（控制理论与控制工程专业论文）基于智能控制方法的过热汽温控制研究.pdf

摘要 过热汽温作为电厂锅炉运行过程中的一项重要参数，反映出设备运行的 经济性和安全性。过热汽温过高或过低，都将给安全生产带来不利影响，必 须严格地将过热汽温控制在给定值附近。过热汽温被控对象是一个多容环节， 具有大延迟、大惯性以及时变性等特性，干扰因素多，属于可控性比较差的 一个调节对象。 针对过热汽温的上述特点，本文在分析了过热汽温的调节任务，过热汽 温调节对象的静、动态特性，控制难点和设计原则的基础上，充分利用模糊 控制的动态特性好和p i 调节能消除静态偏差的特性，研究了模糊一p i 复合串 级控制在电厂过热汽温控制中的应用。为了使对过热汽温的控制更能适应工 况的变化和干扰影响，本文设计了一种带有自调整因子的改进型模糊一p i 复合 串级控制系统，根据汽温偏差和偏差变化情况而在线调整模糊控制器的加权 因子，从而调整了模糊控制器的控制规则，改善了控制系统的性能。仿真表 明，采用这种控制方法，系统的调节时间变短，抑制干扰能力有所提高，而 且易于实现，可以应用到过热汽温控制中。 关键词：过热汽温；动、静态特性；模糊p i 复合控制；加权因子；自调整； a b s t r a c t t h es u p e r - h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ei sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h eo p e r a t e c o u r s eo ft h ep o w e rp l a n tb o i l e r , i tr e f l e c t st h es e c u r i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e e q u i p m e n to p e r a t e t h es u p e r - h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ei se x c e s s i v e l yh i g ho r e x c e s s i v e l yl o w , w i l la l lb r i n gd i s a d v a n t a g ee f f e c tt ot h e s a f ep r o d u c t i o n , s ow e m u s tc o n t r o lt h e s u p e r - h e a t e ds t e a mi n t h er o u n do f i n i t i a l i z a t i o n t h e s u p e r - h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r eo b j e c ti sam n t i - c o t a i n e re l e m e n t ，i th a st h e t h eb i g d e l a yc h a r a c t e r i s t i c t h eb i gi n e r t i ac h a r a c t e r i s t i ca n dt h ev a r i e t ym o d e lw i t h v a r i e t yt i m ec h a r a c t e r i s t i c ，i ta l s oh a sm a n yd i s t u r b a n c e s ，i tb el o n g st oam o r e d i f f i c u l ta d j u s to b j e c t a c c o r d i n gt ot h ea b o v ef e a t u r e so fs u p e r - h e a t e dt e m p e r a t e ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no ff u z z y - p ic o m p o s i t es e r i a lc o n t r o li nt h es u p e r - h e a t e d s t e a mt e m p e r a t u r es y s t e mo fp o w e rp l a n tb yt h ef u l l yu s eo fb o t ht h e g o o d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff u z z yc o n t r o la n de l i m i n a t i n gs t a t i cd e v i a t i o no fp i c o n t r o lo nt h eb a s eo fa n a l y s i st ot h ea d j u s tm i s s i o no ft h es u p e r - h e a t e ds t e a m t e m p e r a t u r e ，t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p e r - h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r eo b j e c t ，t h ed i f f i c u l t yt oc o n t r o li ta n di t sd e s i g n p r i n c i p l e i no r d e rt oa d a p t i n gt h ec h a n g eo fw o r kc o n d i t i o na n dd i s t u r b a n c e s ，a k i n do fm o d i f i e df