CN101761917B - 一种锅炉过热汽温模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有的锅炉过热汽温PID串级控制方法和模糊串级控制方法所存在的不足，提供了一种锅炉过热汽温模糊控制方法；该方法建立了一种估算过热器导前区出口温度目标值的方法，通过两个独立的二维模糊控制器，根据过热器出口温度信息以及过热器导前区出口温度信息进行模糊推理，产生相应的控制分量，并通过两个控制分量的加权综合产生控制量；并且提出了一种根据锅炉负荷的变化在线调整控制分量加权因子的方法。与现有技术中的锅炉过热汽温PID串级控制方法和模糊串级控制方法相比，本发明所提供的锅炉过热汽温模糊控制方法具有更好的自适应能力和鲁棒性。

Description

一种锅炉过热汽温模糊控制方法

技术领域

本发明属于热工过程自动控制领域，尤其涉及对锅炉过热汽温进行模糊控制的技术。

背景技术

锅炉过热汽温对象具有较明显的惯性、时滞性和非线性，系统的动态特性随运行工况的变化而改变，其精确的数学模型难以建立。

目前，锅炉过热汽温控制系统多采用PID串级控制方式。这种PID串级控制系统结构简单，易于实现。其主要不足在于，由于PID参数严重依赖于控制对象的精确数学模型，当过热汽温对象的运行工况发生变化时，PID串级控制系统的控制品质难以保证。

为了改善过热汽温控制系统的控制性能，一些研究者将模糊控制方法引入到过热汽温串级控制系统之中，以基本的二维模糊控制器作为主控制器，与副控制器(通常采用P控制器或PI控制器)构成模糊串级控制系统。模糊串级控制系统能够在一定程度上提高汽温控制系统的性能。由于此类模糊串级控制系统中的副控制器仍然采用线性控制器(P控制器或PI控制器)，当控制对象特性发生明显变动后，系统的控制性能同样将明显恶化。此外，在设计此类模糊串级控制系统时，与设计前述的PID串级控制系统一样，仍然需要控制对象的精确数学模型。

发明内容

本发明的目的是，为克服现有的锅炉过热汽温PID串级控制方法和模糊串级控制方法所存在的不足，提供一种具有较强自适应能力和鲁棒性能、不需要对象的精确数学模型的锅炉过热汽温模糊控制方法。

为实现所述目的，本发明提供这样一种锅炉过热汽温模糊控制方法，该控制方法包括如下步骤：

①根据过热器出口蒸汽温度t_s、过热器导前区出口蒸汽温度t_f以及过热器出口蒸汽压力p_s，确定静态增益系数k_f：

k_f＝C_p(t_s，p_s)/C_p(t_f，p_s)                  (1)，

其中，C_p(t_s，p_s)代表温度为t_s、压力为p_s的过热蒸汽的定压比热容，C_p(t_f，p_s)代表温度为t_f、压力为p_s的过热蒸汽的定压比热容；进而根据静态增益系数k_f和过热器出口温度信号目标值y_s0估算过热器导前区出口温度信号目标值y_f0：

y_f0＝k_fy_s0                (2)；

②建立过热器出口温度模糊控制器FC_s，根据过热器出口温度信号y_s与过热器出口温度信号目标值y_s0的偏差e_s及该偏差的变化率ec_s，通过模糊推理得到过热器出口温度控制分量u_s；建立过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f，根据过热器导前区出口温度信号y_f与过热器导前区出口温度信号目标值y_f0的偏差e_f及该偏差的变化率ec_f，通过模糊推理得到过热器导前区出口温度控制分量u_f；

所述偏差e_s及偏差变化率ec_s按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_s=y_{s0}-y_s\\ {\mathrm{ec}}_s=d{e}_s/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(3\right),$

所述偏差e_f及偏差变化率ec_f按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_f=y_{f0}-y_f\\ {\mathrm{ec}}_f=d{e}_f/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right),$

