（检测技术与自动化装置专业论文）煤泥、煤矸石混烧循环流化床锅炉热工控制.pdf

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f o l l o w i n gc a p a b i l i t y t h ec o a l w a s h e r yt a i l i n g s c o a lw a s h c r yr e j e c t sc o f i r e df l u i d i z e db e db o i l e rb a s e do n t h et e c h n o l o g yo fd i s s i m i l a rb e dm a t e r i a lf l u i d i z a t i o ni si m p r o v e dt y p eo f o r d i n a r i l yc f b b h i g hd e m a n do fa u t o m a t i cc o n t r o lo fc o f i r e dc f b bi s p r o p o s e dw i t hi t sf a s tc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n t b u t ，c o - f i r e dc f b bi san e w t y p eb o i l e rw i t hi m m a t u r et e c h n i q u et i l ln o w s o m ec o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sn o n l i n e a r i t y ，u n c e r t a i n ，t i m e v a r i e t y ， u n d u el a g g i n ga n dm u l t i v a r i a b l ec o u p l i n g s t u d yo fc o m b u s t i o nm e c h a n i s m a n dm o d e l i n ga r en o tm a t u r e ，t h o u g hs o m em o d e lh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ， t h e ya r en o ta c c u r a c ya n dd i f f e rf r o md i f f e r e n tb o i l e r s ，w h i c ha r ec h a n g i n ga s r u n n i n g s ot h el o wc o n t r o ll e v e li sk e e p i n g t h et e c h n i c s ，a d v a n t a g e ，d e v e l o p i n gc o n d i t i o no fc o f i r e dc f b ba n di t s c o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c a n d d i f f i c u l t y i s i n t r o d u c e d ，f o c u s i n g o nt h e c o m p l e xd y n a m i cp r o c e s s e si n v o l v e di nc o m b u s t i o ns y s t e m sa sw e l la si nt h e w a t e rs t e a mc y c l e so fd o m e s t i cc 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 s ，b a s i n go nt h e r e f e r e n c eo fp r o c e s sd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc i r c u l a t i n gl o o pf o r c f b b ，a p p l y i n gt oh i g hp r o g r a m m a b l ef u n c t i o no fx d p s - 4 0 0s e r i e sd c sa n d p r o p o s i n gm a n yc o n t r o ls t r a t e g i e s ，s u c ha se x p e r