（电气工程专业论文）基于模糊理论的电站锅炉汽包水位控制研究.pdf

塞些盘芏墅生焦鱼塞掳要 基于模糊理论的电站锅炉汽包水位控制研究 摘要 电站锅炉控制是典型的复杂热工控制系统。对蒸汽锅炉而言，维持汽包水位 在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。锅炉汽包水位的控制一直是控 制领域的一个典型问题。随着控制理论及技术的发展，已有很多基于经典控制理 论和现代控制理论的控制系统应用于汽包水位控制。然而，它们都是根据被控对 象的数学模型建立起来的，而由于汽包水位对象的复杂性，这些控制系统如果越 简单，其控制效果越差；要想控制效果越好，则控制系统必然越复杂。采用传统 的p i d 控制效果不佳? 模糊自适应p i d 控制理论应用于控制系统设计，不需要对 系统模型进行大的改动，就能够获得较好的控制效果。因此，本文采用了模糊自 适应p i d 理论进行汽包水位控制器的设计。较为详尽地分析了汽包水位对象的动 态特性和传统的控制技术以及模糊控制理论，着重论述了三冲量控制规律。在此 基础上，提出了用模糊- - p i d 理论实现对汽包水位进行控制的方案，并进行了系 统软、硬件的设计。结果表明本系统能够基本消除扰动对水位的影响，同时提高 了蒸汽产量和质量，对节约生产成本、提高经济效益都具有重要意义。 在系统设计时，利用p l c 功能较强、运行稳定的特点，构成由上位机和下位 机组成的控制系统。下位机选用西门子的s 7 3 0 0 系列，p l c 上位机应用程序采用 w n n c c 组态软件设计。通过对软件进行了仿真运行和应用结果表明，本论文提 出的设计方法能有效地对电站锅炉水位及其他过程参数进行控制，具有广泛的应 片j 前景。 关键词电站锅炉水位控制模糊一p i dp l c 仿真 主j i 盘鲎墅茔焦迨圭 i b ! ! 型 t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o lf o r e rl e v e lo f p o w e r s t a t i o nb o i l e rs t e a md r u mb a s e do nf u z z yt h e o r y a b s t r a c t t h ep o w e r s t a t i o nb o i l e rc o n t r o ls y s t e mi sat y p i c a l c o m p l e xt h e r m o d y n a m i c c o n t r o ls y s t e m f o rs t e a mb o i l e r ，m a i n t a i n i n gw a t e rl e v e lo ft h es t e a md r u mi na c e r t a i nr a n g ei st h ec h i e ft og u a r a n t e et h eb o i l e rr u n n i n gs a f e l y t h ew a t e rc o n t r o lf o r t h es t e a md r u mi sa l la l o n gat y p i c a li s s u ei nt h ec o n t r o ld o m a i n w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n o l o g y , t h e r eh a v eb e e nm a n yc o n t r o ls y s t e m sb a s e d0 1 1 t r a d i t i o n a la n dm o d e mc o n t r o lt h e o r ya p p l i e dt ow a t e rl e v e lc o n t r o lo ft h es t e a md r u m h o w e v e r , t h e ya r ea l le s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e o b j e c t sb e i n gc o n t r o l l e d b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ew a t e rl e v e lo ft h es t e a m d r u m ，t h es i m p l e rt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ew o r s et h ee f f e c t s ，a n dv i c ev e r s a u s i n g t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lc a n tr e a c ht h eb e s te f f e c t f u z z yt h e o r yi sa p p l i e dt od e s i g nt h e c o n t r o ls y s t e m ，w ec o u l dg e tt h eb e t t e rc o n t r o le f f e c t s a c c o r d i n gt ot h i s ，s e l f - a d a p t i v e f u z z yc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e