基于Matlab的锅炉过热汽温模糊控制系统仿真

1、收稿日期:2002210215.作者简介:杨涛(19782,男,硕士研究生;武汉,华中科技大学能源与动力工程学院(430074.基于Matlab 的锅炉过热汽温模糊控制系统仿真杨涛高伟黄树红(华中科技大学能源与动力工程学院摘要:针对电站锅炉过热蒸汽温度PID 串级控制系统的效果并非十分理想的现状,应用Matlab 的模糊推理工具箱,设计了锅炉过热蒸汽温度模糊控制系统,并用Simulink 进行了对比仿真研究,结果表明,应用模糊控制可获得比使用传统PID 控制更为理想的调节效果,不论在何种扰动下,其综合控制品质指标都比较高,动态过渡过程时间比较短,基本上可以消除振荡,超调幅值也比较小.关键词:电

2、站锅炉;过热蒸汽温度;Matlab ;模糊控制;仿真中图分类号:T K323文献标识码:A 文章编号:167124512(20030420063203现代电站锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的部件,它对于电厂的安全经济运行有着重大影响.若过热器内蒸汽温度过高,则会烧坏过热器高温段;若温度过低,则会降低全厂热效率和影响汽轮机安全运行.因此,严格控制过热汽温在给定值附近是大型火电机组运行的重要任务之一1.过热汽温的扰动来源很多,常规的过热汽温控制系统常采用串级或带导前微分的双回路控制,但当工况发生较大变化或外部扰动较大时,该系统也难以保证优良的控制品质,即出现系统的稳定性下降、调节时间增长、超

3、调量变大等问题,需要人为干预(手动调节.本文以Matlab 作为仿真平台,构建了模糊控制仿真模块,将其与PID 模块并联构成PID +Fuzzy 主调节器,探讨改善锅炉过热汽温的控制品质的新途径.1模糊控制器的设计依据模糊控制的理论和模糊控制器的组成原理,此处采用过热蒸汽的实际温度T 与温度给定T d 之间的误差e =T d -T 和误差变化e 作为输入语言变量,输出量为系统控制值u ,构成一个二维模糊控制器2.其设计参数如下.在各输入输出语言变量的量化域内取7个模糊子集:P B ,P M ,P S ,0,N S ,N M 和N B 分别对应正大、正中、正小、零、负小、负中和负大.将误差e ,

4、误差变化率e 和控制量u 的模糊语言变量E ,E C 以及U 的论域分成6个等级.各量化因子为K 1=5,K 2=320,K 3=1/3.5.模糊决策一般都用“选择从属度大”的规则.在过热汽温调节过程中,当系统的偏差较大时,系统的快速性是主要矛盾,系统的稳定性和控制精度却是次要的,这时应使系统快速减小偏差;而当系统偏差较小时,则要求设计的控制器应保证系统的稳定性及控制精度.因而模糊控制规律应遵循:过热汽温上升速度快,汽温偏高,则汽温的控制量应向下浮动;过热汽温下降速度快,汽温偏低,则汽温的控制量应向上浮动.总结操作人员的经验,按模糊数学推理法则,选如下一组控制规则(表1形成模糊控制规则表.表1

5、模糊控制规则表E E CN B N M N S 0P S P M P BN B P B P B P B P B P M 00N M P B P B P B P B P M00N SP M P M P M P M0N S N S 0P M P M P S0N S N M N M P S P SP S0N M N M N M N M P M 00N M N B N B N B N B P BN MN BN BN BN B在Matlab 命令框中键入Fuzzy 进入FIS 编辑器,建立两路输入e ,e 和一路输出u ,输入输出变量的隶属函数均采用三角函数,如图1所示.根据表1在FIS 编辑器中编辑模

6、糊推理规则.因为两路输入均有7个语言值,所以最多会有49条规则,规则的描述如下:如果e 是负大、e 第31卷第4期华中科技大学学报(自然科学版Vol.31No.42003年4月J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition Apr.2003 图1 输入变量e 在Matlab 中的隶属函数是负大,那么u 是正大;如果e 是负大、e 是正小,那么u 是正中;如果e 是正小、e 是负大,那么u 是正小;如果e 是正大、e 是负大,那么u 是零;如果e 是正大、e 是正大,那么u 是负大,等等,一共49条规则.将上述规则描述转换为FIS 编辑器