式(3)和(4)中，t为时间，d/dt为关于时间的导数；

③根据锅炉的运行负荷，利用下式估算过热器出口温度控制分量u_s的加权因子β：

β＝β₀exp[-b(1-D/D₀)](5)，

其中，D₀为锅炉在额定负荷下的过热器出口蒸汽流量，D为锅炉在当前运行负荷下的过热器出口蒸汽流量，β₀为在额定负荷下选用的过热器出口温度控制分量u_s的加权因子，0＜β₀＜1；b为一个选用的常系数，且b＞0；

以1-β作为过热器导前区出口温度控制分量u_f的加权因子；

④按下式对过热器出口温度控制分量u_s和过热器导前区出口温度控制分量u_f进行加权综合，得到控制量u：

u＝βu_s+(1-β)u_f                   (6)。

与现有技术中的锅炉过热汽温PID串级控制方法和模糊串级控制方法相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过两个独立的二维模糊控制器，根据过热器出口温度信息以及过热器导前区出口温度信息进行模糊推理，产生相应的控制分量，并通过两个控制分量的加权综合产生控制量；控制规则由专家和操作人员的经验确定，控制器的设计不需要控制对象的精确数学模型，提高了控制系统的鲁棒性；

2)本发明依据热力系统能量守恒原理，建立了一种估算过热器导前区出口温度目标值的方法，保证了前述的锅炉过热汽温模糊控制方法的稳态控制精度；

3)本发明通过控制对象动态特性分析，提出了一种根据锅炉负荷的变化在线调整控制分量加权因子的方法，提高了所述控制方法的自适应能力。

附图说明

图1为与本发明方法对应的锅炉过热汽温模糊控制系统结构图；

图2为锅炉过热汽温PID串级控制系统结构图；

图3为锅炉过热汽温模糊串级控制系统结构图；

图4为100％负荷时过热蒸汽温度控制过程响应特性比较；

图5为75％负荷时过热蒸汽温度控制过程响应特性比较；

图6为50％负荷时过热蒸汽温度控制过程响应特性比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种锅炉过热汽温模糊控制方法(参考图1)，该控制方法包括如下步骤：

①根据过热器出口蒸汽温度t_s、过热器导前区出口蒸汽温度t_f以及过热器出口蒸汽压力p_s，确定静态增益系数k_f：

k_f＝C_p(t_s，p_s)/C_p(t_f，p_s)             (1)，

其中，C_p(t_s，p_s)代表温度为t_s、压力为p_s的过热蒸汽的定压比热容，C_p(t_f，p_s)代表温度为t_f、压力为p_s的过热蒸汽的定压比热容；进而根据静态增益系数k_f和过热器出口温度信号目标值y_s0估算过热器导前区出口温度信号目标值y_f0：

y_f0＝k_fy_s0                            (2)；

②建立过热器出口温度模糊控制器FC_s，根据过热器出口温度信号y_s与过热器出口温度信号目标值y_s0的偏差e_s及该偏差的变化率ec_s，通过模糊推理得到过热器出口温度控制分量u_s；建立过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f，根据过热器导前区出口温度信号y_f与过热器导前区出口温度信号目标值y_f0的偏差e_f及该偏差的变化率ec_f，通过模糊推理得到过热器导前区出口温度控制分量u_f；

所述偏差e_s及该偏差的变化率ec_s按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_s=y_{s0}-y_s\\ {\mathrm{ec}}_s=d{e}_s/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(3\right),$

所述偏差e_f及该偏差的变化率ec_f按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_f=y_{f0}-y_f\\ {\mathrm{ec}}_f=d{e}_f/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right),$

式(3)和(4)中，t为时间，d/dt为关于时间的导数；

所述过热器出口温度模糊控制器FC_s和过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f的各输入、输出变量的模糊子集分别取为：

E_s＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}  EC_s＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

E_f＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}  EC_f＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

U_s＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}  U_f＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

其中，E_s和EC_s分别代表作为过热器出口温度模糊控制器FC_s输入变量的偏差e_s和该偏差的变化率ec_s的模糊子集；E_f和EC_f分别代表作为过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f输入变量的偏差e_f和该偏差的变化率ec_f的模糊子集；U_s代表作为过热器出口温度模糊控制器FC_s输出变量的控制分量u_s的模糊子集；U_f代表作为过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f输出变量的控制分量u_f的模糊子集；