tp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ， c o m p l e xc o n t r o l ，s e l f - s e e k i n go p t i m u m ，w h i c hc ade f f e c t i v e l ys o l v ep r o b l e m s c a u s e db yb i gl a go rt o u g hc o u p l i n ga sw e l la sp r o c e s so c c a s i o n e dp r o b l e m s ， a n dt h e r e b ye n h a n c i n gc o n t i n u o u sa u t o m a t i cc o n t r o lo fb o i l e rs y s t e m s c o - f i r e dc f b ba u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e ss e v e r a ls u bs y s t e m s ：t h e b o i l e r sw a t e rl e v e lc o n t r o l ，t h em a i ns t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h eh e a r t h p r e s s u r e c o n t r o l ，t h eb e do fm a t e r i a l sd i f f e r e n c e o fp r e s s u r ec o n t r o l ，t h e m a i ns t e a mp r e s s u r ec o n t r o la n dt h ec o m b u s t i o nc o n t r 0 1 5 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：c 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 ，d c s ，p r o c e s sd y n a m i c m a t h e m a t i c a l m o d e l ，d i s s i m i l a rb e dm a t e r i a lf l u i d i z a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ， s e l f - s e e k i n go p t i m u m 6 由东大擎矮士攀毽逾文 1 绪论 l 。1 课题来源及意义 能源与环麓是当今社会发展的鹾大问题。我翻愚产煤和用煤大国，秘 游一次能源消糕中煤炭占7 6 。洗漾溉鞫煤蚕手石丽为煤炭洗逡，| j l 工过稷t p 排放的废弃物。这些废弃物含有大量能量同时也戆污染源。如不合理加以 巅瘸，毖将逡戏严整懿瓷淫渡费巍臻浚污染。煤磺藤浚铑寐燃烧技拳在嚣建 懑蒸本或熬，_ 并褥爨了广泛静应翔。辩洗澡嚣瓣畜，出予其承分帮获分较 商，发热量低，且物理性状特殊，因而采用传统技术控制燃烧滩以获得满 意麴效果。隧逡魏秘磅瓿橡瑷已掇出鞠嚣：发了以浚煤潺绩团燃烧秘暴夔淀 化廉运行为主要内容豹洗煤泥流纯藤燃烧技术，辩已得到工北验证和成嗣 【1 ：i f 2 l 【3 2 1 。并汗发出物理形态和性精上熬剐很大的漉煤泥、煤酐石流化床混 烧技术。毽燃溅、煤矸石流健庶混烧褊予瓤行投本，还缀不成熟。混烧淡 化床锅炉的妇幼控制更是一个空自。圈内为数不多的煤泥、矸石混烧循环 流化床锅炉藏本都是手动运行。提商混烧流化床锅炉的自控水平必将推动 混浇滚纯藤燃淡技术熬发震。霾魏，鹾究_ 蠡l 开发浼攥淀、澡秘磊混浇溅鼗 寐锅炉的自掇接术具有很高的学术价值及重要的工程斑用背景。 我实习所在的济南大陆机电有限公司主要从鬻工业过程控制系统的设 计开发，至今已经承整了数十台镶强流纯疼锈炉鹣爨控系统鹣设计。一帮 分已投入自动运行，但承揽1 3 0 t 煤泥、矸石混烧循环流亿床锅炉自控项目 滏耩首次。l ：发一整套操作人员可以接受，傈证自动控制可= 濑f 常投遮 瓣混浇c f b b 鑫整系统，褥充分笈箨滋浇流纯霖锅妒兹谯势，键逡滚纯藤 混烧技术的发展。 1 2 裸题内容及主要任务 在现有象传基础上，我负责设计了热电厂1 3 0 t h 煤淀、研石漏烧 c f b b 豹自动羟铡系统。