（控制理论与控制工程专业论文）电站锅炉燃烧自动系统协调优化控制策略的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 电站锅炉燃烧过程全程自动控制系统的有效投入，保证了送风量与给粉量 的实时最优配比，使电站锅炉始终工作在最佳工作点，真正实现经济燃烧。如 何投入燃烧过程全程自动控制，成为火电厂节能增效的一个重要课题。本文围 绕这一课题进行研究。由于电站锅炉是一种干扰众多、耦合严重的复杂系统， 具有控制区死区大、参数时变、非线性、大滞后等缺点，燃烧用煤还存在煤种 复杂、品质不一、低位发热值差异大的问题。应用常规p i d 控制及传统双交叉 限幅型燃烧控制方案难以取得良好的控制效果。为此，本文根据齐鲁石化公司 热电厂母管制运行锅炉的具体特点，以锅炉控制系统为背景，针对电站锅炉燃 烧控制系统中主蒸汽母管压力控制系统、送风控制系统和炉膛负压控制系统进 行研究。 本文第一章为绪论，首先阐述了课题的背景与意义，综述了锅炉燃烧控制 系统的国内外研究现状，介绍了母管制运行锅炉的两种控制方法，分析了齐鲁 石化锅炉机组不能实现燃烧过程自动运行的原因，提出了本文主要工作内容。 本文第二章首先介绍了电站锅炉燃烧过程的动态特性，对现有的燃烧控制 方案进行分析、比较，提出了母管制锅炉燃烧过程自动控制方案和各子系统的 控制方案。 本文第三章首先针对母管压力控制系统，分析了压力波动对锅炉运行的影 响及影响汽压变化的原因，提出了具有多种控制手段及给粉机快速投切技术的 给粉控制回路；提出了母管压力给粉调节系统的前馈及反馈复合控制方案，并 设计了母管压力给粉调节系统的调节器；针对送风控制系统，首先分析了锅炉 送风系统运行和送风量自动控制的基本原理，给出了送风机入口门和二次风门 的协调控制策略；针对引风控制系统要实现的目标是维持炉膛负压在一定的范 围内的要求，首先分析了引风控制的难点，设计了炉膛负压控制前馈及模糊控 制方案，设计了风烟协调控制方案。母管制锅炉的负荷协调控制技术设计也是 本章的重点，通过对母管制运行锅炉负荷特性的研究和分析，设计了母管制运 行锅炉负荷协调控制技术。 山东大学硕士学位论文 本文第四章介绍了实现锅炉燃烧系统自动控制技术的硬件系统。提出了齐 鲁石化热电厂母管压力协调控制策略。对锅炉燃烧控制系统进行了试验，对实 际运行的曲线和数据进行了分析。试验结果表明，本论文的控制优化方案可以 取得较好的控制效果和良好的经济效益。达到提高锅炉燃烧经济性和稳定性的 目的。 最后对本文所做工作进行总结，并对今后工作中需要进一步探索和研究的 问题进行了展望。 i i 关键词：电站锅炉；燃烧自动；模糊控制；协调优化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t i v ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i o nt h a t8 r ea p p l i e dd u r i n gt h ew h o l ep o w e r p l a n tb o i l e rb u r n i n gp r o c e s s ，g u a r a n t e e st h em o m e n t a r i l yo p t i m i z e dr a t i oo ft h e a m o u n to fa i rt ot h a to fc o a l c a nt h ep o w e rp l a n tb o i l e ra l w a y sk e e pw o r k i n ga tt h e l l i 曲e s te f f i c i e n c y , a n dt h e r e f o r e ，r e a l l yb u me c o n o m i c a l l y a n dh o wt oa p p l yt h e w h o l ep r o c e s sa u t o m a t i o nh a sb e c o m eas i g n i f i c a n tt a s kt oi n c r e a s et h ep r o f i ta b i l i t y o ft h ep o w e rp l a n t t h i sp a p e rs u r r o u n d st h i sr e s e a r c h s i n c et h eb o i l e ro fp o w e r p l a n ti sac o m p l i c a t e ds y s t e m 、析ms e v e r ec o u p l i n ga n df r e q u e n td i s t u r b i n g b e a r i n g t h es h o r t c o m i n gt h a tt h ec o n t r o li sl i a b l et ob es t a l e m a t e ，f i u k y , n o n - l i n e a r i t y , s e v e r e s t a t eh y s t e r e s i s ，a n dt h ec a l o r i f i cp o w e ro fc o a la r ev a r y i