dt od e s i g nt ot h ec o n t r o l l e ro f t h es t e a md r u mw a t e rl e v e l i nt h i sp a p e r t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs t e a md r u mw a t e rl e v e la l o n gw i t hi t s t r a d i t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yh a v eb e e nd e t a i l e d l y a n a l y z e di n t h i sp a p e r , e m p h a s i z i n gc o n t r o lr u l eo ft h r e ev a r i a b l e s o nt h eb a s i so f t h e s ea n a l y s e s ，af u z z yt h e o r yt oc o n t r o ls t e a md r u mw a t e rl e v e lh a sb e e np r o p o s e d ， m a dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e d t h er u n n i n gh a ss h o w e dt h a tt h e c o n t r o ls y s t e mc o u l da v o i dt h ei n f l u e n c eo fd i s t u r b a n c et ow a t e rl e v e l t h es t e a m o u t p u ta n dq u a l i t yh a si n c r e a s e ds i m u l t a n e o u s l y , i t si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os a v i n g c o s ta n di n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i t t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a d e du po fh i g h e ri n d u s t r yc o m p u t e ra n dl o w e ri n d u s t r y c o m p u t e r , u s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep l c sp o w e r f u lf u n c t i o na n ds t e a d yr u n n i n g s i e m e n ss 7 - 3 0 0s e r i e si sa d o p t e di nh i g h e ri n d u s t r yc o m p m e r , w i n c cs o f t w a r ei s a d o p t e di nl o w e ri n d u s t r yc o m p u t e r b ys i m u l a t i n g a n dp r a c t i c i n g ，t h i sd e s i g n e d m e t h o dc a nc o n t r o lw a t e rl e v e lo ft h ep o w e r s t a t i o nb o i l e ra n dp r o c e s sp a r a m e t e r a v a i l a b l y i naw o r d ，i t sv a l u a b l ef o re x t e n s i v ea p p l i c a t i o n k e yw o r d sp o w e r s t a t i o nb o i l e r , w a t e rl e v e lc o n t r o l ，f u z z y - p i d ，p l c ，s i m u l a t i o n - i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意， 学位论文作者签名：嘲咐 日期：澎。善、。d 夕。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：吒那7 矽科 目 期： o - 一s - , 字、b 7 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期签字日期： 查j 盔璺墅圭茎焦盈圭 蓥= 室缝佥 第一章绪论昂一旱殖下匕 1 1 锅炉设备概述 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其任务就是有效地把燃料中 的化学能转换为热能，从而产生出一定数量和质量f 温度和压力) 的蒸汽。根据锅 炉在生产和生活中所起的作用不同，可将其分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉 等。其中，电站锅炉主要用于发电。