaltocontroltheminorregulator.Theminorregulatorreceivedthemasterregulatorsignalinadditionitstillreceivewatersupplyfeedbacksignalandsignalthenformacascade-threeparameterscontrolsystem.MasterregulatoralsoknownastuningregulatoritusuallyuseproportionalintegralruleOntheonehanditprovideagivenvalueforsubloop.OntheotherhanditmainlythroughthePIregulationlawtoeliminatethestatic-elevationdifferenceandkeepthewaterlevelatagivenvalue.Thoughthethree-impulsesystemcanovercometheinfluenceofthefalsewaterlevelandwaterflowdisturbancewellthewaterlevelobjecthasaconsiderablelagpropertyitmadethecontrolofovershootofthecontrolsystemnotsatisfactory.Thisprojecttakethefuzzylogiccontroltechnologybasedoncascade-threeparameterstothethermalcontrolfieldandithasachievedgoodcontroleffect.
2.FUZZYADAPTIVEPIDCONTROLFuzzyadaptivePIDcontrolistousethebasictheoryandlogicmethodsoffuzzymathwiththeconditionsandconclusionsofcontrolrulesexpressedbyfuzzysetsthentakethefuzzycontrolrulesandfuzzyreasoningbasedonexperienceasinformationstoreintothecomputersKnowledgeBaseThecomputercontrolsystembasedonreal-timeresponsesituationadjustfortheoptimalPIDparametersautomatically.Figure1showsfuzzyadaptivePIDcontrolblockofthedrumwaterlevelcontrolsystem.Fig.
1.FuzzyadaptivePIDcontrolblockdiagramFuzzyadaptiveparameterstuningistoseektherelationshipbetweenthethreeparametersofPIDandthesystemwaterleveldeviationeandtherateofchangeofdeviationec.whenthesystemisrunningconstantlytesteandecthenaccordingtotheresultsoffuzzyreasoningtomodifythethreeparametersofPIDcontrollertomeetthedifferentcontrolparameterseandsoonondifferentrequirementssothatthesystemcanwellovercomethemalfunctioncausedbythefalsewaterlevel.
3.PARAMETERTUNINGALGORITHMPIDalgorithmiswidelyusedinvariouscontrolsystemsfuzzyadaptivePIDcontrollerparametertuningisbasedonthePIDalgorithmtocalculatethecurrentsystem’swaterleveldeviatione=H0-Handtherateofchangeofdeviationec=et-et-1throughtechnicalengineers’practicalexperienceandknowledgetoestablishappropriatelibraryoffuzzycontrolrulesandselectthefuzzyreasoningmethodtoadjustthethreeparametersanditsessenceistousetherulebaseandfuzzyreasoningtodeterminethePIDparameters’adjustmentthatis:SelectthesystemwaterlevelerroreandtherateofchangeofdeviationecforthefuzzyinputvariablestaketheadjustmentofthethreeparametersfortheoutputandcomposeitwiththecurrentPIDparameterstakethewaterlevelofdrumwaterlevelcontrolsystemforreal-timecontrol.Thevariableuniverseofdiscoursethesystemwaterlevelerroreandtherateofchangeofdeviationecistakenas{-5-4-3-2-1012345}thendivideditintosevenlevelsthelinguisticvaluesofthe7fuzzysetsweretakenas{NBNMNSZOPSPMPB}thatis{NegativeBigNegativeMediumNegativeSmallZeroPositiveSmallPositiveMediumPositiveBig}.WechoosemembershipfunctionsofGaussianadequatedistributionandfulloverlapareshowninFigure
2.Fuzzyregularsofwhichweestablishedaccordingtoreference.Fig.
