（控制理论与控制工程专业论文）智能控制在热网热量平衡中应用的研究.pdf

摘要 城市集中供热是现代化城市建设的重要措施之一。城市集中供热系统的建设 与发展己成为各国普遍关心的问题。大型企业的余热利用与城市集中供热等都要 用到热网，集中供热网担负着输送和分配热量的任务，是能量系统中的重要组成 部分。因此，采用自动化技术，用计算机实现对热网的自动控制对改善供热效果、 提高供热效率有重大意义。本文深入分析了我国城市集中供热网的现状，尝试使 用智能控制算法，改善对热网的自动控制效果。 本文主要分两部分对热网控制方法进行研究。第一，将模糊控制方法应用到 热源的控制中。对热源水温控制系统进行研究，采用基于模糊控制的算法建立系 统模拟控制模型，设计智能模糊控制器，并将模糊控制器仿真结果同传统p i d 控 制结果进行比较。分析仿真结果：模糊控制器具有超调小，调节时间短的优势； 第二，由于各个热力站实行独立调节，不能从整体上进行控制。在热源热量不足 的情况下，容易引起各热力站“争食”的现象，导致热网末梢热力站无热可供， 造成热用户水平失调和垂直失调。通过模糊控制器限定每个热力站可以获取的流 量，即为热力站的阀门开度设定上限和下限，这样即使某个热力站的热量再低也 只能有限的增加流量不会严重影响到其它热力站。这样就基本解决了各个热力站 “争食”的现象；并进一步讨论了广义预测控制( g p c ) 算法，将之应用到热力站供 热过程的数学模型中。广义预测控制能够根据系统的历史数据和未来的输入进行 滚动优化，使未来采样点的输出与期望输出的方差最小，并不断校正误差信号， 咀便f 次的预测信息更加接近期望值。借助m a t l a b 系统工具对广义预测控制和传 统p 1 d 控制方法的仿真曲线进行比较，可以清楚地看到采用广义预测的控制方法 具有响应快，误差小的优点，更适合应用于控制系统中。 关键词：热网；热量平衡；模糊控制；热力站；广义预测 a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o l i nh e a t i n gb a l a n c eo fh e a t i n gn e t w o r k a b s t r a c t c i t yh e a t i n gn e t w o r ki so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf u n d a m e n t a li n f r a s t r u c t u r e so f m o d e r nc i t i e s t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ea u t o m a t i ct e c h n o l o g ya p p l i c a t i o no ft h e c e n t r a l i z e dh e a t i n gs y s t e mi sr e v i e w e di nt h i sp a p e r t h ea d j u s t i n ga n dc o n t r o lm e t h o d s f o rt h ec i t yh e a t i n gn e t w o r k sa r et h o r o u g h l yd i s c u s s e d t h i sp a p e rt r i e st ou s en e w m e t h o d st oc o n t r o lh e a ts o u r c ea n dh e a ts u p p l ys t a t i o nf o ri m p r o v i n ge f f e c to fh e a t i n g s u p p l y t h i sp a p e ri si n t e n d e dt os t u d yt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo fh e a t i n gn e t w o r k ， w h i c hh a st w op a r t s ：h e a ts o u r c ea n dh e a ts u p p l ys t a t i o n f i r s t ，u s et h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mt oc o n t r o lt h ew a t e rt e m p e r a t u r eo fh e a ts o u r c eo nt h eb a s i so fe m u l a t i o n a l m a t h e m a t i cm o d e l ，d e s i g nf u z z yc o n t r o l l e ru n i t ，a n a l y z es i m u l a t i o nr e s u l t i nm a t l a b a n dc o m p a r ew i t hp i dc o n t r o l l e r ；s e c o n d ，e v e r yt h e r m a lc o n s u m e ri m p l e m e n t sa d j u s t i