-第1章緒論1.1課題背景與意義生產(chǎn)用電和生活用電的需求隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步與日俱增。2018年全社會(huì)用電量增長(zhǎng)強(qiáng)勁，增速創(chuàng)下7年來(lái)新高，增量創(chuàng)下歷史新高，“十三五”以來(lái)電力消費(fèi)增速扭轉(zhuǎn)了“十二五”時(shí)期一路回落走低的態(tài)勢(shì)，持續(xù)回升，2016年、2017年電力消費(fèi)增速分別為4.9%和6.6%，中電聯(lián)快報(bào)數(shù)據(jù)顯示，2018年又進(jìn)一步提升到8.5%，較2017年同期提高1.9個(gè)百分點(diǎn)，2018年電量消費(fèi)增量5355億kWh，重回歷史增長(zhǎng)高位水平，并創(chuàng)下歷史新高[1]。伴隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)一步深入，人民環(huán)保意識(shí)的提高，火電廠對(duì)比于其他類型電廠對(duì)環(huán)境不友好的特點(diǎn)也逐漸顯露在大眾視野中?；痣姀S利用燃煤進(jìn)行發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程大致上是將燃料中的化學(xué)能經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)化為熱能，燃燒產(chǎn)生的主蒸汽做功推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。火力發(fā)電廠發(fā)電需要消耗煤炭資源，且燃燒過(guò)程中不能保證完全燃燒，燃燒產(chǎn)物無(wú)法高效的提取利用，造成資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。不僅如此，燃燒后產(chǎn)生的煙氣中含有硫化物，氮氧化物，碳氧化物等，還有廢渣和廢水等排泄物中都含有有害成分，會(huì)對(duì)大氣，土地和水資源造成一定程度的污染，燃燒產(chǎn)生的粉塵更是會(huì)損害人體健康，造成“塵肺”現(xiàn)象，目前，我國(guó)也在進(jìn)一步規(guī)范火電廠的生產(chǎn)流程，以求減少其對(duì)環(huán)境的影響。雖然目前火力發(fā)電依舊存在著種種不足和不可避免的問(wèn)題，但是利用鍋爐的火力發(fā)電廠也具有其他類型電廠不可替代的優(yōu)勢(shì)。第一是火電廠的建造工期短，在有電力需求的地區(qū)，可以在短時(shí)間內(nèi)建成，及時(shí)滿足當(dāng)?shù)毓╇妴?wèn)題。第二是機(jī)組容量具有多種不同的選擇，有小容量發(fā)電廠（不到100MW），中容量發(fā)電廠（100到250MW），大中容量發(fā)電廠（250到1000MW），大容量發(fā)電廠（1000MW以上）等可供選擇，而不用像水電廠一樣局限于水的流量。第三是火力發(fā)電廠靠燃燒過(guò)程發(fā)電，只要提供充足的燃料便可提供可靠，穩(wěn)定的電力來(lái)源。第四是燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，可以通過(guò)管道的構(gòu)建和相關(guān)設(shè)備滿足北方地區(qū)的供暖問(wèn)題，既提高了燃料的利用率，也改善了民生問(wèn)題。也正是因?yàn)樯鲜龇N種原因，活力發(fā)電依舊在我國(guó)大部分地區(qū)占據(jù)著主導(dǎo)地位。截止2016年末，我國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.3億千瓦，其中火電為5400

萬(wàn)千瓦，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到16.4

億千瓦，其中，火電10.4億千瓦，占比為63.8%[2]。也正是由于火力發(fā)電廠的地位段時(shí)間內(nèi)無(wú)法撼動(dòng)，對(duì)目前火力發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程控制的優(yōu)化就成為了不可避免的問(wèn)題。我們既需要滿足電廠機(jī)組的輸出電量可以快速地隨著電網(wǎng)負(fù)荷變化而做出相應(yīng)調(diào)整，也需要在負(fù)荷變化的同時(shí)保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。我們可以用汽包水位，主蒸汽壓力，主蒸汽溫度等幾個(gè)主要參數(shù)來(lái)形容電廠的運(yùn)行狀況，如果這些參數(shù)在規(guī)定的限值內(nèi)波動(dòng)的波動(dòng)，則意味著火電廠的運(yùn)行扎狀況趨于平穩(wěn)?