（控制科学与工程专业论文）循环流化床锅炉建模及其智能控制系统的研究.pdf

浙江人学博士学位论文 摘要 循环流化床锅炉由于燃烧效率高、燃料适应性广并且容易满足环境保护的 要求，在电力与热电行业应用越来越广泛。循环流化床锅炉是一个分布参数、 非线性、时变、多变量紧密耦合的控制对象，很难建立精确的数学模型，传统 的常规控制方法很难达到理想的控制效果。循环流化床锅炉热工自动控制方面 的问题已经成为其推广应用的主要障碍之一。为此，本方针对以上问题对循环 流化床锅炉过程控制进行了深入研究，研究内容主要包括以下几个方面： 1 循环流化床锅炉床温控制模型的研究 由于循环流化床锅炉是一个大惯性、非线性、时变、多变量耦合对象。很 难建立起精确的数学模型，文中通过对循环流化床锅炉燃烧动力学特性、流体 力学特性与传热传质特点的分析，忽略次要因素，抓住主导因素，从理论上得 到循环流化床锅炉燃烧数学模型，仿真实验与现场测试表明，模型能够正确反 映出燃料量与一次风的变化对床温的影响，床温变化对主汽压力的影响，为实 际运行中对燃料量的调整及控制器的设计提了供理论依据。 2 循环流化床锅炉负荷控制的研究 从现场实际情况观察，床温随负荷的变化而变化，不同负荷对应不同的床 层温度，而给煤量的变化首先影响的是床层温度，然后才能反映到蒸汽压力的 变化，而负荷需求也会很快的反映到床温需求上，所以本文提出了以床温为中 间变量的串级负荷控制方法，同时采用模糊预测控制算法，消除因给煤量扰动 而造成的蒸汽压力波动，可以提高负荷控制系统的稳定性，鲁棒性，减少滞后 与超调，本文采用第二章的燃烧与汽压控制模型设计锅炉负荷控制器，仿真研 究与现场应用表明效果良好。 3 循环流化床锅炉过热蒸汽温度控制 循环流化床锅炉过热蒸汽温度是一个控制精度要求高，时变滞后的复杂过 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) ，w h i c h p 0 1 l u t e st h ee n v i r o n m e n t1 e s s ， h a sb e e nw i d e l y 印p l i e di np o w e ra 1 1 dc o g e n e r a t i o ni n d u s t r yd u et oi t sa d v a i l t a g e s s u c ha sh i 曲c o m b u s t i o ne m c i e n c y f u e la d a p t a t i o n h o w e v e r ，t 1 1 ea p p l i c a t i o no f c f b bi s 船舶mp e m c tb e c a u s ei ti sam u l t i v 撕a t ec o u p l i n gw 汕d i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r s ，n o n l i n e a r ，a 1 1 dt i m e v a r yc h a r a c t e r i s t i c s t h et h e 珊ot c c h i l i c a lc o n t m li s t h em a i nf a c t o rt h a tp r e v e n t st h ec f b b 疗o mc o m m e r c i a ia p p i i c a t i o n t h e r e f o r e ，t m s t h e s i si se l a b o r a t e df r o mt l l ef 0 1 1 0 w i n gf o u ra s p e c t s 1 s t u d yo nc o n t m lm o d e io f c 阳b b e dt e m 瞳p e n t u 代 u p t i l ln o w ，ac o n c i s es y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sn o t b e e ns e tu py e tb e c a u s e m ec i r c u l a t i n gn u i d i z e db e db o i l e ri sam u l t i v 撕a t ec o u p l i n gf e a t u r e db yd i s 埘b u t i v e p a r 锄e t e r s ，n o n - 1 i n c 甄a n dt i m e v 撕a 廿o n c o m b u s t i o nm o d e la i l ds t e a mp r e s s u r e m o d e la r ee s t a b l i s h e da f t e ra n a l y z i n gt 1 1 ek j n e “ch y d i d d y n a n l i ca n dd o m j n a l l tf a c t o r s a f f c c t i n gc f b bb e dt e m p e r a t u r e