本论文主要内容包括： 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 分析混烧循环流化床锅炉的工艺、特点及燃烧机理和国内外控制现 状； ( 2 ) 概述混烧c f b b 自控系统的组成：汽水控制系统和燃烧控制系统： ( 3 ) 汽水控制系统包括：汽包水位控制系统和主蒸汽温度控制系统； ( 4 )以c f b b 循环回路过程动态数学模型为参考基础，设计燃烧控制系 统，包括：主蒸汽压力控制、料床温度控制、一次风控制、二次风控 制、烟气含氧量控制、炉膛负压控制、料层差压控制等 ( 5 )以13 0 t h 混烧循环流化床锅炉为对象，开发基于x d p s 组念软件的先 进自动控制算法。 一般认为汽水控制系统与煤粉炉、普通c f b b 的控制基本相同，控制设计 得益于对普通锅炉的深入研究，技术上比较成熟，自控投运率比较高。而燃烧控 制则被国内外公认为是控制上的难题，其中主蒸汽压力控制、料床温度控制被认 为是燃烧控制系统中的关键控制子系统。因此，本次设计的主要任务是设计可提 高自控投运率的混烧c f b b 燃烧控制系统，解决c f b 锅炉各参数之间的强耦合 关系，提高燃烧控制的自动化程度。 3 1 1 4 】 1 3 课题难点及技术关键 由于混烧c f b b 发展短暂，设计不够成熟，炉内流态化工况、燃烧过 程较普通c f b b 复杂，能用于实时控制的数学模型还未出现，因此它的控 制系统明显较同等容量的煤粉锅炉和普通c f b b 的要求高。尤其是锅炉燃 烧存在着严重的大滞后：煤泥燃烧存在先吸热后放热的非最小相位特性； 提升负荷与避免床温升高之间存在矛盾。这些都给燃烧控制带来了很大的 困难。 4 】 5 】 基于以上混烧c f b b 燃烧控制巾存在的主要困难，本次设计的技术关 键是： 1 对于循环流化床锅炉这种复杂被控对象，深入分析它的运行机理、燃烧特 性，利用系统辨识技术，在已有数学模型的基础上，研究各控制变量及被控变量 之间的耦合关系： 山东大学硕士学位论文 2 运用控制理论及现有的先进控制技术( 如p i d 控制、前馈控制、串级控制、 规则控制、微分控制、模糊控制、自适应控制等) 设计混烧c f b b 燃烧自动控制 系统； 3 运用x d p sd c s ( 集散型控制系统) ，对设计的混烧c f b b 控制系 统进行硬件和软件组态，开发一套控制精度高、性能稳定、安全可靠、操 作方便、通用性强、可长期连续投运的自控系统。 2 混烧循环流化床锅炉工艺及其控制概述 2 1 混烧循环流化床锅炉概述 2 1 1混烧c f b 锅炉工艺简介 循环流态化的概念来自于化工领域，2 0 世纪6 0 年代开始，流化床被 用于煤的燃烧。典型的流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由炉膛( 快 速流化床) 、气固分离设备、固体物料再循环设备和外嚣热交换器( 国内 大部分c f b 锅炉无该设备) 等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回 路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器 等。 燃烧所需的次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料主要 在炉膛内流化并呈沸腾状燃烧。炉膛四周布置有水冷管，用于吸收燃烧所 产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置( 旋风分离 器) 中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至烧尽。烟气经过烟道 尾部受热面进行热交换，最后通过除尘器由烟囱排入大气。口】 混烧c f b 锅炉是在其基础上加上煤泥进料口。典型结构有两种：一为 在炉顶投入成型煤泥团，一为在炉膛侧壁喷入煤泥浆。 我所负责的工程选用的是哈尔滨锅炉厂生产的1 3 0 t h 高温高压循环流 化床锅炉，属于炉顶给料锅炉。设计主汽压力9 4 m p a ，满负荷蒸汽流量 1 3 0 t h ，蒸汽温度5 3 0 。示意图如下： 山东大学硕士学位论文 蚓2 i典型的、混烧循环流化床锅炉燃烧系统的示意削 i 一送风机2 一燃烧器3 一点火室4 一排渣管5 一给料- i 6 一给煤机 7 一煤斗8 一惯性分离器9 一炉膛 10 旋风分离器11 一静电除尘器i2 一 烟囱 13 - - 引风机15 一泵送装置 煤泥在燃料仓中被加水搅拌均匀后，含水量为2 0 2 5 ，由液压煤 泥泵压到炉顶，在炉顶的给料口投入炉膛。进入炉膛的煤泥团为直径 5 0 m m ，长1 5 0 m m 的柱体。在下落过程中，吸热破碎，分层燃烧，最后以 飞灰形式排出炉膛。【6 1 【1 8 l 2 1 2 混烧c f b 锅炉的优点及特点 流化床锅炉与层燃锅炉、煤粉锅炉相比，具有高效、低污染、低成本 等特点，显示了极强的生命力。近1 0 年来，得到了迅速发展，特别是加压 流化床技术能将煤化工与煤燃烧相综合，实现蒸汽燃气联合循环发电，是 世界主要发达国家正在努力发展的第二代燃烧技术。