7、中的格式输入,模糊推理规则输入完毕后,即可将其保存为后缀为fis 的模糊推论文件,以备调用.2Matlab 环境下解的模糊化模糊推理的输出结果是模糊集,而控制系统yyB (y d y yB (y d y .利用Matlab 软件包调出所保存的3.fis 文件,进入规则观察器,选中centroid ,执行view ruler ,一路输出与两路输入之间的关系即刻以三维图形的方式显示出来(见图2,改变输入、输出隶属函数或推理规则,Matlab 会自动求解模糊关系矩阵和输出值2 .图2模型规则推论结论三维图3控制系统仿真分析确认所建立的模糊推理系统在Matlab 的工作空间,使用Simulink 中F

8、uzzy Logic Controller 模块,并将模糊推理系统名键入构建Fuzzy 仿真模块,便于系统仿真时调用.用Simulink 构建的Fuzzy 仿真模块如图3所示.过热蒸汽温度多采用直接喷水控制方式,通过改变减温水阀门开度来改变减温水量控制蒸汽温度.其控制系统通常应用具有主、副两个调节器的串级控制系统,系统方框图如图4所示1 :图3用Simulink 构建的Fuzzy 仿真模块图4串级过热蒸汽温度控制系统方框图图4中W 01(s 为调节对象导前区传递函数,W 02(s 为调节对象惰性区传递函数;W 03(s 为燃烧率扰动通道的传递函数;W H1(s 和W H2(s 分别代表导前蒸汽

9、温度和过热主蒸汽温度的测量单元.仿真研究中取W 01(s =8/(1+15s 2;W 02(s =1.125/(1+25s 3;W 03(s =1/(1+20s ;W H1(s =W H2(s =0.1,且设副调节器W a2(s 为P 控制规律,若选择该系统的主调节器W a1(s 分别采用常规PID 和PID +Fuzzy 两种不同的调节器,构成常规控制系统和模糊控制系统的两种仿真模型,并利用Matlab 中的Simulink 分别进行给定值、减温水f (t 、燃烧率g (t 等3种扰动时的系统仿真试验.两种不同控制系统的仿真结果对比如图5所示.从上面3组试验的响应曲线可以看出,使用PID +

10、Fuzzy 的模糊控制器要比使用传统PID 控制器的调节效果理想得多,不论在何种扰动下,其综合控制品质指标都比较高,动态过渡过程时间比较短,基本上可以消除振荡,超调幅值也比较小.使用传统PID 控制器的调节效果要差许多,其响应曲线的动态过渡过程时间较长,超调幅值较大,振荡比较厉害.46华中科技大学学报(自然科学版第31卷 图5两种不同控制系统的仿真结果对比好的基础.利用Matlab 进行控制系统动态特性仿真研究简捷、方便、可视化强,是研究控制系统的一种有效途径.参考文献 中国电力出版社,1997.2闻新.Matlab 模糊逻辑工具箱的分析和应用.北京:科学出版社,2001.System of

11、f uzzy control in superheated steam temperatureof boiler based on MatlabY ang Tao Gao Wei Huang S huhongAbstract :This paper designed simulation of a fuzzy control system in superheated steam temperature of boiler by the mathematical computation tool kit Matlab.A simulation research was done by a si

12、mulation toolbox Simulink.It was shown that fuzzy control system had a better control of superheated steam tem 2perature than the common PID control system in any disturbance.The dynamic time was short and the am 2plitude of vibration was small.K ey w ords :station boiler ;superheated steam temperat

13、ure ;Matlab ;fuzzy control ;simulationYang T ao Postgraduate ;College of Energy &Power Eng.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan430074,China.(上接第55页R esearch on the carbonation reaction of C aOChen Xiaohua Zheng Yi ng Zheng Chuguang Zhao HaiboAbstract :A grain model for carbonation reaction of CaO was

14、built.The effects of such factors as CO 2con 2centration and reaction temperature on the reaction were studied.The results showed that the carbonation reaction characteristics of CaO were consistent with product layer diffusion controlled mechanism.CO 2con 2centration and the best temperature for the reaction was between 680730.When the temperature was higher ,some parts of product began to decompose.The diffusion obstacle increased with the increase of the temperature ,and the clogging in some parts of