最新火电厂主汽温控制系统研究

1、过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高，可能造成过 热其蒸汽管道和汽轮机的高压部分损坏；过热蒸汽温度过低，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会引起汽轮机末级蒸汽湿度增加，从而降低汽轮机的内效率，加剧对叶片的腐蚀。所以锅炉运行中必须保持过热汽温稳 定在规定值附近。因此，火电厂锅炉过热汽温，通常要求它保持在额定值5C 范围内山。而汽温调节过程是典型的大延迟热工过程，山于大延迟的存在使过程可控指数很低，受控对象为多容、大惯性系统，受控系统存在严重的非线性和时变特性，且影响汽温变化的扰动因素很多，如蒸汽负荷、火焰中心位置等。这就给汽温调节带来很大的困难

2、。而一些常规的控制方案用于大机组汽温调节效果不够理想，因此研究火电厂 的主蒸汽温度控制系统的新型控制策略具有重要的意义。模糊控制是当今控制领域中令人嘱 L1 的控制方法和技术，它通过把专家的经验和 要求总结成若干规则，釆用简便、快速、灵活的手段，来完成那些用经典和现代控制手段难以实现的自动化的忖标，因而在多个领域中得到越来越广泛的应用。由于常规模糊控制器的控制规则是根据现场操作人员或专家的经验总结出来的，其语言规则和 合成推理往往是固定的，它假设控制过程不会产生超出这些经验范围的显著变化，从 而有一定的局限性。对于一个非线性、大延迟的系统，使用常规的PID 控制，或是简单的模糊控制将难以达到满

3、意的控制效果。大型火电厂锅护主蒸汽温度控制系统是提高电厂经济效益，保证机组安全运行的 不可缺少的环节。主蒸汽温度一般可看作多容分布参数受控对象，其动态特性表现为 具有明显的滞后特性，因此对该对象的控制比较困难，本文结合模糊控制和串级控制的优点，提出主汽温 FUZZY-PI 吊级控制方法，并且使用 MATLAB 中的 SIMULINK 软 件进行仿真，仿真结果表明该控制器可以使系统具有很好的抗干扰性能和鲁棒性。第一章绪论1.1 论文的选题背景和意义在火电厂中，热工对象普遍存在着大滞后和大惯性的特征，如电厂汽包锅炉蒸汽压力和燃料控制系统，汽包锅炉过热蒸汽的温度控制系统，这给控制带来了一定的困难。本

4、文以汽包锅炉过热蒸汽温系统为研究对象，对汽温动态特性分析。过热蒸汽温度一般可以看成多容分布参数受控对象，其动态特性描述一般可用多容惯性环节来表示，通过其阶跃扰动动态特性实验结果可以看出，该对象具有明显的滞后特性。原因主要有： 锅炉燃烧工况不稳定，烟气侧扰动频繁且扰动量较大，影响过热蒸汽温度变化快； 曲于工艺特性决定各级过热汽管道较长，造成过热汽温对其控制输入一一喷水减温器的减温水量变化反应较慢； 外部扰动（如主蒸汽流量波动、主汽压力波动、汽水分离器水位波动、给水温度及流量变化、蒸汽吹灰投入等）变化频繁且扰动量较大，而使主汽温度长期不能稳定； 由于参数整定不当引起一、二级喷水量不匹配，使得喷水量

5、内扰较大，造成过热汽温在外扰较小时仍偏离设定值较大。因此，针对上述悄况设计的过热汽温控制系统，既要求对烟气侧扰动及负荷波动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时乂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。常规控制方案：一种是串级控制，另一种是导前汽温微分信号控制。当工况变化 大时， 难以保证控制品质。因而考虑在串级控制系统中引入模糊控制器，根据运行人员的操作经验，采用复合模糊串级控制系统。仿真结果表明：与传统的PID 控制相比, 复合模糊串级控制具有更快的响应、更小的超调和更强的抗干扰能力o1965 年，美国加利福尼亚大学的扎德教授

6、发表了开创性的论文，从而产生了模 糊集合论，并奠定了模糊集理论和应用研究的基础。其后，一些学者把模糊集的思想引入系统控制，提出了模糊控制的概念，并开展了理论及应用方面的研究。1974 年，英国的 E.H.Mamdani 首先把模糊控制语言组成 的模糊控制器用于控制蒸汽发动机；在以后的 20 多年中，模糊控制在控制领域的应 用越来越受到人们的重视。国外不少专家、学者、工程技术人员都致力于模糊控制的研究，并将模糊控制器用于工业过程控制方面，取得了良好的效果。在高度工业化的日本，其模糊控制理论和研究都处于世界领先地位。从家用电器到生产过程控制， 应用模糊控制技术的新一代产品已大量上市。从 1979

