模糊控制在锅炉汽温系统中的应用 毕业论文.docx

摘 要电厂实现热力过程自动化，能使机组安全、可靠、经济地运行。锅炉是火力发电厂最重要的生产设备，过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度控制是锅炉控制系统中的重要环节。在实现过程控制中，由于电站锅炉系统的被控对象具有大延迟，大滞后、非线性、时变、多变量耦合的复杂特性，无法建立准确的数学模型，对这类系统采用常规pid控制难以获得令人满意的控制效果。在这种情况下，先进的现代控制理论和控制方法已经越来越多地应用在锅炉汽温控制系统。本文以某电厂锅炉汽温系统为研究对象，对其进行了计算机控制系统的改造。考虑到锅炉汽温系统的被控对象特点，本文分别采用了常规pid控制器和模糊-pid控制器，对两种控制系统对比研究，同时进一步分析了一般模糊-pid控制器的控制特点，在此基础之上给出了一种改进算法，通过在线调整参数，实现模糊-自调整比例常数pid控制。在此算法中，比例常数随着偏差大小而变化，有效地解决了在小偏差范围内，一般的模糊-pid控制器无法实现的静态无偏差的问题，提高了蒸汽温度控制系统的控制精度。在建立锅炉汽温系统的数学模型的基础上，在两种控制系统中，分别应用simulink仿真软件对其进行给定值扰动和减温水内扰的响应研究、分析对比，结果表明，模糊自调整比例常数pid控制在动态响应、上升时间、超调量、稳态精度、抗干扰、适应环境能力等诸多性能指标上优于常规pid控制器。该算法已成功应用于该电厂锅炉改造，实际应用结果也表明该系统大大提高了锅炉蒸汽温度系统控制品质。本文的研究结果，在实际应用中证明可行，它对今后的类似工程实践具有很好的参考意义。关键词:锅炉 蒸汽温度 模糊控制 pid simulink 仿真abstractpower plants perform thermal process automation，which makes machine rim safely，steadily，economicallyboilers are the most important production equipment in the power plantsthe overheating steam temperature is one of the important quality standardsthe overheating steam temperature control becomes a main link in the boiler control systemin realizing process control，due to the controlled objeel of powerstation boiler system contmn the complex characteristics of long-delay, purelag， non-linear, timing change and multivariables coupling，the accurate mathematical model cannot be madetherefore routine pid control cannot obtain the satisfactory result for such systemin this case，more and more advanced modem control theories and methods are applying to the boiler steam temperature control systemthe paper deals with the upgrade of boiler steam temperature control system for one power plant，in shenyangconsidering the characteristics of the controlled object in the system，we adapt routine pid controller and fuzzy pid controller in this paper, studying the two kinds of controlling systems comparably, further analyzing the characteristics of common fuzzy pid，on the basis of that，a improved algorithm is givenby adjusting parameter on line，the fuzzy self-adjustment proportional parameter pid control is realizedin the algorithm，proportional parameter is changed with the setoif, which resolves the problem that the