火電廠過熱汽溫模糊控制的研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　模糊控制的基本思想就是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。模糊控制就是用模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用的關(guān)系，然后根據(jù)模糊規(guī)則，用模糊邏輯推理的方法得出此時刻的控制量，以達到復(fù)雜對象的最優(yōu)的控制結(jié)果。</p><p>　　火電廠主汽溫控制系統(tǒng)中的控制對象本身就具有滯后大和慣性大的特點，并且主汽溫變化

2、的原因很多，這樣系統(tǒng)就非常的復(fù)雜。采用傳統(tǒng)的控制方法復(fù)雜且效果差。</p><p>　　本文充分利用模糊控制的動態(tài)特性好和PI調(diào)節(jié)能消除靜態(tài)偏差的特性，研究了復(fù)合模糊控制在電廠過熱汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。并利用MATLAB進行了仿真，結(jié)果表明控制系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力和適應(yīng)性。</p><p>　　關(guān)鍵字：過熱汽溫；串級控制；模糊控制；復(fù)合模糊控制</p><p>

3、　　【ABSTRACT】</p><p>　　The basic idea of fuzzy control is utilize computer to achieve the control experience of human. The fuzzy control use fuzzy mathematic method to depict the relationship of process viria

4、ble and control action, then base on fuzzy control rules, calculating controller outputs with fuzzy logic method, so as to get the optimized control result.</p><p>　　The superheated steam temperature in powe

5、r plant has the characters of long time delay and large inertia, and many disturbance could influence this parameter, these factors make the control structure become complicated, and use classical control can’t get satis

6、fying result.</p><p>　　This dissertation make full use of both the good dynamic characteristics of fuzzy control and eliminating static deviation of PI control, it research the application of composite fuzzy

7、 control in the super-heated steam temperature system of power plant. Simulation is done by application of MATLAB software. The results of simulation indicate that the control system will have better anti-disturbance ca

8、pacity and adaptability.</p><p>　　Key word：super-heated steam temperature, serial control, fuzzy control, composite fuzzy control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1

9、緒論1</b></p><p>　　1.1過熱汽溫控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀2</p><p>　　1.1.1 過熱蒸汽溫度過程控制的重要性3</p><p>　　1.1.2 過熱蒸汽溫度實時控制存在的難度4</p><p>　　1.1.3 過熱蒸汽溫度過程控制的發(fā)展方向4</p><p>　　1.2本文

10、研究目的及研究的主要內(nèi)容5</p><p>　　2 過熱汽溫控制特性與要求7</p><p>　　2.1 過熱蒸汽溫度對象的靜態(tài)特性7</p><p>　　2.2 過熱蒸汽溫度對象的動態(tài)特性8</p><p>　　2.2.1 蒸汽流量(負荷)擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性8</p><p>　　2.2.2 煙氣流量

11、擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性9</p><p>　　2.2.3 減溫水流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性10</p><p>　　2.3 本章小結(jié)10</p><p>　　3 過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的分析12</p><p>　　3.1 PID控制作用12</p><p>　　3.1.1 比例（P）控制12<

12、/p><p>　　3.1.2 比例積分（PI）控制12</p><p>　　3.1.3 比例微分（PD）控制13</p><p>　　3.1.4 比例積分微分（PID）控制13</p><p>　　3.2 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)14</p><p>　　3.3 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的仿真研究16</p>

13、<p>　　3.4 本章小結(jié)19</p><p>　　4 過熱汽溫復(fù)合模糊串級控制的研究20</p><p>　　4.1 模糊控制原理20</p><p>　　4.1.1 模糊控制基本思想及發(fā)展歷史20</p><p>　　4.1.2 模糊控制的特點21</p><p>　　4.1.3 模糊控制

14、系統(tǒng)22</p><p>　　4.2 模糊控制器（FLC）的設(shè)計23</p><p>　　4.2.1 模糊控制器的組成23</p><p>　　4.2.2 隸屬度函數(shù)及模糊化23</p><p>　　4.2.3 知識庫25</p><p>　　4.2.4 精確化計算26</p><p&g

15、t;　　4.3 本課題復(fù)合模糊串級控制系統(tǒng)的設(shè)計27</p><p>　　4.4 復(fù)合模糊串級控制系統(tǒng)的仿真研究30</p><p>　　4.5 本章小結(jié)35</p><p>　　5 結(jié)論與展望36</p><p>　　5.1 主要結(jié)論37</p><p>　　5.2 后續(xù)工作展望37</p>

16、<p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　電力安全生產(chǎn)的重要性是由電力生產(chǎn)、電力基本建設(shè)、電力多種經(jīng)營的客觀規(guī)律和生產(chǎn)特性及社會作用決定的。隨著電力工業(yè)迅速發(fā)展、電力體制改革

17、和市場化進程加快，電力安全生產(chǎn)的重要性更加突出，電力安全生產(chǎn)的重要性有以下幾個方面。</p><p>　?。?）電力安全生產(chǎn)影響各行各業(yè)和社會穩(wěn)定。</p><p>　　電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是具有社會公用事業(yè)性質(zhì)的行業(yè)。并為各行各業(yè)（如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、科研）提供電力，為人民的日常生活提供電力，如果供電中斷，特別是電網(wǎng)事故造成大面積停電，將使各行各業(yè)的生產(chǎn)停頓或癱瘓，有的還

18、會產(chǎn)生一系列次生事故，帶來一系列次生災(zāi)害。另外，供電中斷或大面積停電，會給社會和人民生活秩序帶來混亂，甚至造成社會災(zāi)難，造成極壞的政治影響。因此，電力安全生產(chǎn)關(guān)系到國家人民生命財產(chǎn)安全，關(guān)系到人民群眾的切身利益，關(guān)系到國民經(jīng)濟健康發(fā)展，關(guān)系到人心和社會的穩(wěn)定。</p><p>　　（2）電力安全生產(chǎn)影響電力企業(yè)本身。</p><p>　　安全是電力生產(chǎn)的基礎(chǔ)，如果一個電廠經(jīng)常發(fā)生事故，就不

19、可能做到滿發(fā)穩(wěn)發(fā)和文明生產(chǎn)，如果系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生事故，系統(tǒng)中的發(fā)電廠和變電站都不能正常運行，使電力生產(chǎn)和輸配電處于混亂狀態(tài)，因此電力企業(yè)本身需要安全生產(chǎn)。</p><p>　　電力安全生產(chǎn)是電力企業(yè)物質(zhì)文明和精神文明建設(shè)好壞的集中體現(xiàn)，安全生產(chǎn)離不開精神文明建設(shè)，精神文明建設(shè)為安全生產(chǎn)提供強大動力，精神文明建設(shè)做得好，則企業(yè)生產(chǎn)的安全局面就好，安全生產(chǎn)對電力企業(yè)的物質(zhì)文明建設(shè)提出了強烈要求，又為物質(zhì)文明建設(shè)提供了高層