t h es t i m u l a t i o na i l dm ef i e l dt e s th a v es h o w e dt h a t t h ea b o v e m e n t i o n e dm o d e l sa r ea b l et or e n e c t a c c u r a t e l yt 1 1 e b e dt e m p e r a t u r e c h a i l g e sw h e nf i l e lf e e dr a t ed i s t u r b a n c eo c c u r s ，w h i c hp r o v i d e dt l l e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ec f b bo p e r a n o na n dc o n t r o l l e rd e s i g n 2 s t u d y o c n m l 帽d n t m l o b s e r v e d 疔o mt l l el o c a lo p e m t i o n ，t h ec f b bl o a dw i l lc h a i l g ea c c o r d i n gt ot l l eb e d t e m p e r a t u r em a tc o r r e s p o n d st o1 1 f l e q u a l l o a d v 撕a 廿o no ft h ef u e lf b e da l t e r st h eb e d t e m p e r a t u r ea tf i r s t ，a n dt h e nt h eb o i l e r1 0 a d c o n v e r s e l y ，t h eq u a n t i t yo f f u e lf e e dw i l l r e n e c tt h ev a r i a t i o na tb e dt e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，c a s c a d ec o n t r o li sp u tf o n v a l di n t h e 山e s i s t o g e t l l e rw i t ht h e 印p l i c a t i o no fp r e d i c t i v ef k z ya l g o r i t h i n ，t l l ec a s c a d e c o n t r o le l i m i n a t e st h es t e a l l lp r e s s u r ef l u c t u a t i o nc a u s e db yf u e lf e e dd i s t l l r b a i l c e ，t h u s a d d i n gs t a b i l 时o f 也ec o m 0 1s y s t e ma i l da tt h es a m et i m er e d u c i n gs y s t e mo v e r s h o t t h ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt t l ec o m u s t i o nm o d e l t h es i m u la t i o na 1 1 d i n d u s n ya p p l i c a t i o ns h o w t h a ts a t i s f a c t o 拶r e s u 】l sh a v eb e e na c h i e v e d 3 s t d yo nc 耶bs u p _ h 嘲t e ds t e a mt e m p e 憎t 1 他 t h es u p - h e a t e ds t e 锄t e m p e r a t i l r ci sac o m p l i c a t e dp m c e s sc o n t r o ls y s t e mw h i c h r e q l l i r e sh i g hp r e c i s i o na n di sa l s ot i m c - d e l a y i n 舀t i m e v 盯i a t i o na i l di n e n i aa sw e l l t h e r e f o r e ，s t r o n g e r r o b u s t i c i t ya 1 1 ds e l f _ a d a p t a t i o na r ei n d i s p e n s a b l et oo v e r c o m et h e t i m e v a “a t i o na t l dt oe n s u r et h ec o n t r o lp r e c i s i o n t bs o l v et h ep r o b l e m ，t h et l l e s i s p r e s e n