common fuzzypid controller has no way to realize static nonsetoif, and raises the accuracy of steam temperature control systemon the basis of constructing the boiler steam temperature systematic mathematical model，in the two kinds of controlling systems，the setting valuedisturbance and the response of water inside disturbance are studied，analyzed and contrasted by using simullnk simulated softwarethe result have demonstrated that self-adjustment proportional parameter pid is superior to the routine pid controller in many aspects of dynamic response，rising time，over value，steady state accuracy, antidisturbance，environmental adaptive capability and so onthe algorithm has been successfully used in the steam boiler update of the power plant，the result in the practice has demonstrated the system has improved the control quality of steam temperature systemthe research result of the paper has concluded that the mathod is feasible in the practice，which provides softie referring value for the nmilar project in practice in the futurekeyword: boiler, steam temperature， fuzzy control， pid， simulink，simulation目 录摘要abstract第一章 绪论11 电厂热力过程自动化研究的背景、目的及意义111 电厂热力过程自动化研究的背景112 电厂热力过程自动化研究的目的113 电厂热力过程自动化研究的意义12 电厂锅炉汽温控制系统任务的特点13 模糊控制技术的优点14 电厂自动控制系统的现状141 电厂自动控制系统的发展概况142 电厂控制系统的基本组成143 电厂控制系统的体系结构15 本文所做的工作第二章 锅炉蒸汽温度自动控制系统的分析21 引言22 过热汽温控制的任务2.3 过热汽温控制对象的动态特性分析2.3.1 蒸汽流量(负荷)扰动下过热汽温对象的动态特性2.3.2 烟气热量扰动下过热汽温的动态特性233 减温水量扰动下的过热汽温动态特性24 串级过热汽温控制系统分析241 系统的结构和工作原理242 串级过热汽温控制系统的整定25 导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统分析251 系统的组成252 控制系统的分析第三章 模糊控制技术概述31 模糊数学的创立及发展32 模糊控制发展概况33 模糊控制系统的指标问题34 前景及研究动向35 模糊控制器设计的基本方法351 模糊集352 隶属函数353 模糊推理354 基本模糊控制器的设计36 模糊pid复合结构模糊控制器第四章 锅炉蒸汽温度自动控制系统的设计41 现场锅炉运行状况、存在问题42 蒸汽温度的导前微分控制及调节器参数整定421 蒸汽温度的导前微分控制系统结构422 按补偿法进行调节器参数整定43 蒸汽温度自动控制的应用431 系统控制流程432 控制系统的应用44 本章小结第五章 模糊控制在锅炉汽温系统中的应用51 前言52 模糊控制器的设计521 控制器方案选择522 模糊自调整比例常数pid控制器结构53 模糊pid控制方法531 大偏差区域模糊算法及模糊控制器设计532 小偏差区域自调整比例常数pid算法及控制器设计54 蒸汽温度自动控制的仿真研究541 仿真与仿真软件简介542 模糊-pid控制与常规控制的仿真与性能分析543 蒸汽温度自动控制的仿真试验的结果与分析544 仿真调试总结55 结果分析56 本章小结第六章 结论参考文献致 谢第一章 绪论11电厂热力过程自动化研究的背景、目的及意义111电厂热力过程自动化研究的背景 模糊控制简介自从1965 年美国加州大学的l.a.zadeh教授创建模糊集理论和1974 年英国的e.h.mamadani 教授成功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用。