7、年开始，我国也开始了模糊控制理论及应用方面的研究。口前，模糊理论 方面的研究已取得了重要的成果。在各种模糊控制算法和模糊与常规复合控制算法的研究中取得了许多有价值的成就。传统的 PID 控制器，山于其控制规律简单，参数设 置亦不复杂， 在过程控制中仍得到广泛的应用。但其致命的缺点是事先设定好的控制参数不能适应过程的不确定性而做出相应的调整。当系统参数变化时，山于控制参数不能随之而变化，不能对受控过程参数做出适时调整，从而使过程的品质指标恶化。 Carcia 和 Morari 在 1982 年提出了内模控制，这一控制的优点是能将PID 控制、SIMLLINK 预佔控制、确定性线性二次最优反馈控制

8、和多种预测控制等归纳在同一架构之下，内 模控制设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰的影响，是一种设计和 分析预测控制系统的有力工具。在控制工程中，被控对象总是含有种种不确定性。如果用精确数学模型设计相应的控制器，那么当不确定参数变化剧烈时，往往难以获得满意的控制效果，其至造成 无法控制。为了解决这个问题，出现模糊控制等方法。这些方法在一定条件下是可行的。但是当系统操作环境突变例如被控对象发生故障或运行环境发生突变，系统的参数变化很大，常规自适应控制器中的辨识器难以跟随参数的实际变化，导致控制器性能不佳; 另外，基于对象模型识别的常规自适应控制器以及U 前已提出的模糊自适应控制器或者

9、基于神经网络实现的自适应控制器.山于计算量大，控制规律复杂，很难满足实时性要求，尤其是在操作环境突变的暂态性比较差。1-2 论文需要解决的问题论文主要有以下儿个方面的工作需要完成：通过给定的数据和传递函数，根据给定的衰减率进行串级控制系统调节器整 定计算，并进行仿真实验。熟悉 MATLAB 仿真工具 SIMULINKo利用上述模糊控制方法针对过热器这一温度对象，进行模糊控制器设计，进 行仿真实验。第二章模糊控制理论的数学基础及模糊控制算法概述2. 1 模糊控制的数学基础模糊集合及其运算定义 1：设(7 为以“表示的一个论域空间，此空间可以是连续的，也可以是离散的。论域空间U 上的模糊集合尸由隶

10、属函数“F 表示，在区间0, 1上取值，即： UE0, lo 模糊集合可看成普通集合概念的推广。普通集合的隶属函数只能取两值 0, 1。因此模糊集合可以用其元素和它的隶属度来表示：F= (“，“F(“)丨 uE U当U 连续时，模糊集合F 可以简写为：当U 离散是：模糊集合F 可简写为：。F=Z定义 2：设A 和B 为论域(7 上的两个模糊集合，规定 ArB.Ac 的隶属函 数分别为卩 5“4、/ ,并且对于U 上的每一个元素有：/I 5= “4(”)V /JBg “4 cB = “4(”)A“3(”) jLlA 1 “A(“)上三式分别为A 与 3 的并集、交集和A 的补集。式中“v”表示取

11、大运算，“八” 表示取小运算，成为 Zadeh 算子。lf2定义 3：笛卡尔乘积，若知，A2,A”分别为口,(/2,S 中的模糊集合, A A , , 的笛卡尔乘积在乘积空间 UixUixxS 的隶属函数为：5UA X 42 XX An(Hl M2, , Un)= Illin UAI(U). UA2(U2), , UAnlln)AAI或者:., Un) = U (U) U (U2) x4n(l,M2, .模糊关系及其合成定义 4：模糊关系：一个n 维的模糊关系为 UWxxS 中的模糊集合并表示 为:R（/】xf/2xxZ/n= （“1 卫 2,唄伽），仙）|（1 川 2,昇偽）W”lX（/2X

12、xUd定义 5：模糊关系的合成：若/?和 S 分别为 UxV 和 UxW 中的模糊关系，则R 和S 的合成也为一个模糊关系，表示为 RS,定义为：/? o S = (匕 w), sup(v, w),V.w e W其中：。可以使最小算子，也可以使代数积、有界积等。语言变量定义 6：模糊数：设A 为论域U 上的模糊集合，妙(“)为其隶属函数，乂设 0 = sup(“.(“)，若对任意几已(0,0), =刃都是一个闭区间，则称A 是一个模糊数。凡具有连续隶属函数“血，)的凸模糊子集都是模糊数，凸模糊集是指以实数为论 域且隶属函数“4()满足JUA(U) min(“(o)j(b) a X b a.b.

