鍋爐蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)——模糊控制

1、鍋爐蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)摘要： 電廠實(shí)現(xiàn)熱力過(guò)程自動(dòng)化，能使機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。鍋爐是火力發(fā)電廠最重要的生產(chǎn)設(shè)備，過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，過(guò)熱蒸汽溫度控制是鍋爐控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制中，由于電站鍋爐系統(tǒng)的被控對(duì)象具有大延遲，大滯后、非線性、時(shí)變、多變量耦合的復(fù)雜特性，無(wú)法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)這類系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制難以獲得令人滿意的控制效果。在這種情況下，先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論和控制方法已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在鍋爐汽溫控制系統(tǒng)。 本文以電廠鍋爐汽溫系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的改造?？紤]到鍋爐汽溫系統(tǒng)的被控對(duì)象特點(diǎn)，本文分別采用了常規(guī)PID控制器

2、和模糊-PID控制器，對(duì)兩種控制系統(tǒng)對(duì)比研究，同時(shí)進(jìn)一步分析了一般模糊-PID控制器的控制特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)之上給出了一種改進(jìn)算法，通過(guò)在線調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模糊-自調(diào)整比例常數(shù)PID控制。在此算法中，比例常數(shù)隨著偏差大小而變化，有效地解決了在小偏差范圍內(nèi)，一般的模糊-PID控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)無(wú)偏差的問(wèn)題，提高了蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制精度。關(guān)鍵詞:鍋爐 蒸汽溫度 模糊控制隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)重要能源“電”的要求快速增長(zhǎng)，大容量發(fā)電機(jī)組的投入運(yùn)行以及超高壓遠(yuǎn)距離和贏流輸電的混和電網(wǎng)的建設(shè)，以三峽電網(wǎng)為中心的全國(guó)性電力系統(tǒng)的形成，電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)其自動(dòng)控制技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，地方

3、性的自備熱電廠亦有長(zhǎng)足發(fā)展，隨著新建及改造工程的進(jìn)行，其生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制與時(shí)俱進(jìn)，小容量機(jī)組“麻雀雖小，五臟俱全”，自備熱電廠其自身特點(diǎn)：自供電、與主電網(wǎng)的關(guān)系疏及相互影響小，供熱及采暖季節(jié)性等，可以提供更多的應(yīng)用、嘗試新技術(shù)、新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)和可能性。這樣做的重要目標(biāo)是提高和保證電力，熱力及牛產(chǎn)過(guò)程的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效。為了適應(yīng)發(fā)展并實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須采取最新的技術(shù)和控制手段對(duì)電力系統(tǒng)的各種運(yùn)鏟狀態(tài)和設(shè)備進(jìn)行有效的自動(dòng)控制。火力發(fā)電廠在我國(guó)電力工業(yè)中占有主要地位，是我國(guó)重點(diǎn)能源工業(yè)之一。其單元發(fā)電機(jī)組由鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。由于其工藝流程復(fù)雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯(cuò)，大型

4、機(jī)組多至上千個(gè)參數(shù)需要監(jiān)視、操作或控制，而且電能生產(chǎn)還要求有高度的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此，單元機(jī)組自動(dòng)化水平受到特別的重視。鍋爐蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析：過(guò)熱蒸汽溫度自動(dòng)控制是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，并且保護(hù)過(guò)熱器，使管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)顯著地影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前，汽包鍋爐的過(guò)熱器側(cè)調(diào)溫都是以噴水減溫方式為主的。它的原理是將潔凈的給水直接噴進(jìn)蒸汽，水吸收蒸汽的汽化潛熱，從而改變過(guò)熱蒸汽溫度。汽溫的變化通過(guò)減溫器噴水量的調(diào)節(jié)加以控制。影響過(guò)熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工

5、況變化、鍋爐給水溫度變化、進(jìn)入過(guò)熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過(guò)熱器的煙汽溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。但歸納起來(lái)，主要有三個(gè)方面：蒸汽流量(負(fù)荷)擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過(guò)熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過(guò)熱器的對(duì)流放熱系數(shù)，使過(guò)熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，對(duì)流式過(guò)熱器和輻射式過(guò)熱器的出口汽溫隨負(fù)荷變化的方向是相反的。負(fù)荷增加時(shí)，通過(guò)對(duì)流式過(guò)熱器的煙汽溫度和流速都增加，從而使對(duì)流式過(guò)熱器的出口汽溫升高。但是，由于負(fù)荷增加時(shí)，爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負(fù)荷增大所需要的吸熱量，因而當(dāng)負(fù)荷增加