u z z y p ic o m p o s i t es e r i a lc o n t r o ls y s t e mo fs e l f - a d j u s t m e n t f a c t o rw a sd e s i g n e d i tr e g u l a r i z et h ew e i g h tf a c t o ro ft h ef u z z yc o n t r o l l e r r e a l - t i m e ，t h e nc o n t r o lr u l e so f t h ef u z z yc o n t r o l l e rw e r ea d j u s t e d ，s oi ti m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tw h e nw e a d o p tt h i sk i n do fm e t h o d ，t h ea d j u s t m e n tt i m eo fs y s t e mi sb e c o m es h o r t l y , t h e a n t i d i s t u r b a n c ec a p a c i t yi si m p r o v e d ，a n dr e a l i z a t i o ni se a s i l y , s ot h i sm e t h o dc a n b e a p p l i e dt o t h ec o n t r o lo ft h es u p e r - h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r e s y s t e m k e y w o r d s ：s u p e r - h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r e ；t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；f u z z y - p ic o m p o s i t ec o n t r o l ；w e i g h tf a c t o r ； s e l f - a d j u s t m e n t 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i 引言 1 1 背景和意义 在现代火力发电厂热工控制中，锅炉过热蒸汽温度( 过热汽温) 是影响 锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数，也是整个汽水行程中工质的最高 温度，对屯厂的安全经济运行有重大影响。由于过热器正常运行时的温度己 接近材料允许的极限温度，因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值 附近。一般中、高压锅炉过热汽温的暂时偏差不允许超过l o ，长期偏差 不允许超过5 c ，这个要求对汽温控制系统来说是非常高的。过热汽温偏 高会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，威胁 机组的安全运行。过热汽温偏低则会降低机组的热效率，增加燃料消耗量， 浪费能源，同时会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水 蚀，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，所以过热蒸汽温度过高或过低都是生 产过程所不允许的。随着电力事业的发展，大功率机组越来越多地参与了电 网的调蜂、调频，因此机组在正常运行时不可能定负荷运行，这样在负荷变 化时，过热汽温的变化是明显的。为了保证过热蒸汽的品质和生产过程的安 全性、经济性，过热蒸汽温度必须通过自动化手段加以控制。因此，过热蒸 汽温度的控制任务是：维持过热器出口蒸汽温度在生产允许的范围内，一般 要求过热蒸汽温度的偏差不超过额定值( 给定值) 的4 - 5o c 一1 0 。 过热蒸汽温度一般可以看作多容分布参数受控对象，其动态特性描述可 用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。现代锅炉机组大多采用 那些大容量、高参数、高效率的大型锅炉，其过热器管道加长，结构也更复 杂。在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃 烧状况、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度、流量、流速等等。在这些 因素的共同作用下，过热汽温对象除了具有多容大惯性、大延迟特性之外， 往往表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热汽温控制是锅炉各项控制 中较为困难的任务之一。针对上述情况设计的过热汽温控制系统，既要求对 烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求对减 温水内扰有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品 质，并能保证系统运行的安全性。因此，能否对过热汽温进行有效的控制， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 研究如何改善过热汽温系统的控制品质，对电厂能否安全稳定运行来说是至 关重要的，在经济性上也有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 面对具有大延迟、工况参数对模型参数有较大影响的过热汽温对象，如 何稳定、准确、快速地对其进行有效的控制一直是国内外广大专家学者和现 场工作人员关注的热点问题。 