其中，循环床燃烧锅 炉是流化床燃烧方式的一种，它介乎于鼓泡循环床燃烧与气力输送燃烧之 间兼有这两种燃烧方式的优点，是电站锅炉和工业锅炉一种很有前途和 竞争潜力的燃烧方式。循环流化床锅炉主要有以下5 个方面的优点： 1 、对燃料适应性好 在循环流化床锅炉中按质量百分比计，燃料仅占床料的1 3 ，其余 为灼热的床料。循环流化床的特殊流动动力特性使得气固和固固混合的 非常好。因此，即使是很难着火燃烧的燃料进入炉膛后也能很快地与灼熟 的床料混合，被迅速加热至高于着火点温度，而同时床层温度没有明显降 低。这就使得c f b 锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料。c f b 锅炉呵燃用 山东大学硕士学位论文 优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高狄煤、高硫煤、高灰高硫煤、煤矸 石、高水分煤、泥煤、尾矿、炉渣、树皮，甚至垃圾等。 2 、燃烧效率高 由于燃烧扩展至高温过热器且循环燃烧，c f b 锅炉的燃烧效率通常在 9 7 5 9 9 5 范围内，可与煤粉炉相娥美。c f b 锅炉燃烧效率高是基于下 述特点：气固混合良好；燃烧速率高，特别对粗粒物料；绝大部分未燃尽 的燃料被再循环至炉膛。 3 、污染物排放低，是环保型锅炉 煤在高于9 5 0 。c 以上燃烧往往产生大量的n o x 及其它污染物，严重污 染环境。c f b 锅炉由于其独特的循环燃烧、循环脱硫及适宜的8 5 0 9 5 0 c 脱硫温度，使得它与其他锅炉相比有极高的脱硫效率。同时，由于c f b 锅炉采用低温燃烧和分段燃烧技术，氮氧化合物的摊放明显较其他锅炉 低。 4 、燃烧强度大 大约为煤粉锅炉燃烧强度的7 0 倍。 5 、负荷调节性能好 当负荷变化时，c f b 锅炉只需改变给煤量、空气量和物料循环量。c f b 锅炉由于燃烧截面风速高和吸热控制容易，所以负荷调节很快，负荷调节 范围可达1 0 1 1 0 ，负荷调节速度可达5 1 0 m i n 。 混烧c f b 锅炉除了具备以上所有特点以外，还具有自己独特的优点。 采用大颗粒高位给料，使煤泥凝聚结团特性得以利用，减少给料损失，提 高燃烧效率。采用异重流化床技术，防止聚团大颗粒沉积，保证稳定运行。 与纯烧煤泥c f b 锅炉相比，由于有了矸石作为炉料，不必另外加沙子作为 料床，且床温容易控制。与单烧矸石c f b 锅炉相比，出于煤泥热值较高， 燃烧后没有炉渣，可以带更多的负荷，且冷渣机负担较轻。1 9 1 2 1 3 混烧c f b 锅炉在国内外的发展现状 国外从7 0 年代开始进行循环流化床锅炉的半工业性试验研究，投入 山东大学硕士学位论文 运行的机组2 0 0 多台。8 0 年代循环流化床技术得到发展，大量循环流化床 锅炉投入生产。同时，许多国家开始了煤泥燃烧技术的研究，出现了煤泥、 矸石混烧循环流化床锅炉。到目前为止投入运行的混烧c f b 锅炉约有1 0 0 台。 8 0 年代以来，我国国内也开始了煤泥燃烧技术的研究，但混烧流化床 锅炉的发展刚刚起步，大多处于半工业性实验阶段。真正投入运行的约有 十多台小型锅炉。 随着环保、高效等要求的日益提高，混烧c f b 锅炉由于具有诱人的优 点已成为坑口电厂的首选，必将得到迅速的发展。 总的来讲，混烧c f b 锅炉的发展及商业化应用刚刚起步，流派众多， 燃烧理论研究还不够深入，工艺设计也没有完全成熟，这给运行及自动控 制带来了很大的困难，同时也提出了更高的要求。【3 】【8 】 2 2 混烧循环流化床锅炉国内外控制现状 混烧c f b 锅炉热工自动控制系统包括以下几个主要控制子系统： 1 、 汽包水位控制系统 2 、 主蒸汽温度控制系统 3 、 燃烧控制系统( 包括主蒸汽压力控制系统、料床温度控制系统、 料层差压控制系统、烟气含氧量控制系统、一次风控制、二次 风控制、飞灰返料控制等) 4 、炉膛负压控制系统 一般认为汽水控制系统和负压控制系统与煤粉炉、链条炉等普通锅炉 的控制基本相同。而燃烧控制则被国内外公认为控制上的一个难题。燃烧 控制系统的任务是使燃料燃烧所产生的热量尽可能快地适应负荷的要求， 同时保证锅炉的安全、经济、环保运行。 由于c f b 锅炉各参数存在比较紧密的耦合关系，给受控变量和操纵变 量的配比带来很大的难度，对于普通c f b 锅炉，一般的方法是通过解耦将 燃烧系统分解为几个相对独立的调节对象，分别进行控制，其中主蒸汽压 囊东大紫磺孥夔论文 力控制系统、料床濑度控制系统被认为撼燃烧控制子系统中的关键控制予 惹绞。焉混烧c f b 镊炉由予热入了燃烧特性复杂的燃潺，垦蘸还没寿突蛰 的羧涮方案。