13、Xe R的模糊子集而言。定义 7：语言变量：语言变量由一个 5 元素的集合(N、T(N)、U、GM、来表征， 其中 N 是语言变量的名称，如年龄、颜色、速度、体积等； “是N 的论域； T(N)是语言变量值 X 的集合，每个语言值都是定义在论域U 上的一个 模糊集合； G 是语法规则，用以产生语言变量N 的语言值X 的名称； M 是语义规则，使与语言变量相联系的算法规则，用以产生模糊子集X 的隶 属函数。例：“年龄”为一个语言变量，他的语义项集合T (年龄)可为：T (年龄)二老，非常老，比较老，年轻，年少，模糊逻辑和近似推理在模糊逻辑和近似推理中，有两类重要的模糊推理规则，即： 广义肯定式推

14、理(GMP)前提 1 if x is A then y is B前提 2 if x is A结论 y is B广义否定式推理（GMT） 前提 1 if x is A then y is B前提 2 if y is B，结论x is A在广义肯定式推理中，当A=AZ .B=B时，广义肯定式推理就成了肯定式推理; 在广义否定式推理中，当 B二非 B, A二非 A 时，广义否定式推理就成了否定式推 理。山于广义肯定式推理是询向数据驱动式推理，所以在模糊控制中这种形式的推理更常用。定义 8：复合推理规则：若R 为 UxV 中的一个模糊关系，且 x 为 U 中的一个模 糊集合，y 为V 中的一个模糊集合

15、，由x 推出V 的方法定义为Y = XoR取最小算子，则上式即为 Zadeh 提出的取大-取小复合推理规则。2. 2 基本模糊控制系统若式中。在工业过程中，由于一系列原因（例如被控对象和过程是非线性、时变性、多参数间的强耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测量仪表条件的不足等），不可能建立被控对象的精确数学模型，而通常只能测得其参数间模糊的关系佔 ilo 因此，往往采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。所谓模糊控制，就是在控制方法上应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推 理的知识来模拟人的模糊逻辑思维方法，用计算机实

16、现与操作者相同的控制。基本 Fuzzy 控制系统框图如图 2-1 所示：图 2-1 基本 Fuzzy 控制系统方框图要设汁一个模糊控制器以实现语言控制必须经过以下三步：精确量的模糊化，把语言量的语言值化为某适当区域上的模糊子集;模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并汁算模糊控制规则决定的模糊关系；输出信息的模糊判决，并完成山模糊量到精确量的转化。 现用一简单的模糊控制器图 2-1 来说明 Fuzzy 控制的实现步骤。图中R 是系统设定值（精确量）；e、ec 分别是系统误差和误差变化（精确量）；E 和 EC 分别为反映系统误差与误差变化的语言变量的模糊集合（模糊量）；u 为

17、模糊控制器输出的控制作用（精确量）；y 为输出量（精确量），下面简要介绍模糊 控制器的设计方法。1 精确量的模糊化设误差的基本论域为e,e,误差所取的模糊集合的论域为X=T,_“ + 1,.,O,.，n-l,n）,这时需要通过量化因子进行论域变换，量化因子 h 的定义是一旦量化因子匕选定，系统的任何误差&总可以量化为论域X 上的某一元素。例如， 已知实测误差为曰，则它必属于下列 3 种情况之一：I keeil + Jnkid n对于情况（2）及（3）,分别将&量化为w 与”。对于情况（1）,若 1*泾屮,则将&量化为/;若/+|100s；而当烟气侧扰动时，T=1020s, 7；.=100so3

18、. 2 主汽温对象的一般特性在现代火力发电厂热工控制中，锅炉出口过热蒸汽温度、主汽温是锅炉的主要参 数之一，对电厂的安全经济运行有重大影响。主汽温偏高会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，威胁机组的运行安全。主汽温偏低则会降低机组的热效率, 影响机组运行的经济性同时主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加；从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，因此必须将主蒸汽温度严格控制在给定值附近。例如，亚临界压力机组的主蒸汽温度通常要求其暂态偏差不能超过8C 稳态偏差不允许超过2 C。然而，随着电力事业的发展，现代锅炉机组大多釆用那些大容量高参数、高效率 的大型锅炉，其过热器管道相应地加长，其结构也更复朵。此外，