n g b yt h e m s e l v e s ，s ot h e yc a n tb ec o n t r o l l e de n t i r e l y w h e nt h e r ei sn o te n o u g hh e a t ，s o m e t h e r m a lc o n s u m e rm a y “g r a bf o o d ”i tw i l ll e a dt ot h et h e r m a lc o n s u m e ra tt h ee n do f h e a t i n gn e t w o r kb a d l yo f fh e a t f u z z yl o g i cc o n t r o lu s e dt ol i m i to p e n i n gd e g r e eo f t h e e l e c t r o n i cv a l v ei nt h i sp a p er s o m et h e r m a lc o n s u m e r , w h i c hi ss h o r to fh e a t ，o n l yc a l l o b t a i nl i m i t e dh e a t t h i sm e t h o dc a na v o i do t h e rt h e r m a lc o n s u m e r sf r o mi n f e c t i o n b a s i n go nt h ep r e d i c t i o na b i l i t yo fg p c ，t h es u p p l y i n gp r o c e s so ft h e r m a lc o n s u m e rc a n b ec o n t r o l l e dw e l l g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o li sa b l et or o l l e do p t i m i z ei n t e n d i n g s a m p l i n g sa n dm a k et h e ma p p r o a c ha n t i c i p a n tv a l u e s t h r o u g hs i m u l a t i n g t h i sg p c s y s t e ma n dc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，w ef i n d i ti sm o r es u i t a b l ef o r c o n t r o ls y s t e mo fc i t yh e a t i n gn e t w o r k k e y w o r d s ：h e a t i n gn e t w o r k ；h e a t i n gb a l a n c e ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ；t h e r m a l c o n s u m e r ；g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l i i 第1 章绪论 1 1 城市集中供热网的发展现状 集中供热系统自1 8 7 7 年美国 a l 丌始使用，至今已有一百多年的历史了。人们 在社会生产和日常生活中都需要使用大量的热能，这就需要将自然界的能量直接 或问接地转化为热能，以满足人们的需要。众所周知，供热就是用人工方法向室 内供给热量，保持一定的室内温度，以创造舒适的生活或工作条件的技术。在1 9 世纪末，以集中供热技术为基础，开始出现以热水或蒸汽作为热媒体，由热源集 中向个城镇或较大区域供应热能的方式集中供热。所谓集中供热系统就是 指以热水或蒸汽作为热媒体，集中向一个具有多种形式热用户的较大区域供应热 能的系统。它由主热源、热力网、热力站和多种形式热用户组成。 国外的供热系统发展比较早。像北欧国家采用的方案主要是基于流量调节【2 】。 即一方面控制供热系统最不利环路的供回水压差不小于给定值，当供回水压差小 于给定值时，启动供热系统中有关的增压泵，以维持要求的压差值，使供热系统 全网的循环流量达到设计要求；另一方面，供热量的调节( 满足设计室温的要求) ， 则是通过热源的集中调节和用户热入口( 多为间接连接) 的局部调节以及散热器处 恒温调节器即( 温控阀) 的个别调节进行的。可见，北欧国家所采用的这种方案实 际是四个环节的控制，即室内的恒温控制，热入口的流量控制，热源的燃烧控制， 在此基础上实现供热网的供回水压差控制。此外，俄罗斯受地理环境的影响，发 展供热系统较早，目前也比较完善，是世界上集中供热最发达的国家之一，在集 中供热控制的实现中有很多经验值得借鉴。但是这些国家的集中供热系统需要高 质量的调控没备，而且需在住房建筑方面进行相应的建设，投资较大，我国大部 分地区的集中供热系统不适合使用这些国家的调节与控制方法。 国内的控制模式分为热源和热刚两部分：由热源控制总供水温度和总循环流 量，保汪按需供热，并均匀分配总供热量至各热力站，使供热效果达到一致，而 热网总需热量是通过对热负荷的动态预测并对热源部分直接调节而实现；对于热 网，挥热力站之问的热量分配是通过各热力站自己独立的控制单元实现的，即通 过室外温度米确定二次刚供水温度值，通过改变一次刚流量来保证二次刚流量为 设定值。