国内溉有的拣烧c f b 锅炉基本上处于操嚣人员攀动控制状 太 5 1 s 3 5 1 3 溉烧c f b b 糊控系统概遴 本设计采丽的是上海新华控铡工程有限公司纳x d p s - 4 0 0d c s 系 统。新华分散型控铡系统x d p s 4 0 0 是一糖高性能、糍膜量、低戏本、熬 慧炎滔戆势教控铡系统系秘产晶，可敬鹣戒各耱独立熬挖裁系绫、分教较 裁系统d c s 、羧接裟数掇莱集系统s c a d a ) ，戆满足各耱工渡壤蠛辩道 程控制和信息管理的需求。系统的模块化致计、合理的软硬件功能配鼹和 茹予扩震酌熊力，携广泛糯子各秘太、中、小羹电蘩瀚势簸鳖控裁、发魄 厂巍砖纯系绞熬致髓越及钢铁、纯王、逖纸、水泥等王浊生产过程控粼。 x d p s ，4 0 0 分散弪翻系统髂掩镧单元、逶谶瓣绦、入税接鼯菇郡采用 了辩藏式系统络梅和镣会工效标准黪最先避蛇计算极软、硬份产 品，x d p s 4 0 0 灏过冗余的数据商速公路，周期性广播实时信息以及器 舞诗舞孛瓣蓬。逶谈论滚符合t s o t o s i 参考援墅，数捺穗躔蓉合 e e e 8 8 2 ，3 檬灌，傣骧方式必c s m a c d ，测络逮试速率爻1 0 m b s ，每移瓣可传瓣多 达6 4 0 0 0 令避纛煮。豫一对冗佘鹩实f l 孪数据辩速公潞矫，x d p s 还黼鬻 烬一路1 0 m b s 避谶速率的采用t c p i p 邋讯协议的以太嘲信息通讯咧终， 传输各种文件型的数据以及管理傣怠，可以很方便地姆其它系统连接。 l ? 】玲1 1 热工自动控制系统怒随着社会生产力和科学的发展而逐渐发殿怒 泉豹。发奄飘缀甚由过去的中瀑、巾蕊、中，j 、容爨袋震虱现今静太容 爨、高参数的单元机组。对于逡幂申大拱的发魄设备，要求商更高的可 嚣渡和鑫动鼗承平，否劐它豹攀敬衾遮藏基大熬损失。霾魏，亵大黧 穰鳃中，整魂控铡袋统爨零茏梵熬簧，它不缎鑫蕊了势动生产率秘惑 能质量，降低发电成本，改善势动条件，而且为大型机组的安全、燎 漆运行帮发震鬟鬟了胃纛魏绦透。 本次设计主攒针对羰庄热魄厂混烧c f b b 控剃泶统，包括三螽 山东大学硕士学位论文 13 0 t h 混烧c f b 锅炉，两台2 5 m w 发电机组及除氧器、减温减压等辅 助设备，采用并列运行母管制。自控系统包括两个子系统：汽水控制 系统和燃烧过程控制系统。汽水系统包括汽包水位控制系统和主蒸汽 温度控制系统；燃烧系统包括主蒸汽压力( 母管压力) 控制系统，燃烧 控制系统( 包括料床温度控制、烟气含氧量控制及给煤控制、一次风控制、 二次风控制、飞扶返料控制等) ，炉膛负压控制系统，料层差压控制系统 等。【1 2 】【4 扪 4 汽水自动控制系统 4 1c f b b 汽水过程特性 汽水系统中，给水从系统母管经给水一次门分两路，一路直接进 入给水集箱去省煤器；另一路进减温器调节主蒸汽温度，经过热交换 以后的水汇入给水集箱去省煤器。经过省煤器预热的水去汽包。主蒸 汽从汽包出来后，经低温过热器、减温器、高温过热器后成为成品蒸 汽去汽轮机或下级用汽单位。图4 1 为13 0 t h 循环流化床锅炉汽水控 制系统示意图。 图4 11 3 0 t h c f b b 汽水控制系统 1 4 山东大学硕士学位论文 汽水控制的目标是控制锅炉给水流量跟踪蒸汽负荷要求，同时保证锅 炉及汽机的安全。c f b 锅炉汽水系统主要包括两个控制子系统：汽包水位 控制系统和主蒸汽温度控制系统。【1 3 4 2 汽包水位控制系统 4 2 1 汽包水位特性分析 水位控制就是要求维持汽包内水位在某一个要求的范围内( 一般 要求稳定工况在3 0 m m 内，特殊波动在5 0 m m 内) 。主要通过调节给 水量来控制水位的稳定，通常采用主蒸汽流量为前馈、汽包水位为外 环、给水流量为内环的三冲量控制，通过主蒸汽流量前馈来消除“虚 假水位”。控制方框图如图4 - 2 所示。 图4 - 2 汽包水位控制系统框图 从质量平衡的观点来看，在调节过程中如能一直保证静态平衡， 给水量= 蒸发量，即w = d ( 质量流量) ，则水位就能一直维持在“0 ” 位。但实际系统是动态的，给水压力、主蒸汽压力在调节中一直在不 断变化，而且流量的温压补偿通常也只是经验、近似的。因为系统太 复杂，无法求得实时精确的给水及蒸汽质量流量，所以我们通过汽包 水位来间接的反映水系统的质量平衡。 图 个 联 g i ：鱼 jg 2 ：上 l + 乃j 曲线圩可表示娄4 主蒸汽流量扰动汽包承位对象方框图 曲线圩可表示为： 一“代理承位对象方框圈 山东大学硕士学位论文 以。- g l - g 2 0 ) = 薪k 1 b 【1 一( _ 一乃) s 令：如= 丢一乃 则蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性为： g 扣，= 铃等 同理可求得给水流量扰动下汽包水位变化动态特性： g 。= 朵s o 等+ f 。s j 一般力、f 。