n ga c c o r d i n gt ot h ec o a l q u a l i t y , t h ef a v o r a b l ec o n s e q u e n c ei s h a r dt ob ea c q u i r e d 、析t l lt h ea p p l y i n go f c o n v e n t i o n a l l yp i dc o n t r o lo ro ft h et r a d i t i o n a l l yd o u b l ea c r o s sb r e a d t hr e s t r i c t i n g c o n t r 0 1 t os o l v et h ep r o b l e m st h a tm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e ra c c o r d i n gt o p i p e - - m a i no p e r a t i n gb o i l e r si nq i l up e t r o - c h e m i c a lc o m p a n y h e a ta n dp o w e rp l a n to f t h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t a k e st h eb o i l e rb u r n i n gc o n t r o ls y s t e mo fi t sb a c k d r o p ， s t u d i e so nm a i ns t e a mp i p e - m a i np r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，s e n d i n g - w i n dc o n t r o l s y s t e m ，v a c u u mf u r n a c ec o n t r o ls y s t e mi np o w e rp l a n tb u r n i n gc o n t r o ls y s t e mo f b o i l e r t h i sa r t i c l ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o n , f n - s te l a b o r a t e st h et o p i cb a c k g r o u n d a n dt h es i g n i f i c a n c e ，s u m m a r i z e dt h eq u e s t i o nw h i c hb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o l s y s t e mr e s e a r c h ss i t u a t i o n , i n t r o d u c e dt w ok i n d so fc o n t r o lm e t h o do fp i p e - m a i n o p e r a t i n gb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m ，a n a l y s i st h er e a s o n so fq i l up e t r o - c h e m i c a l b o i l e ru n i tc a nn o tr u na u t o m a t i c a l l y , p r o p o s e st h i sa r t i c l ep r i m et a s kc o n t e n t t h i sa r t i c l es e c o n dc h a p t e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ep o w e rp l a n tb o i l e rc o m b u s t i o n p r o c e s so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a g a i n s tt h ec o m b u s t i o nc o n t r o lo ft h ee x i s t i n g p r o g r a ma n a l y s i s e da n dc o m p a r e d ，p r o p o s e dp i p e m a i nb o i l e rb u r n i n gp r o c e s s a u t o m a t i o np r o g r a ma n dc o n t r o lp r o g r a mo ft h es u b s y s t e m t h i sa r t i c l et l l _ i r dc h a p t e rf i r s ti nv i e wo fp r e s s u r ef o rp i p e - m a i ns y s t e m ，a n a l y s i s i i i 