在火电厂中，各种类型的p i d 控制器因其参数物理意义明确、易于调 整，依然在热工过程控制系统中占据着一定地位，但这种采用常规p i d 控制 器较难确保控制系统的品质，由于它本身存在的一些缺陷使得它在实际应用 中的控制效果不是很理想。 分析常规p i d 控制可以发现，这种控制无法解决稳定性与准确性之间的 矛盾，加大控制作用可使误差减少，准确性可以提高，但是降低了稳定性。 反之，为保证稳定性，限制控制作用，这样又降低了控制的准确性。即使对 被控对象整定了一组满意的p i d 参数，当对象特性发生变化时，也难以保持 良好的控制性能3 6 1 3 。 过热汽温对象具有时变性、不确定性、非线性等特点，并且会有一些随 机的扰动产生，使其难以建立精确的数学模型。同时，其还具有延迟、惯性 较大等特性，由于模型参数的不确定性以及在控制系统的运行过程中出现环 境变化、元件老化等问题，所以常规p i d 控制方法难以取得满意的控制效果。 因此，许多电厂都迫切希望能有一种理想的控制策略实现对过热汽温的 有效控制。随着控制理论的不断发展，控制领域出现了许多新的控制方法， 如预测控制方法、自适应控制方法、各种智能控制方法( 包括模糊控制、神 经网络控制、遗传算法优化控制等等) ，如文献 2 9 3 中采用状态反馈+ p i d 控 制对过热汽温进行控制，增加了状态观测器，可以更多的了解被控对象的信 息，并通过状态反馈作用到执行器上，改善了整个调节系统的动态特性，同 时保留了传统p i d 串级控制的优点。文献 1 7 1 中提出了一种过热汽温自适 应p i d 控制系统，其原理是将系统输出的微分和偏差引入到自适应控制器 内，通过预先设计的规则，调整p i d 参数，以适应不同工况下控制要求 以上这些方法在逐渐的完善中。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 过热汽温具有变化性、不确定性、非线性等特点，不仅延迟现象严重， 易受到多种扰动的影响，而且它的工艺流程复杂，很难建立其精确的数学模 型，是电厂控制系统中的一个难题，一直以来，国内外许多专家学者都在积 极研究将这些新的控制算法应用到电厂过热汽温的控制上。 模糊控制作为一种智能控制方法，它是依据人对被控对象的控制经验而 设计的，其模仿人的思维模式，不依赖被控对象的数学模型，对于处理过热 汽温这种具有大延迟、非线性和对象模型不确定的被控制对象有很好的控制 效果，为解决这类复杂对象的控制问题开辟了新途径。被一些专家学者引入 到了过热汽温的控制系统中。但是，模糊控制实质上是具有p d 控制规律的 一种控制器，考虑到语言变量基本论域的量化特点以及模糊控制器具有模糊 比例一微分作用，缺少积分环节，使得该系统不具有消除稳态误差的能力， 且由于在“o ”档处量化死区的影响，还可能出现稳态等幅振荡。因此单独 采用基本的模糊控制不能获得好的控制品质。 因此，本文在综合了传统p i d 控制和模糊控制的优点的基础上，通过在 基本模糊控制器的基础上，再构造一个与模糊控制器并联的p i 控制，构成 一种新型的模糊一p i 复合串级控制系统，实现对过热汽温的控制。 实验证明，采用这种模糊- p i 复合控制器，可以极大地提高系统的动态 特性和稳态特性，通过仿真得到了好的控制效果，证明了将这种智能控制方 法应用到电厂过热汽温控制系统上的可行性。不久的将来，这种应用智能控 制算法的控制系统会在电厂实际过热汽温的控制系统中得到广泛的应用。 1 3 本文研究的目的和所要做的工作 本文的研究目的，就是针对过热汽温的特点，在深入分析过热汽温调节 的任务，过热汽温调节对象的静态特性、动态特性以及过热汽温控制的难点 及设计原则的基础上，研究模糊- p i 复合串级控制在过热汽温控制系统中应 用的可行性，并考虑根据汽温偏差和偏差变化情况在线调整模糊控制器加权 因子，以优化模糊控制系统。最后通过仿真验证控制效果。 所要做的工作主要包括以下几个方面： 1 分析了过热汽温调节的任务，静态特性，在蒸汽流量( 负荷) 扰动、 烟气流量扰动、减温水流量扰动三种扰动下过热汽温的动态特性，过热汽温 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 控制的难点和设计原则，并对过热汽温控制的现状进行了大致的介绍。 2 ，由于模糊控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的 控制品质，将模糊控制引入到过热汽温控制系统中，设计了一种基于偏差和 偏差变化率的模糊一p i 复合串级控制系统对过热汽温对象进行控制。 3 分析了一类控制规则可调整的模糊控制器的设计问题，设计了一种基 于修改加权因子的改进模糊- p i 复合串级控制系统，该系统根据汽温偏差和 偏差变化情况在线调整模糊控制器的加权因子，进而调整了模糊控制器的控 制规则，从而优化了过热汽温模糊控制系统。仿真结果表明，这种方法使控 制系统获得了更好的控制效果。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 2 锅炉过热汽温控制系统 2 1 引言 任何一个自动控制系统，都是由被控对象( 工艺设备) 和自动控制设备 ( 变送器、调节器、执行器) 两大部分组成的。要对它们实现预期的控制目 标。就必须先要掌握它们各部分的动态特性，只有这样才能构成合理的控制 系统。因此，控制系统设计、使用的好坏，在很大程度上都取决于对被控对 象动态特性的了解程度。事实上，许多复杂被控对象的控制之所以不成功， 多是由于对被控对象的动态特性了解不准确而造成的。 不管对电厂过热汽温控制采用何种手段，都必须事先了解被控对象的动 态特性，建立被控对象的动态数学模型。由于过热汽温控制所涉及的生产设 备和过程的复杂性，有必要根据过程的原理，结构和机理分析，了解其动态 特性的基本属性、特点，由此而选用合适的现场工程试验方法来获取对象的 动态特性，以及采用适合于控制系统的数学模型。 2 2 过热汽温调节的任务n 1 1 过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热汽温过高或过低都 会影响电厂的经济性和安全性。