19、在电力生产过程中，过热器出口温度还受到诸如蒸汽流量（负荷）变化、炉膛热负荷变化、烟气量及烟气 温度波动、过热器管壁结焦等等可测的或不可测的外部因素影响。在这些外部因素的共同作用下，主汽温对象除了具有多容大惯性、大迟延特性之外，往往乂表现出一定 的非线性和时变特性。理论分析和大量的实践表明，在影响过热汽温的诸多因素当中，蒸汽流量（负荷）、烟气扰动（热负荷）、过热器入口温度、（减温水量）是三个最主要的因素。根据不同的调节机理，在实际应用中可采用设置摆动式燃烧器、烟气挡板和多级喷水减温等 调节方式。其中，喷水减温因为调节方式灵活、设备相对简单易于控制是电厂主汽温调节，特别是高温过热器出口汽温调节是最

20、主要的调节手段.山于各种过热器的构造 不同，它们的动态特性和静态特性也有差异.所以在我们将应用前一章所介绍的模糊 自适应预测控制算法着重研究。3.3 常规串级控制系统的设计与分析3. 3. 1 过热汽温串级调节系统的组成图 3-3 过热汽温串级调节系统。汽温调节对象 III 减温器和过热器组成，减温水流 量W/为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温&2 为输入信号。为了改善调节品质，系统中采用减温器出口处汽温q 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，导前汽温信号q 的反应显然要比被调量信号乞早很 多。图 3-3 过热汽温串级控制山于从调节对象中引出了耳信号，对

21、象调节通道的动态特性 G（s）可以看成山两 部分组成：以减温水流量 w,作为输入信号，减温器出口温度 q 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G,（5）；以减温器出口温度 q 作为输入信号，过热器出口汽温 0,为输出信号的通道，这部分调节通道称为怖性区，传递函数q（s）。显然，导前区q（s）的迟延和惯性都要比惰性区 G2（s）的小得多。2 串级汽温调节系统的分析2串级汽温调节系统的方框图如图 3-4 所示，它有两个闭合的调节回路：由对象调节通道的导前区q（s）、导前汽温变送器為|、副调节器GRJS）、执行器 K?和减温 水调节阀K“组成的副调节回路：山对象调节通道的惰性区G

22、（5）.过热汽温变送器為 2、主调节器GR2（S）以及副调节回路组成的主回路。串级调节系统能改善调节品质，主要是山于有一个快速动作的副调节回路存在。 山图可以看出，引入q 负反馈而构成的副回路起到了稳定q 的作用，从而使过热汽温保持不变，因此可以认为副回路起着粗调节过热汽温 2 的作用。而过热汽温的规定值，主要曲主调节器GRO 来严格保持。只要&2 不等于规定值，主调节器就会不断改变其输出信号S 并通过副调节器不断改变减温水流量，直到&2 恢复到等于规定 值为止。可见，主调节器输出信号相当于副调节器的可变给定值。稳定时过热汽温等于给定值，而导前汽温q 则不一定等于原来的数值，q 的信号数值 0

23、创等于稳态 时主调节器输出值 b,。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，其调节品质都是优于单回路调节系统的。图 3-4 汽温串级调肖系统方框图Wj-减温水流 g； IV.,-减温水流量扰动：用八一调解作用引起的减温水流量变化：G（s）- 调解通道导前区的传递函数：G2（S）调解通道惰性区的传递函数；6 刎（$）-副调解器的传递函数: GG）-主调解器的传递函数：导前汽温变送器的斜率；厂&2主汽温变送器的斜率；K2- 执行器的比例系数：K“ -减温水调节阀的比例系数扰动发生在副回路内，例如当减温水流量 W,发生自发性波动（可能是减温 水压力或蒸汽压力改变）而引起

24、W 八变化时，对于单回路汽温调节系统，由于没有副 调节回路去迅速消除 Wj 的波动，所以必然要影响到主汽温的稳定；对于串级汽温调 节系统，山于有副回路存在，而且导前区的惯性乂小，副调节器能及时动作，快速消除掉减温水流量的自发性波动，从而使过热汽温基本不变。扰动发生在副回路以外，引起过热汽温偏离给定值时，吊级系统首先山主调节器GR2（$）改变其输入信号 6,通过副调节回路去改变减温水流量，使过热汽温 恢复的给定值。这时，主调节器GR2（$）的调节对象可以近似认为是等效对象，它的惯性迟延比采取单回路汽温调节系统时的调节对象 G（s）二 q（s） G2G）要小，因此在这种悄况下，串级系统的调节质量还

25、是优于单回路系统的。可见，在串级汽温调节系统中，副回路的任务是尽快消除减温水流量的自发性扰动和其它进入副回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用。汽温系统的副调节器一般采用比例调节器，主调节器的任务是保持过热汽温等于给定值，所以可采用比例积分或比例积分微分调节器。3. 3调节器的整定根据参考文献（知：副调节器主调节器GRI G) = 7062($)= 4 + 4) o TQ变送器斜率被控对象旳:性区Yex = y&2 =。 / C1 125被控对象导前区G()= J； .(C/mA)(1 + 205)3QGO-(C/mA) (1 + 155)2根据参考文献可知被控对象的传递函数XK= K K