20、次的保證，因此安全生產(chǎn)做得好，則企業(yè)的物質(zhì)文明建設(shè)也做得好。沒有安全生產(chǎn)，就沒有效益。電力企業(yè)的生存與發(fā)展，必然要求有好的經(jīng)濟效益，如果電力企業(yè)的安全生產(chǎn)做不好，必然減少發(fā)供電并增加各種費用的支出，其結(jié)果是成本上升，效益下降，因此，搞好安全生產(chǎn)是提高經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)。</p><p>　?。?）電力生產(chǎn)的特點需要安全生產(chǎn)。</p><p>　　由發(fā)電廠生產(chǎn)的電能經(jīng)升壓變電站、輸電線路、降壓變

21、電站、配電線路送到用戶，組成了產(chǎn)、供、銷統(tǒng)一的龐大的整體。由于電能尚不能大規(guī)模儲存，因此，產(chǎn)、供、銷是同時進行的，電力的生產(chǎn)、輸送、使用一次性同時完成并隨時處于平衡。電力生產(chǎn)的這些內(nèi)在特點決定了電力生產(chǎn)的發(fā)、供、用必須有極高的可靠性和連續(xù)性，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生事故，都可能帶來連鎖反應(yīng)，造成人身傷亡、主設(shè)備損壞或大面積停電，甚至造成全網(wǎng)崩潰的災(zāi)難性事故。因此，電能生產(chǎn)的內(nèi)在特點需要安全生產(chǎn)。特別是目前的電網(wǎng)已是大機組、大電廠、大容量、高電壓

22、、高度自動化的電網(wǎng)，對安全生產(chǎn)提出了更新、更高的要求，安全生產(chǎn)就顯得更加重要。</p><p>　?。?）電力生產(chǎn)的勞動環(huán)境要求安全生產(chǎn)。</p><p>　　電力生產(chǎn)的勞動環(huán)境有幾個明顯的特點： ①電氣設(shè)備多；②高溫高壓設(shè)備多，如火電廠的鍋爐、汽輪機、壓力容器和熱力管道等；③易燃、易爆和有毒物品多，如燃煤、燃油、強酸、強堿、制氫氣及制氧氣系統(tǒng)、 氫冷設(shè)備等；④高速旋轉(zhuǎn)機械多，如發(fā)電機、風(fēng)

23、機、電動機等；⑤特種作業(yè)多，如帶電作業(yè)、高空作業(yè)、起重及焊接作業(yè)等。這些特點表明，電力生產(chǎn)的勞動條件和環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，本身潛伏著諸多不安全因素，潛在的危險性大，這些都構(gòu)成了對職工人身安全的危脅。因此，工作中稍有疏忽，潛在的危險會轉(zhuǎn)化為人身事故，電力生產(chǎn)環(huán)境要求對安全生產(chǎn)要高度重視。</p><p>　　電力工業(yè)作為國家的經(jīng)濟命脈，而電力行業(yè)又是一個高危行業(yè)，因此歷來受到國家的高度重視。對于火力發(fā)電行業(yè)，發(fā)電機組的安

24、全運行一直是電廠生產(chǎn)管理的核心，設(shè)備安全性的提升以及一系列安全生產(chǎn)規(guī)程的制訂使火力發(fā)電行業(yè)的安全性有了很大的提升，90年代以來，我國大部分新建的火力發(fā)電機組均采用了分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS）。分散控制系統(tǒng)的普及使我國火力發(fā)電行業(yè)機組管理的自動化程度達到了世界領(lǐng)先的水平。</p><p>　　在過去的時間里，火力發(fā)電行業(yè)一直把安全生產(chǎn)作為企業(yè)管理的重中之重，而忽

25、視了機組運行經(jīng)濟性等方面的探索。隨著我國電力企業(yè)市場化的改革和“廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)”政策的實施，電力生產(chǎn)的經(jīng)濟性開始變得越來越重要，市場要求電廠必須使電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性并重。優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本和設(shè)備損耗，以及提高管理水平和技術(shù)人員的綜合素質(zhì)是電廠提高經(jīng)濟性的必然要求。</p><p>　　在如今的形式下，電廠電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性關(guān)系到企業(yè)的榮辱興衰，由于電力行業(yè)是國家的命脈行業(yè)，電廠生產(chǎn)能否做到

26、安全性和經(jīng)濟性兩手抓將直接影響社會的安定和國家的長治久安。因此，如何提高電廠生產(chǎn)自動化水平，做到安全性與經(jīng)濟性并重將成為人們重點研究的領(lǐng)域。</p><p>　　過熱汽溫控制領(lǐng)域的現(xiàn)狀</p><p>　　火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程概括地說是把燃料中含有的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的過程。整個生產(chǎn)工程可分為三個階段：一：燃料的化學(xué)能在鍋爐中轉(zhuǎn)化成熱能，加熱鍋爐中的水使之變成蒸汽，稱為燃燒系統(tǒng)；二：鍋爐產(chǎn)生

27、的蒸汽進入汽輪機，推動汽輪機轉(zhuǎn)動，將熱能轉(zhuǎn)變成機械能，稱為汽水系統(tǒng)；三：由汽輪機旋轉(zhuǎn)的機械能帶動發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，稱為電氣系統(tǒng)。</p><p>　　單元機組的控制主要是指對鍋爐、汽輪機及輔助設(shè)備的控制。為了保證機組的經(jīng)濟、安全的運行，必須把各生產(chǎn)的主要工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。其中，對主汽溫的控制是單元機組控制中比較重要的參數(shù)之一，因為過熱汽溫溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。過熱汽溫的溫

28、度過高或過低都會顯著影響電廠的安全性和經(jīng)濟性。</p><p>　　通過對過熱汽溫實時控制現(xiàn)狀資料的查閱，發(fā)現(xiàn)過熱汽溫控制系統(tǒng)在正常工況下，能基本滿足過熱汽溫實時控制系統(tǒng)的需要。但當(dāng)負荷變化較頻繁且比較大時，過熱汽溫控制經(jīng)常出現(xiàn)的越限和超調(diào)現(xiàn)象，會影響機組安全和經(jīng)濟運行。</p><p>　　另外，還發(fā)現(xiàn)目前火電廠對過熱汽溫實時控制多采用串級控制，但過熱汽溫控制困難較多，不僅質(zhì)量要求高，而