t sm u l t i o b j e c t i v eo p t i m a la l g o r i t h ma n e rp e r f e c t i n gt 1 1 ea r t i n c i a ln e u r o nn e t p i d ( 呵一p i d ) c o n 仃o l l e lc o m p a r e d 州t 1 1t h ee x i s t i n gp i d ，t h en e wa l g o r i m mi s s a t i s f a c t o r yf o ri t ss h o r t e r 订a n s i e mp e r i o d ，l o 、c ro v e rs h o o t ，r o b u s m e s sa n da d a p t i v c a b i l i t ym o r e o v e r ，m en e wa l g o r i m mh a sf 如t c rr e s p o n d m gr a t ec o m p a 心dw i t hp i d a l g o 珊瑚t h e s es a t i s f 如t o r yr e s m t sh a v eb e c na c l l i c v e dw h e ni tw a s 印p l i e di nt h e i n d u s t r yp r o c e s sa 1 1 d s t i r n u l a t i o no ft 1 1 es u p e r - h e a t e ds t e 锄t e i n p e r a t u r ec o m o l s y s t e m 4 s t | l d yo fc f b bp e 响珊a n c ec a l c u l a 抽 c f b bi sw i d e l yu s e di np o w e ri n d u s 时b e c a u s eo f h i 曲e 所c i e n c ya i l dl o w e r c n v i m r n e m a l p o l l u t i o n a s an e wt e c 王1 n 0 1 0 9 yt 1 1 ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yh a s a r o u s e dh e a t e dd i s c u s s i o n sa b o u ti t sp e r f o m a n c ec a l c u l a t i o n h o w e v e r ，s of 醯n o o 币c i a lc r i t e r i o na b o u tt h ec f b bp e r f o m l a n c ec a i c u i a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do nd e s u l p h 面z i n gm o d e l ，t h e 山e s i sp m p o s e sam e t l l o d ，w l l i c ht a k e si n t o a c c o u mt h ec h a i l g e so fh e a tl o s sc a l c u l a t i o no w i n gt o1 i m e s t o n ei n j e c t i o n t h em e m o d h a sb e e np u ti n t op r a c t i c a lu s e si n 1 3 0 t hc f b bp e r f b n n a n c ec a l c u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o na ts u s h e n gc o g e n e r a t i o np 1 8 1 1 t k 卵y o r d ：c i r l a 缸g n u i d i 置e db e d_ b o i i e r ( c f b b ) ， b e d t 哪p e r 曩蛔n ， m a t h e m a t j 蛆lm o d e l p r e d i c t _ f h z 巧n t r o l ，s t e a mp 件s 蛐1 e ，s t 雌m t e m p e r a t l l r ，a t t i f l c i a ln 姐m n e t p e r f b m a n c ec a l c u l 叠t i o n 浙江大学博士论文 符号说明 颗粒的直径 气泡的直径 气体的表观速度 临界流化风速 颗粒的速度 颗粒的终端速度 阿基米德数 雷诺数 s h e n v o o d 准则数 通用气体常数 温度 重力加速度 气体的运动粘度 气体的动力粘度 颗粒的密度 气体的密度 密相区空隙率 稀相区空隙率 密相区同体体积份额 密相区空隙率 密相区气泡相份额 8 _ 3 1 k j 瓜m 0 1 k m m a a a a m m m m m m 一 旭 0 一 k 眺 肌 附 蜘 蜘 如 巩 蚱 4 k 砌 风 b o 咚 服 b & 白 钿 密相区的传热系数 稀相区的传热系数 可见气泡体积流率 燃烧低位发热量 燃料应用基水份含量 燃料应用基灰份含量 燃料虑用基碳的含量 燃料应用基氢的含鼍 燃料应用基氧的含量 燃料应用基氮的含量 燃料应用基硫的含量 b k w ，m 2 k k w m 2 k m ，s k j 慨 哦 啡矿 譬 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，我国能源工业发展迅速，尽管能源生产和建设都取得了很好的成 绩，但能源供应紧张局面没有缓和。