第26卷第2期2007年6月
计 算 技 术 与 自 动 化ComputingTechnologyandAutomation
Vol126,No12
Jun.2007
文章编号:1003-6199(2007)02-0027-04
一种在线模糊控制的锅炉过热蒸汽温度调节方法
赵 炜1,张 戟2,张伟红3
(1.湖南第一工业设计研究院,湖南长沙 410011;2.湖南大学电控技术应用研究所,湖南长沙 410082;
3.湖南省电器研究所,湖南长沙 410009)
摘 要:传统的锅炉过热蒸汽温度控制系统通过检测过热蒸汽温度及其变化趋势来调节减温水量,从
而维持过热蒸汽温度在允许的范围之内。由于过热蒸汽温度在减温水量扰动下延迟较大,这种特性使过热蒸汽温度的控制滞后,控制效果不理想。分析现有热电厂锅炉过热蒸汽温度调节系统的控制策略,提出利用锅炉出口蒸汽温度的变化率和炉膛出口烟气温度作为前馈信号,解决过热蒸汽温度调节的滞后性。基于此设计一种锅炉过热蒸汽温度在线模糊PID双模控制方法,并给出详细设计方案。现场运行表明该方法可有效提高原系统的鲁棒性。
关键词:锅炉;过热蒸汽温度;在线模糊控制;鲁棒性中图分类号:TP311 文献标识码:A
OneOnlineFuzzyControlBoilerSuperheatVaporTemperatureAdjustmentMethodZHAOWei1,ZHANGJi2,ZHANGWei2hong3
(1.HunanFirstIndustrialDesignResearchInstitute,Changsha 410011,China;
2.HunanUniversityElectricallyControlledTechnologyResearchInstitute,Changsha 410082,China;
3.HunanProvinceElectricApplianceResearchInstitute,Changsha 410009,China)
Abstract:Traditionalcontrolsystemforboilersuperheatedsteamtemperatureregulatesdesuperheatingwaterflowthrough
testingthesuperheatedsteamtemperatureanditsvariationtrend,thuskeepingthetemperatureofsuperheatedsteamwithinaper2missiblerange.Theconsiderabledelayinchangeofsuperheatedsteamtemperaturewithrespecttodistrubanceofdesuperheatingwaterflow,however,leadstothelagginginsuperheatedsteamtemperaturecontrolandasaresultthecontroleffectisnotsatisfy2ing.Hasanalyzedtheexistingthermalpowerplantboilersuperheatvaportemperaturegovernignsystemcontrolstrategy,proposedexportsthevaportemperatureusingtheboilertherateofchangeandthechamberexportsthehazetemperaturetotaketheforwardfeedsignal,thesolutionsuperheatvaportemperatureadjustmenthysteresisquality.Hasdesignedoneboilersuperheatvaportem2peratureonlinefuzzyPIDdoublemodelcontrolmethodbasedonthis,andhasgiventhedetaileddesignproposal.Thescenemove2mentindicatedthismethodmayraisetheplateausystemeffectivelyrobustness.