6、時(shí)，輻射式過(guò)熱器出口汽溫是下降的?，F(xiàn)代大型鍋爐的過(guò)熱器，對(duì)流式過(guò)熱器的受熱面積大于輻射式過(guò)熱器的受熱面積，因此總的汽溫將隨負(fù)荷增加而升高。煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性：煙氣熱量Qy階躍變化時(shí)過(guò)熱汽溫的反應(yīng)曲線，其特點(diǎn)是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。煙氣熱量擾動(dòng)(煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化)時(shí)，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個(gè)過(guò)熱器同時(shí)改變的，因而沿過(guò)熱器整個(gè)長(zhǎng)度使煙負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性氣傳遞熱量也同時(shí)變化，所以汽溫反應(yīng)較快，其時(shí)間常數(shù)和遲延t均比其他擾動(dòng)小?，F(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中是通過(guò)改變煙氣溫度(例如改變噴燃器角度或改變噴燃器投入的個(gè)數(shù))或改變煙氣流量來(lái)求取汽溫響應(yīng)曲線的。減溫水量擾動(dòng)下的過(guò)熱汽溫動(dòng)態(tài)

7、特性：當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，改變了高一溫過(guò)熱器的入口汽溫，從而影響了過(guò)熱器出口汽溫，其階躍響應(yīng)曲線如圖23所示。從圖中可看出，其特點(diǎn)也是有遲延、有慣性、有自平衡能力的。但是由于現(xiàn)代大型鍋爐的過(guò)熱器管路很長(zhǎng)，因而當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫反應(yīng)較慢。對(duì)于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的遲延時(shí)間3060s，時(shí)間常數(shù)100s，而當(dāng)煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)1020s，<100s。煙氣熱量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)或煙氣熱量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的反應(yīng)較快；而減溫水量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的反應(yīng)較慢。因而從過(guò)熱汽溫控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的角度考慮，改變煙氣側(cè)參數(shù)(改變煙溫或煙汽流量)的控制手段是比理想的(因?yàn)樨?fù)荷信號(hào)由用戶

8、決定，不能作為控制量)，但具體實(shí)現(xiàn)較困難，所以一般很少被采用。噴水減溫對(duì)過(guò)熱器的安全運(yùn)行比較有利，所以盡管對(duì)象的特性不太理想，但還是目前廣泛被采用的過(guò)熱蒸汽溫度控制方法。采用噴水減溫時(shí)，由于對(duì)象控制通道有較大的遲延和慣性以及運(yùn)行中要求有較小的汽溫控制偏差，所以采用單回路控制系統(tǒng)往往不能獲得較好的控制品質(zhì)。針對(duì)過(guò)熱汽溫控制對(duì)象控制通道慣性遲延大、被調(diào)量信號(hào)反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對(duì)象的控制通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善對(duì)象控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量。控制系統(tǒng)的分析： 加入導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)可以改善控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于如圖所示的控制系統(tǒng)，當(dāng)去掉導(dǎo)

9、前汽溫的微分信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，參考如圖雙回路系統(tǒng)的等效方框圖，控制對(duì)象W0(S)=W01(S)W02(S)的遲延、慣性較大。當(dāng)系統(tǒng)加入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)后，調(diào)節(jié)器將同時(shí)接受兩個(gè)輸入信號(hào)，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對(duì)這個(gè)雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個(gè)單回路系統(tǒng)來(lái)處理，如圖所示。只是由于微分信號(hào)的引入改變了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。這個(gè)新的控制對(duì)象的輸入仍然是減溫水流量信號(hào)WB，但輸出信號(hào)為，等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。在靜態(tài)時(shí)，微分器輸出為零，所以等效控制對(duì)象的輸出*1=1等效控制對(duì)象的輸出中除了主汽溫信號(hào)1外，還疊加了導(dǎo)前汽溫2的微分信號(hào)。由于2的慣性延