大于零，所以给水扰动、主蒸汽流量扰动对汽包水位的 动态系统为非最小相位系统，所以用一般的固定p i d 控制器很难达到好的 粹制拯果。 4 2 2 汽包水位专家p i d 控制系统 本设计为专家系统与实时控制协调的实时控制系统，根据水位偏 差、负荷变化及变化率或母管压力的变化由专家系统根据规则选用合 适的p i d 参数，极端情况下，专家系统接管实时控制进行直接专家控 制输出，以尽快使水位回到正常值。控制原理图如图4 - 6 所示。 图4 - 6 汽包水位专家p i d 控制原理图 山东大学硕士学位论文 专家控制器e c 根据系统所采集的水位偏差e ( e ) 、负荷变化或变化率 d ( d ) 及母管压力只的变化根据规则表选用合适的p i d 参数值。由控制及 运行专家根据系统动态所整定的几组p i d 参数值预先以表格的形式存入专 家控制器的规则库。同时e c 也根据负荷变化等情况调整前馈系数值。当 遇到极端情况时，如水位偏离偏差高限、负荷太低使调节阀处于强非线性 工作区、负荷波动速率太大，由e c 决定把汽包水位内外环切为基于专家 经验的规则控制。 3 h 从控制结构来看还是以主蒸汽流量为前馈的三冲量控制系统，但是它 已经远远不同与普通的p i d 控制。主要不同是： ( 1 ) p i d 参数并非固定的一组，而是根据水位系统所处动态环境的不同， 仿专家经验选取较适合的控制参数。这种控制参数随动态环境不同而改变 的策略显然会改善控制品质。 ( 2 ) 控制参数事先根据专家经验离线整定完毕，实时控制中专家控制器 只是根据对象模糊化信息通过规则进行选取，这种方法虽然在精度上比实 时整定保守，但它更可靠，且实时性强，没有参数整定时间。 ( 3 ) 极端情况下直接对调节阀进行规则控制，可迅速遏制系统向更坏 的方向发展，快速把系统拉回正常。 汽包水位控制方式及控制参数专家调整表如下 水位偏差汽包水位控制方案控制器参数 一组p i d 参数积分作用相 f ( e ，, 5 1 7 , ，p ，d ，a d ) m 2 专家直接控制 图4 7 为锅炉汽包水位专家p i d 控制系统结构图，其中详细描述了控 制方式和控制参数的专家调整原则。 1 8 山东大学硕士学位论文 图4 7 专家p i d 控制系统结构图 4 2 3 汽包水位仿人智能控制系统 传统的p i d 算法有着难以克服的缺陷，这种缺陷是反馈控制系统的结 构和p 、i 和d 的线性组合造成的。本设计采用了仿人工智能积分分离式 p i d 算法。它的基本思想就是利用智能仪表来模拟人的控制行为，对复杂 对象达到较高精度的控制，提高自动化水平。由于这种控制方法只研究和 模拟有丰富经验的运行操作人员的操作程序和规律，并加以整理、归纳、 总结，以软件控制程序代替人工的操作，并不依赖和涉及对象的精确的数 学模型，故而对系统的时变性、非线性等有较好的鲁棒性。 2 1 】 1 仿人智能控制及控制方案 在人参与的控制过程中，经验丰富的操作者并不是依据数学模型进行 控制的，而是根据过去积累的经验，如对系统动态信息特征的定性认识， 进行直觉推理，在线确定或变换控制策略，之后，控制输出使之与系统动 态响应偏差及偏差变化率等有关特征量呈现一定的定量关系。 1 9 山东大学硕士学位论文 图4 8 典型二阶系统单位阶跃响应曲 图4 8 为典型的二阶系统单位阶跃响应曲线。通常采用系统偏差与其 变化率的乘积e d e d t 作为特征量，反映系统误差的变化趋势。在a b 段， 或c d 段等，e d e d t 0 ，说明误差正在增大；在b c 段，或d e 段等， e d e d t 0 ，说明误差正在增大，可考虑 控制器实施p i d 作用，以使误差绝对值朝减小方向变化，迅速减小误差的 绝对值。 ( 2 ) 在b c 或d e 段，e d e d t 0 时，设定值切到有限域的下限，再加上p i d ，使u b 尽快减小； 反之，d e d t m 或】d e d t i n 时，s v 根据d e d t 的符号，切到 s v m a x 或s v m i n ，进行仿人智能控制变定值调节。 山东大学硕士学位论文 4 2 4 仿真研究 图4 - 9 仿人智能控制流程图 对汽包水位进行仿人工智能仿真，选取内环对象g 2 ( s ) = 石1 五5 石，对其只用 比例调；外环对象g i o ) = i 嘶0 3 3 。控制曲线如图所示。 一0 。o 图4 1 0 汽包水位人工智能控制p i d 控制与常规三冲量控制仿真比较 山东大学硕士学位论文 从图4 1 0 中可以看出： ( 1 ) 人工智能p i d 控制比常规三冲量控制的超调量明显降低： ( 2 ) 人工智能控制p i d 控制比常规三冲量控制的响应速度明显加快； ( 3 ) 人工智能控制p i d 控制比常规三冲量控制的控制品质明显改善。 