山东大学硕士学位论文 t h ef l u c t u a t i o n so ft h es t r e s so ft h ei m p a c to fb o i l e r ；p r o p o s e d 、衍lav a r i e t yo f c o n t r o lm e t h o d sa n dt op o w d e rm a c h i n ef a s ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yt ot h ep o w d e r c o n t r o ll o o p ，p u tf o r w a r dap i p e - m a i np r e s s u r e g i v ep o w d e rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s f e e d f o r w a r da n df e e d b a c kc o m p o s i t ec o n t r o lp r o g r a m s ，a n dd e s i g n e d p r e s s u r eo f t h e p i p e - m a i n g i v ep o w d e rc o n d i t i o n i n gs y s t e mr e g u l a t o r ；a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i co fs e n d i n g 、析n dc o n t r o ls y s t e m ，f i r s ta n a l y s i st h eb a s i cp r i n c i p l e so f a u t o m a t i cc o n t r o lo fb o i l e ra i r s u p p l ys y s t e mo p e r a t i o na n d t h ea m o u n to f s e n d i n g - w i n d ；g i v et h ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo f b l o w e re n t r a n c ed o o ra n dt h e s e c o n d a r yw i n dd o o r a c c o r d i n gt ot h ed r a w i n gw i i l dc o n t r o lp r i m e r si no r d e rt o a c h i e v et h eo b j e c t i v ei st om a i n t a i nt h ef u r n a c ea tan e g a t i v ep r e s s u r ew i t h i nt h e v a c u u mf u r n a c e ，f i r s ta n a l y s i st h ed i f f i c u l t i e so fd r a w i n g 谢n dc o n t r o l ，d e s i g n e dt h e f e e d f o r w a r dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lp r o g r a m s ，d e s i g n e dw i n d s m o k ec o o r d i n a t e d c o n t r o lp r o g r a m s t h i sp a p e ra l s of o c u s e dt h ek e yp o i n to nt h ep r e s s u r ec o o r d i n a t e s y s t e m ，p r o p o s e ds o m eg e n e r a lr u l e si nb o i l e rl o a dc o n t r o lt h r o u g hr e s e a r c h i n ga n d a n g l i c i z i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i co fb o i l e r , d e s i g n e dp i p e - m a i nb o i l e rl o a dc o o r d i n a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e dt oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lo fb o i l e r c o m b u s t i o ns y s t e mt e c h n o l o g yh a r d w a r es y s t e m p r o p o s e dh e a ta n dp o w e rp l a n to f q i l up e t r o - c h e m i c a lp i p e m a i np r