鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)模糊控制

年4月19日鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)模糊控制文檔僅供參考，不當之處，請聯(lián)系改正。鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)摘要：

電廠實現(xiàn)熱力過程自動化，能使機組安全、可靠、經(jīng)濟地運行。鍋爐是火力發(fā)電廠最重要的生產(chǎn)設(shè)備，過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度控制是鍋爐控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。在實現(xiàn)過程控制中，由于電站鍋爐系統(tǒng)的被控對象具有大延遲，大滯后、非線性、時變、多變量耦合的復雜特性，無法建立準確的數(shù)學模型，對這類系統(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，先進的現(xiàn)代控制理論和控制方法已經(jīng)越來越多地應用在鍋爐汽溫控制系統(tǒng)。本文以電廠鍋爐汽溫系統(tǒng)為研究對象，對其進行了計算機控制系統(tǒng)的改造。考慮到鍋爐汽溫系統(tǒng)的被控對象特點，本文分別采用了常規(guī)PID控制器和模糊-PID控制器，對兩種控制系統(tǒng)對比研究，同時進一步分析了一般模糊-PID控制器的控制特點，在此基礎(chǔ)之上給出了一種改進算法，經(jīng)過在線調(diào)整參數(shù)，實現(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控制器無法實現(xiàn)的靜態(tài)無偏差的問題，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中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對重要能源“電”的要求快速增長，大容量發(fā)電機組的投入運行以及超高壓遠距離和贏流輸電的混和電網(wǎng)的建設(shè)，以三峽電網(wǎng)為中心的全國性電力系統(tǒng)的形成，電力系統(tǒng)的不斷擴大，對其自動控制技術(shù)水平的要求也越來越高。同時，地方性的自備熱電廠亦有長足發(fā)展，隨著新建及改造工程的進行，其生產(chǎn)過程自動控制與時俱進，小容量機組“麻雀雖小，五臟俱全”，自備熱電廠其自身特點：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，能夠提供更多的應用、嘗試新技術(shù)、新產(chǎn)品的機會和可能性。這樣做的重要目標是提高和保證電力，熱力及牛產(chǎn)過程的安全可靠、經(jīng)濟高效。為了適應發(fā)展并實現(xiàn)上述目標，必須采取最新的技術(shù)和控制手段對電力系統(tǒng)的各種運鏟狀態(tài)和設(shè)備進行有效的自動控制?；鹆Πl(fā)電廠在中國電力工業(yè)中占有主要地位，是中國重點能源工業(yè)之一。其單元發(fā)電機組由鍋爐、汽輪發(fā)電機和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。由于其工藝流程復雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，大型機組多至上千個參數(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)濟性，因此，單元機組自動化水平受到特別的重視。鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)的分析：過熱蒸汽溫度自動控制是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，而且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度過高或過低都會顯著地影響電廠的安全性和經(jīng)濟性。當前，汽包鍋爐的過熱器側(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蒸汽，水吸收蒸汽的汽化潛熱，從而改變過熱蒸汽溫度。汽溫的變化經(jīng)過減溫器噴水量的調(diào)節(jié)加以控制。影響過熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐給水溫度變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過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，主要有三個方面：蒸汽流量(負荷)擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性：當鍋爐負荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使過熱器出口汽溫的階躍響應當鍋爐的負荷增加時，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫隨負荷變化的方向是相反的。負荷增加時，經(jīng)過對流式過熱器的煙汽溫度和流速都增加，從而使對流式過熱器的出口汽溫升高?？墒牵捎谪摵稍黾訒r，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荷增大所需要的吸熱量，因而當負荷增加時，輻射式過熱器出口汽溫是下降的?，F(xiàn)代大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器的受熱面積大于輻射式過熱器的受熱面積，因此總的汽溫將隨負荷增加而升高。煙氣熱量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性：煙氣熱量Qy階躍變化時過熱汽溫的反應曲線，其特點是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。煙氣熱量擾動(煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化)時，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度使煙負荷擾動下的動態(tài)特性氣傳遞熱量也同時變化，因此汽溫反應較快，其時間常數(shù)和遲延t均比其它擾動小?