26、2 =8X1.125 =9r|=-=-2xl52Q nT-nTi nT -2x5nT7/T- 2x 15= ； = ; r = 3nT1 -nJ；加-2x15 2由于心為=2x15 =30 , nT=2xl5+3x20=90,nI3n T副回路可相互独立的原则 进行参数2 2整定，即认为副回路是一个快速随动系统。副回路中调节器的参数整定：副回路的特征方程式：1 + G&G) G2(S) y02 = o +页1QX =00 x（i + i5$）2225S+I +冷这是一个二阶系统，设副回路的整定要求为衰减率 0 二 0. 75,相应的阻尼系数纟二 0216= 0.216山上式可算出调节器的比例带

27、毎为込二0.8= 0.04主调节器参数的整定：当副回路整定好以后，副回路的闭环传递函数 W/G)可写（Gs） 1 + GR（S）G2（S）“2当前向传递函数远大于 1 时，则上式中分母的 1 可以忽略，得副回路的闭环传递函数为G f（5）二 Y 62主回路的开环传递函数为丄 厂，、_ 1 “ 1、1.125_ 1.125方GW 歹（1+去乔応厂帀 7二 z；20式中& =仏Y e图 3-5 主调肖器参数整泄的根轨迹图如图 3-5 所示，在根据平面上相应于歼 0.75 的射线 0-1,并计算出极点（$ =-缶） 的位置。首先，令 7； =oo 时，在原点处的极点被抵消，根据轨迹的幅角条件，过P

28、点做 出与实轴夹角为 60的直线，此直线与射线 0-1 相交于歼点，应用三角公式或直接从 图上量出知p的坐标为-0.0138+j0.0626.然后，设 =0.8vv =0.8 x 0.0626 = 0.05 则,2 刃坐标为-0.011+j0.05.应用三角公式求出：2 皿至 P 点距离莎 =0.063,歼/到 0 点的距离瓯=厶）=0.0512； 莎与负实轴的夹角外=52.05。至此， 可确定积分时间几根据轨迹的幅角条件， 零点 Z 至 的幅角 色0=102.47+3x52.05-180 =78.62,可由此定出零点位置乙 并求出Z 点的坐 标（-0.021, j0）， 则耳值为T, = 4

29、7.6s 0.021调节器的比例带可用此法求出。零点Z 至*的距离 Zl = Lz =0.051 ,根据轨迹的幅值条件，则调节器的比例带为1.1255 +l125x 厶z _1.125x0.051=0.5625(20)训15 + 203Z.Lp (20)- x0.0512x(0.063)3第四章复合模糊控制系统及仿真研究复合模糊串级系统的设计复合模糊串级控制思想的提出常规喷水调节经常采用带负荷的前馈信号的串级 PID 控制系统，以保证过热汽温度在大部分工况下保持在设定值 540C 左右，但若釆用以固定参数为主的常规PID 制器, 当外界扰动较大和对象特性变化较大时，抑制干扰能力及控制效果均较差

30、。因此，考 虑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。山于带基 本 Fuzzy 控制器的减温水量一一过热汽温 Fuzzy 控制系统误差e 和误差的变化率 ec 作为输入量,实质上是具有 PD 控制规律的一种控制系统，考虑到语言变量基本论域 的量化特点，该系统不具有消除稳态误差的能力，且山于在“0”档处量化死区的影响， 还可能出现稳态等幅振荡。因而采用在基本 Fuzzy 控制器基础上再构造一个 PI 并联通道的 Fuzzy-PI 复合模糊控制结构。当过热汽温偏差较大时，利用模糊控制结合适当的 作用量抑制干扰，保证系统响应的快速性， 同时乂保留了串级控制系统抑制内扰的特 点

31、，保证控制精度和良好的动态品质。本文所设讣的复合模糊串级汽温控制系统结构 如图 4-1 所示】。图 4-1 复合模糊串级汽温控制系统方框图系统的总体设计和任务规划本文主要研究温度对一级过热器的影响。其特性已经在笫四章中阐述过了。算法研究在 MATLAB 的 SIMUL 叮 K 环境下进行。本文控制系统的设讣、仿真研究包含以下内 容:过热器固有特性的识别与分析；模糊控制器的设计及仿真试验；Fuzzy-PI 复合的设计及仿真试验；对象固有特性的识别与分析世界上任何事物的运动都要遵循一定的客观规律，控制就是通过规律性的人为干 预对象的行为来达到预期U 的的。因而，从某种意义上说，了解对象的运动规律是