29、且被控對象相當(dāng)復(fù)雜，無法確定過熱器精確的數(shù)學(xué)模型，過熱汽溫實時控制可控性差早已成為眾所周知的事實。</p><p>　　1.1.1 過熱蒸汽溫度過程控制的重要性</p><p>　　鍋爐過熱汽溫是影響鍋爐生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。</p><p>　?。?）過熱汽溫過高，影響設(shè)備使用壽命</p><p>　　過

30、熱汽溫過高會使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，影響設(shè)備使用壽命?，F(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫和高壓的條件下工作，過熱器出口的過熱汽溫，是火電廠整個汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處。</p><p>　　過熱器采用的是耐高溫和耐高壓的合金鋼材料，過熱器正常運行時的溫度已經(jīng)接近材料所允許的最高溫度。如果過熱汽溫過高，則容易燒壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹變形而毀壞

31、，影響機組的安全運行。</p><p>　?。?）過熱汽溫過低，汽輪機的安全運行無法保證</p><p>　　如果過熱汽溫過低，將會降低全廠的熱效率。一般地，過熱汽溫每降低5一10℃，熱效率約降低1%，不僅增加燃料的消耗量、浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。</p><p>　　因為過熱汽溫降低還會導(dǎo)致汽輪機高壓部分的燴降減小，

32、引起各級反動度和軸向推力增大，對汽輪機的安全運行帶來不利。所以，過熱汽溫過低不僅會使機組循環(huán)熱效率降低，煤耗增大，而且汽輪機的安全運行也無法保證。</p><p>　?。?）過熱汽溫變化過大，危及機組安全運行</p><p>　　過熱汽溫變化過大，除了使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機汽缸的轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動，危及機組安全運行?？傊^熱汽溫過高、過低或變化過大

33、都是生產(chǎn)過程所不允許的。</p><p>　　基于上述原因，對過熱汽溫控制是必不可少的。不僅如此，工藝上對過熱汽溫控制的質(zhì)量要求也是非常嚴(yán)格的。如何有效地控制過熱汽溫始終成為人們關(guān)注的問題。</p><p>　　1.1.2 過熱蒸汽溫度實時控制存在的難度</p><p>　　火電廠過熱汽溫實時控制的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾方面。</p><p>

34、;　　（1）影響過熱汽溫變化的因素很多</p><p>　　例如，燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力和汽包水位，還會影響過熱汽溫和煙氣流量等。另外，蒸汽負荷、減溫水量、煙氣流量和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起過熱汽溫變化</p><p>　?。?）過熱汽溫被控對象具有大遲延、大慣性的特點</p><p>　　過熱器具有大遲延、大慣性的特點。尤其隨著機組容量和參數(shù)的增加

35、，蒸汽的過熱受熱面相對于蒸發(fā)受熱面的比例加大，使其遲延和慣性更大，從而進一步加大了過熱汽溫控制的難度。</p><p>　　（3）過熱器呈現(xiàn)非線性、不確定時變等特點</p><p>　　例如，燃料量的變化對過熱汽溫、壓力、汽包水位等的影響有不同的滯后，減溫水量的變化對過熱器出口的過熱汽溫有較大的滯后影響，這些滯后的大小還隨著負荷狀況的改變而改變。過熱器在各種擾動作用下(如負荷、工況變化等)

36、表現(xiàn)出非線性和時變等特性，使過熱汽溫控制的難度加大。</p><p>　?。?）過熱汽溫參數(shù)要求高</p><p>　　因過熱器正常運行時的溫度已接近鋼材允許的極限溫度，強度方面的安全系數(shù)也很小。故現(xiàn)代大型機組對過熱汽溫參數(shù)要求很嚴(yán)格，通常中高壓鍋爐過熱汽溫的動態(tài)偏差不允許超過士10℃，長期偏差不允許超過士5℃。</p><p><b>　?。?）控制手段

37、單一</b></p><p>　　目前主要以噴水減溫為主要控制手段。</p><p>　　綜上所述，過熱器是一個典型的非線性、時變、大遲延、大慣性和多隨機干擾擾動的設(shè)備，過熱汽溫是火電機組熱力過程的主要參數(shù)之一。過熱器是在高溫高壓環(huán)境下工作，過熱器出口的過熱汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處?；痣姀S生產(chǎn)工藝上允許的過熱汽溫變化范圍很小，影響過熱汽溫變化的干擾因素多

38、，過熱器呈現(xiàn)非線性特性等，這些都使得過熱汽溫控制系統(tǒng)復(fù)雜化。正確選擇控制過熱汽溫的控制手段及控制策略是非常重要的。</p><p>　　1.1.3 過熱蒸汽溫度過程控制的發(fā)展方向</p><p>　　通過查閱資料和分析可知，目前，串級控制在火電廠中的過熱汽溫實時控制中占主導(dǎo)地位，但其控制效果還不能令人十分滿意。</p><p>　　時滯系統(tǒng)的控制問題早己引起了人們的

39、廣泛關(guān)注，許多人從不同角度發(fā)展了很多時滯被控對象的控制方法。長期以來，針對火電廠被控對象過熱器具有大滯后、非線性、多變量和時變等特點，國內(nèi)外對過熱汽溫控制方法進行了很多有益探索和研究。因為國內(nèi)外在過熱汽溫控制系統(tǒng)的技術(shù)和發(fā)展方面十分接近，所以，這里主要對當(dāng)前國內(nèi)過熱汽溫過程控制的方法，進行有限的闡述。</p><p>　　PID控制算法是其中最簡便的，控制參數(shù)可依據(jù)經(jīng)驗公式進行整定或解析設(shè)計?；痣姀S中的過熱汽溫實

40、時控制，如果采用傳統(tǒng)的PID控制規(guī)律，因為參數(shù)整定困難，缺乏對過熱器動態(tài)變化的自適應(yīng)能力，達不到火電廠中的過熱汽溫實時控制要求。所以，原則上不采用單回路的PID對過熱汽溫進行控制。</p><p>　　過熱器實時控制常規(guī)控制方案主要包括串級控制、Smith預(yù)估控制、導(dǎo)前微分、分段式控制和溫差控制等，但投運效果均不理想。導(dǎo)前微分或串級控制是目前針對時滯被控對象應(yīng)用最廣泛的控制策略。導(dǎo)前微分與串級控制在理論上十分接近