；鹆Πl(fā)電系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中包括汽水系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的構(gòu)建需要大量的管道，閥門和不同設(shè)備，且彼此之間的聯(lián)系密切且復(fù)雜，由于傳統(tǒng)的PID控制具有局限性，每個(gè)部分想響應(yīng)執(zhí)行器的指令更需要一定的時(shí)間，也就決定了系統(tǒng)中被控對(duì)象非線性、大時(shí)滯的特點(diǎn)，這種情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，會(huì)影響鍋爐的熱效率，降低能量轉(zhuǎn)化率，也達(dá)不到預(yù)期的運(yùn)行結(jié)果。據(jù)分析，主汽溫度每升高5%C，熱經(jīng)濟(jì)性將提升1%，而汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部的蒸汽溫度增大，甚至帶水，這種現(xiàn)象將嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行指導(dǎo)，其熱效率可提高0.5%~3%，降低的煤耗是0.75~1.5g/kWh，2臺(tái)60萬(wàn)機(jī)組一年可節(jié)約1.34萬(wàn)~2.67萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，并且還可以實(shí)現(xiàn)自啟停，縮短啟停時(shí)間[4]。由此可見，我們需要尋找一種智能控制策略來(lái)進(jìn)行改善，這對(duì)于電力系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和環(huán)境的保護(hù)都具有正面且積極的作用。1.2研究現(xiàn)狀最近幾年之內(nèi)，智能技術(shù)領(lǐng)域，包括模糊PID控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模糊預(yù)測(cè)控制，遺傳算法控制等等在內(nèi)的各種技術(shù)的研究都取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。這些智能控制方法各有優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)，但在研究電站鍋爐蒸汽溫度控制的問(wèn)題上都顯示出了其不同的意義。1.2.1模糊PID控制的研究模糊這個(gè)概念于1962年，由美國(guó)學(xué)者L.A.Zadeh教授最先提出[5]。文獻(xiàn)[6]中，為了更便捷的實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線整定，在傳統(tǒng)的PID基礎(chǔ)上，此文以模糊理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了模糊自適應(yīng)PID控制器，此控制器融合了兩種控制理論各自的優(yōu)點(diǎn)，也彌補(bǔ)了兩種控制理論上彼此的不足，在電站鍋爐這種具有非線性，時(shí)變性特點(diǎn)的系統(tǒng)控制上展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在前者基礎(chǔ)上選取了一種新的方法，傳統(tǒng)的串級(jí)PID溫度控制系統(tǒng)中存在著慣性大和延遲時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，此文在原本的串級(jí)PID控制器前面加上一個(gè)模糊控制器。此模糊控制器選用二維輸入和三維輸出，即輸入信號(hào)是是測(cè)量值與期望值之間的偏差和對(duì)此偏差求導(dǎo)后得出的偏差變化率。按照這種方法設(shè)計(jì)出的控制器成為主汽溫自適應(yīng)模糊PID控制器，可以對(duì)輸出的三個(gè)參數(shù)都進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制的不足。文獻(xiàn)[7]所采用的思路和方法與文獻(xiàn)[6]大致相同，也是根據(jù)模糊控制理論知識(shí)建立模糊PID控制模型，但是其講述了在不同的工況下,如何利用自適應(yīng)性對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這種辦法使控制過(guò)程更加的智能便捷。1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展后，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的技術(shù)水平，可以對(duì)具有時(shí)變、非線性的被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)有效的控制。在文獻(xiàn)[8]中，為了克服隨著鍋爐系統(tǒng)工況的不同，機(jī)理模型參數(shù)也會(huì)隨工況變化而變化這樣現(xiàn)象，提出了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主汽溫控制系統(tǒng)模型的辨識(shí)。系統(tǒng)可同時(shí)識(shí)別建模中隱含層節(jié)點(diǎn)，基函數(shù)和隱層輸出值的屬性，實(shí)現(xiàn)途徑是將改進(jìn)的混合學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到訓(xùn)練過(guò)程中，再用MATLAB軟件作進(jìn)一步的仿真分析，總結(jié)分析了辨識(shí)結(jié)果的特性。