其主要原因是，能源建设和其他工业建设 的比例失调，经济过热。工业发展速度过快，尤其是加工工业发展速度过快， 大大超过了能源增长速度。我国近期的能源形势严峻，从长远看也不容乐观【1 【2 1 。 在一次能源中，我国煤炭资源最为丰富，探明的储量已超过l o 0 0 0 亿吨，居世界 第三位，估计在地下深1 5 0 0 m 以内的煤炭资源总量约4 0 0 0 0 亿吨。在探明的煤炭 储量中，烟煤占7 0 以上、褐煤占1 4 、无烟煤占1 4 9 6 。煤炭占我国化石燃料总储 量的9 5 以上。丰富的煤炭资源、我国历史和经济等方面的条件相结合，形成了 我国能源结构中以煤为主的格局。并且在今后相当长的时间内，这种以煤为主 的能源结构不会有大的变化【3 1 。 虽然我国能源资源比较丰富，但人均占有量少，且分布不均，勘探程度低， 而且劣质煤占的比重大，燃烧困难，含硫量高，开发利用难度大。以煤为主的 能源结构，受到运输、环保和燃烧设备的制约，这就决定了我国能源问题的长 期性和艰巨性。 如何降低能耗量? 除大力节电、节油、节煤、推广热电联产、发展余热利 用外，还应对现有燃煤电厂锅炉进行改造，新建和拟建电厂要选用新的锅护工 艺，以便提高热效率，降低每度电的能耗量。为此，循环流化床锅炉是值得采 用的新锅炉工艺【2 1 。同时对锅炉采用新的先进控制方式，提高能源的利用率也 势在必行。 此外，我国的煤产量虽然占世界第一位，我国煤炭的个重要特点是高硫 煤占相当比例，含硫量大于2 的高硫煤占2 0 以上。全国2 0 以上的发电用煤 是高硫煤f 3 1 。 高硫煤燃烧导致大量s o 。排放，s 0 。是大气污染的重要来源之一。s o 。的污染 浙江大学博士学位论文 属于低浓度、长期性污染，对生态环境是一种慢性、叠加性的危害。近年来， 燃煤电厂s o 。的年排放量不断增长，其排放量占全国总排放量1 4 以上。要控制 我国酸雨程度进一步恶化，就必须实现燃煤电厂脱硫，对s o 。排放总量进行控制。 如果s o 。的排放处于失控状况，则酸雨趋势将会更加恶化。 n o 。也是燃煤电站排放的主要污染物。煤燃烧生成的n o ；主要是n o ( 占n 吐 总数的9 5 左右) 和n 0 。( 占n 0 x 总数的5 左右) ，另外，还有少量的n ：o 、n ：o 。、 n 。0 。和n 。o 。，n o ，对人类和环境的危害是相当大的。在有n o 存在时，0 。不断变成 0 。，使臭氧越来越少，从而减弱了对紫外线幅射的屏蔽作用，对地面生物造成 危害。 1 2 我国循环流化床燃烧技术现状及前景 1 2 1 循环流化床燃烧技术简介 国内最常见的循环流化床锅炉结构见图1 1 ，主要是由给料装置、布风装置、 炉膛、汽包、过热器、分离返料装置、排渣装置、尾部受热面、烟道等部分构 成，此外在大型的循环流化床锅炉中还有外置热交换器。 循环流化床锅炉按工艺流程分可以分成汽水系统、烟风系统与灰渣系统。 汽水系统的工艺流程：来自给水泵的给水首先进入锅炉尾部受热面的省煤 器加热，由省煤器出来依次进入汽包，炉膛受热面再回到汽包，通过过热器、 减温器后去热用户或是去汽轮发电机作功。 烟风系统的工艺流程是：来自大气的冷空气，通过空气加热器( 属于锅炉 的尾部受热面) 加热后进入膛下部的布风装置，然后进入炉膛参与燃烧，燃烧 后的烟气依次通过布置在烟道中的过热器，尾部受热面，回收烟气中的热量， 最后经除尘器由引风机进入烟囱排入大气。 灰渣系统工艺流程：来自煤场的煤经过炉前处理由给煤机进入炉膛与空气 混合燃烧放出热量，燃烧后细灰随烟气带出炉膛，其中一部分被分离器分离下 来，经由返料装置返回炉膛再次燃烧，另一部分由除尘器分离出来送到灰场， 第一章绪论 大的炉渣燃烧后从炉膛底部的排渣装置排出锅炉。 图1 1 循环流化床锅炉工艺结构 1 2 1 1 循环流化床燃烧技术工作原理 循环流化床锅炉是从鼓泡床沸腾炉发展而来的种新型燃煤锅炉技术，它 的工作原理是：将煤破碎成o 一1 0 咖的颗粒后送入炉膛，由于炉膛内存有大量 高温床料( 炉渣或石英砂) ，煤粒一进入炉内就很快着火燃烧，由炉膛下部送入 的一次风，使燃料在床料中呈“流态化”燃烧，这样就能将高温床料与新加入 的煤、空气充分的混合，提高煤了的燃烧效率，在炉膛出口或过热器后部安装 气固分离器( 一般均采用旋风分离器) ，将分离下来的固体颗粒通过返料装置再 次送入炉膛燃烧，从而形成了一个床料的循环。在这种情况下，炉内的热量、 质量和动量传递过程十分强烈，使整个炉内的温度分布均匀。在炉膛温度不太 第一章绪论 件的设计、制造和检验标准与煤粉炉相同，且能采购到技术成熟的系列配套辅 机产品，故具有很高的可靠性，可用率达9 5 一9 8 。 