41、，第3章節(jié)將重點對串級控制系統(tǒng)進行有關(guān)的技術(shù)分析和陳述。</p><p>　　模糊控制是由控制理論與模糊集合理論相結(jié)合發(fā)展起來的一種新型控制技術(shù)。能夠利用熟練運行人員的操作經(jīng)驗或領(lǐng)域?qū)＜业闹R，解決復(fù)雜被控對象的控制問題，故模糊控制從一開始便立刻引起控制界的廣泛興趣，并得以迅速發(fā)展。</p><p>　　模糊控制的發(fā)展歷史不長，模糊控制本身還存在一定的缺陷等原因。如果單獨使用模糊控制對過熱

42、汽溫進行過程控制，也不能滿足過熱汽溫實時控制的要求。第4章節(jié)將重點對模糊控制系統(tǒng)進行有關(guān)的技術(shù)分析和表述。</p><p>　　近年來，關(guān)于過熱汽溫控制這一課題的研究，主要集中在以下三個方面。</p><p>　　（1）利用PID復(fù)合控制</p><p>　　針對過熱器的特性，在傳統(tǒng)的PID控制領(lǐng)域，利用其他方法和PID控制相結(jié)合來改善PID控制效果。</p&

43、gt;<p>　?。?）開發(fā)專家、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制系統(tǒng)等多種控制系統(tǒng)</p><p>　　針對過熱器的特性，應(yīng)用人工智能和計算機科學(xué)的最新技術(shù)，開發(fā)專家控制系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)等多種控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）開發(fā)解耦控制系統(tǒng)</p><p>　　針對過熱器的強耦合性，開發(fā)解耦控制系統(tǒng)。</p><

44、;p>　　盡管國內(nèi)許多控制專家就過熱汽溫可控性差的問題，做了很多研究，也提出了不少新的、先進的控制方案，但因工程實現(xiàn)存在困難，真正應(yīng)用甚少，首先過熱汽溫過程控制對火電廠的安全生產(chǎn)是非常重要的。其次，在電力生產(chǎn)過程中，真正的過熱器數(shù)學(xué)模型無法得到。影響過熱汽溫過程控制的因素眾多，過熱汽溫過程控制的優(yōu)化仍是沒有真正解決的難題。對于火電廠過熱汽溫實時控制問題的解決仍需一定的時間。</p><p>　　本文研究目的

45、及研究的主要內(nèi)容</p><p>　　大型電廠鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)是提高電廠經(jīng)濟效益，保證機組安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而同時，主蒸汽溫度對象具有大延遲、大慣性和時變性的特點，過熱器管道長度和蒸汽容積較大，當(dāng)減溫水流量發(fā)生變化時過熱器出口蒸汽溫度有較大的延遲；負荷變化時，主蒸汽溫度的動態(tài)特性變化明顯；這給有效控制帶來了很大的困難。</p><p>　　通過合理利用火電廠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗和技能

46、、有關(guān)專家的豐富的實踐經(jīng)驗和系統(tǒng)設(shè)計能力，在對火電廠過熱汽溫控制對象分析基礎(chǔ)上，保留串級控制抗內(nèi)擾的性能，結(jié)合模糊控制動態(tài)特性好的特點，尋求串級控制與模糊控制有效結(jié)合，并提出一種復(fù)合模糊串級控制設(shè)計方案，改善火電廠過熱汽溫的動態(tài)性能，以求提高火電廠電力生產(chǎn)安全性與經(jīng)濟性。</p><p>　　本文研究的主要內(nèi)容有</p><p>　　（1）對過熱汽溫的特性進行分析，了解目前國內(nèi)外對具有大滯

47、后和大慣性特點的過熱汽溫控制方面所采取的控制方案的情況。</p><p>　?。?）對傳統(tǒng)的過熱汽溫所采用的串級控制系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)、原理、特點進行學(xué)習(xí)分析。</p><p>　　（3）提出復(fù)合模糊串級控制方案，利用MATLAB軟件進行仿真研究，密切關(guān)注參數(shù)變化對控制結(jié)果的影響，做好對比和總結(jié)。</p><p>　　（4）將復(fù)合模糊串級控制與傳統(tǒng)串級控制進行對比研究。&

48、lt;/p><p>　　2 過熱汽溫控制特性與要求</p><p>　　現(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓條件下工作的，鍋爐出口的過熱蒸汽溫度是整個汽水行程中工質(zhì)的最高溫度，對于電廠的安全經(jīng)濟運行有重大影響。鍋爐蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器等。過熱器布置示意圖如圖2.l所示。</p><p>　　圖2.1 過熱器布置示意圖</p><p

49、>　　過熱器正常工作時的溫度，一般要接近材料所允許的最高溫度，如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會使汽輪機內(nèi)部引起過度的熱膨脹，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運行的安全；過熱蒸汽溫度偏低，則設(shè)備的效率將會降低，一般蒸汽溫度每降低5℃，效率要降低1％，同時使通過汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損。因此，必須控制過熱器出口蒸汽溫度，使不超出規(guī)定的范圍。鍋爐蒸汽過熱系統(tǒng)的控制任務(wù)，是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并保護過熱器管壁

50、溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度自動控制是鍋爐自動化的重要任務(wù)之一。</p><p>　　2.1 過熱蒸汽溫度對象的靜態(tài)特性</p><p>　　過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性指汽溫隨鍋爐負荷變化的靜態(tài)關(guān)系。鍋爐過熱器由對流式過熱器和輻射式過熱器等組成，但是從圖2.2所示的靜態(tài)特性可以看出，對流式過熱器和輻射式過熱器的過熱汽溫的靜態(tài)特性完全相反。對于對流式過熱器，當(dāng)負荷增加時，通過其煙氣

51、的溫度和流速都增加，因而使過熱汽溫升高，所以對流式過熱氣的出口汽溫隨負荷增加而升高。對于輻射式過熱器，由于負荷增加時爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負荷增大所需要的吸熱量，因此輻射式過熱器的出口汽溫隨負荷增加而降低。現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器的受熱面積大于輻射式過熱器受熱面積，因而總的汽溫將隨負荷增加而升高。</p><p>　　圖2.2 過熱蒸汽溫度的靜態(tài)特性</p>