2.eandecmembershipfunctions
4.THEMATHEMATICALMODELOFTHEOBJECTAdrumboilerwhenwatersupplyflowandsteamflowfortheunitstepdisturbancetheresponsecurveofwaterlevelareshownonFigure3wecandeterminethemathematicalmodeloftheobjectbydrawing.watersupplyflowunitstepdisturbancesteamflowunitstepdisturbanceFig.3UnitstepresponsecurveofboilerwaterlevelobjectWaterleveltransmitter:atthemaximumwaterlevelfluctuationrangeof150mmthetransmitteroutputvoltageis0~10Vso:Flowtransmitter:whenthesteamloadchangesfrom0tomaximumflow120t/htheoutputvoltageofthesquarerootisalso0~10Vso:WatersupplyflowtransmittercoefficientThetransferfunctionofactuatorandcontrolvalveisByFigureawecangettransmissiondelay:thengetthetransferfunctionofnon-self-balancingobject:AccordingtoFigurebfirstdrawingastraightlinefromzeroparalleltothelatterpartofHtthislineis1Ht.IntheintersectionofHtandtaxisatEmakeaverticallinewithtaxisandintersectwithHtatF.MaketheverticaldistanceofEandGequaltoEFmakeahorizontallinefromGthesteady-statevalueis2Htthevalueis
3.5mmso:Thesectionoffalsewaterlevelso:wecangetthecurvebypoint-by-pointcalculationandthenmakethetangentlineitobtainedso:Aswasobtainedso;
5.PARAMETERTUNINGOFCONTROLLERAccordingtotheobtainedmathematicalmodelofobjectanddesignedfuzzycontrollerthecontrollerparametertuninganddesignofmasterloopandminorloopofcascade-threeparameterscontrolsystemcanbecarriedout.
5.
1.ParametertuningofminorloopWecananalyzetheminorloopasageneralloopasactuatorcontrolvalveandallcanbeconsideredasproportionalelementtakeoftheminorloopascontrolplantKthesingleloopareconsistofregulatorandgeneralizedcontrolplantGeneralizedcontrolplant:=1*
0.1*1*
0.083=
0.0083GeneralizedcontrolplantisaproportionalelementaccordingtotheproportionalbandofexperiencedregulatoraslongastheintegraltimeobtainedsufficientsmallitwillbeabletomeettheinnerloopisaFastservosystem.
0.
0520.5i2Tsotheminorregulatoris:TheSimulinkstructureandsimulationofdiagramofminorloopisshowninFigure
4.Fig.4SimulinkdiagramofminorloopThroughthesimulationdiagramwecanseetheperformanceoftheminorloopcontrolsystemisverygoodthespeedinessandstabilityofthesystemaremeetingtotherequirementsitcanbequicklyeliminatetheinterferencetomeettherequirementsofproduction.FromtheSimulinkdiagramwecangettheminorloopcanbeapproximatedasrapidservosystemsotheminorloopcanbetakeplacedbySIMULATIONANDCONCLUSIONAccordingtotheregulatorparameterstheoreticalcalculatedbymasterloopandminorloopandfuzzyparameterregulatorcanbeappliedtotheMATLABandSimulinkwecanestablishthefuzzyadaptivePIDcontrolsystemsimulationstructureofboilerdrumcascade–threeparametersthroughMATLABandSimulinkthesimulationstructureisshowninFigure5amongthemthefuzzycontrollerisdualinputandthreeoutputcontrollerinessenceitisnon-linearPDoperationtheoutputsignalisthecorrectionofPIDparameterscombinedwiththethreeparametersofPIDcontrolleroforiginalmasterloopascontrolsignalsofsystemimportthedesignedfuzzycontrollerfileinthesimulationstructurethesimulationcanberun.OngivenroleofstepsignalthesystemoutputresponsecurveisshowninFigure6theadjustmentcorrectionofmasterloopfuzzyadaptivePIDregulatorisshowninFigure
7.Fig.5simulationstructureoffuzzyadaptivecascade-threeparameterswatersupplysystemFig.6outputresponsecurveongivenroleofstepsignalFig.7thecorrectionofPIDparametersItcanbeseenfromabovefiguresthatthethreeparameterswatercontrolsystemcanworkquicklyandstabilitywithnodisturbancetomeettheproductionrequirements.Butintheactualproductionprocesstherearealwaysvariousofinterferencesonextweanalysisthemaininterferencethroughsimulationexperienceonthepracticalproduction.Fig.8theoutputresponsecurveofwatersupplyflowdisturbanceFig.9theoutputresponsecurveofsteamflowdisturbanceWatersupplyflowistheinternaldisturbancethetaskofthemasterregulatorincascade-threeparameterswatersupplycontrolsystemiscorrectthewaterleveldeviation.whenthewatersupplyflowdisturbanceoccurredtheboilerdrumwaterlevelchangedthesystemwillmakethevariationfeedbacktothemasterregulatorthroughwaternleveltransmitterthemasterregulatoractionandadjustthewaterleveltheneliminatethedisturbancenotentertheminorloopwhensteadykeepthedrumwaterlevelequaltosetpointvalueandkeepthesystemrunningsafelyandreliably.Butwhenthedisturbanceoccurredthesystemwilladjustthewaterlevelthroughfeedbackeffectssothesystemwillbesomedelay.TheoutputresponsecurveofwatersupplyflowdisturbanceisshowninFigure
8.Thesteamflowdisturbanceisoutsidedisturbancewhenthesteamflowdisturbanceinthecascade-threeparameterswatersupplycontrolsystemthesteamflowsignalmakewatervalveshifttothepositivedirectionkeepbalanceofwatersupplyandsteamflowthatisthesteamflowincreasethewatervalveonabigoffsetmoveontheoppositedirectioncausedbyfalsewaterlevelandreducedfluctuationrange0fwaterlevelandwatersupplykeepthesystemrunningsafelyandreliably.TheoutputresponsecurveofsteamflowdisturbanceisshowninFigure
9.ThroughtheabovedesignandsimulationwecanseethatthesysteminagivensignalundertheactionofthecontrolsystemhasagoodperformanceintheconventionalPIDcontrolfoundationandthroughthreeparameteradjustmentgivenbyfuzzylogicinference.Itsrapidityandthestabilitymeetthecontrollingrequirements.Underthewatersupplypressureflowchangeandloadchangeitcanalsoeliminatetheinfluencesofinternaldisturbanceandexternaldisturbancequicklyandmeettherequirementsofthermalproductionwell.REFERENCES
[1]Z.JLi.ThermalcontrolsystemBeijingChinaElectricPowerPress.1997:113-138
[2]X.D.GuY.W.XuTheprocessofautomaticadjustmentofthermalpowerplantsBeijingElectricPowerIndustryPress.1982:37-58
[3]L.Y.Zhang.300MWunitofdomesticwatersupplycontrolsystemNorth-westElectricPowerInstitute.1994:52-58
[4]J.Z.LiucoordinatecontrolandoverallcontrolofwaterBeijingChinaElectricPowerPress.1995:77-83
[5]EThomasFortmannLKonradHitzAnIntroductiontoLinearControlSystemsNewYork1997121-145
[6]S.Takahashieal.AdvancedInformationandControlSystemforThermalPowerStationsHitachiReview1998-54-63
[7]ThomasKailathlinerSystemsN.J.1980201-218
[8]T.Iijimaetal.Hitachi’sLatestSupervisoryandControlSystemforAdvancedCombinedCyclePowerPlantsHitachiReview51pp.2002-153-157
[9]S.Takahashieal.AdvancedInformationandControlSystemforThermalpowerStationsHitachiReview1998145-155[
[10]A.Itoeta.High-ReliabilityNext-GenerationSupervisoryandControlsystemforPowerStationsHitachiReview471998:214-218对锅炉汽包水位的模糊自适应控制研究摘要锅炉控制是火电厂最基本的工业控制级联三参数水位控制系统包括汽包水位,蒸汽流量和给水,调整供水的开口,自适应模糊控制的PID控制器和E之间的关系等三个参数的求,自动使PID参数对汽包水位系统的最佳调整仿真结果表明,系统更稳定,可以满足负荷,挥发性,和供水压力频繁波动,提高内部和外部扰动的质量控制关键词模糊自适应;PID参数;锅炉汽包水位
1、简介火电厂自动化水平是衡量电厂先进与否和企业现代化的一个重要标志的生产技术锅炉汽包给水自动控制系统的任务是使水供应适应锅炉水的蒸发,使锅炉汽包水位保持一定的距离只有保证汽包水位波动在允许的范围内,可以实现机组安全经济运行因此,汽包水位是影响整个机组的安全、经济运行的重要因素,因此我们要实现汽包水位控制更好的控制方案从传统的控制方式来判断,他们要么系统结构简单、成本低,但不能控制的锅炉汽包的“虚假水位”现象,或者它可以,在一定程度上,控制“虚假水位”现象,但系统太复杂,太贵了级联三个参数的基础上开发的一个单脉冲和单级三冲量调节功率模式是目前在火电厂常用的控制方式级联三参数系统使用两个调节器,主调节器和轻微的调节器,调节器设定的两个分工明确的任务,和调节变量是比较容易的,它不需要一个稳定的水流量信号和蒸汽流量信号完全相等,很容易得到更好的调节品质,所以种控制方式主要是用在现场副调节器通常使用比例原则,主调节器接收到的水位信号作为次要的调节器控制的主要信号小调节器接收另外主调节器的信号,接收,它仍然供水反馈信号和信号,然后形成一个级联三参数控制系统主调节器也被称为调节器,通常采用比例积分规则,另一方面,它提供了一个给定的子环的价值另一方面,它主要通过PI调节法消除静态高差和保持在一个给定的值的水位虽然三脉冲系统可以克服虚假水位和水流的扰动,影响的水位对象有一个相当大的滞后性,使得控制系统的超调量不满意该项目以模糊逻辑控制技术基于级联三参数对热控制领域,并取得了良好的控制效果