目前，我国集中供热系统自动控制的运行现状是 3 1 ：主热源由于实行了 热电联产，其规模大、数量众多。据统计，我国6 6 8 个城市中有2 8 6 个城市建设 了热电联产形式的集中供热设施，完全采用了计算机控制系统对电能和热能供应 设备及辅助设备运行进行监控、管理，提高了热效率，节能显著，有效地控制了 污染问题；多种形式的热用户采用了形式多样的自控系统，如普遍采用p i d 调节、 数字式仪表的d d c 控制，均取得了良好的控制效果；而大多数热力站的换热机组 和辅助设备的运行仍有相当大的一部分还处于人工调节状态，运行的经济性能很 不理想。人工调节方式具有以下明显缺点： ( 1 ) 控制精度差：由于人的生理因素制约，操作人员对外界的观察和控制能力 受到限制，同时受主观意识的影响，人工调节设备单凭经验进行，设备运行的工 况并未处于最佳的状态，运行参数波动大，能耗高。 ( 2 ) 劳动生产率低，生产成本高：出于人的体力关系，操作人员直接操纵设备 的功率是有限的，同时生产过程的强化，需要多人来完成某个工业设备或生产过 程的连续性操作，工资支付、培训费用等导致生产成本增加。 1 2 课题研究的意义 目前我国大多数地区集中供热系统的运行管理和控制技术还不成熟，自动化 水平较低，缺乏合理性。主要问题反映在：缺少全面的参数测量手段，无法对运 行工况进行系统的分析判断；系统工况1 4 1 失调难以消除，造成用户冷热不均：供 热参数未能在最佳工况下运行，供热量和需热量不匹配；故障发生时，不能及时 诊断报警，影响可靠运行；数据不全，难以量化管理，这样使供热系统的控制方 法跟不上供热规模的发展，从而影响了集中供热优越性的发挥。 我国大部分集中供热利用热电厂作为供热热源，一般出几十个热力站组成。 供热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂热力站汽一水换热器形成高温热水由一次管 网送至各热力站，高温热水再经热力站水一水换热器形成供暖热水山二次管网送 至用，“。这样若各干个热力站实行独立调节，则不能从整体上进行控制，容易出 现在热源不足的情况下产生各热力站“争食”的现象，使热网术梢热力站无热可 供，造成热用户水平失凋和垂直失调，各供热小区冷热不均，供热质量难以保证， 无法实现整个热网的优化与协调。同时，在热量充足的情况下，可能出现超供浪 费现象，也难以达到降低能耗、提高经济效益的目的。 为了改变这种落后的状况，提高热力站运行的经济性能，充分发挥现有供热 系统的潜力，实行供热工程的科学化管理，对热力站进行自动化改造已是当务之 急。设置自动控制系统相比人工调节则具有以下优点： ( 1 ) 控制精度高：由于使用自动化装置对设备运行参数和生产现场条件实行在 线监控，及时克服各种干扰因素的影响 下运行，运行参数满足生产工艺的要求 各利用率； 实旌最优控制，保证了设备在最佳工况 同时延长了设备的使用寿命，提高了设 ( 2 ) 提高劳动生产率，减低成本：由于使用自动化装置代替人的操作，使生产 过程在最优条件下连续进行，加快了生产速度，节能降耗，降低成本，实现优质 高产，从而增加企业的经济效益； ( 3 ) 减轻劳动强度，改善劳动条件：生产过程的现场环境一般比较恶劣。实施 自动控制后，操作人员只需在仪表室内观察自动化仪表的运行情况，必要时进行 人工干预，避免了在现场从事大量且有害健康的操作； ( 4 ) 保证安全生产：对生产过程的关键参数设置自动信号和连锁保护装置。一 旦工况出现异常、系统运行参数越限，则发出声光报警信号，采取相应紧急处理 措施，防止事故的发生或扩大； ( 5 ) 减少大气污染：生产过程的自动化使得热工设备( 如锅炉、高温热处理炉 等) 的燃烧工况得到极大地改善，产生的粉尘量，烟雾量急剧减少，大气环境中的 空气品质得到改善和保障； 综h 所述，集中供热系统自动化是集中供热技术发展的必然趋势，同时也是 提高热源及热力站综合性能、保证供热质量的迫切需要。因而成为供热技术研究 的热点之一，此举必将进一步推动集中供热系统现代化的普及和发展。 1 3 本文主要研究的内容 本文以沈阳市太原街地区供热情况为实例进行实验研究，研究的主要内容包 括以下儿个方面： ( 1 ) 采用具有自学习功能的模糊控制，设计模糊控制器，控制锅炉的燃煤机组， 使其根据室外温度的变化改变热源出水温度，分析模糊控制与p i d 控制的控制效 果； ( 2 ) 基于模糊控制方法，把热源分配给各个热力站的热量限定在固定范围内， 解决各个热力站的“争食”现象； ( 3 ) 基于热力站供热过程的数学模型，运用数字仿真技术，在m a t l a b 系统环 境中使用广义预测算法对该控制系统的运行效果进行仿真，分析热力站供热过程 的预测控制与p i d 控制的控制效果。 第2 章城市集中供热系统组成及控制方案 2 ，1 城市集中供热系统的组成t s l 所有供热系统都有热媒制各( 热源) 、热媒输送和热媒利用( 散热设备) 三个主 要部分组成。根据它们的相互位置关系划分，供热系统可分为局部供热系统和集 中供热系统。 集中供热系统由三大部分组成：热源、热力网和多种形式热用户。 1 热源：在热能工程中，热源泛指能从中吸取热量的任何物质、装置或天然 能源。供热系统的热源是指供热热媒的来源。目前最广泛应用的是：区域锅炉房 和热电厂。在此热源内，通过燃料燃烧所产生的热能，将热水或蒸汽加热。