52、<p>　　2.2 過熱蒸汽溫度對象的動態(tài)特性</p><p>　　過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指引起過熱汽溫變化的擾動與汽溫之間的動態(tài)關(guān)系。引起過熱蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流過過熱器的煙氣的溫度和流速變化等，這些因素還可能相互制約。歸納起來主要有三個方面，蒸汽流量變化(負荷變化)，加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化(過熱器入口汽溫變化)。&l

53、t;/p><p>　　2.2.1 蒸汽流量(負荷)擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性</p><p>　　當(dāng)負荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熟器的對流放熱系數(shù)，使沿整個過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應(yīng)較快，遲延時間較小。從階躍響應(yīng)曲線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小,如圖2.3所示。</p&g

54、t;<p>　　圖2.3 蒸汽量變化對過熱汽溫的影響</p><p>　　2.2.2 煙氣流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性</p><p>　　煙氣流量擾動(煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化)時，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度使煙氣傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反應(yīng)較快，時間常數(shù)和遲延均比別的擾動小，和蒸汽流量擾動的影響類似。從階躍響應(yīng)曲線可知，煙氣

55、流量的動態(tài)特性是：有滯后、有慣性、有自平衡能力，如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 煙氣流量變化對過熱汽溫的影響</p><p>　　2.2.3 減溫水流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性</p><p>　　利用減溫器進行調(diào)溫，是目前應(yīng)用較廣的一種調(diào)節(jié)方式。減溫器有表面式和噴水式兩種。其中，噴水減溫又分為表面式噴水減溫和給水噴水減溫兩種型式。表面式噴水減溫的減

56、溫水和蒸汽是隔開的，而給水唼水減溫則是利用減溫水直接噴入過熱蒸汽中去進行減溫的，因此又稱混合式減溫器。</p><p>　　采用噴水減溫來調(diào)節(jié)過熱汽溫，當(dāng)減溫水流量擾動時，改變了高溫過熱器入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫。由于大型鍋爐的過熱器管路很長，管內(nèi)的蒸汽和管壁可視為眾多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象，噴水量的變化必須通過這些單容對象，才能影響到過熱器出口蒸汽溫度，因此與蒸汽流量和煙氣熱量擾動的情況相比，減

57、溫水流量擾動時，汽溫的反應(yīng)比較慢，對象具有大得多的慣性和遲延，如圖2.5所示，這是此對象難以控制的原因。</p><p>　　圖2.5 減溫水量變化對過熱汽溫的影響</p><p>　　總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象作階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性曲線可知，其均為有遲延的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值(t、e、p)有較大差別。</p><p><b>

58、　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　影響過熱汽溫的過程控制有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水三個主要因素。在各種擾動作用下，汽溫對象都有遲延和慣性，且有自平衡能力。</p><p>　　當(dāng)蒸汽流量擾動時，過熱汽溫動態(tài)特性的特點是有延遲，有慣性和有自平衡能力。因蒸汽流量的擾動是由用戶決定的，故不能將蒸汽流量擾動作為過熱汽溫控制系統(tǒng)的控制量使用。</p>&

59、lt;p>　　引起煙氣傳熱量擾動的原因很多。煙氣流量變化對過熱汽溫的影響，使被控對象過熱器表現(xiàn)出有延遲、有慣性和有自平衡能力的特征。從理論上說，應(yīng)該利用煙氣傳熱量擾動來控制過熱汽溫，而且這種控制還具有方便和容易操作的特點。但實際操作中，因煙氣控制的操作不易把握，很難滿足過熱汽溫控制過程的需要，故一般不宜將煙氣傳熱量擾動作為過熱汽溫的主要控制量使用。</p><p>　　減溫水量擾動下的被控對象過熱器具有延遲

60、，有慣性和有自平衡能力的特點。理論和實踐都支持減溫水量作為過熱汽溫的主要控制量使用。</p><p>　　3 過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的分析</p><p>　　3.1 PID控制作用</p><p>　　PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件

61、，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中積分的上下限分別是0和t。</p><p><b>　　因此傳遞函數(shù)為： &l

62、t;/b></p><p>　　其中為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。</p><p>　　3.1.1 比例（P）控制</p><p>　　控制作用u與偏差e成比例關(guān)系。單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。實際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視具體情況而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動，余差

63、太大，控制質(zhì)量差，也沒有什么控制作用；比例度太大，控制作用太強，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。</p><p>　　對于反應(yīng)靈敏、放大能力強的被控對象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍小些；而對于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選大一些，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。</p><p>　　單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有

64、一定余差存在的場合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。</p><p>　　3.1.2 比例積分（PI）控制</p><p>　　比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點就是控制及時、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點限制了單獨使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。</p><p&g

65、t;　　積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這里的“積分”指的“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越?。?，一直到偏差為零，累積才會停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。</p><p>　　積分時間的大小表征了積分控制作用的強弱。積分時間越小，積分作用越強；反之，積分作用越弱。

66、</p><p>　　積分控制雖然能消除余差，但存在著控制不及時的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分控制。這樣取二者之長，互相彌補，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現(xiàn)較為理想的過程控制。</

67、p><p>　　3.1.3 比例微分（PD）控制</p><p>　　比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。所謂“時間滯后”指的是：當(dāng)被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯后，此時比例積分控制顯得遲鈍、不及時。為此，人們設(shè)想：能否根據(jù)偏差的變化趨勢來做出相應(yīng)的控制動作呢？猶如有經(jīng)驗的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用）

68、，又可根據(jù)偏差變化的速度大小來預(yù)計將要出現(xiàn)的情況，提前進行過量控制，“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。</p><p>　　微分輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關(guān)。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒有任何控制作用。微分時間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強；反之

69、則越弱。當(dāng)微分時間為0時，就沒有微分控制作用了。同理，微分時間的選取，也是需要根據(jù)實際情況來確定的。</p><p>　　微分控制作用的特點是：動作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質(zhì)；但是不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時，根本就沒有控制作用。因此，不能單獨使用微分控制規(guī)律。</p><p>　　比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后

70、大的對象，可以減小動偏差的幅度，節(jié)省控制時間，顯著改善控制質(zhì)量。</p><p>　　3.1.4 比例積分微分（PID）控制</p><p>　　最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。</p><p>　　當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也

71、同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。</p><p>　　3.2 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)</p><p>　　目前，火電廠對于具有大滯后、非線性、時變、多變量和有自平衡能力等特點的被控對象過熱器，大多采用串級控制