伴随着科学技术及电力工业的发展，电站锅 炉也向着大容量、高参数、高效率方向发展。为确保安全、稳定生产，对锅炉设 备的高自动化控制就显得十分重要。 锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要 工艺流程如图1 1 所示。 d过热赭r 珏敷衍 5 2 锰 图1 1 锅炉系统主要工艺流程图 f i g i 1m a i nc r a tf l o wc h a r to f t h eb o i l e rs y s t e m l 一燃烧嘴；2 一炉膛；3 汽包；4 一减温器；5 炉墙；6 一过热器；7 一省煤器； 由图1 1 可知，给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管等构成了蒸汽 发生系统。燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给蒸汽发生 系统，产生饱和蒸汽，然后经过过热器，形成具有一定温度和压力的过热蒸汽d ， 汇集至蒸汽母管，然后送至汽轮机。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和 蒸汽变成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后由 引风机送往烟囱，排入大气。 1 2 锅炉控制系统研究的背景及意义 盘业盘茔堑茎焦监墨 _ 釜= 童缝遣 1 2 1 锅炉的主要调节任务 锅炉设备应根据生产负荷的需要，傈持一定压力和温度的蒸汽，同时要保证 在安全、经济的条件下运行。所以，其主要的调节任务有 3 】： ( 1 ) 锅炉供应的蒸汽量要适应负荷的变化或保持给定的负荷； ( 2 ) 锅炉供给负荷的蒸汽压力保持在一定范围内； ( 3 ) 过热蒸汽温度及汽包中的水位保持在一定范围内； ( 4 ) 炉膛负压保持在一定范围内； ( 5 ) 保持锅炉燃烧的经济性和安全运行； 1 2 2 锅炉主要控制系统 锅炉是典型的复杂热工控制系统，其建模与控制问题一直是人们关注的焦点， 在国际上始于七p 年代。1 9 7 2 年，k ，j a s t r o m 基于一系列物理实验数据提出了 锅炉的简化非线性模型，从而丌刨了系统地研究锅炉建模与控制的方法。在实际 工程中，为实现上述调节任务，锅炉设备的控制主要包含了以下摔制系统【2 j ： ( 1 ) 锅炉汽包水位的控制。操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物 料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。这是保证锅 炉和汽轮机安全运行的必要条件也是锅炉正常运行的主要标志之一。 ( 2 ) 锅炉燃烧系统的控制。燃烧系统中有三个被控变量；蒸汽压力( 或负荷) 、 烟气成分( 反映燃烧经济性的指标) 和炉膛负压及三个操纵变量：燃料量、送风 量和引风量。这些变量相互关联，需要统筹兼顾，组成合适的燃烧系统控制方案， 使燃料量和卒气量保持一定的比例，以保证燃烧的经济性和锅炉的安全陆；同时 使引风量和送风量相适应，使炉膛负压保持在一定的范围内。 ( 3 ) 过热蒸汽系统的控制。以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量 绢成的温度控制系统，使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不 超过允许的工作温度。 ( 4 ) 锅炉水处理过程的控制。这一控制过程的作用主要是使锅炉给水性能指 标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。 1 2 3 锅炉给水控制系统 对电站蒸汽锅炉而言，汽包水位是其正常运行的主要标志之一，是一个重要的 被调节参数。维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。水位过 高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将会带走过多的水分和盐分，导致过热 器管壁结垢并损坏，使过熟蒸汽温度急剧下降。如果用该过熟蒸汽作为汽轮机动 器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽温度急剧下降。如果用该过热蒸汽作为汽轮机动 盔型蔓墅堑蔓兰垡煎l 箜二奎缱延 1 2 1 锅炉的主要调节任务 锅炉设备应根据生产负荷的需要，保持一定压力和温度的蒸汽，同时要保证 在安全、经济的条件下运行。所以，其主要的调节任务有( 3 = ( 1 ) 锅炉供应的蒸汽量要适应负荷的变化或保持给定的负荷； ( 2 ) 锅炉供给负荷的蒸汽压力保持在一定范围内； ( 3 ) 过热蒸汽温度及汽包中的水位保持在一定范围内； ( 4 ) 炉膛负压保持在一定范围内； ( 5 ) 保持锅炉燃烧的经济性和安全运行； 1 2 2 锅炉主要控制系统 锅炉是典型的复杂热工控制系统，其建模与控制问题一直是人们关注的焦点， 在国际上始于七十年代。1 9 7 2 年，k j a s t r o m 基于一系列物理实验数据提出了 锅炉的简化非线性模型，从而丌创了系统地研究锅炉建模与控制的方法。在实际 工程中，为实现上述调节任务，锅炉设备的控制主要包含了以下控制系统【2 ： ( 1 ) 锅炉汽包水位的控制。操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物 料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。