此外 也可以利用核能、地能、电能、工业余热作为集中供热系统的热源。 2 热力网：由热源向热用户输送和分再己供热介质的管线系统。 3 热用户：集中供热系统利用热能的用户，如室内供热、通风、空调、生活 热水供应以及工业生产用热等。 热水供应以及工业生产用热等。 幽2l 问连式供热管网示意图 f i g 2 1 n d i r e c ! - c o n n e c t i o ns h a p eh e a t i n gn e t w o r k 2 2 热网平衡的总体控制方案 用户室温的高低除与热媒流量有关外，还与室外温度、建筑物热负荷、系统 供水温度、日照、风速等因素有关。为保证用户室温在整个供暖期都满足设计室 温( 根据沈阳市政府规定用户室温不能低于1 6 ) 的要求，必须在整个供暖期间， 根据室外气温的变化，随时进行供水温度、流量的调节，以实现按需供热，当锅 炉流量不变的情况下，即对供热系统的水温进行调节。在集中供热系统运行期间， 供热系统循环流量始终保持设计值不变，只调节系统供回水温度来实现供热量的 控制称为质调节；供水温度始终保持设计值，而只改变循环流量的调节方式来实 现供热量的控制称为量调节；控制放热时间的多少来实现供热量的控制称为间歇 调节，这是集中采暖系统的三种自动控制方式【6 】。 沈阳市太原街地区供热管网分布情况如图2 2 所示： 图2 2 沈阳市太原街供热网布置图 f i g 2 2h e a t i n gn e t w o r kd i s p o s a lo f t a i y u a ns t r e e to fs h e n y a n g 集中供热网是一个复杂的分布式大系统。整个生产过程具有大滞后、大惯性 的控制特性，热力站之间存在铰强的耦合，对象具有时变特性，而且存在地理位 置的分散性、过程负荷变化的不确定性等特点。这里以沈阳市太原街地区供热为 背景介绍集中供热网的总体控制方案。该网为两级问连式供热网结构：沈阳市太 原街珠江热源厂为供热电厂，它提供的高温过热蒸汽经换热首站汽一水换热器换 热形成高温热水由一次管网送至各热力站，高温热水再经子站水一水换热器换热 形成供热热水由二次管网送至各用户。目前大部分热网采取的方式是各热力站根 据二次网供水温度对次网高温热水流量进行独立的闭环控制。当系统稳定性差， 水力耦合强时，各热力站间水力、热力工况相互影响，难以同时满足供热指标， 甚至会引发振荡。较好的方法是综合考虑全网整体供热效果的两步调节方案【6 1 ， 即：第一实现按需供热。按需供热的关键因素在于锅炉出水温度，优化锅炉燃煤 机组的控制方法，改善一次网供热质量，保证按需供热。第二实现均匀供热，通 过调节各个热力站内一次网高温水流量，满足二次网供热负荷的需求，保证均匀 供热。一次网和二次网均采用独立控制，在控制效果正常的情况下，彼此影响很 小，因此在本系统的设计中忽略了两级网之间的耦合问题。 集中供热系统在实际运行中，应根据室外空气温度的变化采用不同的方式进 行控制，以便使系统的工作更加安全、经济、有效，才能更好地满足工业生产和 人民生活的需要。 第3 章热源模糊控制方法的研究 对热网负荷系统而言，最重要的是满足室内温度设定、室外气象参数和管网 出、回水口温度之间的平衡。因此，要保证室内温度达到热用户舒适的要求，必 须及时根据气象参数对出水口的温度值进行预测，以便于对锅炉燃烧系统参数进 行控制。沈阳市太原街地区主要靠锅炉的煤燃烧为各个热力站提供热量，即供热 网的热源为锅炉。本章以锅炉为研究对象，假定流量不变，对锅炉供水温度进行 控制使其跟随室外温度的变化而变化，保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。 3 1 热源供热过程控制对象【7 】 1 锅炉供水温度与室外温度数学模型 ( 1 ) 经验公式法 用户室温受外界环境温度和锅炉供水温度的共同影响。为使用户室温保持基 本稳定，采用供水温度受外界环境温度控制的方法，根据经验建立锅炉供水温度 与外界环境温度的数学模型如下： l ，：严c 一 _ 1 5 。c 巧州。c ( 3 1 ) 钾一1 9 5 。c巧s 一1 5 。c “ 式中：为锅炉供水温度；为外界环境温度。 由上式可知：外界环境温度为0 0 c 时，锅炉供水温度为8 0 。c 。外界环 境温度每升高1 6 c ，使锅炉供水温度巧降低1 。c 。当外界环境温度低于一1 5 。c 时，锅炉供水温度巧保持为9 5 。c 不变。当外界环境温度高于1 5 。c 时，锅炉停 机。 ( 2 ) “热网静态数学模型”法吲 对于热网负荷系统关键控制参数一出水口温度的预测，结合我国小区供热站 的实际情况，国内清华大学有关专家己提出“热网静态数学模型”法a 浚方法的 主要原理是根据室内温度是一个缓变量的特点，将其预先设定在一个合适的范围 内，般为1 8 2 ，认为用户室内空气的温度基本处于吸热和放热的准平衡状态， 根据传热学原理建立热平衡方程，从室外的当前温度和室内设定温度反推出室内 向室外的放热量，从而确定供暖系统应输出的热量，计算出热网入口( 锅炉出口) 的循环水温度的给定值。 由热平衡方程预测出水口温度的基本方法： 设q 。为由锅炉循环水带给用户的供热量，则 q 。= e 。w ( f g t 。) ( 3 2 ) 式中，e 。为有效系数，为流量的热当量；f 。为供水温度即锅炉循环水出口温度； t 。为热用户平均室内温度。