因为过热蒸汽温度是锅炉汽水通道中温度最 高的部分，过热器正常运行的温度一般接近于材料允许的最高温度。如果过 热蒸汽温度过高，则过热器、蒸汽管道容易损坏，也会使汽轮机内部引起过 度的热膨胀，造成汽轮机的高压部分金属损坏；如果过热蒸汽温度过低，则 会降低燃料的热效率，一般汽温每降低5 i o ，热效率约降低1 ，而且温 度降低会使汽轮机轴向推力增大而造成接力轴承过载，还会引起汽轮机最后 几级的蒸汽湿度增加，易引起叶片侵蚀。所以，过热汽温调节的任务是：在 锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附近。一般要求过热汽温 与规定值的暂时偏差值不超过士l oo c ，长期偏差不超过士5 。 2 3 过熟汽温对象数学模型的建立及其静、动态特性 尽管电厂过热汽温控制系统的动态特性复杂，具有多变量、非线性和分 布复杂等特点，难以建立精确的数学模型，但是运用多种知识，建立能相对 反映过热汽温控制系统动态性能的数学模型，还是对研究相应的自动控制方 法大有益处。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 建立数学模型的基本问题是在实际物理对象观察或实验的基础上，导出 描述对象动态性能的数学表达式。数学模型的建立，通常有两种方法，一是 机理建模法( 理论建模法) ，另一种是试验建模法，或者是将两者结合起来。 机理建模法是根据基本的物理、化学定律和工艺参数，在一定的假设条件下 推导出被控对象的数学模型。试验建模法则是通过对控制对象进行实际试验 来获取数据，然后对试验数据进行分析、处理和计算，拟合出对象适当的数 学模型。通常的方法是先根据工程经验或数据分析来确定模型的结构，然后 由试验数据来确定其未知参数。从控制应用的目的出发，作为过热汽温控制 对象，采用现场工程试验获得的数学模型来描述其动态特性，能够设计出合 适的控制系统。 在工程上，为了减少模型的建立过程的工作量，常采用简捷的方法来确 定被控对象的传递函数。常用的方法是：先根据阶跃响应曲线的几何形状， 选定被控对象传递函数的结构形式，然后通过作图或者计算，确定传递函数 中的未知参数。由阶跃响应曲线求传递函数的方法很多，常用的有切线法、 面积法和两点法。 切线法：由阶跃响应曲线的拐点作切线求取特征值，然后通过查表计算 其传递函数。 两点法，在阶跃响应曲线适当选择两点，然后把这两点的数值代入经验 公式，从而确定被控对象的阶数和时间常数。它避免了作切线时容易引起的 误差。 面积法：当试验测定的被控对象阶跃响应曲线不规则时，采用此方法， 它能保证较高的准确性，但计算过程复杂。 由于过热汽温具有多变量、非线性和分布复杂等特点，企图用一个环节 或一个集中的微分方程来描述整个系统的动态过程是不可能的。为此，必须 将整个复杂的热工对象划分为不同环节，根据热工过程方面的专业知识，分 析其内部机理过程，找出各环节之间的相互联系，对每个环节写出描述各变 量关系的微分方程，导出相应的传函，最后建立起整个对象的动态数学模型。 因此，本文根据动态系统建模的一般方法，运用基本的物理定律描述对 象各物理量之间的关系，运用数学、物理分析方法建立过热蒸汽温度控制系 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 统的数学模型。首先通过机理方法建立起模型结构，再通过试验法确定其参 数。 锅炉过热器的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定数值，然后送往 汽轮机去作功，它由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成。通常称减温 器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。 过热器布置在高温烟道中，大型锅炉的过热器往往分为若干段，在各段 之间设置喷水减温器，即采用过热汽温的分段控制，温度调节用减温水由锅 炉的给水系统提供。其示意图如图2 1 所示。 图2 - 1过热汽温喷水减温系统示意图 图中，0 2 为过热器出口蒸汽温度，它是控制系统的被调量：b 为减温器 的出口温度：d 是过热蒸汽流量：矿是减温器的喷水量，它是控制系统的调节 量。 2 3 1 过热汽温调节对象的静态特性 过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流 式过热器和辐射式过热器的过热汽温的静态特性完全相反，如图2 2 。对于 对流式过热器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和流速都增加，因而使过 热汽温升高，所以对流式过热器的出口汽温随负荷增加而升高。对于辐射式 过热器，由于负荷增加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射 热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量，因此辐射式过热器的出口汽温随负 荷增加而降低。可见，过热器的传热形式、结构、布置将直接影响过热器的 静态特性。现在大型锅炉的过热器系统都采取了对流式过热器、辐射式过热 器和屏式过热器交替布置的结构，这有利于减小过热器出1 3 汽温的偏差，并 辽宁工程技术大学硕上学位论文8 改善过热汽温调节对象的静态特性。 图2 2 过热汽温的静态特性 2 3 2 过热汽温调节对象的动态特性 过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之 间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧 工况变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的温度和流速变 化等，这些因素还可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要 来自三个方面：蒸汽流量变化( 负荷变化) ，加热烟气的热量变化和减温水 流量变化( 过热器入口汽温变化) 。