因此，循环流化床锅炉是一种非常有发展前途的燃煤锅炉，它在燃煤锅炉 的商业竞争中占有一席之地是必然的。 综上所述，循环流化床锅炉的工业应用既节约能源又缓解污染问题，流化 床锅炉发展初期的主要目的是进一步提高锅炉燃烧效率和燃烧劣质燃料，使用 厂家主要是非电力行业的矿物局、化工厂等企业。随着循环流化床锅炉向大型 化发展和煤的清洁燃烧成为能源利用基本政策的推出，发展循环流化床锅炉的 主要目的是煤的高效低污染燃烧，电力行业在使用厂家中的份额也逐年增加。 1 2 2 循环流化床燃烧技术国内外发展现状 1 2 2 1 国外循环流化床燃烧技术的发展现状 在国外，循环流化床工艺的历史可追溯到二十世纪二三十年代一些实验室 的研究成果。随后，循环流化床工艺在化学工业和冶金工业领域里得到了广泛 应用。将循环流化床工艺应用于煤燃烧设备的设想最早产生于二十世纪六十年 代，十多年后，芬兰奥斯龙( a h l s 仃0 m ) 公司的2 0 讹循环流化床锅炉( 1 9 7 9 年) 和德 国鲁奇( l 1 l r 舀) 公司的5 0 t h 循环流化床锅炉( 1 9 8 1 年) 相继投运，标志着作为煤燃 烧设备的循环流化床锅炉诞生了5 】【6 j 。 在随后的二十多年中，循环流化床锅炉因其燃料适应性广污染低等优点， 表现出了旺盛的生命力。它不仅在中小型锅炉的商业竞争中占有了相当的市场 份额，并且在技术日趋成熟的同时，迅速向大型燃煤锅炉的商业市场迈进。1 9 9 5 年11 月，采用鲁奇循环流化床工艺，由法国通用电气阿尔斯通斯坦因工业公司 ( g a s l ) 设计制造的法国普罗旺斯( p r o v e n c e ) 电站2 5 0 姗循环流化床锅炉投入 商业运行。普罗旺斯电站的成功投运成为大型循环流化床锅炉发展史上的一个 里程碑。它不仅解决了循环流化床锅炉大型化过程中的很多技术问题，更重要 的是，它为循环流化床锅炉大型化工作的进一步开展增加了信心，包括制造商 浙江大学博士学位论文 的信心和用户的信心。目前，阿尔斯通公司、福斯特惠勒( f o s t e rw h e e t e r ) 公司 等主要循环流化床锅炉制造商都在进行3 0 0 3 5 0 m w 等级的产品开发工作，并 开始了更大容量( 4 0 0 一6 0 0 m w ) ，甚至超临界压力参数的超大型循环流化床锅炉 的研究和前期产品开发工作7 j 1 8 】1 1 6 j 。 1 2 2 2 国内循环流化床燃烧技术的发展现状【9 1 4 】 我国的循环流化床锅炉也经历了从小型、中型，到大型三个开发阶段。 早在上世纪6 0 年代初期，我国已把循环流化床燃烧技术用于燃煤锅炉。自 1 9 6 5 年清华大学协助茂名石油公司设计试制首台燃烧油页岩的流化床锅炉起， 至今已有4 0 多年的历史 2 l 。1 9 8 1 年，国家科委下达了“煤的流化床燃烧技术研究” 课题，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发工作正式启动。随后，中 国科学院工程热物理研究所、清华大学、浙江大学、东南大学、华中理工大学、 东北电力学院、西安热工研究院、哈尔滨工业大学、上海发电设备成套设计研 究所等都先后开始研究工作。 九十年代中期，我国三大锅炉制造企业( 上海锅炉厂有限公司、哈尔滨锅炉 厂有限责任公司、东方锅炉( 集团) 股份有限公司) 分别在前期技术积累的基础上 引进国外技术或与国外合作生产了2 2 0 t 1 循环流化床锅炉，并于九十年代中后期 成功投运。具有代表性的机 x 第一章绪论 单，用常规控制就容易实现，这里就不详细介绍。过热蒸汽温度控制系统、汽 包水位控制系统统称汽水控制系统。如果床温控制在定范围内，石灰石量适 当，烟气中的s 0 2 控制也很容易实现。所以本章主要讨论循环流化床锅炉的床 温控制系统、负荷控制系统、过热蒸汽温度控制系统、汽包水位控制系统四个 控制子系统。 1 3 1 1 循环流化床锅炉床温控制 循环流化床锅炉床温是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要参数。 同时也直接影响着锅炉运行中的脱硫效率及n o 。的产生量。一般床层温度控制 在8 5 0 - 9 5 0 ，这个温度是实现炉内脱硫的最佳温度，同时n o 。的产生量也比较 小，料床温度过低不但会使锅炉效率下降，有可能使锅炉运行不稳定发生灭火 现象；料床温度过高会使炉内脱硫效率下降，n o x 的产量大大增加，同时容易造 成炉膛床料结焦，由此可见，料床温度的控制是极为重要的。 影响床温的主要因素是给煤量与一二次风的配比，因些通常是通过调节给 煤量与一次风量来调节床温。床温对一次风量的变化反应迅速，但是受到最小 流化风速的限制，一次风量的调节范围不大，另外一次风的调节会影响到燃烧 效率，所以一次风不宜频繁调整，只是危急情况之下才能采取的有效非常规操 作。给煤量才是床温的最终决定因素，由于原煤进入炉内后要经过干燥，升温， 燃烧等过程，再加上床料大的热惯性，煤量变化被反应到床温上需要很长一段 时间，一般需要几分钟的时间，导致采用煤量来调节床温存在很大的滞后性。 