这是保证锅 炉和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要标志之 。 ( 2 ) 锅炉燃烧系统的控制。燃烧系统中有三个被控变量：蒸汽压力( 或负荷) 、 烟气成分( 反映燃烧经济性的指标) 和炉膛负压及三个操纵变量：燃料量、送风 量和引风量。这些变量相互关联，需要统筹兼顾，组成合适的燃烧系统控制方案， 使燃料量和空气量保持一定的比例，以保证燃烧的经济性和锅炉的安全性；同时 使引风量和送风量相适应，使炉膛负压保持在一定的范围内。 ( 3 ) 过热蒸汽系统的控制。以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量 组成的温度控制系统，使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不 超过允许的工作温度。 ( 4 ) 锅炉水处理过程的控制。这一控制过程的作用主要是使锅炉给水性能指 标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。 1 2 3 锅炉给水控制系统 对电站蒸汽锅炉而言，汽包水位是其正常运行的主要标志之一，是一个重要的 被调节参数。维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。水位过 高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将会带走过多的水分和盐分，导致过热 器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽温度急剧下降。如果用该过热蒸汽作为汽轮机动 塞韭盘芏殛圭差垡监塞 差二童绪堡 力，将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全。水位过低，则由于汽包内水量较少， 当负荷较大时，水的汽化速度会加快，若不加以及时控制，则容易使汽包内的水 全部汽化，破坏水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，甚至引起爆炸。 因此，锅炉汽包水位必须加以严格的控制。 1 3 本文的主要任务及内容安排 本文以发电厂锅炉汽包水位为研究对象，针对汽包水位自动控制现状，在讨 论汽包水位对象特性及模糊控制理论的基础上，对模糊控制应用于汽包水位进行 了研究。利用目前应用比较成熟的s i m e n s 的s 7 3 0 0 可编程控制器，用m a t l a b 仿真软件对控制器仿真调试，并应用于电站锅炉( 3 5 t h ) 的控制中。本文主要进行 了以下几个方面的工作： ( 1 ) 对锅炉汽包水位的动态特性进行阐述，并分析传统控制方案的优缺点。 ( 2 ) 对模糊理论和模糊- - p i d 控制相关知识进行理论学习，并将模糊p i d 控制理论与实际对象结合，分析得到模糊控制算法。 ( 3 ) 对模糊控制器进行硬件和软件设计及调试。 ( 4 ) 对本文的工作进行总结，得出结论，并对本文涉及的内容作出进一步的 展望。 盔韭盘生塑生焦i 垒茎一 笠三主堂旦曲焦剑筮喳盈垫墨煎盘盆 第二章常用的控制策略及效果的评价 2 1 汽包水位现有控制方案及其存在的问题 汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的 一个典型问题。随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐 渐提高。其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组 合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。其控制 方案通常有如下几种： ( 1 ) 单冲量控制系统。即汽包水位的单回路液位控制系统。 ( 2 ) 双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号。 ( 3 ) 三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。 这些控制方案通常采用p i d 算法。但是由于汽包水位具有大滞后、多变量、 强耦合等特性，使得现有的基于经典控制理论和现代控制理论的控制系统都不能 很好地对其进行控制。其中，单冲量控制系统不能消除虚假水位带来的影响，对 负荷变化的反应滞后，对给水流量的干扰也不能及时克服；双冲量系统引入蒸汽 流量作为校f 信号，虽然可以纠正虚假水位引起的误动作，也能提前发现负荷的 变化，但同样不能及时克服给水流量的干扰；三冲量系统引入了给水信号，控制 品质有了较大的提高，但增加了控制系统的复杂程度，同时，其p i d 参数k r 、 k l 、k d 也不容易整定，随着设备运行时间的增加及环境因素变化，这三个参数可 能需要不定期的重新整定。就目前而言，通常每整定一次参数，企业就会耗费上 万元的资金，对企业而言，意味着运行成本也随之升高。 2 2 模糊控制理论运用子锅炉控制系统的意义 采用传统的控制方法对锅炉实施控制时存在以下一些难以克服的困难1 6 j ： ( 1 ) 系统存在严重耦合。例如：燃料量的变化( 扰动) 使蒸汽流量产生扰动， 而蒸汽流量的改变势必导致给水流量的改变。 ( 2 ) 由于煤种及煤质的变化和蒸汽需求量的不断变化给系统带来了不确定 性。 ( 3 ) 由给煤量的变化到主汽压的变化回路存在时间滞后，包括测量滞后、过 程延迟和传输时滞等。 ( 4 ) 由于发电厂的发电设备高压性能而导致在测量信号中存在大量噪声。 ( 5 ) 锅炉运行参数的设定值需要经常变化以使锅炉能够在优化状态下运行。 盘韭盔兰巫芏壁垒叁 笠三童堂旦的撞剑筮喳盈墼墨的叠丛 电站锅炉是个具有高度耦合的多变量输入输出非线性热工系统，其动态特性 随着运行工况的变化而大范围变化，而且各环节的动态特性差异很大，并伴有噪 声、负荷干扰及时滞等。根据前面的论述可以知道，由于锅炉自身的复杂性，其 精确的数学模型很难建立，所以只能用一系列能量与物质平衡的方程式描述为分 布参数系统。如： lwk w a n 和j la n d e r s o n 将动力锅炉的所有物理、化学和 热交换过程描述为1 0 9 个方程式【9 】；而gp e l l e g r i n e t t i 和j b e n t s m a n 将锅炉模 型表示为以控制为目标的具有时滞、测量噪声和负荷干扰的四阶模型 。经典控 制理论和现代控制理论的控制效果很大一部分取决于描述被控过程精确模型的好 坏，这使得基于精确数学模型的常规控制器难以取得理想的控制效果。但是一些 熟练的操作工人、领域专家却可以得心应手的进行手工控制，这f 如我们了解到 的情况一样。根据上述实际情况，基于知识规则的模糊控制在电厂锅炉汽包水位 控制中的应用就具有了理论和现实的意义。 2 3 模糊控制理论研究的现状及发展前景 基于上述原因，我们有必要采用一种新型的控制方式，既能使控制系统的复 杂程度降低，又能达到设备的控制要求，同时，还要尽可能少地进行人工干预。 随着计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐 进入了锅炉控制领域并正在主导这一领域的发展。计算机强大的记忆能力，逻辑 判断能力以及快速计算能力为实现复杂的控制算法提供物质基础。这样，就可以 在锅炉控制中运用先进的控制理论和控制算法。 2 3 1 模糊控制理论的产生、发展及现状 美国加利福尼亚大学教授扎德( l a z a d e h ) 在1 9 6 5 年撰写的论文( ( f u z z y s e t ) ) 开创了模糊逻辑的历史，从此，模糊数学这门学科渐渐发展起来。1 9 6 6 年， p tn m a r i n o s 发表了模糊逻辑的研究报告，这标志着模糊逻辑真正地诞生。后来， 扎德又提出模糊语言变量这个重要的模糊逻辑概念。1 9 7 4 年，扎德又进行模糊逻 辑推理的研究。自1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 教授成功地将模糊逻辑应用于 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。从此，模糊逻辑成为专家学者、控制工程师们研究的一个热门课题。特 别是在f = = i 本，模糊理论的应用得到空前发展，最引人注目的是1 9 8 7 年7 月仙台 市采用模糊逻辑进行控制的地下铁路运输系统成功地投入运行。目前，模糊理论 及其应用愈来愈受到人们的欢迎，在学术界也受到不问专业研究工作者的重视， 在电力、化工、机械、冶金、水处理、食品生产等多个领域中发挥着重要的作用。 究其原因，主要在于模糊逻辑本身提供了一种基于专家知识( 或称为规则) 甚至 盔韭盔茎墅生生焦焦盍 蔓三皇蛊旦盐控剑蒸堕丛丝墨盟叠盆 语义描述的不确定性推理方法。控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学 模型，只需要提供专家或现场操作人员的经验知识及操作数据，因而对于许多无 法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统硬件 电路的设计。充分显示了其对大规模系统、多目标系统、非线性系统以及具有结 构不确定性的系统进行有效控制的能力。 我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从1 9 7 9 年李宝绶，刘志俊等 对模糊控制器性能的连续数字仿真研究开始的，大多数是在著名的高等院校和研 究所中进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推理算法、模糊语言和模 糊文法、自学习或自组织模糊控制器，以及模糊控制稳定性问题等的研究，而其 成果主要集中应用于工业炉窑、机床及造纸机等的控制。近年来，模糊控制已渗 透到家用电器领域。 2 3 2 模糊控制理论的发展前景 由于现实世界中模糊现象的大量存在，模糊控制的应用范围会越来越广。可以 预见，国内外在模糊控制研究开发领域将有更大发展，尤其是在模糊控制理论的 研究和模糊逻辑控制产品的开发上。然而，模糊控制不可能脱离与其它领域的联 系而独立存在，它与经典控制的技术和研究方法有着千丝万缕的联系，可以用经 典控制方法作为分析工具。模糊控制同时也是一种智能控制技术，因而与其它智 能控制方法也有相当多的联系。虽然模糊控制的研究已取得许多可喜的成果，但 与经典控制理论相比，仍显得很不成熟。尤其是以下一些方面值得迸一步的研究： ( 1 ) 虽然目前已得到许多模糊控制的解析结果，但还有待完善。经典控制的 理论和概念仍可进一步推广到模糊控制系统的分析和设计中，如模糊控制器的解 析结构分析、模糊控制系统的稳定性、鲁棒性，能观性和能控性等都有待发展， 非线性复杂系统的模糊建模和控制理论也有待深入。 ( 2 ) 与其它计算技术及控制技术进一步结合，形成完善的模糊神经网络控制 理论、模糊自适应控制理论、模糊专家系统理论、模糊预测控制理论等，使模糊 控制器具有更强的学习能力和智能功能。以便更适合于复杂对象的模糊控制。 ( 3 ) 模糊控制器由于其良好的控制性能，使得其在实际的工业过程中得到了 大量的应用。但在这些应用中，模糊控制器通常都是针对不同的控制对象进行单 独设计，这样不仅浪费人力物力，而且使模糊控制器的研制缺乏通用性和适应能 力，严重的阻碍了模糊控制器大范围的开发和推广应用。今后应加强模糊控制器、 模糊推理等专用芯片的研制，开发通用模糊控制器和模糊控制产品。 ( 4 ) 目前模糊控制器控制规则的设计基本上是基于专家和具有丰富实际经验 盔韭盔芏! 壁芏堡佥塞 笠三童鲎囝鳢蕉剑筮喳盈夔墨盟韭监 的操作者的经验总结。虽然模糊控制规则接近于人的语言规则，但是如何从众多 的规则中选取若干能有效反应对象控制特性的模糊控制规则仍是亟待解决的问 题。另外，采取行之有效的方法确定模糊控制规则对于提高模糊控制系统的性能 也具有_ 分重要的意义。 ( 5 ) 在模糊控制器的设计过程中，专家或实际操作者的语言描述与最终形成 的模糊控制规则还存在一定的差距，还没有系统的理论和方法将这种语言描述完 整、精确的转化成模糊控制规则；另外，在模糊化过程中，语言变量的基本论域 应如何划分、精确量如何模糊化、模糊合成和推理的算法如何选取以及反模糊化 的计算方法等至今仍在理论界存在争议。 ( 6 ) 由于模糊控制是离散控制，因此在将连续的输入量量化成离散量时，往 往会导致一部分信息丢失；同时，由于模糊化时对于模糊论域的量化等级数目是 定的，所以，输入量在一定范围内的变化可能使量化的模糊数并不发生变化， 这样往往使得最终求得的控制量不能反映这种变化而导致模糊控制出现零点极限 环振荡等现象的发生，影响整个控制系统的控制性能。 ( 7 ) 在传统的控制中，有许多有关动态过程的分析方法，但是模糊控制器在 这方面还没有较完整的理论，因此对模糊控制器的动态分析经常作一些近似的处 理。由于模糊控制器的输入输出关系具有多值逻辑性特点，虽然这些近似处理能 对模糊控制器作出一定的分析，但是不能完全反应出模糊控制器的自身特性，势 必产生分析的不精确性，阻碍了人们对于模糊控制器真实特性的认识。 ( 8 ) 传统的控制理论对于控制的稳定性分析已经比较完善，但是与此相比模 糊控制对于稳定性的分析还处于起步状态。随着模糊控制器应用的日趋广泛，我 们应进一步对其稳定性进行讨论，建立一套较为完整的稳定性分析理论。 ( 9 ) 模糊控制近年来取得的巨大成就使得人们期待着它能够在电厂热工等复 杂过程控制中发挥重要的作用。在实际控制工程中，存在模糊推理较复杂，计算 时间长等问题。 如何简化模糊控制器的量化过程，将其转换成易于学习的算法，以及如何针 对电厂热工过程确定推理规则等，都是有待迸一步研究的问题。 近年来，集散控制系统( d c s ) 的迅速发展为模糊控制在电厂控制中的应用 提供了强有力的手段。许多国外d c s 都在控制组态中提供了模糊控制算法模块。 内存容量的不断扩充及硬件系统的可靠性和标准化，也为模糊控制的开发和实现 提供了保证。相信随着模糊理论及计算机技术等相关学科在理论上和实践中发展 的日新月异，模糊控制在电厂热工控制中也将发挥越来越重要的作用怕1 。解决这 些问题就成为模糊控制技术目前所面临的主要任务和发展方向。 盘韭盔茎塑芏焦造圭 簋三熏堂旦的摈劐筮喳垒塾墨煎援盆 第三章电站锅炉水位系统控制的研究 3 1 汽包水位调节对象的动态特性 3 1 1 水位对象基本特性 要实现对一个系统的控制，如何采用合理的控制方式和控制规律，有赖于对 系统的特性的正确分析，系统的特性包括静态特性、动态特性。静态特性决定了 稳态时系统的输入输出量的制约关系，而动态特性决定了当输入量变化时输出量 的变化方向，比如当输入信号增加时，输出信号是增加还是减少，以及输出量跟 踪输入量的过程和各种扰动特性。对一个具体的对象，在己知了对象模型的情况 下，对系统的分析是比较方便的。 首先推导水位对象的机理模型，该机理模型分析得出的模型结构是水位对象 辨识模型的基础，其结构参数就是从该机理模型得出。一台锅炉的汽包内部容积， 我们可以看成由三部分构成，即蒸汽容积v d ，蒸发面以下蒸汽容积v s ，水容积 v w 。在汽包里要进行水和蒸汽两相物质的转换，同时也进行能量的交换，因此讨 论这三部分的变化，可以弄清楚水位控制的难点问题所在，其次根据物质交换、 能量转换可以列出两组方程式，即物质平衡方程式和热平衡方程式【3 】，从而推导 出对象的机理数学模型。 i 、物质平衡方程式为： “t 警一警鲁= z w 一加 ( 3 1 ) 出出曲 、7 式中：a = 姜竺r 删 “2 。蠢( m 铀1 m = 。占慧眇。等邶o + 擎 h = 瓦h ；旷盖；p = 鲁；一。r i 。d 。； 其中d 。a x 为析出蒸发面的蒸汽量；d d 为锅炉的蒸发量；矿蒸发面以下转换成 蒸汽的锅炉水；y s 饱和汽重度；y w 锅炉水重度。且式中w 、y s o 、p o 、v w o 、v d o 、 v s o 、h o 都是指额定工况下的数值。 2 、汽包的热平衡方程式 由汽包热量平衡关系可知，单位时间汽包内积蓄的热量等于单位时间内输入 的热量减去单位时间内输出的热量，即： 立些基茔亟生焦逢圭 笠三童堂圈鲢蕉剑筮喳丛亟墨鲍叠俭 塑竺堕+塑掣+堂笋=口9删十z以+锄晟埘+。堕apdt 廿矗a d md t 一 一 ( 3 2 ) 式中：i w s 饱和蒸汽温度下炉水的热焓，k j k g ；c 金属比热，k j k g o c ：g 水管和汽包的盒属重量，k g ：o 锅炉水的饱和温度，o c ；”锅炉热效率，；c l 空 气比热，k j k g o c ：0 l 空气温度，o c ；k l 风煤比系数，q m 燃料发热量，k j k g ；c t 过量空气系数，m 燃料量，k g 。 