e s s u r ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g y f i n a l l yo nt h e b o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mw a st e s t e d t h ea c t u a lr t m n i n go ft h ec u r v ea n dd a t e w e r ea n a l y z e d t h ea n a l y z e dr e s u l t ss h o wt h a ti nt h i sp a p e r , o p t i m i z a t i o no fc o n t r o l p r o g r a m sc a na c h i e v eb e t t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dg o o dv a l u ef o rm o n e y i m p r o v e b o i l e rc o m b u s t i o nt oa c h i e v et h ee c o n o m ya n ds t a b i l i t yo fp u r p o s e a tl a s t ，s u m m a r i z e sa l lt h ew o r k s w h i c hh a v eb e e nd o n ei nt h et h e s i s ，a n dl o o k f o r w a r df u r t h e re x p l o r a t i o n sa n dr e s e a r c hq u e s t i o n si nt h en e x tw o r k i v k e yw o r d s ：p o w e rp l a n tb o i l e r ；a u t o - c o m b u s t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；c o o r d i n a t i o n t oo p t i m i z e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主魅纽 日 期：丝座! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂魅红导师签名：趁丝! 坠日期：竺i ：! ! ：! 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 能源是人类赖以生存和推动社会进步的重要的物质基础。在人类当今所使 用的能源中，绝大部分来自煤炭、石油、天然气等一次能源，这些资源在地球 上的储量是有限的，而且是不可再生的，因此，节能降耗成了全世界范围内的 研究课题。火力发电厂是消耗能源的大户，现在我国火电厂年耗能量约占全国 能源总产量2 0 ，而且我国的发电能耗水平与发达国家相比还存在较大差距， 即使情况较好火电厂的供电煤耗也高出国际先进水平2 4 7 【l l 。因而要保证国民 经济快速度向前发展，必须在大力加强能源开发的同时降低能源消耗。 电站锅炉燃烧效率的高低对我国的能源战略具有十分重要的作用，火电厂 锅炉的建设和改造一直是我国经济建设的重点，由于国产锅炉燃烧特性不好， 运行过程中受外界干扰，相应的数学模型也发生变化，造成常规控制应用在国 产中、小型电站锅炉中难以收到令人满意的效果，而且稳态精度低，无法快速 实时跟踪控制目标【2 】【1 2 】。这些制约了国产中、小型电站锅炉自动化水平的提高 和电站锅炉燃烧效率的提高。随着当前对电站锅炉经济运行的要求越来越高， 如何提高国产中小型电站锅炉的运行质量和可靠性，降低煤耗，成为一个急待 解决的问题。因此，对工业锅炉应用先进控制获得节能效果进行深入研究，以 期获得优良调节品质、提高燃烧效率、实现节约能源，不仅具有很高的学术研 究价值，而且具有显著的经济效益和深远的社会效益。 本文以齐鲁石化公司热电厂锅炉( 8 4 1 0 t h ) 燃烧控制系统为背景，针对如 何实现锅炉燃烧过程自动控制的全程投入问题进行研究。 1 2 锅炉燃烧控制系统的国内外研究现状 1 2 1 电站机组系统的发展概况 随着我国火电机组容量的增大、参数的增多以及自动化仪表和装置的更新， 火电厂热工自动化水平在不断地提高。我国在5 0 年代建国初期从仿制入手掌握 山东大学硕士学位论文 设计制造电站锅炉的基本技术，并引进捷克和前苏联的技术，这个时期火电机 组的单机容量为6 - 5 0 m w ，蒸汽压力4 m p a ，蒸汽温度4 5 0o c ，汽水系统采用母 管制，控制方式都采用就地控制，锅炉、汽机和辅机分别在各自设备的附近设 置控制盘，由运行人员进行控制和操作。5 0 年代中后期，从东德和捷克进口了 5 0 m w 高压机组( 1 0 m p a ，5 4 0 0 c ) ，主蒸汽系统采用单元制，控制方式为机、炉、 电集中控制。6 0 7 0 年代随着中间再热式机组( 1 2 5 m w 、2 0 0 m w 和3 0 0 m w ) 的出现，我国己能自行设计和建造1 2 5 m w , 2 0 0 m w ，3 0 0 m w 锅炉机组，这个 时期通过热力系统将锅炉、汽机连成一个整体，一般采用炉、机、电集中控制。 