其中w ；c g ( c 为循环水的比热，g 为循环水的流 量，一般负荷不变是常数) 。 设供暖用户建筑物对室外冷源的散热量为q 。，可知 q 。；q v o 。- t 。) ( 3 3 ) 式中，q ，为建筑物室内外温差为1 时的热耗；t 。为室外大气温度。 显然由热平衡方程q ；瓯，得到： 即 e 。w o 。一t 。) a q v o 。一t 。) ( 3 4 ) 铲南也一小。 ( 3 5 ) 设k 2 乡匆，显然若已知足系数的前提下，可由大气温度f 。和室内温度。预 测出循环水出口温度： t g = k + p 。一t w ) 十f 。 ( 3 6 ) 并以此值作为热网负荷系统控制的依据。但是由上千户组成的热网从理论上计算 k 系数既困难也不可能准确，故一般将室内温度t 。设定值1 8 2 。c ，由现场采集运 行数据，得到k 的拟合实验值，即k 与室外温度的非线性关系为： k = e x p ( 一a t 。) 卢 ( 3 7 ) 式中口，卢均为拟合系数。 以上两种方法都是可行的，不同的供热系统可根据实际情况进行选择。 2 锅炉供热过程工况9 1 锅炉的工作流程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程、烟 气向水的传热过程和水的循环过程。燃煤经煤闸板散落在炉排上，电机通过减速 机、链条带动炉排转动，将燃料带入炉膛中燃烧，燃烧所需的空气由引风机送入 炉排中间的风箱中，向上到达炉排的燃烧层，引风量和给煤量要成一定的风煤比， 以便充分燃烧，形成高温烟气，燃煤剩下的炉渣，在炉摊的末端翻过除渣板后排 入灰斗，这一过程称为燃料的燃烧过程。燃煤的燃烧在炉膛形成很高的热量，高 温烟气通过与周围的水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内 的冷水，继而烟气受引风机和烟囱的引力影响向炉膛上方流动，先后经过过热器、 省煤器及空气预热器交换热量后，以较低的烟温排出锅炉，完成了传热过程。经 过处理的水由泵加压，先流经省煤器得到预热，然后进入水冷壁进行加热，由于 受热不均而形成了不同容重的水，经自身重力作用并借助辅助设备，形成了水的 循环过程。 燃烧控制系统设计的一个基本要求是要保证供暖用户室内温度稳定在规定的 范围之内，即室内温度保持在1 8 2 。由于室内温度的变化非常缓慢，并且有二 级网热力站的控制器实时调节( 具体调节方案在第5 章详细讨论) ，因此可以认为 两级网不存在耦合关系。下面只需对考虑外界天气状况对锅炉供水温度的影响。 燃料量控制是锅炉控制中最基本也是最主要的一个系统。因为给煤量的多少 既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温 等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。各种燃料控制可用图3 1 简单 表示。 燃料调节器 t ， ) v 。锅炉负荷要求 曰燃料量 ， ) 执行机构 图3 1 燃料量控制策略 f i g 3 1f u e lf e e d i n gc o n t r o ls t r a t e g y 锅炉汽压系统可用图3 2 表示 图3 2 锅炉汽压系统 f i g 3 2s t e a mp r e s s u r es y s t e mo f ab o i l e r 常规调节方案是 1 0 1 ：当发生扰动，主汽压偏离给定值时，调节系统改变给煤 机的控制电流进而改变给煤量m ，于是磨煤机输出的煤粉量也相应发生变化， 经分离器后，细度合格的煤粉由喷燃器送入炉膛燃烧，从而使主汽压得到调节。 可见，控制电流，改变时，主汽压发生变化要经过给煤机、磨煤机、分离器及锅 炉的燃烧、热量汽压转换等过程，整体看来调节对象属于高阶大惯性对象。另外， 由于原煤的物理状况变化和煤种变化等原因，给煤机的控制电流与给煤量之间的 关系呈非线性，甚至有时呈不确定关系。沈阳市太原街地区电厂锅炉给煤机的控 制电流与主汽压的数学模型如下： 帅) = 篇= 面1 万5 ( 3 8 ) 鬻一 匹一l | | j萝 触蜘芦 式中p ，o ) 为主汽压( 过热器出口汽压) ，。为给煤机的控制电流( 控制输出信号) 。 ( s ) 可等效为g ( s ) ：g ( s ) = 西妄e m ( 3 9 ) 对式( 3 8 ) 求单位阶跃响应曲线，进而可得：正= 2 8 9 s ，t = 8 3 s g o ) = 两1 而5 e 。 ( 3 l 。) 沈阳市太原街地区热源采用3 0 0 m w 直流锅炉，其燃煤机组的动态数学模型传 递函数为： 矧。 0 1 2 41 骘! ( 1 2 8 s + 1 ) 2 ( 1 1 乃+ 1 ) 2 0 6 91 1 挈! ( 1 4 9 s + 1 ) 2 ( 2 2 4 s + 1 ) 一o 1 3 9 ( o 0 0 4 + 孑石0 ；9 石6 ) 兰：! 箜! ! ! ! ! ! 竺 ( 5 8 2 s 2 + 5 0 s + 1 ) ( 4 1 s + 1 ) 式中，凹( f h ) 是燃料量的变化量：卸( ) 是调节汽门开度的变化量 蝇( m 砌) 是机前压力的变化量；a ( m ) 是实发功率的变化量。 在本系统设计时选取口为恒值则燃煤机组的实发功率变化量与燃料量的变 化量数学模型可简化为： ；2 0 6 9i ! 