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试 验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性，如图2 - 3 所示。 蒜汽流 烟气囊 量 减溢水流量 l 一- 图2 - 3 过热汽温调节对象的动态特性 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 ( 1 ) 蒸汽流量( 负荷) 扰动下过热汽温的动态特性 当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的 蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器 各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。从阶跃响应曲线可知， 其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即 时间常数和滞后时间f 都比较小，且f 较小。 当锅炉的负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷 变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都 增加，从而使对流式过热器的出口温度升高。但是，由于负荷增加，炉膛温 度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的 吸热量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅 炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因而 总汽温将随负荷增加而升高。 其传递函数可以表示为： g ( s ) ：旦d 翌：l p 一”( 2 1 ) 、 d ( s )l + z 9 s 式中，一锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数； f 一负荷扰动后对象的滞后时间： 矗一对象的时问常数。 ( 2 ) 烟气热量扰动下过热汽温的动态特性 当烟气热量扰动( 烟气温度和流速产生变化) 时，由于烟气流速和温度的 变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量 也同时变化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。从阶跃 响应曲线可知，烟气流量扰动下过热汽温的动态特性是：有滞后、有惯性、 有自平衡能力。和蒸汽流量扰动的影响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影 响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后 和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即： g = 器= 丽面1 ( 2 - 2 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 式中，只为烟气温度 现场当中是通过改变烟气温度( 例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入 的个数) 或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。 ( 3 ) 减温水流量扰动下过热汽温的动态特性。 当减温水流量扰动时，改变了高温过热器入口汽温，从而影响了过热器 出口汽温。在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，喷水量扰动是系统的基本 扰动。从喷水减温的工艺过程可知，以喷水量为输入，过热蒸汽温度为输出， 对象具有分布参数的特性，即管内的蒸汽和管壁可视为众多个单容对象串联 组成的多容对象，喷水量的变化必须通过这些单容对象，才能影响到过热器 出口蒸汽温度。由于大型锅炉的过热器管路很长，减温水流量扰动时，汽温 的反应是较慢的。因此，与蒸汽量扰动和烟气传热量扰动的情况相比，减温 水流量扰动时，汽温的反应比较慢，对象具有大得多的惯性和延迟，这是此 对象难以控制的原因。 减温水流量扰动下的过热汽温响应曲线如图2 - 3 所示。由图可见，在减 温水流量扰动下，减温器出口过热汽温q 的响应比过热器出1 3 汽温岛快得 多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以鼠作为导前信号构 成串级调节系统，可大大改善控制系统的性能。 在减温水流量扰动下，导前汽温的传递函数可表示为： q = 器= 志 协s ， 式中，五一减温水流量扰动下导前汽温的放大系数： z 一为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数： ，l - 一阶数； 在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为： g o ( 沪器= 雨k 万o ( 2 _ 4 ) 式由，k 一减温水流量扰动下过热汽温的放大系数： 磊一减温水流量扰动下过热汽温对象的时间常数： 一阶数： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 对象惰性区的传递函数可表示为： q ( s ) ：粤：乓 ( 2 5 ) ”7 岛( s ) ( 1 + 五s ) 式中，墨为惰性区放大系数，五为惰性区时间常数，伤为阶数。 