，F(xiàn)場當中是經(jīng)過改變煙氣溫度(例如改變噴燃器角度或改變噴燃器投入的個數(shù))或改變煙氣流量來求取汽溫響應曲線的。減溫水量擾動下的過熱汽溫動態(tài)特性：當減溫水流量擾動時，改變了高一溫過熱器的入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫，其階躍響應曲線如圖2．3所示。從圖中可看出，其特點也是有遲延、有慣性、有自平衡能力的?？墒怯捎诂F(xiàn)代大型鍋爐的過熱器管路很長，因而當減溫水流量擾動時，汽溫反應較慢。對于一般高、中壓鍋爐，當減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間≈30～60s，時間常數(shù)≈100s，而當煙氣側(cè)擾動時10～20s，<100s。煙氣熱量擾動下的動態(tài)特性可見，當負荷擾動或煙氣熱量擾動時，汽溫的反應較快；而減溫水量擾動時，汽溫的反應較慢。因而從過熱汽溫控制對象動態(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(因為負荷信號由用戶決定，不能作為控制量)，但具體實現(xiàn)較困難，因此一般很少被采用。噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利，因此盡管對象的特性不太理想，但還是當前廣泛被采用的過熱蒸汽溫度控制方法。采用噴水減溫時，由于對象控制通道有較大的遲延和慣性以及運行中要求有較小的汽溫控制偏差，因此采用單回路控制系統(tǒng)往往不能獲得較好的控制品質(zhì)。針對過熱汽溫控制對象控制通道慣性遲延大、被調(diào)量信號反饋慢的特點，應該從對象的控制通道中找出一個比被調(diào)量反應快的中間點信號作為調(diào)節(jié)器的補充反饋信號，以改進對象控制通道的動態(tài)特性，提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)的分析：加入導前汽溫的微分信號能夠改進控制對象的動態(tài)特性對于如圖所示的控制系統(tǒng)，當去掉導前汽溫的微分信號時，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，控制對象[W0(S)=W01(S)W02(S)]的遲延、慣性較大。當系統(tǒng)加入導前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對這個雙回路系統(tǒng)作適當?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖所示。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入依然是減溫水流量信號WB，但輸出信號為，等效控制對象的傳遞函數(shù)能夠根據(jù)方框圖求得。在靜態(tài)時，微分器輸出為零，因此等效控制對象的輸出θ*1=θ1等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號θ1外，還疊加了導前汽溫θ2的微分信號。由于θ2的慣性延遲比θ1小得多，因而等效對象的輸出θ*1的慣性延遲比θ1??；采用導前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)原理框圖雙回路系統(tǒng)的等效方框圖在靜態(tài)時，微分器輸出為零，因此等效控制對象的輸出θ*1=θ1；在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號θ1外，還疊加了導前汽溫θ2的微分信號。由于θ2的慣性延遲比θ1小得多，因而等效對象的輸出θ*1的慣性延遲比θ1小得多。因此，加入導前汽溫的微分信號的作用能夠理解為改變了控制對象的動態(tài)特性，等效控制對象在減溫水流量擾動下的特性，可見等效控制對象的輸出θ*1比主汽溫θ1的響應有很大的改進。因此，在控制對象慣性遲延較大的情況下導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)遠比單回路控制系統(tǒng)好。采用導前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)是串級控制系統(tǒng)的變形前面已經(jīng)分析說明過，對于慣性遲延大的控制對象，采用串級控制系統(tǒng)能獲得較好的控制品質(zhì)。導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)雖然在形式上不同于串級系統(tǒng)，但把它當作一種變形的串級控制系統(tǒng)來研究也是可行的。只要把采用導前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)等效變的串級控制系統(tǒng)，其中微分器傳遞函數(shù)的倒數(shù)相當于串級控制系統(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)]相當于串級控制系統(tǒng)中副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)中，微分器和調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般分別為等效主調(diào)節(jié)器由此可見，等效主調(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：等效積分時間：等效副調(diào)節(jié)在實際應用，一般比大得多，因此因此，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：等效積分時間:當把采用導前微分信號的雙回路控制系統(tǒng)等效為串級控制系統(tǒng)來分析時，可以清楚地看出微分器參數(shù)、和調(diào)節(jié)器參數(shù)、對控制系統(tǒng)性能的影響：(1)微分器參數(shù)、相當于串級系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時問。按串級控制系統(tǒng)的分析方法，當副回路為快速隨動系統(tǒng)時，增大將使主回路(主汽溫)的穩(wěn)定性提高，但使主汽溫的動態(tài)偏差增大。增大也會提高主回路的穩(wěn)定性，但影響不太顯著。增大后，主汽溫控制過程的時間拉長。(2)等效副調(diào)節(jié)器的比例帶是，積分時間是，主要影響副回路的控制過程時間，而。