挈! 8 + ( 1 4 9 s + 1 ) 2 ( 2 2 7 s + 1 ) 3 2 热源模糊控制算法 4 6 6 5 s ( 9 9 s + 1 1 ( 5 8 2 s 2 + 5 0 s + 1 ) ( 4 i s + 1 ) ( 3 1 2 ) 3 2 1 模糊控制基本原理【1 2 】 建立在被控对象精确数学模型( 微分方程、传递函数或状态方程) 基础上的经 典自动控制理论和现代控制理论已在许多领域中取得了辉煌的成就，但是在现代 工业控制和实际生产过程中，由于影响控制系统的因素很多，也十分复杂，因此 建立控制系统的数学模型特别困难，甚至是不可能的。于是，美国的控制理论学 家扎德( i a z a d e h ) 于六十年代创建了模糊控制集合理论( f u z z y s e t t h e o r y ) ，对 特殊的以 0 ，1 区问为论域的模糊真值的研究更深刻地涉及到模糊数。山于模糊 概念本身就是根据语言变量、近似推理等应用领域的需要而提出的，因而，模糊 数学理论自然地应用在模糊控制当中。1 9 7 2 年z a d e h 把模糊逻辑应用于控制，以 此提出模糊控制的基本原理，即采用模糊集合理论进行统筹考虑的模糊控制器， 根据实际系统的输入输出结果，参考现场操作人员的运行经验，对系统进行实时 控制。七十年代英国的马丹尼( m a m d a n i ) 首次将模糊控制理论应用于蒸汽机控制， 学者汤哥( r t o n c ) 在学术杂志上首次发表了模糊控制技术论文，八十年代模糊控制 技术的应用进入了一个全面、深入、硬件专门化的阶段，模糊控制技术有了飞速 发展，并拓展到了其它领域，取得了丰硕的成果。我国许多学者自1 9 7 9 年以来在 模糊控制领域开展了大量的理论及方法实验研究，并应用于实际生产过程控制中， 推动了工业生产的发展。 常规模糊控制建立的基础是模糊逻辑，它比传统的逻辑系统更接近于人类的 思维和语言表达方式模糊控制的实质是将基于专家知识的控制策略转换为自动控 制的策略。它所依据的原理是模糊蕴涵概念和复合推理规则。通常它以被控对象 输出变量的偏差e 和偏差的变化率作为它的输入变量，而把被控量定为模糊控 制器的输出变量，反映输入输出语言变量与语言控制规则的模糊定量关系及其算 法结构。实际应用中把采集到的控制信息经语言控制规则进行模糊推理和模糊决 策，求得控制量的模糊集，再经模糊判决得出输出控制的精确量，作用于被控对 象，使被控过程达到预期的控制效果。经验证明，对于一些复杂系统，特别是系 统存在不定性、不精确和不确定信息的情况下，模糊控制的效果常优于常规的控 制。 清 晰 ，藉口圈嚣睦 h 髟 模 百4 c 1 竺竺r 1 竺兰卜 罾_ 1 竺竺兰卜磊鬲订1 l i 入r 糊 n e 化 ，丫一 模糊控制器 图3 3 模糊控制系统结构图 f i g 3 3f u z z yi n f e r e n c es y s t e mf r a m e 模糊控制系统结构如图3 3 所示，u 是一个单输入单输出被控对象的输入，y 是被控对象的输出，r 是给定量输入，e = l - 一y 是误差。图中虚线部分就是模糊控制 器( f c ) ，它根据误差信号e ，产生合适的控制量u 输出给被控对象。 模糊控制器一般由模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口四个部分 组成f ”。 ( 1 ) 精确输入量的模糊化 模糊化接口接受误差信号e 和误差的变化率e ，e 和e ，经过模糊量化处理变为 模糊量，以便实现模糊控制算法。模糊化接口主要完成以下两项功能： 论域变换：e 和e c 都是精确量( 数字量) ，它们的论域( 变化范围) 是实数域上的 一个连续闭区间，称为基本论域，分别用盖和y 来表示。通过模糊控制器把基本 论域变换为模糊控制集论域x 和y 。论域变换后e 和e ，变成了e 和。 模糊化：论域变换后e 和髓仍是非模糊的普通变量，对它们分别定义若干个 模糊子集合如：“负大”( n l ) 、“负中”( n m ) 、“负小”( n s ) 、“零”( z o ) 、“正小” ( p s ) 、“正中”( p m ) 、“正大”( p l ) ，并在其模糊控制集论域上规定各个模糊 子集合的隶属函数。在t 时刻输入信号的值e ，和e ，经论域变换后得到艮和占， 再根据隶属函数的定义就可以分别求出e 和对各模糊集合的隶属度，如 。( e 。) ，p 。饵。) ，这样就把普通变量的值变成了模糊变量( 即语言变量) 的值， 完成了模糊化的工作。 ( 2 ) 知识库 知识库中存储着有关模糊控制器的切知识，它们决定着模糊控制器的性能， 是模糊控制器的核心。知识库又分为两个部分： 数据库( d a t ab a s e ) 数据库中存储着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识，如前面已经介 绍的模糊化中的论域变换方法、输入变量各模糊集合的隶属函数定义等，以及模 糊推理算法，解模糊方法等。 舰则库( r u l eb a s e ) 如 其中包含一组模糊控制规则，即以“if t h e n ”形式表示的模糊条件语句 r l ：i f ei s a l a n de ci s b 】t h e n “ i sc r 2 ：i f ei s a 2 a n de ci s b 2t h e n ui s c 2 r 。：i f ei s a 。a n d e ci s b 。t h e n mi s c 。 其中，a 。，a ：，a 。