从上面的物质平衡和能量平衡方程式，可以看出引起水位变化的各个量及其 相互之间的关系。从这两个方程式看出，要讨论起动态性能就要讨论水位的变化 量d h d t ，压力的变化量d p d t ，还有一个中间量d v s d t ，它表示蒸发面以下蒸汽的 容积变化速度，v s 随时间变化是汽包假水位产生的原因。由这两个方程式继续化 简，消除一些中间变量，就可以得到汽包的动态方程式。其中水位的动态方程为： 阳z 警船i d h = 【n 警+ 咖h 警+ 舢h 冗警+ 咖】_ 冗警+ 卯】 ( 3 3 ) 式中：t w 给水流量时间常数；t m 燃料量时间常数；t d 蒸汽流量时间常数；t p 汽包压力时问常数；k p 、k d 、k m 分别为汽包压力、蒸汽流量、燃料的放大系 数；t l 、t 2 水位的时间常数。 从式可以看出，汽包水位是一个典型的多输入输出对象，对该式进行拉式变 换，从时域变换到频域分别得到w ( s ) ，d ( s ) ，m ( s ) ，p ( s ) 扰动对水位的传递函数。 各式分别为： p ) 雩：坠墅妥 ( 3 4 ) 一肚，( s ) t s ( t , s + 1 ) 。 g 。( s ) ：婴：兰 ( 3 5 ) 、7 d ( s 1t s ( t ：s + 1 ) g 州驴篙= 翥t 、 尸( s )心( r z s + 1 ) ( 3 6 ) g 。( s ) ：黑：墼 ( 3 7 ) 、7 ( s ) t - s ( t , s + 1 ) 从上面的机理分析可以看出水位对象的两个主要特点： ( 1 ) 系统在不同的工况下，各式的时间常数和放大系数不同，说明被控对象 盔韭盎芏堑主芏垡篮塞一 一 笠姜圭鲎旦盟揎剑筮喳焦垫墨曲叠俭 的特性随负荷而变化，具有非线性特性，在常规控制中，需要分段线性化，要求 调节器有参数自适应能力； ( 2 ) 其次上式中这四个扰动对系统的作用特性是不一样的，要抓住其中的主 要扰动量。 下面具体分析每一个扰动下汽包水位阶跃响应试验曲线。 3 1 2 给水控制对象的动态特性 汽包炉给水控制对象的结构示意如图3 1 所示，汽包水位是出汽包中的贮水 量和水面下的汽泡容积所决定的，因此凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽 泡容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。其中主要的扰动有：给水流量 w 、锅炉蒸发量d 、汽包压力p b 、炉膛热负荷等。给水控制对象的动态特性是指 上述引起水位变化的各种扰动与汽包水位闻的动态关系。 7 。一 2 ，l ，一一、，b 蒸汽 l ，6 目a 一十= 们l j 给水 3 4 、i | ! 、7 j 幽3 1 给水调节对象结构示意图 f i g 3 1w a t e rs u p p l yc o n d i t i o n i n go h i e c ts t r u c t u r es k e t c hm a p s 卜一给水母管；2 一给水调解阀；3 一省煤器 4 一汽包及水循环；5 一过热器 l 、给水量扰动下水位的动态特性 给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动， 又称内扰。给水量流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图3 , 2 所示。当给水流量阶 跃增加后，水位的变化如图3 2 中曲线2 所示。水位控制对象的动态特性表 现为有惯性的无自平衡能力的特点。当给水流量突然增加后，给水流量虽然大于 蒸发量，但由于给水温度低于汽包饱和水的温度，给永吸收了原有饱和水中的部 分热量使水面下汽泡容积减少，所以扰动初期水位不会立即升高。当水面下汽泡 容积的变化过程逐渐平衡，水位就反应出由于汽包中贮水量的增加而逐渐上升的 趋势，最后当水面下汽泡容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将 以一定的速度直线上升。图3 2 中曲线1 为不考虑水面下汽泡容积变化，仅考虑 物质不平衡时的水位反应曲线，为积分环节的特性；曲线3 为不考虑物质不平衡 关系，只考虑给水流量变化时水面下汽泡容积变化所引起的水位变化，可认为是 盘a 盘主筮主焦坌墨 釜三空堂盟盟蕉剑筮堕垒鏊墨盟叠佥 惯性环节的特性。在给水流量扰动下实际的水位变化曲线2 可以认为是曲线1 和 3 的合成。 h j j 2 ， ， 一， o么q 一 多 泛二上二一， t一 卜叫- 图3 2 给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线 f i g 3 2 w a t e rl e v e lr e s p o n s ec u r v eo f t h ew a t e rf l u xd i s t u r b a n c e 如果蒸汽负荷不变，给水流量产生变化时，汽包水位调节对象的运动方程式可以 表示为： 盯：警订等= n 鲁+ 蛳， b s ， d t |d id t 将上式微分方程两边进行拉氏变换后可得到下式： t i t 2 s 2 ( s ) + t i s h ( s ) 娟s w w ( s ) + k w w w ( s ) ( 3 9 ) 从式( 3 9 ) 中，可以得到汽包水位调节对象在给水流量扰动下汽包水位的动态特性， 可用传递函数表示为 w o w = 器= 盏巍 b 在工程上，对于中压以下的锅炉，给水流量的时间常数一般较小，常常可以 忽略不计，因此上式可以简化为： 盔丝盘生塑主鲎垒逢塞一 笠三室堂旦煎揎剑筮喳丛丛墨鲍叠盆 叫沪器= 詈一羔= 南 ( 3 1 1 ) 式中 r 迟延时间，s ； s 响应速度，即给水流量改变一个单位流量时，水位的变化速度， f m 籼。”