一般而言，模糊控制器的设计一般大致可分为三部分，首先将精确的输入量模糊化，通过隶属函数的建立，完成精确的数学量到模糊的语言变量的的转换，隶属函数通常采用三角函数，正态分布函数等，以符合人的思维方式。第二部是进行模糊推理，由于推理规则库主要是按现场的操作经验与知识而建立的，因此模糊控制具有一定的模拟人的思维的特点。第三部是解模糊过程，将推理得到的模糊语言控制量转化为精确的数学变量，去驱动控制机械装置。与传统经典控制方法比起来，模糊控制的特点为：1)在设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模型，但要对受控对象的特性有充分了解，是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型的。2)用语言变量代替常规的数学变量，或两者结合运用，来构造形成专家的知识库。3)控制系统的鲁棒性强，适应于常规控制难以解决的非线性，时变性，多层次，多干扰的滞后系统。目前中国电力系统正经历着一场以市场经济为导向的巨大变革。以数字电力系统(dps)为代表的计算机技术、通信技术、控制理论及信息处理技术、新材料、新工艺的高速发展，其中，发电环节的热力发电厂及其生产过程自控系统的技术更新速度大大加快，不同技术之间的相互渗透、相互融合也越来越普遍。电厂热力过程自动化的发展迎来了前所未有的机遇。112电厂热力过程自动化研究的目的随着我国经济的高速发展，对重要能源“电”的要求快速增长，大容量发电机组的投入运行以及超高压远距离和赢流输电的混和电网的建设，以三峡电网为中心的全国性电力系统的形成，电力系统的不断扩大，对其自动控制技术水平的要求也越来越高。同时，地方性的自备热电厂亦有长足发展，随着新建及改造工程的进行，其生产过程自动控制与时俱进，小容量机组“麻雀虽小，五脏俱全”，自备热电厂其自身特点：自供电、与主电网的关系疏及相互影响小，供热及采暖季节性等，可以提供更多的应用、尝试新技术、新产品的机会和可能性。这样做的重要目标是提高和保证电力，热力及牛产过程的安全可靠、经济高效。为了适应发展并实现上述目标，必须采取最新的技术和控制手段对电力系统的各种运铲状态和设备进行有效的自动控制。113电厂热力过程自动化研究的意义火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一。其单元发电机组由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，大型机组多至上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，单元机组自动化水平受到特别的重视。我国目前电站锅炉中燃煤炉占有最大比重，锅炉是生产蒸汽的设备，比如：其过热汽温是保证甩站锅炉机组安全、稳定、经济运行的重要参数和指标之一。在火力发电厂中普遍实现热力过程自动化的今天，实现及做好过热汽温自动控制就如同其他重要参数：汽包水位控制、燃烧过程控制及协调控制等是必要和具重大意义的，那么让我们来看看电站热力过程实现自动化所具下列的几方面的好处：(1)提高机组运行的安全可靠性。安全可靠性是机组运行的首要要求，热力系统复杂，需要监视、控制的项目多，靠人来监视和操作，不仅劳动强度大，而且很难胜任，同时极易因误操作而造成事故，所以必须采用自动化仪表来完成监视和操作。(2)提高机组运行的经济性。自动化仪表能保护机组在良好状态下运行，因此，可以减少事故停机的损失和设备检修费用，可提高热效率，降低供电热耗和煤耗。(3)减少运行人员，提高劳动生产率。(4)改善劳动条件。实现生产过程自动化，可使运行人员从繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来，值班员除在机组启停时有些操作外，正常运行时只需在控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况。12 电厂锅炉汽温控制系统任务的特点过热蒸汽温度自动控制是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。目前，汽包锅炉的过热器侧调温都是以喷水减温方式为主的。它的原理是将洁净的给水直接喷进蒸汽，水吸收蒸汽的汽化潜热，从而改变过热蒸汽温度。汽温的变化通过减温器喷水量的调节加以控制。由于锅炉汽温系统是典型的迟延、滞后、非线性、时变、多变量复杂系统，对其难以建立精确的数学模型，使基于数学模型带固定参数的常规pid控制方案难以获得理想的控制效果，因此，锅炉汽温系统的控制已成为火力发电厂过程控制中的一大难题。13 模糊控制技术的优点模糊控制的突出优点在于控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需提供现场操作人员的经验知识及操作数据，而且在硬件配置不变的情况下，锅炉汽温系统采用不同的算法就可实现不同的控制规律。实现不同的控制规律只需要修改软件，而不需要修改硬件。