此外，循环流化床锅炉床温与汽压存在着很强的耦合，这也给床温的调节 带来困难，采用常规的控制方法很难得到理想的控制效果。现在投运的循环流 化床锅炉床温控制基本上是采用操作员的手工控制。 9 浙_ ；工大学博士学位论文 1 3 1 2 循环流化床锅炉主蒸汽压力( 负荷) 控制 主蒸汽压力是电厂中非常蘑要的参数之一，其稳定效果和调节品质可以 直接影响到整个机组的安全经济运行，实现其自动控制势在必行。主蒸汽压力 控制的目的是保证汽包压力在以设定值为中心的允许范围内变化，汽压过高会 造成设备的损坏，严重的会发生人身事故，汽压过低机组的效率降低，造成能 源的浪费。汽压控制对象是一个热交换系统，完成工质的蒸发和过热过程。作 为燃烧控制的重要部分，现有的主蒸汽压力控制都是通过调整燃料量来实现的。 当燃料发后变化时，会造成进入炉内热量的变化，这样通过受热面传给工质的 热量也随之变化，工质温度随之改变，由于汽包内的工质工作在饱和状态下， 一定温度对应一定的压力，所以压力也将发生变化。从燃料变化到影响到汽压 波动过程中可以看出，中间环节多，过程慢，对象复杂，给实现自动控制带来 困难，汽压控制的惯性与滞后性均大于床温控制对象，所以汽压被控对象具有 时滞、大惯性，非最小相位等特点，对于循环流化床锅炉这些特点更加明显。 1 3 1 3 循环流化床锅炉过热蒸汽温度控制 电站锅炉的过热汽温对电厂的安全经济运行有着重要的影响。通常要求它 在5 范围内变化。目前大部分循环流化床锅炉均采用喷水减温器来实现对汽 温的控制，即在高温过热器与低温过热器之间喷入减温水，减温水是来自给水 泵的高压给水，而温度的测点是在高温过热器的出口，所以从减温水喷入，到 检测到温度变化，有一定的滞后，随着锅炉容量的增大，过热器的管道增长， 滞后越大：另外，由于减温水的比例占主蒸汽流量比例很少，还存在着很大的 热惯性。影响过热汽温的扰动因素很多，如锅炉负荷、烟气温度、减温水温度、 过热器表面的清洁程度等，这就给汽温的凋节带来很大的困难，常规控制方案 控制效果不够理想。 1 0 第一章绪论 1 3 1 4 锅炉汽包水位控制 锅炉汽包水位控制一般采用的是三冲量给水控制方案，即以汽包水位为主 控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为反馈信号，通常采用简单通用的p i d 算法，但是由于随着运行工况的不同，系统的特性参数是不断变化的，传统的 p i d 算法很难达到理想的控制精度。部分学者开始尝试将智能控制引入锅炉汽 包水位控制系统中。 1 3 2 循环流化床锅炉控制的特点和难点 以上被控象除了有自己的特点外，还有一个共性，那就是时变，随着锅炉 的负荷变化，被控对象的模型参数也在不断的变化。所以，循环流化床锅炉是 一个分布参数、非线性、时变、多变量紧密耦合的控制对象。传统的常规控制 方法很难达到理想的控制效果，近年来国内外学者不断尝试采用智能控制技术 来解决循环流化床锅炉在控制方面的困难。但是，循环流化床锅炉自动控制的 实现并不是轻而易举的事情，还有许多问题需要探讨，许多困难需要克服。这 些困难主要是： 1 ) 循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、多变量紧密耦合的控制 对象。循环流化床锅炉自动控制系统需要完成较之一般锅炉更复杂的控制任务。 2 ) 采用现代控制理论方法的基础是要求有描述受控对象特性较为精确的数学 模型。然而，由于循环流化床燃烧特性的复杂性，使得建立循环流化床锅炉的 精确数学模型成为一件不容易的事情。 3 ) 由于循环流化床燃烧的复杂性和特殊性，使得实现循环流化床锅炉的自动 控制变得十分困难。对一般锅炉和其它过程控制对象行之有效的常规控制方法， 已难以保证循环流化床锅炉各项控制指标的实现。 鉴于以上的原因，国家在“八五”重点攻关项目“7 5 们l 循环流化床锅炉的 完善化”中拨出专款用于研制循环流化床锅炉自动控制技术。 浙江大学博士学位论文 1 4 智能控制技术 随着科学技术的突飞猛进，对工业过程控制的要求越来越高，不仅要求控 制的精确性，并更注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适 应和自学习能力。另外，需要控制的工业过程同趋复杂，过程高度的非线性和 不确定性，使许多系统无法用数学模型精确的描述，传统的自动控制理论和方 法已不能适应上述复杂系统的控制。在这一背景下，出现了一门新兴的交叉学 科一智能控制。它是人工智能、自动控制、运筹学、模糊系统理论、神经网络 理论、进化论、模式识别、信息论及仿生学等学科相互结合与渗透的产物，目 前已用于冶金、化工过程的自动控制、电力系统与核电站安全运行、航空航天 飞行器对接、智能机器人、智能通信网络、智能化仪器仪表与家用电器等领域， 并且具有广阔的应用前景。智能控制作为自动控制理论的前沿学科，反映了控 制理论界近年来迎接对象复杂性的挑战中所作的种种努力，智能控制从理论到 应用都得到发展，其中表现突出的是各种相关技术和控制理论的结合，使智能 控制在设计形式方法上呈现出丰富多采的局面。智能控制的建立和发展是以众 多新兴学科为基础，其中思维科学是研究智能控制的重要认识论基础。智能控 制的基本出发点是仿人的智能实现对复杂不确定系统的有效控制，要模仿人的 智能就要模仿人的思维方式，因此，必须研究人的思维形式和特点。