这个时期的自动化系统由模拟仪表、单元组合仪表、组装仪表和继电器等组成。 7 0 年代后期从日本、法国、意大利成套进口了单机容量分别为2 5 0 m w ，3 0 0 m w 的亚临界中间再热机组，同时也引进了用计算机进行控制的自动化系统实 行单元集中控制。 8 0 年代初，从美国引进3 0 0 m w 、6 0 0 m w 火电设备成套制造技术，在这一 时期，一方面引进技术另一方面与国外公司合作，生产具有8 0 年代世界先进水 平的仪表，克服了过去仪表和控制装置品种不全、可靠性低、稳定性差的局面， 基本满足了火电厂的需求。使国产大型机组的水平不断提高。 到9 0 年代，在引进技术的基础上，又进行了以下技术的开发：机组调峰技 术；扩大煤种范围；提高机组自动化水平，开发应用计算机技术；加强辅机配 套和提高监控系统性能。这一时期，d c s 系统已经开始在火电领域广泛使用。 随着计算机控制技术的高速发展，工业生产过程控制己由单机监控、直接 数字控制( d d c ) 发展到分布式控制系统或称为集散型控制系统( d c s ) 3 1 。集计算 机技术、控制技术、通讯技术和图形显示为一体，通过网络拓扑结构，按一定 的层次完成数据采集、分散过程控制与信息综合处理，可实现长期可靠地无人 干预的自动控制。又由于通用性强，组态灵活，功能完善，管理集中，人机界 面友好，能适应现代工业过程控制的需求，能创造最佳的经济效益和社会效益， 因此成为工业过程控制的主流【】。美、日、欧洲等许多发达国家的大型火力发 电机组已普遍实现机、炉、电协调控制【8 j 。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 2d 及相关技术的发展概况 d c s 是分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的简称，国内般习惯称 为集散控制系统。自1 9 7 5 年美国霍尼韦尔( h o n e yw e l l ) 第一套分布式控制系统 t d c s 2 0 0 0 问世3 0 多年来，d c s 虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变， 但是经过不断的发展和完善，其功能都得到了巨大的提高。 1 、系统网络 由于系统网络是d c s 最关键的组成部分，因此各d c s 厂家均对此进行了 精心设计。早期由于计算机网络应用并不普遍，也没有形成具有相当规模的市 场，因此很多d c s 厂家都开发和使用自己的网络产品，这些网络产品各有特点， 但互不兼容，更无法互通信息。进入八十年代以后，随着计算机网络技术的不 断发展，通用的网络产品越来越多、性能越来越好、价格迅速降低、应用也越 来越普遍。在这种情况下，各d c s 厂家放弃了发展自己网络产品的做法，转而 将d c s 系统网络建立在通用计算机网络基础之上。目前采用的网络产品主要有 e t h e m e t t o k e n b u s 和t o k e nr i n g 三种。 2 、工程师站和操作员站 在早期，d c s 的工程师站和操作员站或由各个d c s 厂家自行开发设计并生 产，或采用工作站。最近几十年，由于微机产品性能提高非常快，特别是i n t e l 公司推出p e n t i u m 芯片以后，由于微型计算机价格低廉、构造简单容易维护、 标准化程度高、备品备件供应充足等，各d c s 厂家逐渐将工程师站和操作员站 换成了微机产品。 3 、组态语言 在组态语言方面，过去并没有统一的标准，可编程控制器( p l c ) 出现后，国 际电工委员会制定了i e c l l 3 1 3 标准，详细规定了四种组态语言，即用于连续 控制和逻辑控制的顺序功能块( s f c ) 、用于运算和回路控制的功能块( f b d ) 、用 于逻辑控制的梯形图( l d ) 和用于完成用户自行编制控制算法的结构化文本语言 ( s d ，利用这些组态语言，用户可以方便地完成系统控制功能的组态。 4 、图形方式 图形显示是d c s 的重要功能，由于d c s 的噪作员主要靠c r t 的显示屏幕 来了解生产过程，因此系统的可操作性完全取决于图形功能。d c s 的图形方式 山东大学硕士学位论文 经历了半图形方式、全图形方式和目标图形方式三个阶段。目标图形方式的图 形己不是一种简单的、没有特定物理意义的计算机图形，而是一些用特定图形 表示现场各种物理设备“目标，这些“目标可以根据被表示物理设备的状态 变化呈现不同的形态，如形状、颜色、大小等，操作员也可以通过对这些“目 标 的操作实现对物理设备的操作和控制。目标图形既保持发扬了全图形的优 越性，又带来了非常灵活和强大的人机交互功能。操作员可以与计算机系统进 行方便的交互，以及时了解更多的现场运行信息。当前的d c s 己经全部采用了 目标图形方式。 总的来说，d c s 正向着更加开放、更加标准化、更加产品化的方向发展【8 】。 但除了上面谈到的几个方面以外，现场数据采集( i o ) 站和现场控制站设备及其 相关软件还是由自己设计和生产，整个系统的应用支撑软件，如实时数据采集 与处理、控制回路计算、实时数据库和历史数据库管理、报警处理、报表处理、 系统组态工具等，仍无标准，仍需d c s 厂家自行设计。