h 一) 。 r 和s 可由水位阶跃响应曲线上求得，即延长图3 2 中曲线2 的直线段与 时间轴的交点为a ，与纵坐标轴的交点为b ，则 响应速度s ：! 墼：塑：上 a o aw = 等占a 1 4 ( 3 1 2 ) f 迟延时问 f = 0 4 ( 3 1 3 ) 式中a w 给水流量的阶跃值。 当然，也可以采用s 的倒数n = 二( 称为响应时间) 来表示水位对扰动响应的快慢。 艺= i 1 = 筹 ( 3 1 4 ) f 删 响应时间的物理意义可定义为：当扰动量为1 0 0 ( 从满负荷突然变化到o ) ， 水位( 被调量) 变化1 0 0 所需要的时间。 s 和f 的大小与锅炉的容量及参数有关。容量为4 1 0 t h ，参数为9 8 m p a 、5 4 0 的高压炉，r ：1 0 s ，s = o 0 1 5 | ! ：m m s - ) o 厂1 j ；对于容量为6 7 0 t h ，参数为1 3 7 2 m p a 、 5 4 0 的高压炉，r ：5 - 1 0 s , s = o 0 0 9 5 一o 0 1 2 5 1 m m s - i ( f h ) - 1j 。由此可见，随着锅炉容 量的增大和参数的提高，水位内扰特性的迟延时间减小，响应速度也略有下降， 对水位h 的控制是有利的。但是，如果按锅炉容量的增大来计算响应速度( 以额 定容量的1 来计算) ，则得到的相对响应速度逐渐增大，说明随着锅炉容量和参 数的提高，对水位h 控制的要求也越高。 2 、蒸汽流量扰动下的水位的动态特性 蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属外部扰动。在蒸汽流量 d 扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图3 3 所示。当蒸汽流量突然阶跃增大时， 由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降，如图3 3 中 h 曲线所示。但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水下面的汽泡容积也迅速增大， 即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高，因蒸发强度的增加是有一定限度的， 故汽泡容积增大而引起的水位变化可用惯性环节特性来描述，如图3 3 中曲线h 2 盔韭盍茎墅堂堡垒圭一一 篚三童鲎旦鲢蕉剑整堕垦垫墨鲍叠俭 所示，实际的水位变化曲线h 则为h l 和h 2 的合成。由图3 3 中可以看出，当锅 炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然 锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升( 反 之，当负荷突然减少时，水位反而先下降) ，这种现象称为“虚假水位”现象。这 显然是因为在负荷变化的初始阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位的变 化起主要影响作用的缘故，因此水位随汽泡体积增大而上升。只有当汽泡容积与 负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物质平衡关系来决定，这时水位就随 负荷增大而下降，呈无自平衡特性。 h i i h 2 从 o h t 一 图3 3 蒸汽流量阶跃扰动f 的水位响应曲线 f i g 3 3w a t e rl e v e lr e s p o n s ec l u w eo f s t e a mf l u xd i s t u r b a n c e 在给水量不变的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化( 突然增加一个数值) 时，汽包水位调节对象的动态微分方程可以从式3 3 中导出： m ，警警一函警+ 咖】( 3 a 5 )出2出 。 廊 。 对微分方程进行拉氏变换得： t ：t 2 s 2 h ( s ) + t i s h ( s ) = 一【t d s w d ( s ) 艄而w o ( s ) 】 ( 3 1 6 ) 所以，在蒸汽流量扰动下的水位调节对象的传递函数为： 哪，= 嚣= 盎蒜 旺忉 上式化筒可看作是两个动态环节的并联组成，即： 盍韭太鲎塑堂焦硷盍一 釜三奎堂囝鲍蕉剑筮喳丞整墨盟竖佥 嗽) = 锱= 盎一詈 b 旧 式中 正曲线的时间常数； k h ：曲线的放大系数 占托曲线的响应速度。 上面所述的蒸汽量扰动下的水位控制对象动态特性，只是从蒸发强度变化对汽 泡容积的影响方面定性地说明水位变化的特点。实际上，改变汽轮机的用汽量引 起的蒸汽流量的阶跃扰动，必定引起汽压的变化，汽压变化也会影响到水面下汽 泡的体积变化，所以实际的虚假水位现象会更严重些。 3 、炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性 当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增强，从而使锅炉蒸发强度 增大。若此时汽轮机负荷未增加，则汽轮机侧调节阀开度不变。随着炉膛热负荷 的增大，锅炉出口压力提高，蒸汽流量也相应增加，这样蒸汽流量大于给水流量