32、实施有效控制的前提，各种控制方法只是了解的方式和规律的表达方式的不同而已。对 模糊控制而言， 是根据手动控制经验与控制指标要求来完成。在系统工作区间内，被调量的允许最大变化范围是 10C,正常运行时的最小偏 差是5C,控制量的变化范围是 060T/H,通过分析可以得出以下规律；K 包括量化因子和比例因子两部分，主要受工作点及工作状态的影响，当负荷增 加时， 过热器对象的 K 将增加，且表现为非线性，这时减温水的变化对被调量的控制 作用加强； 当过热器结垢非常严重时，将使K 减小，减温水的变化对被调量的控制作 用减弱。量化因子和比例因子的取值影响模糊化的精度：量化因子 K越大系统调节惰性 越小，

33、 系统上升速率越大，心过大，将产生较大的超调量严重时会产生振荡，甚至 使系统不稳定工作。K过小，导致快速性变差。另一方面，它严重影响系统的稳态特性，导致稳态精度降低。而量化因子勺作用效果与心相反。比例因子K “作用类似比例作用，K “越大，上升速率越快，过大则容易使系统输 出产生波动，可能导致等幅震荡甚至发散；K“越小，系统向前增益越小，输出的上升的速度越小，快速性变差。对过热器对象来说，结垢增加也将使得对象的容量滞后T 增加，这时控制量对对象的控制作用没有改变，但是对象的最大变化速度向后推移，系统的调节速度降低。在相同条件下，较大的输入量会产生较大的最大误差变化率。相同的控制量，会在较低负荷

34、处产生较大的误差变化率。这些结论是基于有限数据总结的，可以设想把工作区间细分，逐段测试，可以把握更充分、更细致的材料，但这些实验还不能在工程上全部实现。1.4 SIMULINKI 具箱简介控制系统的讣算机辅助设计技术从成为一门专业的学科以来，已有二十多年的历史，一直受到控制届的普遍重视，在其发展的过程中出现了各种各样的实用工具和理论成果。MATLAB 是 MathWorks 公司的软件产品，正是进行这种设计技术的方便可 行的工具，目前已成为国际控制界应用最广泛的语言工具。现在 MATLAB 已经成为一个系列产品，MATLAB 主包和工具箱（TOOLBOX）。 功能丰富的工具箱将不同领域和不同方

35、向的研究者吸引到 MATLAB 的编程环境中， 成为 MATLAB 的忠实用户。SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包，它支持连续, 离散及两者混合的线性系统，也支持具有多种采样速度的多速率系统。SIMULINK 为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就象 用笔和纸画一样容易。SIMULINK 包含有 sinks （输入方式）、Source （输入源）、Linear （线性环节）、Nonlinear （有线性环节）、Connections （连接与接口）和 Exrra （其它环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创

36、 建用户自己的模块。用创建的模型可以具有阶梯结构，因此可以采用从上到下或从下到上的结构创建 模型。在定义完一个模型以后，以后可以通过 SIMULINK 的菜单或 MATLAB 的命令窗 口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行为方式对于 运行仿真非常有作用。用 Scope 模块和其它的画图模块，在仿真进行的同时，就可观 察到仿真结果。除此之外以后该可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情 况。仿真的结果可以存放到的工作空间里做事后处理。模型分析工具箱包括非线性和平衡点分析工具、MATLAB 的许多工作及 MATLAB 的应用工具箱。山于 MATLAB 和 SIMUL

37、INK 是集成在一起的，因此用户 可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。SIMULINK for Windows 依赖于 Windows 和 MATLAB 的要求，因而它所需要的 系统配置和其它设置就不必专门增加或改变，只要能满足系统的需要即可2】。 4.1.5 模糊推理工具箱简介二十多年前，L. A. Zadeh 教授提出了模糊集合理论已经在众多领域中的工程领 域得到广泛深入的研究。对于实际操作人员，即时没有精确三数据个过程模型，也可 以操作和复杂的过程。而模糊理论正式将操作人员的操作经验转换成可以在汁算机上 运行的算法，以实现模糊控制心】。忖前，模糊集合理论受到了世人前所未有

38、的关注。澳大利亚 Queensland 大学的教 授开发了基于MATLAB 环境的模糊推理系统工具箱”（Fuzzy Inference Toolbox For MATLAB） o 该工具箱集成度高，内容丰富，基本包括了模糊集合理论的各个方面， 基本包括了模糊集合理论的各个方面，其主要内容有：（1）模糊集合各种运算。（2） 模糊逻辑推理。（3）非模糊化。（4）模糊集合理论在自动控制中的应用 4.2 模糊控制器的设计采用 Fuzzy logic 工具箱的 FIS 编辑器编辑模糊控制器，针对火电厂主汽温对象 控制品质要求，保证出口温度为 530545C o4. 2. 1 确定输入输出变量输入变量为