由于惰性区的传递函数无法直接通过实验求出，所以可由实验得到的 墨，互，啊和，瓦，n o 来求取，计算公式如下： k = 鲁 ( 2 - 6 ) 五：塑壁二堡至( 2 7 ) 瓦一啊五 吃2 而( n o t o - r 6 r , ) 2 ( 2 8 ) 对于一般中、高压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间r = 3 0 6 0 s ，时间常数= l o o s ：而当烟气侧扰动时，f = l o 2 0 s ，= l o o s 。 总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象作阶跃扰动试验得出的动态特 性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值( f ， ，p ) 有较大的差别。 2 4 过热汽温控制的难点及设计原则 过热汽温调节系统的难点在于： ( 1 ) 过热汽温作为调节对象，其主要特点是滞后时间较大。在发生扰动 后，温度不会立刻发生变化。此外，测量温度的传感器也有较大的惯性，在 动态过程中不能及时的发出测量和调整信号。 ( 2 ) 设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。从调节的角度看，减 温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使调节作用的时滞最小，使输 出的蒸汽温度波动小，但是从设备安全的角度看，减温设备应安装在过热器 入口的地方。 ( 3 ) 造成过热汽温扰动的因素很多，各种因素之间又相互影响，使对象 的动态过程十分复杂。能使过熟器出口汽温改变的因素有：蒸汽流量的变化、 燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、进入过热蒸汽热焓的变化、流经过 辽宁工程技术大学硕士学位论文 热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。 综上所述，过热汽温控制系统设计原则可归纳为： ( 1 ) 从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数( 如改变烟温或烟气流速) 的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难的，所以一般很少被采用。 ( 2 ) 喷水减温对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够 理想，但还是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。采用喷水减温时， 由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制 偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得好的调节品质。针对过热汽温 调节对象调节通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调 节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信 号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。 ( 3 ) 使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快 速性，减小延迟和惯性。如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反 映过热汽温的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。 ( 4 ) 现代电厂的过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性越来越大，采 用一级减温己不能满足要求，可以采用多级减温，以保证汽温控制的要求。 2 5 过热汽温自动调节系统的控制方案 2 5 1 传统过热汽温调节系统 ( 1 ) 过热汽温串级调节系统 目前电厂采用喷水减温来调节过热汽温。正如前面所分析的过热汽温 的动态特性可知：系统的延迟和惯性大，为了改善系统的动态特性，根据调 节系统的设计原则，引入中间点信号作为调节器的补充信号，以便快速反映 影响过热汽温变化的扰动，而最能反映减温水变化的就是减温器出口的温 度，因此引入该点作为辅助被调量，组成了串级调节系统。 图2 - 4 为过热汽温串级调节系统。汽温调节对象由减温器和过热器组成， 减温水流量形为对象调节通道的输入信号，过热器出口的汽温易为输出信 号。图中，和：分别为温度变送器的斜率，q 为减温器出口汽温，0 2 为 过热器出i = l 汽温。为了改善调节品质，系统中采用减温器出口汽温鼠作为辅 助调节信号( 称为导前汽温信号) 。当调节机构动作( 喷水量变化) 后，导前汽 辽宁工程技术大学硕士学位论文 温信号岛的反应显然要比被调量信号b 早很多。由于从调节对象中引出鼠信 号，对象调节通道的动态特性g ( s ) 可以看成为两部分组成：以减温水流 量矽，作为输入信号，减温器出口温度最作为输出信号的通道，这部分调节 通道称为导前区，传递函数为g l ( s ) ；以减温器出口汽温q 为输入信号， 过热器出口汽温绣为输出信号的通道，这部分调节通道称为惰性区，传递函 数为g ( s ) ，如图2 - 5 所示。 图2 - 4 过热汽温串级调节系统 串级调节系统的主调节器出口的信号不是直接控制减温器的调节阀，而 是作为副调节器的可变给定值，与减温器出口汽温信号比较，通过副调节器 去控制执行器动作，以调节减温水流量，保证过热汽温基本保持不变。为了 更好的分析串级调节系统的特点，根据图2 - 4 得出汽温的串级调节系统的方 框图，如图2 6 所示。 