主要从三 个方面着手：一是模拟人的抽象( 逻辑) 、思维；二是模拟人的形象( 直觉) 、思维； 三是模拟人的灵感( 顿悟) 。著名控制理论权威a u s t r o m 指出：模糊逻辑控制、神 经网络控制与专家控制是三种典型的智能控制方法，相关的研究方兴未艾，其 成果也引人注目“”。j 。 1 4 1 模糊控制技术1 2 0 卜【2 9 】 自六十年代中期，美国加州大学b e r k e l e y 分校的l a z a d e h 教授创立模 糊集理论后，模糊数学得到了迅速发展，同时模糊集理论在自动控制、信 x 第一章绪论 主要内容包括：模糊模型及辨识、模糊控制的稳定性、模糊最优控制、模糊自 适应控制、传统p i d 与模糊控制相结合的多模态模糊控制器等等。 随着科学技术的迅猛发展，对自动控制系统的控制精度、响应速度、系统 稳定性和自适应能力的要求也越来越高，对于大多数复杂被控对象，采用传统 的控制方法往往难以收到满意的控制效果。而模糊控制技术具有语词计算和处 理不精确性、不确定性和模糊信息的能力，近年来已被证明是解决许多实际复 杂建模和控制问题的种有效方法。如今，模糊控制已经应用到国防、工业等 众多领域，产生了巨大的社会效益和经济效益。 模糊控制器的基本结构包括知识库、模糊推理、输入量模糊化及输出量精 确化四个部分，例如x 1 ，x 2 ，x 3 ，为过程的输入，y 为控制量输出，各量取 值范围称为基本论域。 1 4 1 1 知识库 知识库包括模糊控制器的参数库和模糊控制规则库。 模糊控制规则建立在语言变量的基础上。语言变量取值为“大”、“中”、“小” 等等这样的模糊子集，各模糊子集以隶属函数表明基本论域上的精确值属于该 模糊子集的程度。因此，为建立模糊控制规则，需要将基本论域上的精确值依 据隶属函数归并到各模糊子集中，从而用语言变量值( 大、中、小等) 代替精确 值。这个过程代表了人在控制过程中对观察到的变量和控制量的模糊划分。 由于各变量取值范围各异，因此首先将各基本论域分别以对应关系映射到 一个标准化论域上，为便于处理，将标准论域等分离散化然后对论域进行模 糊划分，定义模糊子集。 同一个模糊控制规则库，对基本论域的模糊划分不同，控制效果也不同。 具体来说，对应关系，标准论域上的模糊子集数，以及各模糊子集的隶属函数 都对控制效果有很大影响。这三类参数与模糊控制规则具有同样的重要性，因 此把它们归并为模糊控制器的参数库，与模糊控制规则库共同组成知识库。 各条模糊控制规则反映了在各种条件下控制器应具有的控制量输出，对一 第一章绪论 由模糊控制规则库中的规则r 得到关系矩阵r ，它是论域( x 1 ，x 2 ，x 3 ，) 积集的一个模糊子集的矩阵表示。所有m 条规则的模糊矩阵尺为矩阵的并： r = 蜀u r ：u 恐u u 如。显然，若将关系矩阵及其合成运算直接用于模糊推 理，计算时需占用大量的存储空间。因此，虽然用关系矩阵进行推理具有理论 上容易处理的特点，却不适宜实际应用。在实际应用中，一般先针对各条规则 进行推理，然后将各个推理结果总合而得到最终推理结果。 1 4 1 4 精确化 推理得到的模糊子集要转换为精确值，以得到最终控制量输出y 。目前常 用两种精确化方法： 1 ) 最大隶属度法 在推理得到的模糊子集中，选取隶属度最大的标准论域元素的平均值作 为精确化结果。 2 ) 重心法 将推理得到的模糊子集的隶属函数与横坐标所围面积的重心所对应的标 准论域元素作为精确化结果。 在得到推理结果精确值之后，还应按对应关系得到最终控制量输出y 。 1 4 1 5 模糊规则的获取 1 ) 基于专家经验和实际操作。模糊控制规则的形式为表达人的控制行为和 决策过程提供了一条有效途径，它能够直接将人的控制经验转换为自动控制规 则。基于人的控制过程是模糊控制规则最直接的来源。 2 ) 基于模糊模型。模糊模型在过程输入输出数据或操作者控制行为的基础 上通过辨识得到，它是以i f t h e n 的形式对被控过程动态特性的语言描述。这 种方法比较复杂，霎雾莲霉 萋磊 x 浙江大学博十学位论文 模糊控制规则库，是一条比较客观的途径。其控制效果和可应用性随不同的学 习算法而有很大的不同。 1 4 2 神经网络控制技术1 3 0 】。【3 4 】 神经网络技术是以非线性大规模并行处理为主要特征，以生物神经为模拟 基础，模拟人的形象思维，学习和获取知识。它具有学习、记忆、联想、容错、 自适应、并行处理以及分布式存储等种种能力，已在控制领域得到广泛应用。 1 4 2 ，1 神经元模型 1 ) 生物神经元结构 从信息处理的角度来看，单个生物神经元的结构中，树突为细胞体向外伸 出的许多较短的分支，它的功能是接收来自其它神经元的信息，为神经元的输 入端：轴突相当于细胞的输出端，其端部的许多神经末梢将信息传送给其它神 经元。 神经元具有两种工作状态：抑制和兴奋。当传入的神经冲动使细脑膜电位 升高超过其阈值时，神经元进入兴奋状态，产生神经冲动并由轴突输出；当传 入的神经冲动使细胞膜电位下降低于其阈值时，神经元进入抑制状态，没有神 经冲动输出。 2 ) 人工神经元模型 人工神经元是对生物神经元的简化和模拟，它是复杂神经网络的基本处理 单元，一种常用的模拟方法如图1 2 所示。