是的模糊集合，b ，b ：，b 。是e 的模糊集合，c 。，c ：， c 。是“的模糊集合。 ( 3 ) 模糊推理 模糊推理是模糊控制系统的核心。模糊控制应用的是广义前向推理，它是基 于模糊概念，并用模糊逻辑中模糊隐含和推理规则获得模糊控制作用，模拟人的 决策过程，从而得出推理结果。 ( 4 ) 解模糊 解模糊可以看作是模糊化的反过程，它由模糊推理结果产生控制的精确量， 作为模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作。 解模糊：真实论域z ，对“：z ( 内部论域) 定义若干个模糊集合，并规定各模 糊集合的隶属函数。模糊推理是在内部论域上进行的，因此得到的推理结果c 是 z 上的模糊矢量，其元素为对h + 的某个模糊集合的隶属度。对于某组输入e 。和e ， 一般会同时满足多个规则( 称为激活) ，因此会有多个推理结果c 。，i 为不同的模糊 集合。求u q ，荠用某种解模糊算法( 如最大最小隶属度法) ，即可以求得此时的 i 内部控制量h ：。 论域反变换：得到的“：z ，进行论域反变换即得到真正的输出，它仍然是非 模糊的普通变量。 总之，模糊自动控制属于智能控制的范畴，它足以模糊集合化、模糊语言变 1 4 量及模糊逻辑推理为基础的，模糊控制不需要对象的精确数学模型，并且实现容 易、快速，对大滞后对象能够进行有效的控制，它已成为目前实现智能控制的一 种重要而有效的形式。对于存在大纯滞后、参数时变、非线性的控制系统，采用 具有自学习功能的模糊控制，能不断地根据系统的响应而自动的建立或修改控制 规则，从而使模糊控制器不断改善其性能。 模糊控制器的规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确 值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ( 在此取误差反馈) 。一般误差信号 作为模糊控制器的输入量，将误差信号层的精确量进行模糊化变成模糊量，此 模糊量可用响应的模糊语言表示。则得到了误差信号e 的模糊语言集合的一个子 集e ( e 实际是一个模糊向量) 。再由e 和模糊控制规则r ( 模糊关系) 根据推理合成 规则进行决策，得到模糊控制量为： “；e 。r( 3 1 3 ) 式中“为控制输出量，是一个模糊量，运算符“。”代表合成运算。为了对被 控对象旌加精确的控制，还需要将模糊量“转换为精确量，这一步在图3 3 中称为 非模糊化处理( 亦称为去模糊化或清晰化处理) 。得到了精确的数字控制量后，经 数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象进行控制。 综上所述，模糊控制算法可概括为以下四个步骤： ( 1 ) 根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的输入变量； ( 2 ) 将输入变量的精确值变为模糊量； ( 3 ) 根据输入变量( 模糊量) 和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则来 计算控制量( 模糊量) ； ( 4 ) 由上述得到的控制变量( 模糊量) 计算精确的控制量。 3 2 2 热源模糊控制器设计 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。通常将 具有一个输入变量和一个输出变量( 即一个控制量和一个被控制量) 的系统称为单 变量系统，而将多于一个输入输出变量的系统称为多变量控制系统。模糊控制器 的输入量基本上为三类：1 误差；2 误差的变化；3 误差变化的变化。输出变量 町取拧制量的大小“或控制量的变化量“，著误差“火”时，则以绝对的控制量 输出；而当误差为“中”或“小”时，则以控制量的增量( 即控制量的变化) 为输 出。 一般模糊控制器分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和多维模糊控制器。 原则上是控制器的维数越多控制的精度越高，但维数过高，会给模糊规则的确定 和模糊决策带来一定的难度，考虑到系统在动态调节过程中，只要求控制器具有 较好的鲁棒性和快速性，对精度要求并不十分高。在锅炉的燃烧系统中，给煤量 的调节直接关系到供水温度能否达到设定值，它是整个燃烧控制系统中的重要环 节，是满足供热负荷要求、提高供热质量的关键控制对象，也是节约能源、提高 经济效益的主要实现途径。因而，在模糊控制器的设计中，采用常规的二维模糊 控制器。 这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。如 图3 4 所示。尽管这种模糊控制器的结构及控制算法都比较复杂，但是可以获得 较好的上升特性，改善了控制器的动态品质p 。 k t 模糊控制器 图3 4 二维模糊控制器 f i g 3 4p j a n a tf u z z yc o n t r o l l e r 精确量的模糊化 将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化( f u z z i f i c a t i o n ) 。采集来的数据或 经计算机计算出的控制量均为精确量，需经过模糊量化处理，变为模糊量，出便 实现模糊控制算法。 