基于自适应采样模糊控制技术的循环流化床锅炉负荷自动调节系统

务I 訇 化 基于 自适应采样模糊控制技术的循环流化床锅炉 负荷自动调节系统 Ba sed on au t o adapt ed s am pl i ng f uz z y con t r ol t echnol ogy ci r cul at i on f l ui d b ed boi l er l o ad r egul at or s ys t em 王永红 WANG Y 0 n g h o n g ( 南京化工职业技术学院，南京 2 1 0 0 4 8 ) 摘要：循环流化床锅炉的负荷调节系统具有强时变、大滞后、强耦合等特性 ，实际运行中常规控制 难以取得良好的控制效果 ，本文通过引入采样控制器思想、模糊控制技术 ，设计了具有自适 应特点的混合控制策略。来提高了以床温为中间被控对象的串级负荷控制系统的性能，并在 O X 3 0 0 D CS 系统上取得了较好的实用效果。 关键词：采样模糊控制；循环流化床 ；负荷调节 中图分类号：T P2 7 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 9 -0 1 3 4 ( 2 0 1 1 ) 1 ( 上) - 0 0 2 6 - 0 3 D o i ： 1 0 3 9 6 9 I J i s s n 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 1 1 ( 上) 0 8 1 锅炉概况及控制特点 近二十年来，火 电厂单元机组越来越 向大容 量、高参数 、高效率的方向发展 ，对机组热 工 自 动控制系统控制 品质的要求也随之提高 。为了保 证单元机组的正常运行 以及高度的安全性、经济 性 ，对单元机组 的自动化水平提出了更高的要求。 传统 的控制方法已经不能满足生产的要求，用先 进 的控制策略取代常规控制策略成为过程控制发 展的趋势。循环流化床锅炉是一个分布参数、非 线性、时变、大滞后、多变 量紧密耦 台的对 象。 由于其燃烧过程的复杂性 和特殊性 ，使得循环流 化床锅炉 的自动控制比常规炉要复杂得多。研究 循环流化床锅炉控制系统 的特点 ，设计适应循环 流化床锅炉 的控制方案，提高流化床的运行效率 和环保效益，是很有必要的。其中 ，锅炉负荷的 升降过程 目前 多由当班操作人 员根据经验，处于 手动操作。故整个过程稳定性较差。人为 因素较 多。其控制上的不足主要表现在 ：没有一个统一 的操作规程 ，每个司炉均 有各 自的操作方式及 习 惯 ，个体差异较大。炉床温度及炉膛出 口温度 波 动范围大；由于操作幅度较大，主汽温度经常超 限 ，影 响蒸汽 品质。操作工操作一般都处于过 渡 过程 ，基本没有达到最佳风煤比及最佳返料量。 采用 自适应采样 模糊控制技术控制可以弥补 上述不足，其主要优点是： 1 ) 控制规 则统 一 ，控制相 对稳 定 。 2 ) 真正做到 “ 少量多次” ，操作幅度不会过大。 3 ) 遇到紧急情 况能冷静分析 ，沉着操作 ，不 会 “ 头脑发热” ，引起误操作 。 4 ) 有可能再进行上层优化。 2 自适应模糊采样控制方案的选择 2 1采样控 制方案 针对常规 P I D控制方案很难控制纯滞后时间 比较大的过程 。采样控制的方案即采用 “ 调一下、 等一等”的方法 ：即当控制器输 出达一定时间后， 就不再使输 出变化了，而是保持此输 出值直到控 制作 用的效果在被控量变化 中反映出来为止 ，然 后再根据偏差的大小决定下一步的控制动作。这 种 方 法 的核 心 思 想是 避 免 控 制 器 进行 不 必 要 的误 操作 ，而宁愿让控制作用弱一些。 当控制器具有积分作用时 ，采样控制的动态 特性如下图 1 所示 ： 上图 1中， T c是控制器的控制作用( 运算 输出)的时 问，a T h是控制器控制输 出的保持时 间。采样控制的工作过程 是：当被调参数 出现偏 差 e以后，只有在采样开关闭合的时间 T c内， 控制器才根据这个偏差信号进行相应的控制运算 ( 积分作用) ，并输 出给执行机构 ；当时间过 T c 区 ( 控制区)后，采样开关立即打开，控制器的停 收稿日期：2 0 1 0 -1 0 -1 9 作者简介：王永红( 1 9 6 1 一)，女 ，上海人 ，副教授 ，本科 ，主要从事 自动化及仪表的研究工作。 【 2 6 】 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 1 ( 上) I 生 匐 化 L e f - 图1 采样控制的动态特性 止控制运算，输出保持在采样开关切断时的控制 器的输出值上 ，这个输出值将维持a T h的一段时 问 ( 保持区 ) ；然 后再进入 T c的控制区，控制 器又开始积分作用。如此 周而 复始 ，直到 偏差 完 全 消除 。 这是一种断续的控制方式，它无需掌握精确 的数学模型 ，就能克服被控变量 中纯滞后对控制 带 来 的不 利 影 响 ，但 是 必 须 注 意 此 时采 样 控 制 保 持时间的选取应略大于过程的纯滞后时间。 2 2 自适应采样- 模糊控制器的设计 针对实际工况的需求 ，结合模糊控制 的特点， 本文选取结合 了采样控制与模糊控制各 自优点的 控制方案：根据偏差的大小调整采样控制的周期 和限制控制作用的范围，该方法能使系统具有缓 慢、平稳的过度曲线。且 相对于常规 P I D控制没 有较大的超调量 。具体控制思想如图 2所示。其 中 T为计时器，T c为采样控制器的周期。 