4 2 5 现场运行 本控制方案自2 0 0 2 年1 2 月在张庄热电厂1 3 0 t h 混烧循环流化床锅炉 汽包水位自动系统上投运以来，一直效果良好。以前调节指标较差，稳态 误差在1 5 m m 左右，稳态值常随工况变化而改变，且控制输出动作频繁， 对系统本身也产生扰动。改进后，机组汽包水位稳定时，最大误差可达 7 m m 以下，控制输出变化正常。即使机组负荷变化5 ，汽包水位也能很 快回复到正常值范围，性能指标符合要求，见图4 1 1 。实践证明，用仿人 智能控制方案实现的控制策略，系统动态响应快，鲁棒性强，并且系统具 有较高的控制精度。 图4 - 1 1 汽包水位在负荷下降2 t h 时的过渡曲线 c f b b 汽包水位控制系统采用专家p i d 控制，结合了p i d 三冲量串级控 制和专家控制以及仿人智能三者的优点，避免了“虚假水位”对控制的干 山东大学硕士学位论文 扰，使水位在扰动幅度较大的情况下仍能保证自控，控制精度较高，响应 速度快。1 3 3 3 胡 4 3 主蒸汽温度控制系统 4 3 1 主蒸汽温度特性分析 锅炉过热器是由辐射过热器、对流过热器和减温器等所组成。其 任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，然后送往汽机去作功。 由于过热器承受高温高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。锅 炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质的最高温度，对于电厂 的安全经济运行有重大影响。过热器正常运行的温度已接近钢材允许 的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此，必须严格地将主蒸 汽温度控制在给定值附近。汽温过高会使过热器和汽机高压缸承受过 高的热应力而损坏，汽温偏低会降低机组热效率，影响经济运行。 影响过热器出口主蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化， 燃烧工况变化，锅炉给水温度变化，进入过热器的蒸汽焓值变化，流 经过热器的烟气温度及流速变化，锅炉受热面结垢等。但归纳起来t 扰动主要有以下三种，如图4 一1 2 所示。过热器受热面作为动态环节， 它具有三个扰动量和一个输出量。a d 为蒸汽流量扰动量，a t ? 为过热器 吸热量扰动；a 夙为过热器入e l 汽温扰动量。这三种扰动是造成过热器 f 出i z 主蒸汽温度变化易的主要原因。” a d 0 q 一一一一 _ 一_ ， 图4 1 2影响主蒸汽温度的主要扰动量 0 2 山东大学硕士学位论文 4 3 2 采用模糊一p i d 复合控制的主汽温度控制系统 尽管人们一直在研究和开发先进的控制器以改进控制系统的性能，但 是，p i d 线性控制器至今仍在电厂控制系统静应用中占有统治地位。这主 要是因为p i d 线性控制器结构简单、使用方便，使用的控制对象面广 在理论上有成熟的稳定性设计和参数整定方法，【3 3 1 在工程应用中积累了 丰富的实践经验。但是，p i d 线性控制器由于其线性特性只能在工作点附 近具有良好的控制性能，当偏离工作点较远时，由于控制对象的非线性而 难以保持设计的动态品质。自从e f i m a m d a n i 首次将模糊控制技术应用于 锅炉和蒸汽机的控制，模糊控制在工业过程控制中获得了广泛应用。 3 4 1 模 糊控制的特点是在偏离工作点较远的区域可明显的改善控制的动念性能， 并且对控制对象特性的变化比p i d 线性控制器具有更强的鲁棒性，然而由 于模糊控制器本质上属于非线性控制方法，因此缺乏通用的系统化设计方 法，控制器的稳定性难以保证，控制精度不够高，并且在工作点附近容易产生 极限振荡，在实际应用中，模糊控制器的设计和参数整定往往过于依赖现场 操作经验和试凑法。本文基于p i d 线性控制器和模糊控制器的上述特点， 提出一种设计模糊p i d 复合控制器的新方法，通过使p i d 线性控制器和模 糊控制器并行结合，在偏离工作点较远的区域以模糊控制为主，在工作点 附近则主要使用p i d 线性控制，同时，为了保证两者的平稳过渡，采用模 糊推理完成“切换”( 模糊切换) ，实现了两种控制器的优势互补和控制性 山东大学硕士学位论文 能的明显改进。 4 3 3 模糊一p i d 复合控制系统的结构 系统的控制器由p i d 线性控制器和模糊控制器并行结合构成，两种控 制作用信号u c 和u f z 根据设计的模糊切换隶属函数s e 、s a e 和模糊切 换规则平稳地进行切换，产生复合控制器的控制作用u 以克服干扰信号d 和跟踪设定值r 。控制系统结构如图 图4 13 模糊复合控制系统结构 4 3 4 模糊p i d 控制器的设计和参数整定 本文提出的模糊p i d 控制器由模糊p i 和模糊p d 控制器组合而成，两 者共用p i 控制器的模糊规则基。 