Keywords:boiler;steamtemperature;fuzzycontrol;robust
1 前 言
过热蒸汽温度是火力发电厂锅炉设备的重要
参数。但受现场工况影响,过热蒸汽温度这一调节
对象成为一个时变的、非线性、大滞后、大惯性的复杂热工控制对象,控制起来比较困难,因此也产生了多种不同的控制方法。虽然已有些文献对此问题作出研究[1-3],但现场热蒸汽温度调节的滞后性和稳定性仍没有较好解决。本文在分析现场工
收稿日期:2007-01-20
),男,湖南邵东人,工程师,研究方向:火力发电设计(E-mail:7314595757@126.com);张 ),男,作者简介:赵 炜(1965—戟(1973—
湖南长沙人,工程师,研究方向:热电厂及火电厂自动化系统。
28计算技术与自动化2007年6月
况的基础上,提出了一种解决过热蒸汽温度滞后性的软测量方法,并利用在线模糊PID双模控制方法改善系统的鲁棒性。
2 影响过热蒸汽温度变化的主要扰动因素
锅炉蒸汽过热系统的控制任务就是控制过热器出口汽温在规定范围内,并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度,从而保证过热器的正常使用寿命,又能为汽轮机的安全运行提供有力的保障。主蒸汽温度是否稳定是衡量锅炉运行质量的重要技术指标之一。
本文所探讨的是35～130t/h中温中压电站锅炉过热蒸汽温度的控制方法。过热蒸汽温度调节系统结构如图1所示。
图2 过热蒸汽温度串级控制系统原理图
在以上所述的控制方法中,主、副调节器PID
参数整定困难,在锅炉负荷稳定时效果尚可,能基本解决主汽温度控制的时变性问题,但无法解决主汽温度控制的大滞后问题,控制效果不十分理想。
4 在线模糊控制的方案及实现
模糊控制器由于具有快速跟踪特性,非常适合于对大惯性、大滞后的非线性被控对象进行控制。但普通的模糊控制器稳态精度较差,产生这一问题的主要原因是,当系统接近稳态时,偏差及其变化率在模糊集合上的投影为零,模糊控制器不再进行调节动作,也即进入了“死区”。系统在此区域里的动态特性完全依赖于受控对象的动态特性。所以,改进模糊控制器的调节品质可以从改进模糊控制器的“死区”特性入手。这里我们采用双控制模块的控制器。当锅炉处于动态时(过热蒸汽温度升降大,偏差大)投入在线模糊控制,保证减温调节系统的快速响应;当系统稳定时,则进行在线模糊PID控制。采用模糊控制模块,模糊控制模块进入“死区”后,第二个控制模块投入使用,将系统调节到稳态。本系统选用PID调节器作为第二个控制模块,就构成了Fuzzy-PID双模控制器。
Fuzzy-PID双模控制器由一个选通开关控制,系统远离稳态时采用模糊控制模块,系统接近稳态后,PID调节器被选通投入控制,将系统调节到稳态点。系统接近稳态时,系统的动态特性接近线性,适合PID调节器进行调节,并且PID调节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,并且在模糊控制模块进入“死区”后,由于有PID调节模块对系统进行调节,提高了系统在稳态点附近的动态品质。因此Fuzzy-PID双模控制器是一种比较实用的模糊控制器。
图3是Fuzzy-PI双模控制器的结构示意图,图中e和e3分别代表实际出口蒸汽温度与设定值的偏差及偏差的变化率,u代表控制器输出的控制
图1 过热蒸汽温度调节系统结构示意图由图1我们可以看出,影响过热蒸汽温度变化的主要扰动因素有:1)减温水流量的变化;2)负荷(过热蒸汽流量)的变化;3)烟气温度的变化;4)过热器热交换性能的变化。各种扰动因素之间又相互影响,控制其中的任何一个变量,都可实现对过热蒸汽温度的调节。
3 经典的过热蒸汽温度串级控制系统
根据图一所示的过热蒸汽温度调节系统结构图,可设计出过热蒸汽温度经典串级控制系统。过热蒸汽温度串级控制系统原理如图2所示。调节器I称主调节器,调节器Ⅱ称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器Ⅰ的输出信号,不是用来控制调节阀而是用来改变调节器Ⅱ的给定值,起着最后校正作用。这两级调节器串在一起,各有其特殊任务。调节阀直接受调节器Ⅱ的控制,而调节器Ⅱ的给定值受到调节器Ⅰ的控制,形成了特有的双闭环系统,由副调节器和减温器出口温度θ2形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号θ形成的闭环称为主环。可见副环是串在主环之中,故称为串级控制系统。