进入九十年代以后，随 着计算机技术和控制技术的发展，很多新的技术正在应用于d c s 中【l o 】，主要表 现在以下几个方面： 1 、现场总线技术 现场总线是智能化仪表和计算机网络相结合的新一代产品，进入九十年代 中期以后发展十分迅猛。采用现场总线技术后，首先，现场数据采集( i o ) 站可 就地布置、就地转化，数据通过网络传输，不仅节省大量电缆，而且可靠性高； 其次，作为构成d c s 的一个重要组成部分的过程控制站可进一步分散化，从而 有利于d c s 更加物理分散、功能分散。 2 、过程控制自动化和信息管理自动化相结合 企业不仅需要个别生产过程的控制，更需要整个企业各个生产过程的控制 及各个生产过程之间的协调与管理。各个生产过程的控制成了一个个自动化岛， 这些岛之间需要桥梁进行沟通，因此必须有更高一层的集管理与控制一体化的 自动化系统【1 l 】。这种系统中数据巨大，且需要将数据集中在一起进行集中处理， 以实现更高一层的集管理与控制一体化的自动化系统。 另一方面，生产过程的数据不仅要用于过程的控制，还要用于生产的管理， 系统的操作人员也已不限于生产操作人员，还包括生产管理者，生产过程的信 4 山东大学硕士学位论文 息将在更广泛的范围内被共享和利用。i n t r a n e t 技术的发展与成熟，使得过程控 制自动化和信息管理自动化相结合成为可能，d c s 正朝c i m s 方向发展。 3 、应用各种先进控制策略 传统的控制方法( 如p i d 控制器) 要求首先建立系统较为精确的数学模型， 然而这对于象锅炉这一时变、大死区、非线性、多变量耦合、扰动大的复杂系 统，绝非一件易事。因此，各d c s 厂家正努力将各种先进的控制策略( 如模糊 控制、自适应控制等) 应用到d c s 中去，以增强d c s 的适应能力【1 6 1 。 1 3 母管制运行锅炉燃烧系统控制两种控制方法介绍 控制方法的恰当与否对整个控制系统的性能影响极大。母管制锅炉燃烧系 统自动控制技术结合被控对象的具体特点，采用了模糊智能控制、自寻优等先 进控制算法和给粉( 煤) 机自动快速投切、多炉负荷优化分配与协调控制等策 略，实现了母管制运行锅炉燃烧过程的长期、连续、稳定自动控制，取得了很 好的控制效果和经济效益。 从2 0 世纪3 0 年代起，锅炉控制中就采用了p i d 控制器。随着控制理论和 计算机技术的发展，新的控制理论和先进的控制技术不断出现。在煤粉锅炉上 应用自校正技术和f u z z y 控制技术取得了节约燃料的良好效果。e h m a m d a n i 首先应用f u z z y 控制方法来控制用于试验的锅炉和汽轮机；在燃煤锅炉上应用 最优控制、自适应控制、专家系统p i d 自整定调节器等现代控制技术的例子也 有多次报道。 目前，国内的锅炉燃烧控制远远落后于国外的控制技术。多年来，国内许 多专家、研究人员对锅炉燃烧控制方法进行了深入的研究，提出了一些先进的 控制方案，如自适应控制、多变量预测控制、自寻优p i d 控制、加权预测自校 正控制等。许多还处于仿真研究阶段或实验阶段，实际应用中普遍采用的还是 常规p i d 控制器。p i d 控制因其具有结构简单、容易实现、鲁棒性强和能够实 现无差调节的特点，在传统的锅炉控制系统中得到了广泛的应用。然而，常规 的p i d 控制器是线性的，适用于小惯性小滞后的过程，当把p i d 控制应用在非 线性、大时滞、参数不确定的情况下时，很难获得满意的控制效剁1 3 】。因此， 近年来，很多学者将其他方法和p i d 控制结合起来，在线调节p i d 参数来处理 5 山东大学硕士学位论文 各种不确定性、非线性以及大时滞，这是热工自动化控制的一个很好的发展方 向【1 4 1 。 为了提高大滞后、参数时变、非线性等一类不确定系统的控制效果，改变 传统p i d 控制方法，采用p i d 控制器与模糊控制相结合的控制手段对锅炉燃烧 进行控制是一种较好的选择。而且采用模糊控制不但有较好的控制作用，对随 机干扰也有较强的抑制能力。并且系统的规则和参数调整也比较方便【8 】【1 5 】。 1 3 1p i d 控制器 1 、p i d 控制原理框图 图1 - 1 常规p i d 控制系统原理图 2 、p i d 控制原理 在模拟控制中，常规p i d 控制原理见图卜1 ，系统由p i d 控制器和被控对 象组成。p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( ，) 与实际输出值c ( ，) 构 成控制偏差：e ( t ) = r ( t ) 一c ( t ) ，并依据偏差情况，给出控制量“( f ) 材o ) = 。+ 毒f p 防+ 乃去) ( 1 一1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被 控对象进行控制，故称为p i d 控制器。对于连续时间系统来讲，模拟p i d 控制 算法的一般形式写成拉氏变换形式为： m ) = k p ( 1 + 去+ 乃踟( s ) ( 1 _ ) 式中k p 为比例系数；z 为积分时间常数；乃为微分时间常数。 