该方案的特点是 ，根 据偏差的大小 ，查询规 则 库，首先设 置控制器 的采样控制 周期 的大小， 同时确定控制器的控制输 出大小。其 中，采样控 制的控制周期 由根据现场 工艺设备人员对循环流 化床锅炉负荷变化特性操作经验 的总结而建立的 规则库确定；比如 ，负荷调 整相对 1 0 ，大概 需 要至少 2分钟 的时间来过渡。5 的调整量需要大 约 1 分钟的过渡时间。 3 以床温为 中间被控对象的 串级 负 荷控制系统 在设计循环流化床锅炉汽压控制系统时，要 计 算 偏差 E E 量 化 l 模糊推理 一 I T c 重置，T 清零 U量化 输 出 匡画 图2 自适应采样模糊控制方案原理图 首先考虑如何实现汽压与床温的解藕，因为床温 与汽压之 间存在严重的耦合。床温的波动将直接 影 响到主蒸汽压力的稳定。根据 多年来循环流化 床锅炉现场运行经验，正常情况下一次风是不动 的，所 以当锅炉 负荷发生变化时 ，给煤 量就会随 之 变化 ，煤 量 的变 化 首 先是 反映 在 床温 的 变化 上 ， 然 后 才 能 作 用 到 主 汽 压 力 上 。根 据 这 一 特 点 ，本 文选用一种 以床温为 中间被控对象的串级 负荷控 制 系统 。 主控制 器为 自适应采样模糊控制器 ，其输入 为锅炉负荷 的偏差 ，输 出为锅炉流化床温控制器 的输入值 ，当床温发生扰 动时，很快的就反应到 内环控制 器上，控制器动 作以尽快地 消除扰动。 当燃料发后扰动时 ，也会 第一步反应到床温变 化 上 ，有可能 在汽压 变化前通过 内环 来消除扰动。 当锅炉 的负荷发生变化时，主控制器动作 ，使床 温的设定值随之发生相应的缓慢 的改变 ，然后通 过调整给煤 量来调 整床温 ，从而使主汽压力逐步 过渡到设定值。以此来实现锅炉负荷的条件 。这 种方法即兼顾 了床温也调整 了负荷，避免 了床温 与负荷分别调 整带来 的相互藕合干扰 ，体现 了循 环流化床锅炉 以床温控制为 中心的特点，解决 了 床温与负荷的耦合关系对控制过程的影响。 4 控制方案的实施 4 1 床温控制 炉床温度是循环流化床锅炉稳定运行与否关 键是炉床温度是否稳定。炉膛出口温度要视负荷大 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 - 1 ( 上) 2 7 1 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m I 匐 似 小而定 ：一般主汽流量 7 0 t h时为 8 4 0 8 5 0 ， 6 0 t h时 为 8 1 0 8 3 0， 低 负 荷 3 5 t h时 为 6 5 0 7 0 0 ，同时考虑到床温调节要遵循相应 规程如先减煤 ，再减风 ，观察 ；再减煤 ，再减风， 直至符合要求。做到少量多次 ，走一步，看一步。 故副 回路内环 的床温控制器设计选用根据操作经 验建立的模糊规则库来控制。 4 2 自适应采样模糊控制规则的工程实现 J X 一 3 0 0系统是浙江中控的 DC S产 品，在国内 企业占有一定的市场份额。J X 3 0 0的组态软件中常 规控制回路的输入和输出只允许 AI 和 AO，对一 些有特殊要求的控制 ，用户必 须根据实际需要 自 己定义控制方案。系统提供 了 S C x语言编程和图 形编程二种方式实现。本文选择直观的图形编程 来实现上述采样模糊控制器。 对偏差 的处理判断调用比较模块 ，如偏差范 围 E为 0 0 0 - 1 0 0 ，当 E - - 0 1 0时 ，置 控制 器输 入为 0 1 0 ，采 用 控 制时 间为 1 2 0 0 0 0毫 秒 。 由此 实 现模糊 控制 规则 ： I f E i s NB Th e n U i s NB a n d T c i s B 该 条规 则具体 实现 如图 3所 示。其 余类推。 其 中控制器 的参数可运行监控软件后由工程师身 份 登录后设 置 。 自适应采样模糊控制规则参数如表 1 所示 ： 表1 控制规则表 模糊集 NB N M N S Z P S P M P B E l【 x 】 1 O _01 0 一 0O 5 - - 0 0 5O 0 OO0 5 00 50 l 0 O1 0 1 0 ( T c l 2 O 0 0 0 6 0 0 0 0 3 0 0 00 5 0 3 0 0 0 0 6 0 0 0 0 1 2 oo 0 o 表 1中 E单位为百分比，T c 单位为毫秒 。 5 结论 从某厂实用情况来看 ，以 自适应模糊采样控 制器为基础 的循环流化床锅炉 负荷 自动调节 系统 能在一定范 围内满足生产实际需求 ，取得 了满意 的效 果 。 参考文献： 1 】 郭 建博 周期 时变时滞非 线性参数化 系统 的 自适应学 习 控制 J J _ 自动化学报， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 1 5 5 6 1 5 6 o 2 】刘霞， 刘继承 ， 等 基于 自适应模糊推理的非线性系统辨 识 器设计 【 J 化工 自动化及仪表， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 1 1 - 3 1 6 3 】李茜， 李彬 ， 等 模糊 自整定P I D控制器的设计与仿真 J 1 化 工 自动化及仪表 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 3 ) ： 2 5 2 8 【 4 】 谭 超 基 于 自适应模糊P I D的中药提取温 度控 制