在前者的研究基礎(chǔ)上，對(duì)比普遍出現(xiàn)在常規(guī)PID控制結(jié)果中自適應(yīng)效果不強(qiáng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID整定控制器，對(duì)比兩個(gè)仿真曲線，得出控制結(jié)論。其余還有一些學(xué)者的文章研究?jī)?nèi)容與上述文章基本一致，都是將粒子群優(yōu)化算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)相結(jié)合為一種新的控制方式，并應(yīng)用鍋爐主蒸汽溫度控制中，顯示出了成果。1.2.3模糊預(yù)測(cè)控制的研究模糊控制的方法具有傳統(tǒng)控制方法所缺乏的優(yōu)點(diǎn)，火電廠的組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都十分復(fù)雜，在各種因素的干擾下，我們難以對(duì)被控對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)時(shí)候，模糊越策控制展現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到較好的控制結(jié)果。有的學(xué)者已經(jīng)將模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用到了串級(jí)控制系統(tǒng)中，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制來(lái)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并且采用遞推算法來(lái)達(dá)到降低在線計(jì)算量的目的，提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性,可以較好的解決鍋爐主蒸汽溫度此被控對(duì)象具有非線性、大延遲性等問(wèn)題。雖然能達(dá)到優(yōu)秀的效果，但是也存在著信息丟失的問(wèn)題。有研究在預(yù)測(cè)控制的算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制器，對(duì)己知的主蒸汽溫度模型進(jìn)行控制與仿真，得出預(yù)測(cè)控制對(duì)改善主蒸汽溫度控制有一定的效果的結(jié)論，另外一種所采用的方法是將滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)與模型預(yù)測(cè)控制結(jié)合在一起，并形成最小-最大優(yōu)化。在每個(gè)采樣時(shí)刻，優(yōu)化準(zhǔn)則在擾動(dòng)序列的最壞情況估計(jì)上最大，在最優(yōu)控制序列上通過(guò)原始-對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法估計(jì)最小。通過(guò)此種控制方式，可以提高控制器在約束擾動(dòng)下的魯棒性。1.2.4遺傳算法控制的研究遺傳算法的本質(zhì)是根據(jù)遺傳學(xué)理論構(gòu)造計(jì)算機(jī)算法，對(duì)被編碼的參數(shù)全體進(jìn)行搜索和優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]中，對(duì)于變負(fù)荷下的超(超)臨界機(jī)組的主蒸汽溫度控制問(wèn)，文中提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法(GA)的自校正控制策略。自校正算法最早于1958年被首次提出，多應(yīng)用于解決蒸汽動(dòng)力裝置主蒸汽壓力控制系統(tǒng)的問(wèn)題【10】。這篇文章采用遺傳算法。用此算法先對(duì)被控對(duì)象的模型參數(shù)進(jìn)行編程，同時(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)的，達(dá)不到現(xiàn)今控制要求的遺傳算子和初始化理論，以最小方差率為主要參數(shù)，構(gòu)造出控制器，并結(jié)合遺傳算法設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制器。實(shí)際生產(chǎn)中的仿真結(jié)果顯示，前文提出的控制辦法可以滿足變負(fù)荷下的主蒸汽溫度控制需求。反應(yīng)時(shí)間更短，抗干擾能力更強(qiáng)。1.2.5其它文獻(xiàn)[11]所采用的方法是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相融合，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)一套優(yōu)化系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以幫助燃煤鍋爐系統(tǒng)實(shí)行更加高效率的運(yùn)行，同時(shí)優(yōu)化后的系統(tǒng)也可是實(shí)現(xiàn)更低的排放指標(biāo)。