39、2 个，分别为偏差e 和偏差的变化率 ec,输出变量为 II。模糊语言变量分别为E （温度偏差），EC（温度偏差变化率）和 U（阀门开度）。模糊化疋的论域为-20, 20,划分为 7 个等级，模糊子集人（匸 1,言7）的 7 个语取值NB、NM、NS,NO、PS,PM、PB,依次表示的实际物理意义为出口温度很 高、较高、稍高、正好、稍低、较低、很低,它们的隶属函数选 trimf （三角形）。 EC 的论域为】-20,20 ,划分为 7 个等级，模糊子集（ i 二 1,，7）的 7 个语言 取值NB、NM、NS、NO、PS, PM, PB ,依次表示的实际物理意义为出口温度变化 负的快速增加、负

40、的增加，负的稍微增加、不变、正的稍微增加、正的增加、正的快速增加,它们的隶属函数选 trimf （三角形）。的论域为-20, 20,划分为 7 个 等级，模糊子集 C,（匸 1,，7） 的 7 个语言取值（NB,NM、NS、NO、PS,PM、PB, 依次表示的实际物理意义为喷水减温阀全关、半关、稍微关小、不动、稍微开大、 半开、全开,它们的隶属函数选 trimf （三角形）I，4H，5,o模糊规则编辑该模糊控制器的模糊规则具有如下形式:if E= A, and EC= then U = Cf, /= 其中 4,i, C 分别为E、EC 和的模糊子集。由经验整定规则共 49 条，如 如果出口温度

41、太高，且温度偏差快速增加，则喷水减温阀全开对应规则语言：if E 二 N B and EC= N B then U = PB 如果出口温度恰好，且温度偏差朝升高的方向快速增加，则喷水减温阀全开对应规则语言：if E 二 ZO and EC= N B then U = PM 如果出口温度太低，且温度偏差快速减小，则喷水减温阀不动对应规则语言：if E = PB and EC= N B then U = ZO其余规则照规则表 4-1 一一写入控制规则编辑中。EC图 4-2 模糊规则建立好隶属函数和规则后，系统的决策部分选用 Madani 算法，解模糊选用中位数【。表 41 模糊控制规则表UNBNM

42、NSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSEZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB4. 2. 4 规则和模糊推理的输出曲面在任一编辑器的 View 下拉菜单中选择“View rules. ”，可以观察模糊规则的图形表示，如图 4-3 所示【。图 43 观察模糊规则图 44 观察输岀曲而推在任一编辑器的 View 下拉菜单中选择“View rules. ”，可以观察模糊理的输出 曲面。用鼠标按钮按住输出曲面并移动鼠标，可以从不同角度观

43、察输出曲面，如图 4-4 所示。在任一编辑器的 File 下拉菜单中选择：Save to disk”，将所做的工作保存到磁盘 中。至此，就完成了整个模糊推理系统的建立。4. 3 仿真研究仿真简介在 SIMULINK 的模型中，每一个模块都有一些公共的特性，如一组输入、一组 输出和一组状态，状态变量可能山连续状态、离散状态后两种混合状态组成。图 4-5 隶属函数编辑器界面仿真包括两个阶段：初始化阶段和仿真阶段。在仿真初始化阶段，所以模块的参数被传给 MATLAB,以便 MATLAB 进行计算，同时模型的递阶结构被展开，所有的模块在仿真是按照它们每步更新的先后顺序进行排序，除此之外对模块与模块之间

44、的 连接进行检查，以便确保每个模块输出的向量维数和输入的维数相同。只有在上面的 步骤完毕之后，才能进行仿真【国。打开 MATLAB 软件，在它的 command window 中输入 fuzzy 后如 4-5 所示然后 单击隶属函数编辑器工具栏中 Edit,在 Edit 中单击 add variable 增加输入变量，如图 4-6 所示：图 46 设宜隶属函数输入变量之后再单击选中所要修改的输入、输出变量名称和改变他们的 MFS 如图 4-7 所示:其它输入、输出变量变化也相同。例如，我们可以以阀门开度e、阀门开度变化率 ec 为输入变量，u 为输出变量。如图 4-8 所示。I 心 ） FIS