这样可以很方便地用同一套硬件构成满足不同要求的锅炉控制系统。体现了系统控制的灵活性。模糊控制技术从广义上可给它定义为：“模糊控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑控制的一种控制方式”。目前在工业过程中投入运行的模糊控制器，主要指的是以模糊命题形式表示的一组控制规则，经模糊推理决定控制量的形式。它的主要优点是：在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作数据：系统的鲁棒性强，尤其适用予非线性、时变、滞后系统的控制；由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则：由不同观点出发，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给定系统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个控制系统的协调可以取得总体的协调制：控制效果好，且所需设备简单，经济效益显著；综上所述，把模糊控制技术应用在炉汽温控制系统，将有很好的和潜在的应用前景，并有明显的理论意义和实际意义。14电厂自动控制系统的现状141电厂自动控制系统的发展概况电厂的自动控制的发展经历了由初级向高级不断发展和完善的过程，根据其各阶段的特点可大致分为以下四个阶段：1411就地控制阶段在20年代至30年代期间，火力发电机组的容量还不是很大，生产过程对自动控制的要求以及当时所具备的技术条件有限，仅能对发电机组实现简单的自动控制，例如锅炉蒸汽压力、汽包水位、汽轮机转速等的控制。所以控制系统基本上分散在个控制对象所在的车问，各控制系统间相互独立，没有任何联系。运行人员在就地装置的控制盘上进行监视和操作，所应用的控制设备大都是尺寸较大的基地式仪表。国外40年代以前和我国50年代建设的火力发电厂基本上采用这种模式。1412 集中控制阶段40年代初期，由于中间再热式机组的出现，进一步密切了锅炉与汽轮机之间的关系，为了协调机、炉间的运行，加强机组的操作管理和事故处理，满足负荷变化对热力设备的要求，维持运行参数的稳定等，要求对锅炉和汽轮机实现集中控制，即把锅炉和汽轮机的控制系统表盘相对集中地安装在一起，由运行人员同时监视和控制机、炉的运行，保证机组的正常运行。当时所采用的控制设备主要是气动和电动单元组合仪表。国外40年代至50年代和我国60年代至70年代初期建设的火力发电厂大多采用这种控制方式局部集中控制。进入50年代后，随着火电机组容量的增大，机、炉、电三者的关系更为密切，生产迫切需要对机、炉、电三者实现集中控制与管理。同时，由于仪表和控制设备的尺寸缩小，新型巡回检测仪表和局部程控装置的出现，使得整个机组的监视和控制表盘集中在一个控制室内的要求成为现实。此时采用的控制设备有电动单元组合仪表、组件组装式仪表，也有以微处理机为核心的数字式仪表。国外50年代至60年代以及我国70年代至80年代建设的火力发电厂大都采用这种控制方式机组集中控制。1413 计算机控制阶段随着火力发电机组向着高参数、大容量的方向发展，生产设备走向大型化，生产系统日趋复杂。系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，生产过程中需要监视的内容愈睐愈多，过程控制的任务愈来愈重，机组的运行和操作要求更为严格，世界范围内的能源危机和剧烈的市场竞争，对节约能源和减少燃料消耗要求不断提高，环境保护和文明生产的呼声日益高涨等，已反映出以往的生产自动化方式逐渐不能适应时代的发展，火力发电厂自动化面临着严重的挑战。集中型计算机控制是火力发电厂计算机控制技术应用的初级阶段，普遍采用的是集中型计算机控制方式，即用一台计算机实现几十甚至几百个控制回路和若干过程变量的控制、显示及操作、管理等。与常规仪表管理相比，集中型计算机控制的优点体现在以下几个方面：第一、功能齐全，而且可实现先进的、复杂的控制和联锁功能；第二、可通过修改软件增删控制回路、改变控制方案、调整系统参数，应用灵活；第三、信息集中管理、便于分析和综合，为实现整个生产过程的优化控制创造了条件：第四、crt显示替代了大量的模拟仪表，改善人机接口，缩小了监视面；但是，集中型计算机控制也存在着严重的不足。由于当时的计算机硬件可靠性还不够高，而由一台计算机承担所有的控制和监视任务，使得危险高度集中，一旦计算机发生故障，将导致生产过程全面瞬间瘫痪，危及设备安全；另外控制系统软件庞大、复杂，开发难度大，周期长；还有就是台计算机所承受的工作负荷过大，在计算机速度和容量有限的情况下，影响系统工作的实时性和正确性。若采用多台计算机，不仅要解决数据和控制信息的交换问题，而且将大大增加投资和维护费用，这是当时存在的较大实际问题。除此之外，由于生产过程内部机理复杂，最优控制所必需的有关数学模型难以建立，性能指标不易确定，控制策略尚不完整等，使得现代控制理论一时难以适应计算机过程控制。历史条件的限制和集中型计算机控制存在的缺陷，促使计算机控制系统向着分散化发展。70年代初，大规模集成电路的制造成功和微处理器的问世，使得计算机的可靠性和运算速度大大提高，计算功能增强、体积缩小，而价格大幅度下降。