第26卷第2期赵 炜等:一种在线模糊控制的锅炉过热蒸汽温度调节方法29
量。的步骤,其调整幅度是灵活的、模糊的。
具体过热蒸汽温度在线模糊控制流程如图4
所示。
1)定时器t1开始定时,在规定时间内都满足|T1C-T0|<εT(其中T1C为过热蒸汽温度误差变化率,T0为过热蒸汽温度设定额定值,εT为稳态偏差,εT的取值与设备和运行方式有关,可根据
图3 Fuzzy-PID控制器示意图
基本模糊控制器模块和PI调节器模块都采用的是数字增量式控制算法。即有:
e(n)=Tw(n)-Twd(n)e3(n)=
e(n)-e(n-1)t
u(n)=u(n-1)+Δu(n)
实际情况调整),则开始在线模糊控制,否则t1清零,重新定时。
2)当t1没有清零,不重新定时。则t2定时开始,进入在线模糊控制程序,当检测到ΔTi-1>
ΔTi为锅炉过热蒸汽温度0,ΔTi<0(其中ΔTi-1、
误差)时,则表明控制目标值(锅炉过热蒸汽温度)稳定在一定范围内。这时停止在线模糊控制,一直到下次启动模糊控制程序。
其中,Tw(n)是水温的实际值;Twd(n)是水温的给定值;Δu(n)是由控制模块输出的控制量的变化量;t是控制器的采样时间。
在理想控制中,一般希望用减温器出口温度作为前馈以弥补主蒸汽温度的大滞后,但工艺上安装往往有困难。根据锅炉的手动运行经验可以总结成“控制锅炉出口蒸汽温度的变化率,用炉膛出口烟气温度作为前馈,防止出现较大超调”,通过模糊推理的方法,可以建立如下的控制查询表。
表1 在线模糊控制规则表NB
NBNMNSNOPOPSPMPB
PBPMPSPSNSNSNMNB
NMPBPBPMPSNMNMNBNB
NSPBPBPMPSNMNMNBNB
NOPBPBPMPSNMNMNBNB
PONBNBNMNSPMPMPBPB
PSNBNBNMNSPMPMPBPB
PMNBNBNMNSPMPMPBPB
PBNBNMNSNSPMPSPMPB
锅炉过热蒸汽在线模糊控制过程可以描述如下:
如果过热蒸汽温度误差变化率T1C为负小
(NS)而炉膛出口烟气温度误差变化率T2C为负小(NS)时,则减温调节阀门开度变化率UC为正大(PB);如果过热蒸汽温度误差变化率T1C为正中(PM)而炉膛出口烟气温度误差变化率T2C为负大(NB)时,则减温调节阀门开度变化率UC为负中(NM)等,具体见在线模糊控制规则表(表1)。采用上述推理,对生产过程经验要求较少,且在动态中决定减温调节阀门开度变化率UC。这种调节方式与实际人工控制方式十分相似,即在操作减温调节阀门时,灵活采取“观察———调整———观察”
图4 过热蒸汽温度在线模糊控制流程图
5 现场调试及运行结果
根据上述改进的控制系统,修改了原控制系
统的组态,我们将控制器参数用于现场,通过现场调试做了进一步的修正,并设定了前馈信号参数。图5表示:在主蒸汽定值设定在450℃的情况下,
30计算技术与自动化2007年6月
曲线1表示在改进后用Fuzzy-PID控制情况下主蒸汽温度响应曲线最大动态偏差仅3℃,曲线2表示在改进前经典控制情况下主蒸汽温度响应曲线动态偏差达到10℃。实际运行效果较改进前明显改善。
6 结束语
以上控制方式在福建龙岩适中火电厂实现获得了良好的效果,能将锅炉过热蒸汽温度控制在±3℃范围内。与经典的过热蒸汽温度串级控制系统相比,它克服了大滞后的问题,达到了满意的调节效果。
参考文献
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(上接第15页)
4 仿真结果
采用基于无模控制的集矿头高度与集矿机车体姿态去耦控制算法后,设定高度与实际高度的仿真结果如图1所示。
5 结束语
本文通过对集矿头和集矿机车体姿态参数分析,设计了基于无模控制的去耦控制器,仿真结果表明,采用该算法消除了集矿机车体姿态对集矿头高度的影响,可以与液压系统滞后性相匹配,使集矿头达到最佳的集矿效率,使集矿机行走稳定。
参考文献
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其中,采样时间T为50ms,控制周期为
500ms。由图1可看出,在前5s内,需要通过输入输出量来辨识参数,仅采用集矿头高度控制,实际高度和设定高度之间存在着一定的误差,而在5s以后采用去耦控制算法后消除了集矿机车体姿态对集矿头高度的耦合影响,同时也在一定程度上消除了液压系统的大滞后性,使实际高度能够较好的跟随设定高度的变化。