FC_s和FC_f的模糊推理按表1所示的模糊控制规则进行：

表1FC_s和FC_f的模糊控制规则

所述控制分量u_s的和控制分量u_f根据最大隶属度原则确定。

③根据锅炉的运行负荷，利用下式估算过热器出口温度控制分量u_s的加权因子β：

β＝β₀exp[-b(1-D/D₀)](5)，

其中，D₀为锅炉在额定负荷下的过热器出口蒸汽流量，D为锅炉在当前运行负荷下的过热器出口蒸汽流量，β₀为在额定负荷下选用的过热器出口温度控制分量u_s的加权因子，0＜β₀＜1；b为一个选用的常系数，且b＞0；

以1-β作为过热器导前区出口温度控制分量u_f的加权因子；

④按下式对过热器出口温度控制分量u_s和过热器导前区出口温度控制分量u_f进行加权综合，得到控制量u：

u＝βu_s+(1-β)u_f                (6)。

下面通过具体实例，对锅炉过热蒸汽温度模糊控制方法作进一步说明，以验证本发明方法的优越性。

控制对象为某台600MW超临界压力锅炉高温过热器。该高温过热器在不同负荷时的传递函数模型如表2所示。模型的输入为减温器喷水流量的变化(kg/s)，输出分别为导前区出口蒸汽温度和过热器出口蒸汽温度的变化(℃)。

表2过热汽温对象模型

采用本发明所述的锅炉过热汽温模糊控制方法，对该过热汽温对象的控制过程进行了仿真试验，并与PID串级控制方法以及模糊串级控制方法的控制结果进行了比较。

作为比较的锅炉过热汽温PID串级控制系统如图2所示，主控制器为PID控制器，副控制器为P控制器；这两个控制器均按100％负荷模型整定，最佳整定参数为：主控制器比例带δ₂＝0.83，主控制器积分时间常数T_i＝94.8s，主控制器微分时间常数T_d＝23.7s；副控制器比例带δ₁＝0.04。

作为比较的模糊串级控制系统如图3所示。在该模糊串级控制系统中，由二维模糊控制器替代PID串级控制系统的主控制器；该二维模糊控制器的模糊控制规则与FC_s和FC_f相同(见表1)；副控制器仍采用PID串级控制系统中的P控制器。

该超临界压力锅炉的过热器出口蒸汽温度的设计值为541℃，过热器导前区出口蒸汽温度的设计值为488℃；锅炉采用复合式变压运行方式，在不同负荷下过热器出口蒸汽流量D和过热器出口蒸汽压力p_s见表3。

表3不同负荷下过热器出口蒸汽流量和压力

首先，根据前述的步骤①，利用设计工况下的参数由式(1)估算过热器导前区出口温度信号目标值y_f0的静态增益系数k_f；在控制过程中，则根据实际的过热器出口蒸汽温度t_s、过热器导前区出口蒸汽温度t_f以及过热器出口蒸汽压力p_s，按式(1)在线计算该静态增益系数k_f，并按式(2)估算过热器导前区出口温度信号目标值y_f0；其次，按前述的步骤②建立两个独立的二维模糊控制器FC_s和FC_f，并按表1确定二维模糊控制器FC_s和FC_f的模糊控制规则；进一步按式(5)估算过热器出口温度控制分量u_s的加权因子β，在验证例中，取前述的β₀＝0.75及b＝3.6；最后，按前述的步骤④，通过式(6)对过热器出口温度控制分量u_s和过热器导前区出口温度控制分量u_f进行加权综合，产生控制量u。

当过热器出口温度信号目标值y_s0单位阶跃增加时，依据本发明方法产生的过热蒸汽温度控制过程的响应特性见图4～图6中的曲线3。

作为比较，在图4～图6中还同时给出了采用PID串级控制方法时控制过程的响应特性(参见图4～图6中的曲线1)，以及采用模糊串级控制方法时控制过程的响应特性(参见图4～图6中的曲线2)。