10、遲比1小得多，因而等效對(duì)象的輸出*1的慣性延遲比1?。?采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)原理框圖雙回路系統(tǒng)的等效方框圖在靜態(tài)時(shí)，微分器輸出為零，所以等效控制對(duì)象的輸出*1=1；在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，等效控制對(duì)象的輸出中除了主汽溫信號(hào)1外，還疊加了導(dǎo)前汽溫2的微分信號(hào)。由于2的慣性延遲比1小得多，因而等效對(duì)象的輸出*1的慣性延遲比1小得多。因此，加入導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)的作用可以理解為改變了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，等效控制對(duì)象在減溫水流量擾動(dòng)下的特性，可見(jiàn)等效控制對(duì)象的輸出*1比主汽溫1的響應(yīng)有很大的改善。所以，在控制對(duì)象慣性遲延較大的情況下導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)遠(yuǎn)比單回路

11、控制系統(tǒng)好。采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的控制系統(tǒng)是串級(jí)控制系統(tǒng)的變形前面已經(jīng)分析說(shuō)明過(guò)，對(duì)于慣性遲延大的控制對(duì)象，采用串級(jí)控制系統(tǒng)能獲得較好的控制品質(zhì)。導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)雖然在形式上不同于串級(jí)系統(tǒng)，但把它當(dāng)作一種變形的串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)研究也是可行的。只要把采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的控制系統(tǒng)等效變的串級(jí)控制系統(tǒng)，其中微分器傳遞函數(shù)的倒數(shù)相當(dāng)于串級(jí)控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，而調(diào)節(jié)器與微分器的傳遞函數(shù)，而調(diào)節(jié)器與微分器的傳遞函數(shù)乘積則WT(S)Wd(S)相當(dāng)于串級(jí)控制系統(tǒng)中副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)中，微分器和調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般分別為 (a) 等效主調(diào)節(jié)器由此可見(jiàn)，等

12、效主調(diào)節(jié)器具有比例積分調(diào)節(jié)器的特性，它的參數(shù)為等效比例帶：等效積分時(shí)間：(b) 等效副調(diào)節(jié) 在實(shí)際應(yīng)用，通常比大得多，因此所以，等效副調(diào)節(jié)器也近似為具有比例積分調(diào)節(jié)器的特性，它的參數(shù)為等效比例帶：等效積分時(shí)間: 當(dāng)把采用導(dǎo)前微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)等效為串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)分析時(shí)，可以清楚地看出微分器參數(shù)、和調(diào)節(jié)器參數(shù)、對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響：(1)微分器參數(shù)、相當(dāng)于串級(jí)系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)問(wèn)。按串級(jí)控制系統(tǒng)的分析方法，當(dāng)副回路為快速隨動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，增大將使主回路(主汽溫)的穩(wěn)定性提高，但使主汽溫的動(dòng)態(tài)偏差增大。增大也會(huì)提高主回路的穩(wěn)定性，但影響不太顯著。增大后，主汽溫控制過(guò)程的時(shí)間拉長(zhǎng)。(2)

13、等效副調(diào)節(jié)器的比例帶是，積分時(shí)間是，主要影響副回路的控制過(guò)程時(shí)間，而。則影響副回路的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)偏差。但是，既是副回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)，又是主回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)。當(dāng)增大時(shí)，雖然提高了主回路的穩(wěn)定性，卻使副回路的穩(wěn)定性下降。所以，當(dāng)需要增大時(shí)，為了保持副回路的穩(wěn)定性，應(yīng)相應(yīng)增大，使的比值保持不變。鍋爐蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：運(yùn)行狀況：某電廠鍋爐設(shè)備基本現(xiàn)狀：該廠共有三臺(tái)蒸汽鍋爐，負(fù)責(zé)廠內(nèi)的蒸汽供給任務(wù)。由于設(shè)備投產(chǎn)較早，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，三臺(tái)蒸汽鍋爐普遍存在著控制效果差、鍋爐熱效率低、能耗大、環(huán)境污染比較嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。通過(guò)詳細(xì)調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)該車間鍋爐控制系統(tǒng)的嚴(yán)重落后是導(dǎo)致以上述諸多問(wèn)題的直