图中，u ，u 。，u 。为输入，w 。，w ：， w 。为权系数，臼为阈值，y 为输出。由图可见，此模型由相加环节、传递函数为 h ( s ) 的线性环节和一个变换关系为，( ) 的非线性环节构成，为一非线性多输入 单输出系统，其数学模型为 v = 心一目 j = l x ( s ) = h ( s ) 矿( s ) ( 卜6 ) y = ，( x ) 6 第一章绪论 其中，h ( s ) 常取为比例环节、积分环节，一阶惯性环节或纯滞后环节。，( x ) 常取为阶跃函数、分段线性函数或s 型函数等。 u 1 u n 1 4 2 2 神经元的学习功能 图1 2 人工神经元网络模型 神经网络处理信号的能力完全决定于各神经单元之间藕合的权值，但一个 由许许多多神经元组成的网络，其权值不可能一一设定，故要求网络本身必须 有学习功能，即能够从示范的模式中逐渐调整权值。网络的学习方法有两种： 有教师学习和无教师学习。前者由外部给定期望值( 教师信号) ，权值根据实际 输出和期望值的差进行调整；后者无教师信号，期望权值按预先设定的规则调 整。 神经元学习的规则可用下式所示的基本算法表示， w f ( 七十1 ) = ( 七) + w f ( 七) ( 卜7 ) 其中，( 七+ 1 ) 是k 十1 时刻的权值，_ ( ) 是k 时刻的权值，( 七) 为权值的 增量。 由于w j ( 女) 计算方法的不同，便产生了不同的学习规则，下面是常用的几 种学习规则。 1 ) 无教师的h e b b 学习规则 这一规则的基本思想是，两个相连的神经元，它们之间的耦合程度( 即w ( | j ) 的大小) 取决于这两个神经元的状态，当它们都处于兴奋状态时，它们之间的耦 合应当加强。这一规则可表示为： 浙江大学博士学位论文 ( + 1 ) = ( ) + 叩只( ) 乃( t ) ( 1 8 ) 式中，( i + 1 ) 和w ，( t ) 分别表示i 神经单元到j 神经单元在k 十l 时刻和k 时 刻的连接权值，咒( 女) 和y ，( ) 分别表示i 神经单元和j 神经单元在k 时刻的输 出，7 o ，为学习速率。 显然，这是一种无教师的学习规则。 2 ) 有教师的d e l t a 学习规则或w i d m w - h o f r 学习规则 在无教师的h e b b 学习规则中，引人教师信号儿( 丘) ，y ，( ) 换成儿( t ) 和 y ，( t ) 的差，即形成有教师的d e l t a 学习规则，如下式所示： o ( 七+ 1 ) = ( t ) + 刁【j o ( t ) 一y ，( 七) 只( 七) ( 1 9 ) 3 ) 有教师的h e b b 学习规则 将上述两种规则结合起来，即形成有教师的h e b b 学习规则，如下式所示： ”o ( + 1 ) = o ( 女) + 叩【) o ( 七) 一m ( 七) 】m ( 七) 乃( 七) ( 1 一l o ) 1 5 预测控制技术 大部分现代控制理论都是建立在精确模型基础之上的，7 0 年代以来，人们试 图结合过程控制的特点寻求各种对模型要求低，控制品质好，且便于生产中实现 的计算机控制算法。预测控制正是在这种背景下应运而生的新型控制策略之一。 1 5 1 预测控制的原理 预测控制的主要特征是：以预测模型为基础，采用二次在线滚动优化性能 指标和反馈校正的策略，来克服受控对象误差、结构参数与环境等不确定性因 素的影响，有效地弥补了现代控制理论对复杂受控对象所无法避免的不足之处。 1 5 1 1 预测模型f 3 6 】【3 7 】 预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。预测模型 第一章绪论 只注重模型的功能，而不注重模型的形式，预测模型的功能就是根据历史信息 和未来输入来预测系统未来输出，只要具有预测功能的模型，无论其有什么样 的表现形式，均可作为预测模型。因此，状态方程、传递函数这类传统的模型 都可以作为预测模型，同样，对于线性稳定对象，阶跃响应、脉冲响应这类非 参数模型，也可直接作为预测模型使用。非线性系统、分布参数系统的模型，只 要具备上述模型的功能，也可在这类系统进行预测控制时作为预测模型使用。 因此，预测控制摆脱了现代控制理论基于严格数学模型的要求，从全新的角度建 立模型的概念。由于预测模型具有展示系统未来动态行为的功能，这样，就可 以利用预测模型为预测控制进行优化提供先验知识，从而决定采用何种控制输 入，使未来时刻被控对象的输出变化符合预期的目标。 1 5 1 2 滚动优化 预测控制的最主要特征表现在滚动优化。预测控制通过某一性能指标的最 优来确定未来的控制作用，这一性能指标涉及到系统未来的行为，例如通常可 取对象输出在未来的采样点上跟踪某一期望轨迹的方差最小等。但也可取更广 泛的形式，例如要求控制能量为最小而同时保持输出在某一给定范围内等等。 性能指标中涉及到的系统未来的行为，是根据预测模型由未来的控制策略决定 的。在预测控制中，优化不是一次离线进行，而是反复在线进行的，这就是滚 动优化的含义，也是预测控制区别于传统最优控制的根本特点。 1 5 1 3 反馈校正 过程控制算法采用的预测模型通常只能粗略描述对象的动态特性，由于实 际系统中存在的非线性、时变、模型失配