由图4～图6中给出的过热蒸汽温度控制过程的响应特性可见，当锅炉运行负荷发生明显变化时，PID串级控制方法和模糊串级控制方法的控制效果明显恶化，而本发明所提供的过热汽温模糊控制方法仍然具有良好的控制效果。

该试验验证例表明，与现有技术中的锅炉过热汽温PID串级控制方法和模糊串级控制方法相比，本发明所提供的过热汽温模糊控制方法具有更好的自适应能力和鲁棒性。

Claims (2)

1.一种锅炉过热汽温模糊控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

①根据过热器出口蒸汽温度t_s、过热器导前区出口蒸汽温度t_f以及过热器出口蒸汽压力ps，确定静态增益系数k_f：

k_f＝C_p(t_s，p_s)/C_p(t_f，p_s)                (1)，

其中，C_p(t_s，p_s)代表温度为t_s、压力为p_s的过热蒸汽的定压比热容，C_p(t_f，p_s)代表温度为t_f、压力为p_s的过热蒸汽的定压比热容；进而根据静态增益系数k_f和过热器出口温度信号目标值y_s0估算过热器导前区出口温度信号目标值y_f0：

y_f0＝k_fy_s0                               (2)；

②建立过热器出口温度模糊控制器FC_s，根据过热器出口温度信号y_s与过热器出口温度信号目标值y_s0的偏差e_s及该偏差的变化率ec_s，通过模糊推理得到过热器出口温度控制分量u_s；建立过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f，根据过热器导前区出口温度信号y_f与过热器导前区出口温度信号目标值y_f0的偏差e_f及该偏差的变化率ec_f，通过模糊推理得到过热器导前区出口温度控制分量u_f；

所述偏差e_s及偏差变化率ec_s按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_s=y_{s0}-y_s\\ {\mathrm{ec}}_s=d{e}_s/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(3\right),$

所述偏差e_f及偏差变化率ec_f按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_f=y_{f0}-y_f\\ {\mathrm{ec}}_f=d{e}_f/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right),$

式(3)和(4)中，t为时间，d/dt为关于时间的导数；

③根据锅炉的运行负荷，利用下式估算过热器出口温度控制分量u_s的加权因子β：

β＝β₀exp[-b(1-D/D₀)](5)，

其中，D₀为锅炉在额定负荷下的过热器出口蒸汽流量，D为锅炉在当前运行负荷下的过热器出口蒸汽流量，β₀为在额定负荷下选用的过热器出口温度控制分量u_s的加权因子，0＜β₀＜1；b为一个选用的常系数，且b＞0；

以1-β作为过热器导前区出口温度控制分量u_f的加权因子；

④按下式对过热器出口温度控制分量u_s和过热器导前区出口温度控制分量u_f进行加权综合，得到控制量u：

u＝βu_s+(1-β)u_f                    (6)。

2.根据权利要求1所述的锅炉过热汽温模糊控制方法，其特征在于，在步骤②中，所述过热器出口温度模糊控制器FC_s和过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f的各输入、输出变量的模糊子集分别取为：

E_s＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}  EC_s＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

E_f＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}  EC_f＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

U_s＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}  U_f＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

其中，E_s和EC_s分别代表作为过热器出口温度模糊控制器FC_s输入变量的偏差e_s和该偏差的变化率ec_s的模糊子集；E_f和EC_f分别代表作为过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f输入变量的偏差e_f和该偏差的变化率ec_f的模糊子集；U_s代表作为过热器出口温度模糊控制器FC_s输出变量的控制分量u_s的模糊子集；U_f代表作为过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f输出变量的控制分量u_f的模糊子集；

所述过热器出口温度模糊控制器FC_s(过热器导前区出口温度模糊控制器FC_f)的模糊推理按下表所示的模糊控制规则进行：

所述控制分量u_s和控制分量u_f根据最大隶属度原则确定。

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