14、接原因。存在問(wèn)題：我們發(fā)現(xiàn)該廠鍋爐控制系統(tǒng)存在以下四方面主要問(wèn)題：(1)完全手動(dòng)控制方式，汽包鍋爐蒸汽溫度、汽包鍋爐水位、給煤控制、鼓風(fēng)控制、引風(fēng)控制、二次風(fēng)控制和爐排控制均由現(xiàn)場(chǎng)操作工人憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這樣的控制方式下，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大并且增加了系統(tǒng)的不可靠性；(2)檢測(cè)手段落后，爐膛負(fù)壓等許多檢測(cè)裝置失靈，不能使用，減溫水控制閥經(jīng)常失靈；(3)控制效果差，急需改造，汽包鍋爐蒸汽溫度、汽包鍋爐水位、汽包壓力等重要指標(biāo)經(jīng)常在大范圍波動(dòng)； (4)經(jīng)濟(jì)效益差，工廠為防止冒黑煙，鍋爐長(zhǎng)期工作在大鼓風(fēng)大引風(fēng)狀態(tài)下，熱量損失嚴(yán)重，鍋爐效率低。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境：根據(jù)鍋爐廠的具體情況，現(xiàn)場(chǎng)采用P

15、LC上位機(jī)控制系統(tǒng)，硬件選用了SIMATIC s7系列產(chǎn)品s7300 7LC(CPU314)，SIEMENS STEP一7梯形邏輯語(yǔ)言編程，軟件則采用同來(lái)自SIMATIC的WinCC。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)中我們遵循了以下基本原則：(1)最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。設(shè)計(jì)前深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，并與相關(guān)部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬訂控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。(2)在保證控制系統(tǒng)安全、可靠的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便，滿足控制要求。(3)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，工藝的改進(jìn)及系統(tǒng)的擴(kuò)充，在選擇可編程控制器的CPU模板及I0模板時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有余量。

16、蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定： 根據(jù)鍋爐廠具體情況，采用導(dǎo)前氣溫微分信號(hào)控制的雙回路過(guò)熱氣溫控制系統(tǒng)。蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按補(bǔ)償法進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定： 設(shè)定調(diào)節(jié)器、微分器傳遞函數(shù)為：；其他：；通過(guò)上節(jié)實(shí)測(cè)方法求得：;按分析按補(bǔ)償法(等效對(duì)象法)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定算法。(1) 微分器參數(shù)確定：已知控制對(duì)象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，則： 由于惰性區(qū)的傳遞函數(shù)階數(shù)則微分器參數(shù)：;當(dāng)此組參數(shù)時(shí)，可使補(bǔ)償對(duì)象的近似傳遞函數(shù)為：（2) 將被控對(duì)象以及微分器部分化作等效對(duì)象后，如圖所示的系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖4·4系統(tǒng)，變成單回路進(jìn)行整定。單回路整定計(jì)算應(yīng)用廣義

17、頻率特性法，由此可寫出系統(tǒng)的特征方程式為：令，使系統(tǒng)降為二階；當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻尼比由此可求，因此，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為，。蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)蒸汽溫度自動(dòng)控制的應(yīng)用：系統(tǒng)控制流程：根據(jù)原理圖來(lái)繪制SAMA系統(tǒng)邏輯圖及控制流程圖如下：系統(tǒng)邏輯圖及控制流程圖控制系統(tǒng)的應(yīng)用：采用本文研究的控制算法和設(shè)計(jì)的導(dǎo)前微分控制器，應(yīng)用于某廠鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)改造?，F(xiàn)場(chǎng)采用PLC上位機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用WINCC60版，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在線監(jiān)視調(diào)節(jié)，累積量記錄、查詢，歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢等功能。下位機(jī)選用SIEMENS S7300 PLC(CPU314)，sTEP一7梯形邏輯編程語(yǔ)言，可在線編程調(diào)試，大大增強(qiáng)了控制效率?，F(xiàn)場(chǎng)采集的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA電信號(hào)，送到PLC；PLC與上位機(jī)之間通過(guò)MPI協(xié)議，采用RS232實(shí)現(xiàn)串行通信。(1)采用導(dǎo)前微分控制器，實(shí)現(xiàn)了鍋爐汽溫系統(tǒng)的手動(dòng)控制方式到自動(dòng)控制，并且達(dá)到了較好的控制效果；(2)設(shè)計(jì)鍋爐汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先是掌握被控對(duì)象的特性；其次是根據(jù)被控對(duì)象的特性和運(yùn)行要求提出符合實(shí)際情況的控制指標(biāo)