如果将c 6 ，+ 6 之问连续变化的连续量分为7 个档次，每个档次对应一个模 糊集，模糊化的过程就会比较简单了。如果精确量x 的实际范围为 a ，b ，将 a ， b 区间的精确变量转换为 _ n ，+ n 区间的离散量y ，则转化公式如下： y = 2 n i x 一( 口+ b ) 2 1 ( b n )( 3 1 4 ) 对于离散化区间的不对称情况，如 一n ，4 m 的情况，式( 3 1 4 ) 变为( 3 1 5 ) 。 y = ( ，”+ n ) k 一( 口十b ) 2 ( b 一) ( 3 1 5 ) y 值若不属于整数，可以把它归为最接近于y 的整数，例如：一4 8 5 。 模糊控制规则的设计 控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，包括三部分设计内容：选择描述 输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。 1 选择描述输入和输出变量的词集 1 3 , 1 4 1 一般来说人们习惯于把事物分为三个等级，所以一般都选用“大、中、小” 三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。如果将连续量分为7 个档 次，则共有7 个词汇，即 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 ，一般用 英文字头缩写为： n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，刚，p b 。其中n = n e g a t i v e ，b = b i g ，m = m i d d l e ， s = s m a l l ，z o = z e r o ，p = p o s i t i v e 。在本系统中，将输入变量量化为7 个等级，取 输入变量的词集为： 误差e ： n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b 误差的变化乳：( n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b 将输出变量量化为1 3 个等级，则输出变量的词集阀门开度的变化量沈： n v b ，n b ，n m b ，n m s ，n s ，n v s ，z o ，p v s ，p s ，p m s ，p m 8 ，p b ，p v b ) 。 2 定义模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确 定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的 模糊变量的模糊子集。本系统中模糊变量的隶属函数取正态分布，则单个隶属度 函数表达式为： p r ) ；e x p 一( 生竺) 2 】，盯z0 ( 3 1 6 ) o 其中参数n 决定曲线极值点的位置，而参数仃的大小直接影响隶属函数曲线的 形状。研究表明：隶属函数睦线形状较尖的模糊子集，其分辨率较高，控制灵敏 度也高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也较平稳，系统稳定性好。 例如：本系统中稳态偏差e 的隶属度函数值如表3 1 所示： 表3 1 稳态偏差e 的隶属度函数值 t a b 3 1m e m b e r s h i pf u n c t i o nv a l u eo fe e g e - 32 1 o123 p bo00000 11 p m00000 1 10 2 p s000o 1 10 10 z o0o0 1 10 100 n so0 11o 1 oo0 n mn 21o 1 o0o0 n blo 1o 0o00 其它模糊变量的隶属度函数确定方法同上，则e 、e c 和沈的隶属度函数1 曲 线如图所示： 图3 5e 的隶属度函数曲线 f i g 3 5m e m b e r s h i pf u n c t i o no fe 图3 6 活的隶属度函数曲线 f i g 3 6m e m b e r s h i pf u n c t i o no f 图3 7u c 的隶属度函数曲线 f i g 3 7m e m b e r s h i pf u a c t i o no fu c 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略【1 6 】，利用模糊集合理论和语言变 量的概念，可以把用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算，于是可以采用微 机完成这个任务，从而代替人的手动控制，实现模糊自动控制。利用语言归纳手 动控制策略的过程，实际上就是建立模糊控制器的控制规则的过程。手动控制策 略一般都可以用条件语句加以描述，例如归纳热源温度控制的控制规则如下： 如果“偏差”为“负大”，不管“偏差变化”为何值，则“阀门全关”； 如果“偏差”为“负中”，且“偏差变化”为“负中”，则“阀门微开”； 这种推出控制规则的方法是模糊推理方法的一种，称为模糊假言推理方法。 近似情况_ f 的假言推理具有如下逻辑结构： 翱$ 1 j b ：1 如今4 ： 结论置= 爿。心一。f 其中b ，= a ，。r 。表征推理合成规则，运算符“。”代表合成运算。模糊关系