火电厂过热气温控制研究毕业设计Word格式文档下载.docx

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第三章模糊控制与控制理论9

3.1模糊控制理论9

3.1.1模糊控制简介9

3.1.2模糊控制的基本原理9

3.2模糊控制器的设计10

3.2.1模糊化运算10

3.2.2知识库11

3.2.3模糊推理11

3.3Smith控制理论12

第四章过热汽温控制系统研究14

4.1基于过热汽温控制的模糊控制器的设计14

4.1.1模糊控制工具箱简介14

4.1.2基于过热汽温控制的模糊控制器的设计14

4.2过热汽温串级控制系统的研究16

总结17

致谢18

参考文献19

附录20

A1.1E、EC、U的隶属度函数图20

A1.2模糊控制规则库21

引言

随着社会的不断进步，整个国民经济对电力的需求越来越大，对电力供应的可靠性也提出了更高的要求。

为保证电力供应的稳定：

一方面要求发电机组的输出能力要能及时跟上电网负荷的变化，另一方面又要保证机组的安全运行。

目前，串级控制在火电厂中的过热汽温实时控制中占主导地位，但其控制效果还不能令人十分满意。

长期以来，针对火电厂被控对象过热器具有大滞后、非线性、多变量和时变等特点，国内外对过热汽温控制方法进行了很多有益探索和研究。

因为国内外在过热汽温控制系统的技术和发展方面十分接近，所以，这里主要对当前国内过热汽温过程控制的方法，进行有限的阐述。

PID控制算法是其中最简便的，控制参数可依据经验公式进行整定或解析设计。

火电厂中的过热汽温实时控制，如果采用传统的PID控制规律，因为参数整定困难，缺乏对过热器动态变化的自适应能力，达不到火电厂中的过热汽温实时控制的要求。

模糊控制是由控制理论与模糊集合理论相结合发展起来的一种新型控制技术。

因它能利用熟练运行人员的操作经验或领域专家的知识，解决复杂被控对象的控制问题，故模糊控制从一开始便立刻引起控制界的广泛兴趣，并得以迅速发展。

模糊控制的发展历史不长，模糊控制本身还存在一定的缺陷等原因。

如果单独使用模糊控制对过热汽温进行过程控制，也不能满足过热汽温实时控制的要求。

尽管国内许多控制专家就过热汽温可控性差的问题，做了很多研究，也提出了不少新的、先进的控制方案，但因工程实现存在困难，真正应用甚少，故火电厂过热汽温控制问题也一直未能得到彻底的解决。