45、 Edl.tor: aaa已回冈File Edil 1/ieN二二aaa(mamdani)u巳FIS Name:aaaFIS Typ e:mamdaniI ecAnd methodImplicationl min l 呻FI naf centroidCur entV 刮able。methode吓 ut1-2020)AggregationDefuzz icationClo selI Opening Memtership F1,1nclion Ed or图 48 隶属函数图形及其接着我们可以在隶属函数编辑器修上改将完整的显示输入变量 e 如图 4-9 所示。|i 盲心 心 p PI,If c 1

46、ion f ( U I 叮 ： a 廿 友们巨回gile Ed.U VjF IS Vai,ab teMc rTb心妞 ip 1un:t iln p也pl仗 po沁 |NM1 心 沁FSF” P。.20155,320u3c cCur面 I Vanab:e巳 u1心 i点 0 :;.0 md Mo吐e1ahb Funol.口 1中出 Cfl MF lo to氐 UNm eTypll令in立NoIOOT peR“”召； lir, A“ 心P,ar叩l26.72013.3)IA 呻图 4-9 隶属函数修改按照同样的步骤和方法，按照自己的经验，添加并设置输入 ec 和输出变量u 的 隶属函数。ec 和u

47、 的隶属函数如图 410 和图 4-11 所示。FIS Variables图 4J0 变量 cc 的隶属度函数图 4J1 变量 u 的隶属函数常规串级PID 控制系统现行国产单元机组主汽温自动调节常釆用串级系统。针对实际情况，这里考虑了 两种干扰作用。扰动 1 主要是减温水量的自发扰动，扰动 2 主要是燃烧率的变化 1 呵。G2（5）分别为汽温调节系统的副调节器和主调节器的传递函数；q（$）, G2（5）分别为调节对象导前区和惰性区的传递函数；G,S）是燃烧率扰动对过热汽温的传 递函数;变送器斜率为/, =/=0.1mA/C;G（5）, G（s）分别为导前汽温加和过 热汽温H 的测量I25TH

48、 心=25。Scope如 4图 4-12 主汽温控制串级 PID 调盯系统仿貞图复合模糊串级控制系统卩川22】主调节器采用复合模糊控制器如图 4-13 所示，即由一个常规比例积分(PI)控制 器和一个二维模糊控制器相并联。副调节器依然采用上述形式。Lllsimulink 和 fuzzy logic 工具箱库中模块根据被控对象设计要求搭接模块，进行仿真。图 4-13 复合模糊串级控制系统仿貞图图 4-14 锅炉过热汽温 Fuzzy-PI 控制系统仿真试验图在串级控制的基础上，我们把模糊控制与之结合起来，并且是在有扰动的情况下进行。就构成模糊 PI 复合控制系统图。如图 4-14 所示。4 仿真结

49、果图 4-15 给左值等于 1 系统的输岀相应曲线图 4-12. 4-14 仿真结果如图 4-15 所示，曲线 1 是没有内、外扰动、给定值等于 1 时串级控制系统输出的响应曲线，曲线 2 是没有内、外扰动的 FUZZY-PI 复合控制 系统输出的响应曲线。图 4-16 减温水自发扰动、燃烧率扰动系统的响应曲线图 4-16 中曲线 1 是 2800s 时同时加入外扰燃烧率量化值等于 1、内扰减温水 量化值等于 1 时的过热汽温串级控制系统输出的响应曲线，曲线 2 是存在燃烧率、减 温水扰动的过热汽温 FUZZY-PI 复合控制系统输出的响应曲线，山仿真曲线可以看出， 复合模糊串级控制超调量更小

50、，调节时间更短，改善动态品质且具有良好的抗干扰能力。结论汽温控制系统是锅炉汽水系统的重要组成部分。过热汽温受到多种因素的影响。其动态特性表现为非线性、不稳定性、时滞和惯性及各种噪声等，很难建立精确模型, 只能用分布参数系统描述。因而用常规的PID 控制时，由于对象特征不断变化，参数难以整定。模糊控制不需要建立过程的精确数学模型，针对常规PID 控制和模糊控制的特点，本文将模糊理论与常规的 PID 相结合，针对具体对象进行了全面深入的探讨 和研究，具体表现在：在阅读大量文献的基础上，综述了本文选题背景和意义，并明确模糊控制在 智能控制研究中的特点和指导意义。概述模糊控制的基本思想、理论之后，针对温度系统存在的模糊性，基于“仿 人、智能”的基本思想，从模仿人脑以不精确、非量化和模糊方式进行思维和推理出发，用模糊处理器承担调节任务，提出了模糊PID 复合控制模型，以提高其智能程度 及控制的精度。依据模糊控制理论，利用模糊方法，提出 FUZZY 和 PID 的结合的基本思想、 理论结构、设计方法。基于上述方法，针对实际自平衡、纯滞后、大惯性、非线性的电厂蒸汽温度 对