g 0 ( s ) 图2 5 过热汽温调节对象方框图 图2 - 6汽温串级调节系统的方框图 从方框图可以看出，它有两个闭合的调节回路： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 由对象调节通道的导前区g l ( s ) 、导前汽温变送器、副调节器q 。( s ) 执 行器墨和减温水调节阀k 。组成的副调节回路； 由对象调节通道的惰性区6 2 ( s ) 、过热汽温变送器：、主调节器铱：( s ) 以 及副调节回路组成的主回路。 串级调节系统之所以能改善系统的调节品质，主要是由于有一个快速 动作的副调节回路存在。由图2 5 可以看出，引入鼠负反馈而构成的副回 路起到了稳定鼠( 或形) 的作用，从而使过热汽温基本保持不变，因此可 以认为副回路起着粗调过热汽温只的作用。而过热汽温的规定值，主要由 主调节器q ：岱) 来严格保持。只要岛不等于规定值，主调节器就会不断地 改变其输出信号最，并通过副调节器去不断改变减温水流量，直到0 2 恢复 到等于规定值为止。可见，主调节器的输出信号反相当于副调节器的可变 给定值，而导前汽温q 则不一定等于原来的数值，最的信号数值毛等于稳 态时主调节器输出值反。 为了保证快速性，副调节回路的调节器g 。( s ) 采用比例( p ) 或比例 微分( p d ) 调节器，使过热汽温基本保持不变，起到了粗调的作用：为了保 证调节的准确性，主调节回路的调节器g ：( s ) 采用比例积分( p i ) 或比例积 分微分( p i d ) 调节器，使过热汽温与设定值相等，起到了细调的作用。 对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主 调节回路，都能迅速的做出反应，快速消除过热汽温的变化，其调节品质 是优于单回路调节系统的。 ( 2 ) 采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统 图2 7 所示即为采用导前汽温微分信号的汽温调节系统。这个系统 引入了导前汽温的微分信号作为调节器的补充信号，以改善调节质量。因 为6 ；和0 2 的变化趋势是一致的，且岛比岛的反应快很多，因此它能迅速地 反映易的变化趋势。引入了最的微分信号后，将有助于调节器动作的快速 性。在动态时，调节器将根据掣和0 2 与岛给定值之间的差值而动作； 讲 但在静态时，华信号为零，过热汽温岛必然等于给定值。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l s 图2 - 7采用导前汽温微分信号的汽温调节系统 目前电厂普遍采用上述两种汽温调节系统，它们在调节质量、系统构成、 整定调试等方面各有特点，具体如下： ( 1 ) 把采用导前汽温微分信号的双回路系统转化为串级系统来看待 时，其等效主、副调节器均是比例积分调节器，但对于实际的串级调节系统， 为了提高副回路的快速跟踪性能，副调节器应该采用比例或比例微分调节 器，而主调节器则应采用比例积分微分调节器。因此，采用导前汽温微分信 号的双回路系统的副回路，其快速跟踪和消除干扰的性能不如串级系统：在 主回路中，串级系统的主调节器具有微分作用，故调节质量也比双回路系统 好。特别对于惯性迟延较大的对象或外扰频繁的情况下，双回路系统调节质 量不如串级系统。 ( 2 ) 串级调节系统主、副两个调节回路的工作相对比较独立，因此系统 投运时整定、调试直观方便。而有导前汽温微分信号的双回路调节系统的两 个回路在参数调整时相互影响、不易掌握。 一般情况下，双回路汽温系统已能够满足生产上的要求，因此德到了广 泛的应用。通过上面的比较，串级控制系统对于过热汽温的控制效果好于导 前汽温微分信号控制系统，在第四章的模糊控制系统的设计过程中，考虑将 串级控制与模糊控制相结合组成复合模糊串级控制过热汽温的方案。 2 5 2 新型过热汽温调节系统 由于过热汽温具有延迟、惯性较大的特性，而且其允许波动范围又较小， 所广泛采用的：以导前汽温盒微分为补充信号的双回路控制系统和以导前 汽温鼠为中间被调量的串级控制系统两种主蒸汽温度控制策略，由于选用固 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 定参数的p i d 控制规律( 其参数根据经典控制理论来整定) ，因为p i d 固有 的局限性，仍然存在超调量大、调节时间长的缺点，控制系统无法取 ! 导满意 的控制效果。 针对过热汽温这个在热工自动调节系统中属于可控性最差的调节系统 ( 扰动因素多，滞后大) ，广大专家和学者进行了大量的研究，在许多有关热 工自动化的文章、书籍中或在火电厂实践中，结合自动控制的原理，提出了 很多新的控制方案。下面简要介绍几种： ( 1 ) 自适应控制器调节控制器参数的过热汽温控制方案“钉 张夕林，朱小良等在过热汽温控制中的自适应控制器设计及其组态 实现中提出了一种过热汽温自适应p i d 控制系统，如图2 - 1 1 所示。其原 理是将系统输出的微分和偏差引入到自适应控制器内，通过预先设计的规 则，调整p i d 参数，以适应不同工况下控制要求。从图中可见，它的基本系 统是串级控制，自适应控制器用来调整主调节器的参数。 图2 1 0 过热汽温自适应p i d 控制系统 ( 2 ) 应用模糊理论的过热汽温控制系统方案。” 张丽香，于晋春等提出了一种模糊自适应导前微分方式的过热汽湿控制 系统方案该控制系统的原理是在采用导前微分信号的汽温调节系统的基 础上，将汽温偏差值及偏差值的微分引入到模糊控制器中，根据预先设计的 规则，如当导前汽温信号变化大时，控制系统应施加大的控制作用使控制量 回到设定值等，对微分器g ( s ) 的参数进行在线整定，以达到在不同的工况 下，控制系统的参数达到最佳值。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 图2 1 i 模糊自适应导前微分控制系统 ( 3 ) 应用神经网络的过热汽温控制系统方案啪1 范伊波，巨林仓等提出了一种基于自适应神经元网络过热汽温智能控制 方法，将过热汽温设定值及其偏差引入神经网络控制器，对传统p i d 调节器 进行在线补偿，以适应调节对象动态特性的变化。 