计算机技术的发展与曰益成熟的分散型计算机控制思想相结合，促使火力发电厂自动化技术进入了分散控制系统(dcs，distributed control system)的新时代。所谓分散控制系统，是指控制过程所采用的系统，是一种控制功能分散、操作管理集中、兼顾复杂生产过程的局部自治与整体协调的新型分布式计算机控制(又称分散控制系统)。分散控制系统以其功能强、可靠性高、灵活性好、维护和使用方便良好的性能价格比等优点深受工业界的青睐。80年代中期，我国已开始在火力发电机组上应用分散控制系统。分散控制系统的应用及其自身的不断完善和发展，加速了火力发电厂的自动化进程。目前，分散控制系统的应用方兴未艾，在此基础上，火力发电厂正在向着更加完善、更高层次的综合自动化方向发展。1414综合自动化综合自动化是一种集控制、管理、决策为一体的全局自动化模式。它是在对歌局部生产过程实现自动控制基础上，从全局最优的观点出发，把火力发电厂的运做体系视为一个整体，在新的管理模式和工艺指导下，综合运用现代科学技术和手段，将各自独立的局部自动化子系统有机地综合成一个较完整的大系统，对生产过程的物资流、管理过程的信息流、决策过程的决策流等迸行有效的控制和协调，实现生产系统的全局自动化，以适应生产和管理过程在社会发展的新形式下提出的高质量、高速度、高效率、高性能、高灵活性和低成本的综合要求。开发型分散控制系统的应用，为综合自动化的实现奠定良好的基础。目前，综合自动化的研究和应用正向纵深方向发展，已成为火力发电厂自动化的重要发展方向。142电厂控制系统的基本组成电厂控制系统大都采用计算机控制，控制系统由数字计算机全部或部分取代常规的控制设备和监控仪表，对动态过程进行控制和监视的自动化系统，系统由硬件和软件两大部分组成。(1)硬件部分硬件是组成系统的物质基础。组成计算机控制系统的硬件一般包括：被控对象、主机、过程通道、外部设备、通信设备、总线、接口、操作站等。(a)被控对象它是被控制的生产设备或生产过程，是控制系统构成的必备客体。(b)主机主机是计算机控制系统的核心，它由中央处理器(cpu)、内存储器(ram、rom)、输入输出(110)电路和其它支持电路等组成。主机根据过程通道送来的反映生产过程工作状态的各种实时信息，按预定的控制算法自动地对过程信息进行相应的处理、分析、判断、运算，产生所需要的控制作用，并及时通过过程通道向被控对象发送控制指令。(c)外部设备外部设备是指计算机系统除主机之外的其它必备的支撑设备，它按功能可分成三类：输入设备、输出设备、外存储器。(d)过程通道过程通道又称过程输入输出通道，它是计算机和生产过程之间信息传递和交换的桥梁和纽带。过程输入通道有模拟量输入通道和开关量输入通道两类，分别用来输入模拟量信号和开关量信号，并将这些输入的过程信息转换成计算机所能接受和识别的代码。过程输出通道也有模拟量输出通道和开关量输出通道两类，分别用来将计算机输出的控制命令和数据转换成能控制被控对象运行的模拟量信号和开关量信号。(e)系统总线和接口系统总线是主机与系统其它设备迸行信息交换的某种统一数据格式的信息通路。一般有单总线、双总线和多总线之分。接口是外部设备、过程通道等与系统总线之间的挂接部件，用来进行数据格式或电平的转换、信息的传输或缓冲。通常接口有串行和并行之分，也有专用的标准之别。(f)操作站操作站是各类操作人员与计算机控制系统之间实现信息交换的设备，常被称为“人机联系设备、人机接口设备”。操作站一般由crt显示装置、触摸屏、计算机通用键盘或专用键盘、鼠标和轨迹球以及专用的操作显示面板等组成。用于实现对系统运行的有关操作、操作结果的显示、生产过程的状态监视。根据使用人员不同、职责范围不同，操作站可分为：系统员操作站、工程师操作站、运行员操作站。系统员操作站用来实现系统软件编制、系统组态、控制系统的生成；工程师操作站负责系统的组态修改和运行调试、有关参数的设置和整定、系统运行的检查与监督等；运行员操作站负责控制系统运行操作，保证生产过程的正常运行。操作站的设置是随系统而异的，并非所有系统都具备上述三种操作站，对于某种操作站也可能设置多个。在分散控制系统中，由于采用了面向问题的语言和功能块的系统组态方法，使得控制系统的建立与修改简单方便，这部分工作完全可由工程师完成，因此，分散控制系统一般没有单独设立系统员操作站，现阶段，火力发电厂分散控制系统的运行员操作站一般是多个配置。(g)通信设备通信设备是实现不同功能、不同地理位置的计算机(或有关设备)之间进行信息交换的设备。(2)软件部分硬件为计算机控制系统提供的是物资基础，是无知识、无思维、无智能的系统躯干。软件是计算机控制系统中所有程序的统称，是系统的灵魂，是人的知识、智慧和思维逻辑在系统中的具体体现。硬件和软件是相互依赖和并存的。计算机软件通常分为两大类：系统软件和应用软件。(a)系统软件系统软件一般包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言等语言加工程序、数据结构、数据库系统、管理计算机资源的操作系统、网络通信软件、系统诊断程序等，系统软件一般由计算机设计人员研制，由计算机厂商提供。