a 模糊p i 控制器的设计 模糊化策略 本文提出的模糊p i 控制器的模糊化策略采用了工业过程控制中普遍 采用的t p e 系统。为了使模糊p i d 控制器算法通用化，其输入输出进行了 归一化量化处理。前提变量e 、e 和结论变量u 的隶属函数如图： 山东大学硕士学位论文 n bn hn szp sp hp b 一l一色3一l ，3 0l 32 ，3 闻4 1 4 前根布量( e a e ) 的隶 n v 日n bn hn sn v sn zzp zp v sp sp mp bp v 暑 i - i 5 6 2 3 1 1 2 1 1 3 1 6 0 l 1 3 i 22 35 6l 闻4 15 耋占论蛮量a u 的隶属甬糖 模糊推理规则 模糊推理由一组线性规则构成，表示为 r 1 ：i f “e r r o r ”i se ia n d “r a t e ”i s e jt h e n “o u t p u t ”i sa u ( i + j ) 。 其中e i 表示一个“偏差”的模糊集，e j 表示一个“偏差变化”的模 糊集，u ( h ) 表示一个“输出量”的模糊集。 全部规则列于下表： en i tn hn szp sp p ip b e u n bn v bn bn hn sn v sn zz n hn bn hn s n v sn zzp z n sn mn s n v sn zzp zp v s zn sn v sn zzp zp v sp s p sn v sn zzp z p v sp sp h p hn zzp zp v sp sp hp b p bzp zp v sp sp n p bp v b 模糊判决方法 山东大学硕士学位论文 由上面给出的模糊推理规则r ，对k 时刻的清晰输入量e ( k ) 和a e ( k ) 按t p e 系统规定的隶属函数进行模糊化，采用代数积求出前提部分强度 2 i = e i ( e ( k ) ) + u a e 3 ( a e ( k ) ) ，也就是推理结论的隶属度，采用隶属度 加权平均模糊判决方法可以算出k 时刻的控制增量 u ( k ) 为 a u ( k ) u a u 扣i 于是得到模糊控制的控制输出u 9 1 = up 1 ( k 1 ) + u ( k ) k p i ，由于这种模 糊控制器的控制算法类似于常规p i 控制器，因此称之为p i 控制器。如果将 a u ( k ) 视为控制位置输出u ( k ) 则可以得到类似于常规p d 控制器的p d 控制 器。 b 模糊p i d 控制器的设计 研究表明p i 控制器对高阶被控过程动态控制性能较差，模糊p d 控制器 会产生很大的稳态误差。因此改进模糊控制器的控制性能，有必要提出模 糊p i d 控制器。已提出的三维模糊控制器 1 4 1 以e ( k ) 、a t ( k ) 、a e ( k ) 2 为输 入量，这种模糊p i d 控制器由于输入量的增加而使控制规则显著增多，同 时，由于测量和计算机分辨率的问题，a e ( k ) 2 作为输入量对系统控制性能 改善的作用非常有限。为此，本文提出的模糊p i d 控制器采用模糊p i 和 模糊p d 组合实现，两者共用模糊p i 控制器的规则基。结构如下图： 图4 1 6 樽糊p t d 榨制器的结构 4 3 5 模糊p i d 控制器的参数整定 、 模糊p i d 控制器由于采用了输入输出归一化量化处理的t e p 系统和规 则基，使得模糊控制器的控制性能主要取决于比例园子，且两个输入比例 增益k l 和k 2 之间的关系可近似为： 、 k 2 = ck 1 其中c 为常数。1 3 6 山东大学硕士学位论文 具有线性规则基的模糊p i d 控制器与其对应的常规线性p i d 控制器有 许多可类比之处，因此经过良好整定的线性p i d 控制器的增益参数( k p ， k i ，k d ) 可以近似用于模糊p i d 控制器的初始整定增益参数( k f p ，k f i ，k f o ) ， 通过直接比较和利用模糊p i d 控制器的模糊传递函数的性质，可得到模糊 p i d 控制器比例因子与线性p i d 控制器整定参数的近似对应关系： b = k p d k p ! ， b + c = t i ，b + c = t i + t d k p l k p i t l 对于经过良好整定的线性p i d 控制器的参数，求解后可以得到两组b 和c 的值，对于高阶过程，为了得到较高的稳定性，k p d 通常取得比k p i 大，因此一般取b 的两个可能解中的较大者。【”】 4 3 6 模糊切换方法设计 a 模糊切换控制规则和隶属函数 用于完成模糊p i d 和线性常规p i d 平稳切换的模糊推理规则为： i f “e r r o r ”