第一章过热汽温系统概述

1.1过热器的布置及其流程

锅炉过热器是由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成。

其任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定的数值，然后送到汽机去做功。

通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。

由于过热器承受高温高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。

锅炉过热器的布置示意图如图1.1所示

1-汽包；

2-顶棚过热器；

3-级减温器；

4-低温段对流过热器；

5-屏式过热器；

6-二级减温器；

7-高温段对流过热器；

8-过热蒸汽；

9-燃烧器；

10-炉膛；

11-烟道过热器；

12-烟道

图1.1过热器布置及流程简图

其中顶棚过热器：

布置在炉膛、水平烟道及转向室的顶部，用于吸收炉膛辐射热，属于辐射式过热器。

低温段对流过热器：

布置在竖井烟道上部，其传热方式为对流热，属于对流式过热器。

屏式过热器：

布置在靠近炉膛前墙的顶部，吸收炉膛的辐射热，属于辐射式过热器。

高温段对流过热器：

布置在炉膛出口折焰角的上方，吸收炉膛部分辐射热和大部分对流热，由于传热方式以对流为主，故称对流过热器。

由于过热器受热面积大，所以将其一部分布置在炉膛内及炉膛出口处，用以吸收部分炉膛内的辐射热量，满足蒸汽吸热的需要。

为了减小热偏差，改善管子的工作条件，应控制过热器管壁温度不超过所用材料的最高允许温度，并使过热器具有良好的温度特性。

该过热器系统采用了部分辐射式过热器和部分对流式过热器，系统进行了七次混合，一次左右交叉，这有利于消除过热器的热偏差，防止超温，确保过热器的安全工作。

由以上过热器在锅炉中的位置分布可知，它由多段组成，过热器不仅以对流方式吸收

炉膛中的热量，还以辐射的方式吸收炉膛中的热量。

过热器用多段喷水方式进行减温以控制出口汽温，随着机组容量的增大，蒸汽过热段吸收的热量相对提高，使过热器的受热面

积加大，管段加长，减温器数量增多，一般200~300MW机组的锅炉过热器采用两段喷水，更大容量机组的锅炉采用三段甚至四段喷水减温，稳定各段汽温以保证出口汽温的稳定。

1.2过热汽温对象的特性

1.2.1汽温对象的静态特性

过热汽温调节对象的静态特性是指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。

从图1.2所示的静态特性可以看出，对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温的静态特性完全相反。

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吸热量，因此辐射式过热器的出口汽温随负荷增加而降低。

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受热面积，因而总的汽温将随负荷增加而升高。

100

80

60

20

40

图1.2过热汽温的静态特性

1.2.2汽温对象的动态特性

蒸汽从汽包出来以后，通过过热器的低温段至减温器，然后再到过热器的高温段，最后至汽轮机。

过热汽温喷水减温系统示意图见图1.3，

是过热汽温，它是控制系统的被调量，

是喷水减温器后的过热温度，D是蒸汽流量，W是喷水量，它是系统的调节量。

火电厂锅炉所产生的过热汽温并不是固定不变的，它要受到设计、运行、安装等多种因素的影响。

锅炉运行中要控制好过热汽温，必须对影响过热汽温的因素进行分析。

锅炉运行中影响过热汽温的因素有很多。

如蒸汽负荷、烟气温度和流速、给水温度、炉膛热负荷、送风量、给水母管压力、燃烧器火焰喷嘴方向和减温水量等。

归纳起来，主要为蒸汽流量，烟气传热量和减温水三个方面的扰动。

对被控对象过热器的特性分析，是探索改善过热汽温的过程控制，寻求设计控制系统结构和控制规律要解决的第一个主要问题。

图1.3过热汽温喷水减温系统示意图

综上所述，过热汽温被控对象在各种扰动下都有延迟，有惯性，有自平衡能力。

需要指出的是，在喷水减温控制系统中，因减温水量的扰动强烈，对此段的温度要求比对高温段出口要求低，故常将减温水量作为串级控制系统的副参数。

正常运行中，过热汽温控制的基本原则是：

正常运行时使用减温水控制，在低负荷运行，汽温达不到额定数值时，则可根据不同的负荷，由运行人员采用不同的汽温定值进行控制。

若采用关闭减温水和提高火焰中心的方法还维持不了汽温数值时，也可适当采用提高过剩空气系数的方法进行控制。

1.3过热汽温对象的数学模型

根据汽温的阶跃响应曲线，利用面积法、切线法、半对数法等，可以求出过热汽温控制对象的传递函数为（1-1）：

（1-1）

式中：

K整个汽温的放大系数；

T、n分别为整个汽温对象的时间常数和阶数。

现以某电厂一机组过热器为例，通过以上分析可知，在90%负荷的稳定运行状态下，通过施加减温水的阶跃扰动，测得汽温对象的阶跃响应特性,过热汽温对象的传递函数为：

（1-2）

可见该对象具有明显的滞后特征，一般认为纯迟延时间

与过程的时间常数T之比大于0.3，则说明该过程是具有大迟延的工艺过程。

另外当对象特性变化较大和外界扰动较大时，常规的PID算法就很难达到预期的控制效果。

因此我们考虑采用以常规的串级控制为基础。

利用预估器对模糊控制进行有效的补偿，既可以很好的解决火电厂过热汽温所具有的大惯性，大迟延的特性，进而对过热汽温进行有效的控制。

其中模糊控制原理和预估补偿原理将在第二章中详细介绍。

第二章过热蒸汽温度串级控制系统的分析

2.1PID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

（2-1）

式中积分的上下限分别是0和t。

因此传递函数为：

（2-2）

其中

为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3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。