对于计算机控制系统的设计和维护人员，要对系统软件有一定程度的了解，并会使用系统软件，以便更好的编制应用软件。(b)应用软件应用软件是根据用户所要解决的实际问题而编制的具有一定针对性的计算机程序，这些程序决定了信息在计算机内的处理方法和算法。计算机控制系统的应用软件一般有：过程输入程序、数据处理程序，过程控制程序，过程输出程序，人机接口程序，显示、报警、打印程序以及各种公用子程序等。应用软件的开发与被控对象的动态特性以及运行方式密切相关，因此，应用软件的开发人员除掌握计算机的应用技术外，还应了解被控对象的特性和运行要求，才有可能开发出合理的应用软件。计算机控制系统的软件优劣与否，既关系到系统硬件的功能发挥，也关系到对生产过程的控制品质和管理水平，同时还影响计算机系统工作的稳定性和可靠性。例如，同样的硬件配置，采用高性能的软件，可以获得更好的控制效果，反之，硬件功能难以充分发挥，达不到预定的控制目的，甚至会造成系统“死机”等不良现象。计算机控制和管理的实时性，不仅取决于硬件指标，同样很大程度上依赖于系统软件和应用软件。143电厂控制系统的体系结构在火力发电厂内针对不同的控制对象采用不同的过程控制设备。可编程逻辑控制器(plc)是一种以微处理器为核心、具有贮存记忆功能的数字化控制装置。它的最大特点是提供了开关量输入、输出通道，可以通过预先编制好的程序来实现时间顺序控制或逻辑程序控制，以取代以往复杂的继电器控制装置。目前，各厂家生产的plc均已标准化、模块化、系列化。plc中的一个i0模块通常可输入或输出1664个点。用户可根据需要灵活选配模块构成不同规模的plc。新型的plc，还提供了模拟量输入、输出通道和pid等控制量算法，可以实现连续过程的控制。这种集模拟量控制和开关量控制为一体的plc，通常也成为可编程控制器(programmable controller，简称pc)plc一般设有异步通信接口(rs232或rs422)，它既可作为一个独立的控制站直接与分散控制系统的操作站交换信息，也可以连接到分散控制系统的现场总线上，还可以通过网间连接器与分散控制系统的上层通信网络连接。具有很多优点：第一、控制分散、信息相对集中。系统运用了大系统递阶控制的思想，将系统功能垂直分解和将生产过程水平分解，采用了全防卫高度分散的系统结构。生产过程的控制是容国只负责少量控制回路、功能强大、具有定自治能力、以微处理器为核心的一系列标准化模件予以实现它既能代替常规模拟仪表完成规定的控制任务，又能实现更为高级复杂的控制规律。分散控制结构相对于集中式计算机控制，不仅提高了各功能模件的相对独立性和自主性，还能保证局部故障时不危及整个系统。控制上的分散带来的危险分散、大大提高了系统的可靠性。利用系统的通信网络、存贮设备和软件系统等，可实现整个系统的监视和操作集中，以及综合信息集中，有利于全面了解和有效操纵生产过程及系统的运行。第二、控制功能齐全、控制算法丰富。分散控制系统充分利用和发挥了计算机的优势，可以实现满足生产过程需求的各种控制功能。它不仅集连续控制、顺序控制和批量控制于一体，还可以通过软件的开发在原来已有的各种控制算法基础上，方便地吸纳和积累许多新颖实用的控制算法，使其不断地丰富与完善，而且可以实现串级、前馈、复合、解藕等复杂的控制方式和自适应、预报、最优、智能化等更高级更先进的控制技术。分散控制系统灵活的组态功能，能使其丰富的控制功能得以充分的体现和应用，从而提高了系统的可控性。计算机所具有的强大的贮存和逻辑判断能力，使得分散控制系统可根据生产环境和条件的变化，及时做出判断，选择最为合理的控制对策，以达到理想的控制效果。这些是常规模拟调节器所不可比拟的。除上述功能之外，分散控制系统还可以实现对生产过程的各级管理。如生产过程的平衡计算与性能计算、寿命管理、经济核算、生产计划与调度等等。为实现全厂综合自动化提供了物质基础和综合条件。第三、灵活性好、适应性强、具有较好的开放性。分散控制系统的硬件和软件都采用标准化、模块化的开放式的设计。硬件系统采用积木组装结构，它可以通过选择不同数量、不同功能或类型的插接式模件(如50模件、控制模件、通信模件、显示模件等等)组成不同规模和不同要求的硬件环境，以适应不同用户的需要。若要改变系统规模时，只需减少或增加相应的模件，而不影响系统其它硬件的功能发挥。同时，系统的应用软件也采用模块结构、用户只需借助系统的组态软件，用回答问题或填写表格等方式，可方便地将所选择的硬件与相应的软件模块联系起来，构成所需功能的控制系统，硬件和软件的模块化，便于系统的o组态，提高了系统配置的灵活性，有利于系统的扩展与升级，适应于各种生产过程控制和管理的应用。而且，良好的硬件特性还能提高对各种应用环境的适应能力。第四、实时性好、协调性强。分散控制系统采用了现代通信网络和先进的微处理器，可实现各模块或工作单元间的信息高速传输、信息共享以及信息的管理，在优良的实时操作系统(如unix等)、实时时钟和中断处理系统的支持下，所有信息采集、处理、显示以及控制都具有良好的实时性，能及时观察到生产过程的微小变化，及时对生产过程进行控制操作，由于微处理器非凡的逻辑功能和计算能力，能综合分析和协调处理各种信息，并能通过通信网络将各工作单元的工作协调起来，所以，分散控制系统既能协调系统内部的工作，也能对生产过程进行从而提高系统的可靠性。