6 山东大学硕士学位论文 3 、数字p i d 控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，p i d 控制算法通常又分 为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 ( 1 ) 数字式p i d 控制作用的离散形式为： 七 材( 七) = k p e ( t ) + k ，e ( _ ，) + k e ( k ) - e ( k - 1 ) ( 1 3 ) j # 0 式中，k p 、k l 、l 分别为p i d 控制作用的比例、积分和微分系数。 k 为采样序号，k = 1 ，2 ，a ； u ( k ) 为第七次采样时刻的计算机输出值， e ( k ) 为第k 次采样时刻输入的偏差值， e ( k 一1 ) 为第七一1 次采样时刻输入的偏差值； ( 2 ) 增量式p i d 控制作用的离散形式为： 血( i | ) = u ( k ) - u ( k - 1 ) = k l e ( k ) + k 2 e ( k - 1 ) + k 3 e ( k - 2 ) ( 1 4 ) 材( 后) = u ( k 1 ) + 矗( 七) ( 1 _ 5 ) 式中，k l2 k p + k z ；也= 七，t - k p l t ；k 3 = k s t r 。采样周期 1 3 2 模糊控制器 l 、模糊控制的发展概况 模糊控制理论是1 9 6 5 年在美国加利福尼亚大学，由扎德( l a z a d e h ) 教 授创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的【1 6 1 ，主要包括模糊集合理论、 模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。1 9 6 6 年马厄诺斯( e n m a r i n o s ) 发表了模糊逻辑的内部研究报告。接着，扎德又提出模糊语言变量这一重要概 念。1 9 7 4 年，扎德又进行了模糊逻辑推理的研究。接着，又有许多人提出了提 高模糊控制系统稳态精度的设计方法【1 8 】和具有在线自调整控制的模糊控制器的 设计方法f 1 9 】 2 0 】 2 1 】，同时，英国q u e e n m a r y 大学的马丹尼( e h m a m d a n i ) 2 2 1 1 2 3 1 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它成功地运用于锅炉和蒸汽机的控 制，实用效果良好。这一开拓性的工作，标志着模糊控制理论和技术的诞生【矧。 7 山东大学硕士学位论文 在模糊控制诞生后的最初几年里，这一新的控制思想吸引了各国学者，他们纷 纷在各种应用领域尝试着这一新的控制方法并取得了令人振奋的成果。英国的 k i n g 和m a m d a n i 利用模糊控制器控制反应炉搅拌池的温度【2 5 j ，荷兰学者k i c k a r t 等利用模糊控制器解决了热交换过程中非线性、时滞和非对称性增益等问题的 控制【2 6 1 ，收到了很好的控制效果。1 9 7 9 年，英国的p r o c y k 和m a m d a n i 研究了 一种自组织模糊控制器，它能在控制过程中不断地调整和修改控制规则，从而 使控制系统的性能不断完善。自组织模糊控制器的出现，标志着模糊控制器由 低级向高级阶段发展的开始。1 9 8 2 年，实用化的模糊控制系统在丹麦的s m i d t h 水泥厂的水泥窑控制中投入运行。1 9 8 3 年，日立制造厂系统开发研究所的安信 等人，用预测模糊控制方法对电气铁路列车的运行和停止进行控制，取得了成 功。1 9 8 7 1 9 8 9 年，日本富士电机、明电舍等公司分别生产出通用模糊控制器及 相应的控制软件【2 6 】1 2 7 】 2 9 】。从此模糊控制作为一种有效控制策略得到广泛应用。 从1 9 7 9 年开始，我国也开展了模糊控制理论及其应用万面的研究工作。近 几年，国内在工业控制中应用模糊控制取得了不少成果。彭映斌、胡家跃、戴 中达、吕川、田成万、王学慧、王旭东、李友善 2 9 】等人把模糊控制成功地应用 到冶金、化工等工业过程领域，结果表明，无论动态响应特性还是稳态精度都 获得了满意的结果。 进入9 0 年代以来，国际上许多著名学者参与了模糊控制的理论和应用研究， 模糊控制在工程上的应用也取得了巨大的成功。近年来随着人工智能、专家系 统、模糊逻辑和神经网络技术的不断成熟，一种以控制理论、计算机科学、人 工智能、模糊逻辑和神经网络等为基础理论的新的控制技术智能控制技术 便以新的面貌出现了。著名的控制权威a u s t r o m 在其智能控制的方向中指 出，控制理论很长一段时间都集中在算法上，而控制问题又不单靠算法解决， 它必须加入一些其它的诸如逻辑、推理、启发等因素，并认为模糊逻辑控制、 神经网络与专家系统是三种典型的智能控制方法0 0 l 。 目前，模糊控制己开始向多元化发展，神经元模糊学习算法和自组织模糊 控制等有了新的研究成果，前期提出的有关模糊建模、参数辨识等已应用于工 程实际。另外，模糊控制器的稳定性分析，模糊预测控制，模糊多变量控制系 统等方向都有了新的发展。同时还提出了神经网络、遗传算法与模糊算法相结 8 山东大学硕士学位论文 合的新的发展方向【3 1 】【3 2 1 。 2 、模糊控制的优点 与传统控制理论相比，模糊控制的主要优点1 3 3 】为： ( 1 ) 、在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，特别适宜于复杂系 统( 或过程) 。