72、。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)的基本組成如圖3.1所示。串級控制系統(tǒng)能改善過熱汽溫控制品質(zhì)，主要是因為有一個快速動作的副控制回路存在的緣故。由圖3.1可以看出，引入負反饋而構(gòu)成的副回路起到了穩(wěn)定 (或)的作用，從而使過熱汽溫保持基本不變。</p><p>　　副回路起著粗調(diào)主汽溫的作用。而過熱汽溫的規(guī)定值，主要由主控制器Pl(或PID)來保證。只要不等于規(guī)定值，主控制器就會不斷地改變

73、其輸出信號，并通過副控制器去不斷改變減溫水流量，直到恢復(fù)到等于規(guī)定值為止。由圖3.1還可以看出，主控制器的輸出信號相當(dāng)于副控制器的可變給定值。穩(wěn)定時，過熱汽溫等于規(guī)定值?？梢园颜麄€副回路當(dāng)成一個等效環(huán)節(jié)，串聯(lián)在主回路的前向通道上，這就是串級控制名稱的由來。</p><p>　　圖3.1 串級控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　為了更好的分析串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，根據(jù)圖3.1得出系統(tǒng)的串級

74、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖，如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 串級控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　從方框圖可以看出，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩個閉合的調(diào)節(jié)回路：</p><p>　　(1)由副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對象、副溫度變送器和執(zhí)行器組成的副調(diào)節(jié)回路；</p><p>　　(2)由主對象、主汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器以及副調(diào)節(jié)回路組成的主回路。&

75、lt;/p><p>　　串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)之所以能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，主要是由于有一個快速動作的副調(diào)節(jié)回路存在。為了保證快速性，副調(diào)節(jié)回路的副控制器采用比例(P)或比例微分(PD)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫基本保持不變，起到了粗調(diào)的作用：為了保證調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，主調(diào)節(jié)回路的主控制器采用比例積分(PI)或比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫與設(shè)定值相等，起到了細調(diào)的作用。</p><p>　　對于串級汽溫調(diào)

76、節(jié)系統(tǒng)，無論擾動發(fā)生在副調(diào)節(jié)回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，都能迅速的作出反應(yīng)，快速消除過熱汽溫的變化。</p><p>　　串級控制雖然有兩個控制器，兩個變送器和兩個測量參數(shù)，但仍然是一個單輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個需要人為設(shè)定的給定值，只有一個控制變量(即副控制器輸出)，只有一個執(zhí)行機構(gòu)，只有一個被控變量，這一點和單回路控制系統(tǒng)極其相似。由于串級控制的主控制器和整個副控制回路串聯(lián)在主回路中，主控制器的輸出是副控制

77、器的給定值，主控制器接受設(shè)定的給定值。因而整個串級控制系統(tǒng)是一個定值控制系統(tǒng)。</p><p>　　副控制器的給定值是主控制器的輸出，因這個輸出要隨著擾動而變化，故副回路是一個隨動系統(tǒng)。過程控制中還會經(jīng)常遇到具有兩個回路的控制系統(tǒng)，只要不符合以上兩個特征，就不是串級控制系統(tǒng)。</p><p>　　從作用原理上看，內(nèi)擾首先影響副對象的輸出(稱為副參數(shù))，副控制器立即產(chǎn)生控制作用。因副對象慣性

78、較小，故擾動的影響很快得到克服，不會對被控變量產(chǎn)生大的影響。串級控制的副回路對進入副回路的內(nèi)擾有很強的克服能力，這是串級控制的一個顯著的特點。</p><p>　　在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，盡量要把被控對象的主要擾動包括在副回路內(nèi)。這是設(shè)計串級控制系統(tǒng)的基本原則。</p><p>　　外擾對副回路影響較小。</p><p>　　針對被控對象的容積滯后和純遲延，串級控制系

79、統(tǒng)中有主、副兩個控制器?？梢园堰^熱器出口溫度作為主信號，減溫器出口溫度作為導(dǎo)前信號，主控制器的輸出作為副控制器的給定值。</p><p>　　副控制器動作迅速，盡快抵消內(nèi)擾，且副環(huán)主要控制任務(wù)為“粗調(diào)”，并不要求導(dǎo)前區(qū)的溫度有無靜差，故采用P控制器即可滿足工藝要求。因主控制器用于“細調(diào)”，保證過熱汽溫被調(diào)量沒有靜差的火電廠生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性的要求，故可采用PI控制。</p><p>　　

80、3.3 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的仿真研究</p><p>　　利用MATLAB軟件的simulink功能對過熱汽溫串級控制系統(tǒng)進行仿真研究，通過對參考資料的整理，被控對象參數(shù)采用參考文獻[16]中給出的參數(shù)。</p><p>　　在正常運行工況下對象的傳遞函數(shù)為</p><p>　　被控對象導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　

81、　（3-2）</b></p><p><b>　　主對象傳遞函數(shù)：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　針對實際情況，本文有兩種干擾作用，內(nèi)擾為減溫水自發(fā)擾動，外擾為燃燒率變化擾動。</p><p>　　根據(jù)串級控制系統(tǒng)的方框圖在MATLAB的si

82、mulink中搭建出系統(tǒng)模型。如圖3.3所示。</p><p>　　對過熱蒸汽串級控制系統(tǒng)的主、副控制器參數(shù)整定采取的方法是先整定副控制器，然后整定主控制器，最后進行反復(fù)微調(diào)直到達到要求效果的方法。</p><p>　　調(diào)節(jié)時先調(diào)節(jié)副控制器，先將主控制器的參數(shù)Kp設(shè)置為1，Ki設(shè)置為0，在對副控制器參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，取副控制器參數(shù)Kp為26.接下來調(diào)節(jié)主控制器，Ki，Kd仍然為0，此時逐漸

83、增大比例系數(shù)Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩（即臨界穩(wěn)定），記錄此時的臨界振蕩增益Ku=6.12和臨界振蕩周期Tu=90。利用表3-1的公式進行換算Kp=2.7846，Ti=76.5，Ki=Kp/Ti=0.0364.得到初步的圖形。</p><p>　　圖3.3 過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　表3-1 臨界比例度法整定PID參數(shù)</p><p>　　

84、得到的初步圖形存在震蕩，超調(diào)過大，以及調(diào)節(jié)時間過長的問題，無法滿足要求，因此，在初步圖形的基礎(chǔ)上，利用P,I,D的調(diào)節(jié)特性對參數(shù)進行反復(fù)的微調(diào)，直到達到需要的效果，此時副控制器Kp=25，主控制器Kp=1，Ki=0.015。</p><p>　　在t=0時，單獨加入減溫水量的自發(fā)擾動，仿真后得到的圖形為圖3.4。</p><p>　　圖3.4 減溫水?dāng)_動對過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的影響<