其次，采用先进的高质量的大规模或超大规模集成电路，在确保选用质量可靠的元器件的基础上，大幅度减少元器件数量和应用表面安装技术，提高硬件设计和制造的可靠性，最大限度地降低硬件故障率。再其次，采用硬件冗余和软件容错技术，使系统的关键硬件(如通信网络、操作监视站、电源、主要模件等等)双重化配置，使系统的软件具有故障检测、诊断、处理和程序卷回、指令复执等功能。在系统出现差异时，可实现自动报警、故障部件自动隔离、热备用的冗余部件自动投入、故障部件带电捅拔等在线处理，以及手动后援。最后，采用“电磁兼容性”设计，即通过接地、屏蔽、隔离等技术手段，提高系统的抗干扰能力以满足系统应用环境并留有充分的裕度，以保证系统的可靠性。sis系统(supervision information system)是指电厂厂级监控信息系统，是属于全厂级生产过程自动化的范畴。目前，世界范围内都非常重视信息化建设，希望以此推动各国、各部门、各企业的改革和发展。随着近几年中国电力体制改的深入发展，厂网分开、竞价上网已经成为必然发展趋势。在此大环境下，国内各电厂也必需重视整合企业现有软硬件资源，在整个电厂内实现资源共享，真正做到管控一体化，为电厂整体效益的提高打下坚实的基础，sis系统的建立响应了以信息化建设来提高电厂生产过程管理、决策水平的需求。sis系统强调面向用户，其主要任务是辅助决策，强调对决策者提供系统外部环境信息、内部综合信息、决策者个人经验和判断等方面的支持。15本文所做的工作针对某厂自备电站锅炉汽温控制系统，应用模糊控制技术进行改造，通过与传统的pip控制技术仿真对比，来探讨模糊控制在发电厂锅炉汽温控制系统中的应用。为此，本文所做的主要工作如下：(1)以某厂锅炉汽温控制系统为例，在实现传统的pid控制的基础上，进一步应用模糊控制技术的改造方案。(2)锅炉汽水系统模糊控制器的总体方案设计。主要包括输入量的模糊化，模糊控制规则的形成，输出信息的精确化。(3)利用matiab70中的simulink对系统仿真，分析模糊控制与pid控制的优越性。(4)就如何将本文提出的控制理论、算法和控制规则广泛应用于实践进行进一步探讨。第二章 锅炉蒸汽温度自动控制系统的分析21引言过热蒸汽温度自动控制是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。目前，汽包锅炉的过热器侧调温都是以喷水减温方式为主的。它的原理是将洁净的给水直接喷进蒸汽，水吸收蒸汽的汽化潜热，从而改变过热蒸汽温度。汽温的变化通过减温器喷水量的调节加以控制。本章将以单元机组为控制对象，讨论汽包锅炉蒸汽温度控制系统的构成、工作原理、特点及方案比较。22过热汽温控制的任务近代锅炉对过热汽温和再热汽温的控制是十分严格的，允许变化范围一般为额定汽温5。汽温过高或过低，以及大幅度的波动都严重影响锅炉、汽轮机的安全和经济性。蒸汽温度过高，若超过了设备部件(如过热器管、蒸汽管道、阀门，汽轮机的喷嘴、叶片等)的允许工作温度，将使钢材加速蠕变，从而降低设备使用寿命。严重的超温甚至会使管予过热而爆破。过热器、再热器一般由若干级组成。各级管子常使用不同的材料，分别对应一定的最高许用温度。因此为保证金属安全，还应当对各级受热面出口的汽温加以限制。此外，还应考虑平行过热器管的热偏差及汽温两侧偏差，防止局部管子的超温爆漏和汽轮机汽缸两侧的受热不均。因而过热汽温的上限一般不应超过额定值5。蒸汽温度过低，将会降低热力设备的经济性。对于亚临界、超临界机组，过热汽温降低10，发电煤耗将增加约1.0g标煤(kwh)，再热汽温每降低1，发电煤耗将增加约089标煤(kwh)。汽温过低，还会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧，严重时将会发生水冲击，威胁汽轮机的安全。因此运行中规定，在汽温低到一定数值时，汽轮机就要减负荷甚至紧急停机。因而过热汽温的下限一般不低于额定值10。汽温突升或突降会使锅炉各受热面焊口及连接部分产生较大的热应力。还将造成汽轮机的汽缸与转子间的相对位移增加，即胀差增加。严重时甚至可能发生叶轮与隔板的动静摩擦，汽轮机剧烈振动等。过热汽温的额定值通常在500以上，例如高压锅炉一般为540，就是说要使过热汽温保持在5405的范围内。2.3过热汽温控制对象的动态特性分析影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟汽温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有三个方面：2.3.1蒸汽流量(负荷)扰动下过热汽温对象的动态特性当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图21所示，其特点是：有滞后、有惯性、有自平衡能力，且较小。当锅炉的负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟汽温度和流速都增加，从而使对流式过热器的出口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。