因为此类系统的精确数学模型很难获得或者根本无法找到。 ( 2 ) 、对于非线性和时变等一类不确定系统，模糊控制却有较好的控制作 用，同时对于非线性噪声和纯滞后有较强的抑制能力。 ( 3 ) 、系统的鲁棒性较强，对参数变化不灵敏。由于模糊控制采用的不是 二值逻辑，而是一种连续多值逻辑，所以当系统参数变化时，能比较容易的实 现稳定控制，尤其是适合于非线性时变的滞后系统的控制。 ( 4 ) 、系统的规则和参数调整方便。只要通过对现场的工业过程进行分析， 就能比较好的建立语言变量的控制规则和系统的控制参数，而且参数的实用范 围较广。 3 、模糊控制器的系统结构 模糊控制模仿人的思维逻辑，对被控对象的运行规律( 往往没有确切的数学 模型) 进行总结、抽象、推理、量化，实施有效的控制。模糊控制的基础是模 糊数学，利用模糊数学的推理理论，离线建立隶属函数数据库【3 4 1 ，将这种复杂 的过程对象简单化。该过程需要对被控对象充分地了解，是直接的操作者，具 有丰富的经验，才能总结规律，建立隶属函数数据库。当在线运行时，利用计 算机的高速、大容量性能，通过推理、量化运算得到具体的控制量。模糊控制 是一种非线性控制器，适合于时变、非线性、强耦合系统1 6 0 6 1 1 6 2 1 。f u z z y 控制 器框图见 图1 - 2 模糊控制系统结构图 9 山东大学硕士学位论文 图中： k l ，k 2 ：尺度变换( 模糊量化) 的比例因子 k 3 ：尺度变换( 清晰化) 的比例因子 r ：参考输入 e ：实际输入与参考输入的偏差 d r 偏差的变化量 u 经过清晰化的精确控制量。 4 、f u z z y 控制器主要由四部分组成： ( 1 ) 、模糊化 这部分的作用是将输入的精确量进行处理变成模糊控制器要求的数量。将 处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围，然后进行模糊处 理，并用相应的模糊集合表示。其中输入量包括外界的参考输入系统的输出或 状态。 ( 2 ) 、知识库 知识库通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库包括语言变量 的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。规则库使用了用模糊 语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了实际控制的经验知识。 ( 3 ) 、模糊推理 模糊推理是f u z z y 控制器的核心，模糊推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含 关系及推理规则来进行。 ( 4 ) 、清晰化 清晰化的作用是将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰 量，最后将清晰量经尺度变化成实际的控制量。设计模糊控制器根据以上几个 组成部分，依据实际系统的要求，尽量提高模糊适应性及控制精度。 1 4 齐鲁石化电厂锅炉机组不能实现燃烧过程自动运行的原因分析 母管制运行锅炉燃烧过程自动运行可以：( 1 ) 节约燃料，降低发电煤耗；( 2 ) 稳定蒸汽参数，提高汽机效益；( 3 ) 提高锅炉的运行安全性与稳定性，减少炉膛 负压等参数波动引起的停炉次数；( 4 ) 减轻运行人员的劳动强度、有限防止误操 1 0 山东大学硕士学位论文 作。但是，母管制运行锅炉进行d c s 改造后，无论是进口d c s ，还是国产d c s ， 都存在一个致命弱点：燃烧系统投不上自动，锅炉运行效益并没有得到提高。 究其原因有： 1 、控制策略简单 一般只采用了简单的p i d 控制器，而锅炉的燃烧过程是强耦合的多输入多 输出( m i m o ) 非线性系统，其动态特性随着运行工况的变化而大幅度变化，且各 环节的动态特性差异很大，一些环节还具有惯性、滞后、非线性和时变等特性， 难以建立精确的数学模型，使传统控制理论的应用受到限制。 2 、缺乏自适应能力 各子控制回路控制器参数一般都按稳态时整定，而锅炉运行过程中运行工 况多变，一种控制器或一组控制参数不可能满足各种运行工况下自动控制的要 求。如常规的主汽压力控制系统一般都采用双闭环系统，内环控制主汽流量， 外环控制主汽压力，不考虑燃烧率调节过程的各种复杂因素，一组控制参数只 能满足稳态时的运行调整，不能满足动态时的快速需求，在外网出现大负荷扰 动时，锅炉燃烧率调节速度跟不上，压力偏差超标。另外，常规d c s 的控制组 态也无法实时区分锅炉内扰、外扰、暂态、稳态等运行状态。 3 、控制策略过于简单，不能与锅炉运行工艺很好的结合 影响锅炉燃烧过程的因素很多，只有对这些因素充分了解后，设计出的控 制方案才能切实可行。而现有d c s 都按本科教材、专业书籍上提供的常规方法 进行控制组态，没有充分结合锅炉燃烧过程特点，所以控制效果不可能满足运 行工艺要求，不能正常投运。 如现有d c s 的送风自动，以炉膛出口烟气含氧量为被控目标，采用双环控 制方案，外环控制氧量，内环控制送风量，氧量的给定由司炉根据运行规程设 定。送风自动仅对送风机入口门调节，二次风门不参与自动。这种目前d c s 中 普遍采用的方法对于3 0 万以上机组比较有效，但对于母管制