85、/p><p>　　在t=0時，在加入減溫水?dāng)_動的同時，再加入燃燒率擾動，得到仿真后的圖形為圖3.5。</p><p>　　圖3.5 減溫水、燃燒率擾動對過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的影響</p><p>　　另外，嘗試改變被控對象的數(shù)學(xué)模型，在主對象中增加一個的慣性環(huán)節(jié)后，對系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 數(shù)學(xué)模型的

86、變化對串級控制系統(tǒng)的影響</p><p>　　從仿真的結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)中加入了擾動后，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間有明顯的增加，可見在擾動使控制品質(zhì)變差，對于控制品質(zhì)有較明顯的的影響。另外，在加入了慣性環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的振蕩馬上增大，控制過程的品質(zhì)變差了，這說明串級控制系統(tǒng)對于數(shù)學(xué)模型的變化時是十分敏感的。</p><p>　　通過對搭建好的過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的如上幾種情況的仿真圖形可以看出，

87、在合適的參數(shù)條件下，串級控制系統(tǒng)是一個衰減振蕩的過程，并且有較強的自適應(yīng)能力，由于過熱器的大遲延、大慣性的特點，使其控制過程控制時間比較長。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　在目前的過熱蒸汽溫度控制上，大多數(shù)火電廠仍然采用的是串級控制系統(tǒng)。</p><p>　　過熱蒸汽串級控制系統(tǒng)由主、副兩個回路組成。

88、副回路中的溫度變送器、執(zhí)行器、閥門可以認為是比例環(huán)節(jié)。比例控制具有加快響應(yīng)速度，減小靜差的作用，因此，副回路具有快速消除發(fā)生在內(nèi)回路內(nèi)擾的作用，使串級控制系統(tǒng)具有較強的自適應(yīng)能力和抗干擾能力。副對象慣性較小，故擾動的影響很快得到克服，不會對被控變量產(chǎn)生大的影響。</p><p>　　副控制器主要控制任務(wù)為“粗調(diào)”，并不要求導(dǎo)前區(qū)的溫度有無靜差，故采用P控制器即可滿足工藝要求。主控制器用于“細調(diào)”，保證過熱汽溫被調(diào)

89、量沒有靜差的火電廠生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性的要求，故可采用PI控制。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)具有主副兩個回路，在參數(shù)整定方面需要對主、副控制器的參數(shù)都進行整定，在整定時原則上先整定副回路，再對主回路進行整定，最后反復(fù)微調(diào)直到達到要求。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)在控制品質(zhì)方面有如下幾個特點：一是副回路具有快速消除系統(tǒng)內(nèi)擾的功能。二是主控制器的PI控制消除了系統(tǒng)的靜差。三是主副雙

90、回路的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)對于具有較大的容量、較大的慣性、較強的非線性的對象來說并不是一種理想的控制方式，因為在模型不確定性的存在時，控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)能保證系統(tǒng)穩(wěn)定．并使得動態(tài)特性變化盡可能的小。</p><p>　　4 過熱汽溫復(fù)合模糊串級控制的研究</p><p>　　模糊控制是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)

91、成一系列的模糊推理，通過模糊推理得到模糊控制規(guī)則，將模糊控制規(guī)則作用于被控的對象或過程。</p><p>　　模糊控制技術(shù)建立是在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)之上的。與建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)的PID控制相比，模糊控制的主要特點是基于人工控制經(jīng)驗，實現(xiàn)對系統(tǒng)控制的。模糊控制有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào)，不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，對過程參數(shù)的變化不敏感(魯棒性強)，能夠克服非線性等不確定因素的影響。</p><

92、p>　　4.1 模糊控制原理</p><p>　　4.1.1 模糊控制基本思想及發(fā)展歷史</p><p>　　模糊控制的基本思想就是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。而人的控制經(jīng)驗一般是由語言來表達的，這些語言的控制規(guī)律又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。如人工控制水槽水位的?jīng)驗可以表達為：</p><p>　　若水槽無水或水較少時，則開大水閥；</p><p

93、>　　若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關(guān)?。?lt;/p><p>　　若水位快接近要求的水位，則把水閥關(guān)的很小；</p><p>　　這些經(jīng)驗規(guī)則中，“較少”、“不太大”、“接近”、“丌大”、“關(guān)小”、“關(guān)的很小”這些表示水位狀態(tài)和控制閥門動作的概念都帶有模糊性，這些規(guī)則的形式正是模糊條件語句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及之間的關(guān)系，又可以根據(jù)

94、這些模糊關(guān)系及時刻過程變量的檢測值(需化成模糊量)用模糊邏輯推理的方法得出此時刻的控制量，這正是模糊控制的基本思路。</p><p>　　早在20世紀(jì)20年代，就已有學(xué)者研究如何描述客觀世界中普遍存在的模糊現(xiàn)象。著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家B.Russen在1923年就寫出了有關(guān)“含糊性”的論文。論文中提到含糊和精確都是語言的屬性，而不是現(xiàn)實存在。他認為“所有的語言都是模糊的”。例如，“紅的”和“老的”等概念，雖然沒有明

95、確的內(nèi)涵和外延，是不明確和模糊的，但在特定的環(huán)境中，人們用這些概念來描述某個具體對象時，卻又能心領(lǐng)神會，很少引起誤解和歧義。</p><p>　　直到1965年，美國加利福尼亞大學(xué)柏克萊分校電氣工程系的扎德(LA.zaden)教授，在他的《Fuzzy sets》和《Fuzzy Algorithm》等著名論著中，首先提出模糊集合和模糊控制的概念，從而突破了19世紀(jì)德國數(shù)學(xué)家喬·康托創(chuàng)立的經(jīng)典集合論中屬于或

96、不屬于的絕對關(guān)系。</p><p>　　扎德教授在他的著名論文《 Fuzzy sets》中首次提出表達事物模糊性的隸屬函數(shù)這一重要概念。隸屬函數(shù)突破了19世紀(jì)末笛卡爾的經(jīng)典集合理論，奠定模糊理論的基礎(chǔ)。這一開創(chuàng)性的工作，標(biāo)志著數(shù)學(xué)的一個新的分支—模糊數(shù)學(xué)的誕生。</p><p>　　模糊理論是在扎德教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模