2.3.2烟气热量扰动下过热汽温的动态特性图22表示烟气热量qy阶跃变化时过热汽温的反应曲线，其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟图21负荷扰动下的动态特性气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数和迟延t均比其他扰动小。现场当中是通过改变烟气温度(例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数)或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。233减温水量扰动下的过热汽。温动态特性当减温水流量扰动时，改变了高一温过热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温，其阶跃响应曲线如图23所示。从图中可看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。图22烟气热量扰动下的动态特性对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间3060s，时间常数100s，而当烟气侧扰动时1020s，100s。可见，当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数(改变烟温或烟汽流量)的控制手段是比理想的(因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量)，但具体实现较困难，所以一般很少被采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法。采用喷水减温时，由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热汽温控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。目前采用的过热蒸汽温度控制系统主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。24串级过热汽温控制系统分析241系统的结构和工作原理根据在减温水量wb扰动时，主蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成以为副参数、岛为主参数的串级控制系统，系统结构如图24所示。系统中有主、副两个调节器。主调节器pi1用于维持主蒸汽温度，使其等于给定值。副调节器pi2接受主调节器的输出信号和减温器出口温度信号，副调节器的输出控制执行机构世，的位移，从而控制减温水调节阀门的开度。图24串级过热汽温控制系统为了便于分析，我们给出了主汽温串级控制系统原理框图，如图24所示它有两个闭合的控制回路：(1)由对象的导前区：导前汽温变送器：，副调节器，执行器和减温水调节阀组成的副回路(内回路)；(2)由对象的惰性区，主汽温变送器，主调节器，以及副回路组成的外回路(主回路)。串级控制系统能改善控制品质，主要是由于有一个能快速动作的内回路存在。由图24可以看出，导前汽温信号能快速反映扰动，尤其是减温水侧的自发性扰动，只要变化，内回路就立即动作，用副调节器的输出去控制减温水量，使维持在一定范围内，从而使过热汽温基本不变。当主汽温偏离给定值时，则由主调节器发出校正信号，通过副调节器及执行器改变减温水量，使主汽温最终恢复到给定值。主调节器的输出信号相当于副调节器的可变给定值。可见，在串级过热汽温控制系统中，内回路的任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用，副调节器一般可采用p或pd调节器：而外回路的任务是保持过热汽温等于给定债，所以主调节器可采用pi或pid调节器。242串级过热汽温控制系统的整定2421动态参数法一般讲，过热汽温控制对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用p或pd控制规律。在这种情况下，内回路的控制过程要比外回路的控制过程快得多。此时，串级汽温控制系统可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定。串级过热汽温控制系统原理方框图如图25所示导前区对象传递函数；惰性区对象传递函数；一主调节器传递函数；图25串级过热汽温控制系统原理框图一副调节器传递函数；一主汽温变送器的斜率；导前汽温变送器的斜率；执行器的比例系统；一减温水调节阀的比例系数；一控制作用下的减温水量；一减温水流量扰动；一总减温水量当和时，等效副调节器为pi调节器，传递函数为 而等效主调节器也是pi调节器，传递函数为：此时根据对象导前区特性和主汽温特性，按串级控制系统整定方法，分别求得等效副调节器和等效主调节器的各个参数，从而求得、。2422现场实验整定法在能够测得对象的阶跃