則影響副回路的穩(wěn)定性和動態(tài)偏差?？墒牵仁歉被芈返恼{(diào)節(jié)器參數(shù)，又是主回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)。當增大時，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。因此，當需要增大時，為了保持副回路的穩(wěn)定性，應相應增大，使的比值保持不變。鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計：運行狀況：某電廠鍋爐設(shè)備基本現(xiàn)狀：該廠共有三臺蒸汽鍋爐，負責廠內(nèi)的蒸汽供給任務(wù)。由于設(shè)備投產(chǎn)較早，受當時的技術(shù)條件限制，三臺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)境污染比較嚴重等諸多問題。經(jīng)過詳細調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)該車間鍋爐控制系統(tǒng)的嚴重落后是導致以上述諸多問題的直接原因。存在問題：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題：(1)完全手動控制方式，汽包鍋爐蒸汽溫度、汽包鍋爐水位、給煤控制、鼓風控制、引風控制、二次風控制和爐排控制均由現(xiàn)場操作工人憑借經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)。在這樣的控制方式下，工人的勞動強度大而且增加了系統(tǒng)的不可靠性；(2)檢測手段落后，爐膛負壓等許多檢測裝置失靈，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經(jīng)常在大范圍波動；(4)經(jīng)濟效益差，工廠為防止冒黑煙，鍋爐長期工作在大鼓風大引風狀態(tài)下，熱量損失嚴重，鍋爐效率低。現(xiàn)場控制系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境：根據(jù)鍋爐廠的具體情況，現(xiàn)場采用PLC／上位機控制系統(tǒng)，硬件選用了SIMATICs7系列產(chǎn)品s7—3007LC(CPU314)，SIEMENSSTEP一7梯形邏輯語言編程，軟件則采用同來自SIMATIC的WinCC。在進行硬件設(shè)計中我們遵循了以下基本原則：(1)最大限度地滿足被控對象的控制要求。設(shè)計前深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集資料，并與相關(guān)部分的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬訂控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。(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)簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便，滿足控制要求。(3)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，工藝的改進及系統(tǒng)的擴充，在選擇可編程控制器的CPU模板及I／0模板時，應適當留有余量。蒸汽溫度的導前微分控制及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：根據(jù)鍋爐廠具體情況，采用導前氣溫微分信號控制的雙回路過熱氣溫控制系統(tǒng)。蒸汽溫度的導前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：蒸汽溫度的導前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按補償法進行調(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：；其它：；經(jīng)過上節(jié)實測方法求得：;按分析按補償法(等效對象法)進行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定算法。微分器參數(shù)確定：已知控制對象惰性區(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)：;當此組參數(shù)時，可使補償對象的近似傳遞函數(shù)為：將被控對象以及微分器部分化作等效對象后，如圖所示的系統(tǒng)可簡化為圖4·4系統(tǒng)，變成單回路進行整定。單回路整定計算應用廣義頻率特性法，由此可寫出系統(tǒng)的特征方程式為：令，使系統(tǒng)降為二階；當時，對應的阻尼比由此可求，因此，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為，。蒸汽溫度的導前微分控制系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)蒸汽溫度自動控制的應用：系統(tǒng)控制流程：根據(jù)原理圖來繪制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)的應用：采用本文研究的控制算法和設(shè)計的導前微分控制器，應用于某廠鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)改造?，F(xiàn)場采用PLC／上位機控制系統(tǒng)。上位機采用WINCC6．0版，實現(xiàn)實時傳送現(xiàn)場數(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。下位機選用SIEMENSS7—300PLC(CPU314)，sTEP一7梯形邏輯編程語言，可在線編程調(diào)試，大大增強了控制效率?，F(xiàn)場采集的模擬量信號轉(zhuǎn)換成4-20mA電信號，送到PLC；PLC與上位機之間經(jīng)過MPI協(xié)議，采用RS232實現(xiàn)串行通信。(1)采用導前微分控制器，實現(xiàn)了鍋爐汽溫系統(tǒng)的手動控制方式到自動控制，而且達到了較好的控制效果；(2)設(shè)計鍋爐汽溫自動控制系統(tǒng)，首先是掌握被控對象的特性；其次是根據(jù)被控對象的特性和運行要求提出符合實際