97、糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。</p><p>　　扎德教授提出的模糊集合理論，其核心是對復(fù)雜的系統(tǒng)或過程建立一種語言分析的數(shù)學(xué)模式，使自然語言能直接轉(zhuǎn)化為計算機所能接受的算法語言。正是在這種背景下，作為智能控制的一個重要應(yīng)用分支的模糊控制理論便應(yīng)運而生了。</p><p>　　1966年，P.N.Maris發(fā)表模糊邏輯的研究報告，1974年，扎德教授發(fā)表模糊推理的研究報告，從此，模糊理論

98、成了一個熱門的課題。</p><p>　　模糊數(shù)學(xué)從1965年誕生至今已經(jīng)40多年了。早期的模糊數(shù)學(xué)經(jīng)受了追求嚴(yán)格、精確的西方分析主義的巨大壓力，進展非常緩慢。</p><p>　　進入20世紀(jì)70年代后，模糊集合的概念被越來越多的人所接受，這方面的研究工作也迅速發(fā)展起來了。1972年2月，日本以東京工業(yè)大學(xué)為中心，發(fā)起成立“模糊系統(tǒng)研究會”。1973年，公開使用“模糊工程”這一名詞。19

99、74年在加利福尼亞大學(xué)的美日研究班上，開始了有關(guān)“模糊集合及其應(yīng)用”的國際學(xué)術(shù)交流。1978年國際上開始發(fā)行(Fzzy Setsand systems)專業(yè)雜志。1954年在夏威夷首次召開國際會議，商討成立國際學(xué)會事宜。1984年年底，“國際模糊系統(tǒng)學(xué)會”成立，下設(shè)“智能系統(tǒng)”和“經(jīng)營與生產(chǎn)中的模糊系統(tǒng)”兩個研究部，并己召開了幾屆國際模糊系統(tǒng)會議。1992年，IEEE Fuzzy systems國際會議開始每年舉辦一次。</p&g

100、t;<p>　　我國對模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊信息論和模糊模式識別等領(lǐng)域取得了不少有實際影響的結(jié)果。1981年，成立了中國模糊系統(tǒng)和模糊數(shù)學(xué)學(xué)會，并創(chuàng)辦了當(dāng)時世界上第二份模糊專業(yè)學(xué)術(shù)雜志《模糊數(shù)學(xué)》，1987年易名為《模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)》。全國至少有50多所高等院校開設(shè)模糊數(shù)學(xué)課程，已出版的有關(guān)模糊系統(tǒng)方面的著作約有50本，正式發(fā)表的論文已上萬篇，

101、但在應(yīng)用的深度和水平上還不高，模糊邏輯技術(shù)的開發(fā)工具落后。</p><p>　　我國政府也十分重視模糊控制理論與應(yīng)用研究，通過國家自然科學(xué)基金項目和“863”計劃的立項支持，涌現(xiàn)出了像汪培莊、樓世博、王立新、張文修、諸靜、章衛(wèi)國、楊汝清等一批學(xué)者。值得特別指出的是，我國各高校的教師、專家和各行各業(yè)的技術(shù)人員，在人工智能、專家系統(tǒng)和自適應(yīng)等方面也取得了許多突出的研究成果。他們所做的工作，同樣對我國的模糊控制理論的發(fā)

102、展及其應(yīng)用的研究，起到了積極的促進作用。</p><p>　　4.1.2 模糊控制的特點</p><p>　　所謂模糊控制，即不是指被控對象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，而是指在表示知識、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的，但所完成的卻是一項完全確定的工作。</p><p>　　模糊控制理論是控制領(lǐng)域中非常有發(fā)展前途的一個分支，這是由于模糊控

103、制具有許多傳統(tǒng)控制無法與之比擬的優(yōu)點，其中主要是：</p><p>　?。?）使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型。因為對復(fù)雜的生產(chǎn)過程很難獲取過程的精確數(shù)學(xué)模型，而語言方法卻是一種很方便的近似；</p><p>　　（2）對于具有一定操作經(jīng)驗、而非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握；</p><p>　?。?）操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)

104、系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上；</p><p>　?。?）采用模糊控制，過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強的適應(yīng)性；</p><p>　　（5）具有內(nèi)在并行處理機制，表現(xiàn)出極強魯棒性，模糊控制器參數(shù)易調(diào)整；</p><p>　?。?）算法簡單，執(zhí)行快，易實現(xiàn)；</p><p>　?。?）具有較

105、好的經(jīng)濟性。</p><p>　　除以上所述優(yōu)勢，模糊控制現(xiàn)存下述幾方面不足：</p><p><b>　?。?）精度不夠高；</b></p><p>　?。?）自適應(yīng)能力差；</p><p>　?。?）控制規(guī)則優(yōu)化尚有困難。</p><p>　　不論如何，模糊控制雖有不足，但有著其他控制方法難以

106、取代的優(yōu)勢，相信在不久的未來，模糊控制會日益完善。</p><p>　　4.1.3 模糊控制系統(tǒng)</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)框圖簡圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 模糊控制系統(tǒng)框圖簡圖</p><p>　　由模糊控制系統(tǒng)框圖可以看出，模糊控制與常規(guī)控制的區(qū)別就在于控制器的不同，其他環(huán)節(jié)大致相同。模糊控制器是模糊控制的核心

107、，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制的主要標(biāo)志。</p><p>　　4.2 模糊控制器（FLC）的設(shè)計</p><p>　　模糊控制可以被認為是在總結(jié)采用人類自然語言概念操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上升華而發(fā)展起來的模仿人類智能的一類控制方法，這類控制的核心是模糊控制器。</p><p>　　4.2.1 模糊控制器的組成</p><p>　　模糊控制器(

108、Fuzzy controller)通常由下列幾個部分組成(如圖4.2所示)。</p><p>　　圖4.2 模糊控制器</p><p>　?。?）輸入、輸出量的規(guī)范化；</p><p>　?。?）輸入量的模糊化；</p><p>　　（3）語言控制規(guī)則；</p><p>　?。?）模糊邏輯推理；</p>

109、<p>　　（5）輸出量的非模糊化。</p><p>　　輸入、輸出量的規(guī)范化是指將規(guī)范化的控制器輸入、輸出限制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以便于控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。因為控制器的輸入值一般都不是模糊數(shù)，因此模糊化過程就是將輸入值轉(zhuǎn)化為模糊量。語言控制規(guī)則和模糊邏輯推理是控制器的核心。根據(jù)模糊輸入量和語言控制規(guī)則，模糊邏輯推理決定輸出量的一個分布函數(shù)。非模糊化過程將輸出量的分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為規(guī)范化的輸出量。最后控制器將