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。

2.1.4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。

2.2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2.1所示。

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2.1

可以看出，引入

负反馈而构成的副回路起到了稳定

（或

）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

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

不等于规定值，主控制器就会不断地改变其输出信号

，并通过副控制器

去不断改变减温水流量，直到

恢复到等于规定值为止。

由图2.1还可以看出，主控制器的输出信号

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2.1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2.1得出系统的串级调节系统的方框图，如图2.2所示。

图2.2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。

第三章模糊控制与控制理论

模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。

一方面，模糊控制提出一种新的机制用于实现基于知识甚至语义描述的控制规律；

另一方面，模糊控制为非线性控制器提出一个比较容易的设计方法，尤其是当受控装置含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。

针对过热汽温系统具有大延迟特性，模糊控制又不能解决大延迟特性，而Smith预估控制是解决具有大延时特性的最有效的方法之一，因而采用Smith预估控制有利于改善控制系统的控制品质。

本章将首先简述模糊控制系统的组成，然后讲述模糊控制的原理，其次讲述模糊控制器的基本设计，最后讲述预估控制原理。

3.1模糊控制理论

3.1.1模糊控制简介

1965年扎德（Zadeh）提出的模糊集理论成为处理现实世界各类物体的方法，此后，对模糊集合和模糊控制的理论研究和实际应用获得广泛开展，在过去的20年中，模糊控制也是智能控制中一个十分活跃的研究与应用领域。

影响控制效果。

另外，模糊控制系统的稳定性也得不到保证。

对模糊控制系统进行分析，有利于了解模糊控制系统的优势和不足，有利于为过热汽温模糊控制系统的设计提供相关的重要理论依据，有利于在模糊控制器设计的过程中，扬长避短，最大限度地发挥模糊控制的优势，克服模糊控制自身的不足。

3.1.2模糊控制的基本原理

模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。

在用模糊控制方法解决控制问题时，只需对控制中所可能出现的各种情形加以分析，依据控制者的经验和知识，寻求解决的一般方法。

模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统。

如图3.1所示。

图3.1模糊控制系统框图

模糊控制器的基本结构如图3-1虚线框中所示。

它由模糊化、知识库、模糊推理和清

晰化四个基本单元组成。

它们的作用说明如下：

（1）模糊化。

测量输入变量和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符。

本单元可视为模糊集合的标记。

（2）知识库。

涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和语言控制规则库组成。

数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义。

语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。

（3）模糊推理。

这是模糊控制的核心，以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程。

根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。

（4）清晰化。

起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制规则。

此精确控制作用必须进行输出定标，这一作用是在对受控过程进行控制之前通过变量交换实现的。

3.2模糊控制器的设计

模糊控制可以被认为是在总结采用人类自然语言概念操作经验的基础上升华而发展起来的模仿人类智能的一类控制方法，这类控制的核心是模糊控制器。

模糊控制器的作用过程，是将控制偏差等精确量模糊数学化为模糊量，然后，根据基于语言控制规则或操作经验提取的模糊控制规则，经推理得到控制作用的模糊量，最后，采用一定的清晰化算法，将模糊控制量换算为精确控制量输入给执行机构，从而完成系统的模糊作用过程。

3.2.1模糊化运算

模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。

模糊化在处理不确定信息方面具有重要的作用。

对输入数据进行模糊化是必不可少的。

在模糊控制器中，一般可以将误差、误差变化率作为模糊控制的输入量。

在模糊控制系统中，误差e和误差变化率ec的变化范围必须被变换成相应的语言变量E及EC的实际变化范围，E及EC的实际变化范围被称为误差及其变化率语言变量的基本论域。

在模糊控制系统设计过程中，由于必须将模糊控制器输入量误差e的任何实际数值，变换成其论域中相应的元素，二者的差异很大，因而需要通过量化因子进行论域变换。

设误差的实际变化范围为[

，

]，其模糊论域为[

]，故误差的量化因子

为

（3-1）

同理，可得误差变化率的量化因子

同上式所示。

与量化因子进