2、模糊自适应PID控制模糊自适应PID控制是利用模糊数学的基本理论和逻辑的方法,和控制规则的模糊集表示结论的条件,然后以模糊控制规则和模糊推理的基础上作为信息存储到计算机的基础知识,经验,基于实时响应情况的计算机控制系统,最优PID参数的自动调整图1显示了汽包水位控制系统的模糊自适应PID控制块模糊自适应PID参数整定是寻求与系统水位偏差和偏差变化率EC三参数之间的关系当系统运行,不断测试和EC,然后根据模糊推理的结果修改PID控制器的三个参数来满足不同的控制参数等,在不同的要求,使系统能很好地克服虚假水位引起的故障
3.参数整定算法PID算法被广泛用于各种控制系统中,模糊自适应PID控制器的参数整定是基于PID算法来计算当前系统的水位偏差率和偏差变化,通过技术工程师的实际经验和知识,建立模糊控制规则库和选择合适的模糊推理的方法调整三个参数,其实质是利用规则库和模糊推理来确定PID参数的调整,这是选择系统水位误差E为模糊输入变量的偏差变化率EC,把输出的三参数的调整,构成了它与当前的PID参数,以汽包水位控制系统水位实时控制变量宇宙的话语系统水位误差和偏差变化率ec作为{-5,-4,-3,-2,-1012345},然后把它分为七个层次,fuzzy集的语言值作为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,Pb},{,负大,负介质,负小,零,正小,正向介质,大的正数}我们选择高斯隶属函数,足够的分布和充分的重叠,如图2所示模糊规则,建立了根据参考
4、对象的数学模型汽包锅炉,当给水流量和蒸汽流量单位阶跃扰动,水位的响应曲线显示在图3,我们可以通过确定对象的数学模型水位变送器在150mm最高水位波动范围,发射机输出0~10V电压,所以流量变送器当蒸汽负荷从0变化到最大流量120t/h,平方根的输出电压也有0~10V,所以给水流量变送器系数传递函数的执行器和控制阀是由图a传递函数可以得到传输延迟得到非自平衡对象传递函数然后得到非自平衡对象传递函数根据图B),首先,从零平行于H的后半部分直线Ht,在Ht和T轴的交点E,并使得E和G等于EF的垂直距离,使从G水平线,稳态值()2ht值
3.5mm所以虚假水位的部分,,我们可以通过逐点计算得到的曲线,从而使切线它得到的,所以由于得到了
5、parametertuningof控制器根据所获得的对象数学模型,设计了模糊控制器,控制器参数整定和主回路和小的设计级联三参数控制系统回路进行
5.1小回路参数的整定我们可以分析副回路作为一个通用的回路,作为执行机构,控制阀,都可视为比例控制元件,单回路是由调节器和广义控制的广义控制装置=1*
0.1*1*
0.083=
0.0083广义的控制对象是一个比例控制元件,根据经验丰富的调节器的比例带,只要获得足够小的积分时间就能满足内循环是一快速系统仿真结构和小回路图仿真图如图4所示图4小环路的仿真图通过仿真图我们可以看到小闭环控制系统的性能非常好,系统的快速性和稳定性是会议的要求,它可以快速消除干扰,满足生产要求从仿真图我们可以得到小回路可以近似为快速伺服系统,所以小回路可以放置仿真结论根据调节器参数的理论由主回路和副回路调节器和模糊参数的计算,可应用于MATLAB和SIMULINK,建立模糊自适应PID控制系统仿真结构的锅炉汽包的级联–三参数,通过MATLAB和SIMULINK仿真结构,如图5所示,其中模糊控制器是双输入和三个输出控制器,在本质上,它是非线性PD操作,输出信号是PID参数的修正,结合原有的主回路PID控制器的三个参数作为系统的控制信号,输入设计仿真结构的模糊控制器的仿真文件,可运行在给定的阶跃信号的作用,系统的输出响应曲线如图6所示,主回路的模糊自适应PID调节器调整校正如图7所示图5模糊自适应级联三参数的仿真结构供水系统图6在给定的阶跃信号作用的输出响应曲线图7PID参数的修正它可以从上面的数据,三个参数水控制系统可以无干扰快速和稳定的工作,以满足生产要求但在实际生产过程中总是有各种各样的干扰,所以接下来我们分析的主要干扰,通过模拟实际生产经验图8给水流量扰动响应输出曲线图9输出响应曲线的蒸汽流量扰动给水流量是内部干扰,在级联三个参数供水控制系统,主调节器的任务是正确的水位偏差给水流量扰动发生时,该锅炉汽包水位的变化,系统将通过水发射机使变化反馈给主控调节,主调节器作用和调节水位,从而消除干扰无法进入小的循环,当稳定,保持汽包水位等于设定值、保证系统安全和可靠地运行但扰动发生时,系统会通过反馈调节水位的影响,所以系统会有一些延迟给水流量扰动的输出响应曲线如图8所示蒸汽流量扰动是外界的干扰,当蒸汽流量扰动在级联三参数供水控制系统,蒸汽流量信号使水阀向积极方向转移,使给水和蒸汽流量,这是平衡的,蒸汽流量增加,水阀在大,偏上移动相反方向引起的“虚假水位”和减少波动范围的水位和水的供应,保证系统安全运行和可靠的蒸汽流量扰动的输出响应曲线如图9所示通过以上的设计和仿真,我们可以看到,在控制系统的作用下,在一个给定的信号系统在常规PID控制的基础上,通过三个参数调整的模糊逻辑推理提供了良好的性能它的快速性和稳定性,满足控制要求供水压力下(流量)变化和负载变化,它也可以消除内部干扰和外部干扰的影响,快速满足热生产的要求怎么样致谢能够完成本文,我非常感谢我的导师,太原理工大学杨巨生教授,和张聪彪学长由于电厂热工控制对我是全新的领域,因此,在论文的研究阶段,杨巨生老师从论题的切入点,国内外的研究现状,论题的发展前景都做了悉心的指导和帮助;引导我充分运用已有的工作实践经验,做到与理论结合;对论文提出了很多建设性的想法,提供了很多重要的参考文献,方成本文在论文的写作阶段,“太原理工大学研究生张聪彪学长,高源同学,在学习上给予了很多无私的帮助;在此,对他们的帮助致以诚挚的谢意感谢在论文进行期间,亲朋给予的理解、关心感谢在生活和学习过程中给予我支持和帮助感谢太原理工大学的授业恩师。