田思慶 魏 強(qiáng) 吳桂云 王宇春 田洋碩

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

串級(jí)控制在火電廠主汽溫度實(shí)時(shí)控制中占有主要地位，但其控制效果并不十分理想，很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。針對(duì)火電廠主汽溫度的控制，國(guó)內(nèi)外電廠控制領(lǐng)域的專家、學(xué)者都在不斷地尋找更優(yōu)化的控制策略。模糊控制是由控制理論與模糊集合理論相結(jié)合發(fā)展而來的一種新型控制技術(shù)，能夠解決復(fù)雜被控對(duì)象的控制問題，但也存在一定的缺陷，如果單一地采用模糊控制對(duì)火電廠主汽溫度進(jìn)行控制，也很難達(dá)到預(yù)期目的。

針對(duì)火電廠主汽溫度的控制環(huán)境和要求，筆者結(jié)合模糊控制和串級(jí)控制的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種串級(jí)模糊控制方法，并將火電廠主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)和串級(jí)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比。

1 主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)①

串級(jí)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主汽溫度θ1由副回路粗調(diào)，引入的負(fù)反饋θ2構(gòu)成的副回路起到穩(wěn)定的作用，使主汽溫度基本保持恒定。主汽溫度的設(shè)定值由主控制器PID來保證，如果θ1不等于設(shè)定值，主控制器就調(diào)整其輸出信號(hào)IT1，同時(shí)副控制器也調(diào)整減溫水流量，直到θ1與設(shè)定值相等。這里，主控制器的輸出IT1作為副控制器的可變給定值[1]。圖2為主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于被控對(duì)象主汽溫度具有滯后的特性，串級(jí)控制系統(tǒng)中設(shè)定了主、副兩個(gè)控制器。其中，主信號(hào)是過熱器的出口溫度，導(dǎo)前信號(hào)是減溫器的出口溫度，副控制器的給定值是主控制器的輸出信號(hào)。內(nèi)擾的影響可以通過內(nèi)回路的負(fù)反饋回路克服。所以在選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)使副回路反應(yīng)靈敏，干擾能在影響主參數(shù)之前被克服。在控制器選擇時(shí)考慮到要使副控制器動(dòng)作迅速，快速排除內(nèi)擾，且副環(huán)的控制任務(wù)是粗調(diào)，所以使用比例P控制器就能符合工藝要求。主控制器用于細(xì)調(diào)，要保證主汽溫度被調(diào)量沒有靜態(tài)誤差，故采用PID控制[2]。

根據(jù)某火電廠實(shí)際系統(tǒng)的分析，加入蒸汽和煙氣流量階躍擾動(dòng)后，對(duì)主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

圖4 加入擾動(dòng)后的主汽溫度串級(jí)

圖5 對(duì)象數(shù)學(xué)模型改變后的主汽溫度

仿真結(jié)果表明，被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的變化對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)影響較大。串級(jí)控制系統(tǒng)的控制過程為衰減振蕩，盡管可控而且對(duì)擾動(dòng)信號(hào)有較好的自適應(yīng)性，但由于過熱器特性使其控制過程時(shí)間較長(zhǎng)，超調(diào)量也很大，控制指標(biāo)不理想。

2 主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)

2.1 串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)定模糊控制器的兩個(gè)輸入量為設(shè)定溫度e和溫度變化率ec，輸出量為u。模糊控制器的溫度E={NB，NM，ZE，PM，PB}(低于標(biāo)準(zhǔn)溫度較大、低于標(biāo)準(zhǔn)溫度較小、等于標(biāo)準(zhǔn)溫度、高于標(biāo)準(zhǔn)溫度較小、高于標(biāo)準(zhǔn)溫度較大)、溫度變化率EC={NB，NM，ZE，PM，PB} (溫度下降的速率較快、溫度下降的速率一般、溫度沒有變化，溫度上升的速率一般、溫度上升的速率較快)和閥門開度U={NB，NM，ZE，PM，PB} (噴水降溫閥全關(guān)，半關(guān)，不動(dòng)，半開，全開)3個(gè)模糊語言變量[4]。e、ec和u的模糊集整數(shù)論域均為[-2，2]，且e、ec、u∈{-2，-1，0，1，2}。

語言變量論域的模糊子集由隸屬函數(shù)μ(x)描述，操作者的經(jīng)驗(yàn)或采用模糊統(tǒng)計(jì)方法可以確定隸屬函數(shù)μ(x)，e/ec/u的隸屬度函數(shù)曲線如圖6所示。由火電廠專家研究經(jīng)驗(yàn)得到25條模糊控制規(guī)則，見表1。

圖6 隸屬度函數(shù)曲線

UECNBNMZEPMPBENBPBPBPBZEZENMPBPBPBZEZEZEPMPMZENMNMPMZEZENBNBNBPBZEZENBNBNB

2.2 仿真

在串級(jí)模糊控制中，模糊控制器作為副調(diào)節(jié)器，構(gòu)建的主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)如圖7所示，主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)

溫度變送器的反饋系數(shù)為1，閥門特性為1，執(zhí)行器的放大倍數(shù)為70。主控制器采用PID控制規(guī)則，且增加一個(gè)放大倍數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)，這樣就可以消除串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。在t=10時(shí)，加入幅值為2的蒸汽流量階躍擾動(dòng)和煙氣流量階躍擾動(dòng)后，主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖9所示。

3 串級(jí)控制系統(tǒng)和串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的比較

對(duì)比圖4和圖9，主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)在過熱器受到煙氣和蒸汽流量擾動(dòng)的情況下，無動(dòng)態(tài)偏差和飛升曲線，控制效果優(yōu)于主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，能夠保持較好的非周期和無靜差指數(shù)曲線[5]。

圖9 加入擾動(dòng)的主汽溫度串級(jí)模糊控制系統(tǒng)仿真曲線

4 結(jié)束語

針對(duì)火電廠過熱器控制系統(tǒng)具有的大延遲、非線性和多變量特性，結(jié)合對(duì)過熱汽溫度的控制要求，設(shè)計(jì)火電廠主汽溫度串級(jí)模糊控制策略，目的是將串級(jí)控制和模糊控制的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)。仿真結(jié)果表明：在加入煙氣和蒸汽擾動(dòng)的情況下，串級(jí)模糊控制系統(tǒng)具有較好的跟蹤特性，能在較短的時(shí)間內(nèi)克服干擾，恢復(fù)正常工作，控制質(zhì)量?jī)?yōu)于串級(jí)控制系統(tǒng)。