图2 - 1 2 基于神经网络在线学习的自适应控制系统 ( 4 ) 应用状态观测器与状态反馈的过热汽温控制方案”阳 韩忠旭，张智等提出了一种状态观测器及状态反馈控制在锅炉蒸汽温度 控制系统中的应用方法，采用状态反馈十p i d 控制对过热汽温进行控制，如 图2 1 3 所示。整个调节系统在串级调节的基础上，增加了状态观测器，并 从状态观测器上引出状态变量，通过状态反馈将信号引入到减温器的执行器 上控制减温器动作。当被控对象( 过热汽温) 发生变化时，因为增加了状态观 测器，可以更快、更多的了解被控对象变化的信息，并通过状态反馈直接作 用到执行器上，改善了整个调节系统的动态特性。同时保留了p i d 串级控制 的优点。 除了上面介绍的几种控制方案，专家和技术人员还提出了锅炉过热汽 温的智能预测控制、基于遗传算法的p i d 参数优化、神经网络模糊控制系统 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 图2 - 1 3 状态反馈+ p i d 控制系统 等方案，仿真研究表明，相比传统的控制，这些先进控制方法的控制效果都 有了很大的提高。 上述的控制方法各有特点，通过对各种扰动对过热汽温影响的深入分 析，引入各种先进的控制策略和算法到传统的控制系统中，改善了传统p i d 控制系统的性能，或直接用智能控制器代替传统的控制器，这些都将使得对 过热汽温这个大迟延、非线性、干扰多的复杂被控对象的控制品质有更大的 提高。相信随着自动控制理论特别是智能控制理论的进一步发展，在以后的 日子中，对过热汽温的控制将有更多更好的控制控制策略出现。 2 6 本章小结 本章主要分析了电厂过热汽温的调节的任务，过热汽温数学模型的建立 方法，分析了过热汽温的静态特性，重点分析了蒸汽流量变化( 负荷变化) ， 加热烟气的热量变化和减温水流量变化( 过热器入口汽温变化) 三种扰动作 用下过热汽温的动态特性，讨论了过热汽温控制难点以及控制系统的设计原 则，介绍了电厂目前普遍采用的过热汽温控制系统：过热汽温串级调节系统 和采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统各自的特点，并从调节质 量、系统构成、整定调试等方面进行了二者的比较。在此基础上，又介绍了 几种新型过热汽温调节系统，讨论了专家和技术人员如何将智能算法应用到 过热汽温的控制系统中。总的来说，目的就是使控制系统能够根据不同工况、 扰动的情况而改变，以实现各种情况下对过热汽温的有效自动控制。 引入各种先进的控制策略和算法到传统的控制系统中，改善了传统p i d 控制系统的性能，或直接用智能控制器代替传统的控制器，都将使得对过热 汽温这个大延迟、非线性、干扰多的复杂被控对象的控制品质有更大的提高。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 3 模糊控制系统的设计 自从1 9 6 5 年l 。a z a d e h 提出模糊集合论以来，在四十多年里，模糊控 制作为智能控制理论及应用的一个重要分支，无论在理论上还是在工程应用 上都有了很大的发展，已经成为具有一定系统化理论及大量应用背景的新兴 学科，并且成功地应用于工业过程控制、机器入操作、航空航天等诸多领域， 至今仍是国内外广大专家学者普遍关注的一个研究问题。模糊控制理论日趋 成熟，并且由于其基于人的逻辑推理、不依赖控制对象的精确数学模型这一 特点，体现了它巨大的优势和潜力口“。 模糊控制技术之所以具有如此强大的生命力，是因为它具有其他控制方 法不可替代的优点：其一是不需要被控对象的精确数学模型：其二是控制速 度快、鲁棒性好，模糊控制的上升特性比传统控制方法好，对于大的变化能 够快速，准确的判断和加以控制。 模糊控制是根据对控制对象的粗略知识以及人们的生产技能等知识，导 出自然语言的控制规则，利用一类应用模糊集合理论的控制方法。模糊控制 的价值可从两个方面来考虑： ( 1 )模糊控制提出了一种新的机制用于实现基于知识( 规则) 甚至语义描述 的控制规律： ( 2 )模糊控制为非线性控制器提出了一个比较容易的设计方法，尤其是当 被控制对象含有不确定性并且很难用常规线性控制理论处理时，更是有效。 3 1 模糊控制系统的组成及框图 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。因此，模糊控制系统的组成 类同于一般的数字控制系统【3 9 1 ，其方框图如图3 1 所示。 量 图3 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： ( 1 ) 模糊控制器：实际是一台微型计算机，根据控制系统的需要，即可 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 0 选用系统机，又可选用单扳机或单片机。 ( 2 ) 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取 数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变 为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。在i o 接口装置中，除a d d a 转换外，还包括必要的电平转换电路。 ( 3 ) 广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线 性的、定常或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞的以及有强干扰 的多种情况。 ( 4 ) 传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号 的一类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量等。传感器在温 度控制系统中占有比较重要的位置，它的精度往往直接影响整个控制系统的 精度。因此在选择传感器时，应