此系統(tǒng)是根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法兩種技術(shù)，首先需要建立出符合鍋爐運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)模型，在C#中利用遺傳算法編寫設(shè)計(jì)了控制程序，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)值時(shí)的給煤和鼓風(fēng)輸入值是由遺傳優(yōu)化算法求得的，將輸出結(jié)果選座最優(yōu)化解，以此為根據(jù)控制鍋爐在燃燒過(guò)程中的控制參數(shù)來(lái)達(dá)到控制目的，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化程度與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之間額數(shù)據(jù)交換，可以通過(guò)調(diào)用MATLAB引擎庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)上述操作，結(jié)果成功使鍋爐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[12]則是分析了控制權(quán)矩陣以及優(yōu)化時(shí)域等對(duì)控制效果的影響，通過(guò)實(shí)際的例子對(duì)PID控制器和DMC控制器進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)相較于PID控制器，DMC控制器能表現(xiàn)出更優(yōu)秀的穩(wěn)定性和魯棒性，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)火電廠主汽溫系統(tǒng)的高品質(zhì)控制。文獻(xiàn)[13]中設(shè)計(jì)了一種基于ANFIS-PID的控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)、處理和執(zhí)行的能力，可以有效降低主蒸汽溫度運(yùn)行時(shí)控制的不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14]提出了一種雙單內(nèi)環(huán)智能串級(jí)控制方法，其中主控制器采用內(nèi)?？刂品绞剑鶕?jù)過(guò)熱器末級(jí)出口的主蒸汽溫度測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差，經(jīng)過(guò)智能PID在線修正控制參數(shù)。1.3 研究主要內(nèi)容本文的研究背景是300MW火力發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)，針對(duì)其在生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出的大時(shí)滯，非線性等復(fù)雜特點(diǎn)，對(duì)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)對(duì)象建立模型，分別設(shè)計(jì)PID控制器和模糊自適應(yīng)PID控制器，并仿真和分析。本文研究?jī)?nèi)容如下所述:第一章為緒論部分，明確當(dāng)今火電廠在當(dāng)今社會(huì)依舊是不可或缺的，分析敘述了本文可以研究的背景及意義，點(diǎn)出主蒸汽溫度在生產(chǎn)過(guò)程中控制困難的幾點(diǎn)原因以及幾種大熱智能控制技術(shù)在本課題領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。第二章闡述主蒸汽溫度控制的意義和必要性，介紹了鍋爐主蒸汽溫度的靜態(tài)特性及在幾種不同情況擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，并介紹了現(xiàn)今生產(chǎn)中主蒸汽溫度控制采取的方案，即串級(jí)PID控制的方案。第三章首先介紹了PID控制的基本原理和參數(shù)整定相關(guān)方面的理論知識(shí)，在此基礎(chǔ)上引出模糊控制理論，從模糊控制論的基本原理入手，介紹了模糊控制的基本概念，講明了模糊控制器的工作原理，控制流程，詳細(xì)分析了如何設(shè)計(jì)出模糊PID控制器。第四章的內(nèi)容主要是對(duì)來(lái)兩種控制器進(jìn)行仿真分析。利用simulink工具箱搭建模型，包括串級(jí)PID控制系統(tǒng)和模糊PID控制器，進(jìn)行仿真。

第二章主蒸汽溫度控制系統(tǒng)分析2.1主蒸汽溫度控制的必要性主蒸汽溫度即鍋爐系統(tǒng)中過(guò)熱器出口被加熱過(guò)后形成的過(guò)熱蒸汽的溫度。鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程大致如下：運(yùn)輸來(lái)的原煤先由磨煤機(jī)磨成煤粉，由空氣預(yù)熱器預(yù)熱過(guò)的熱空氣吹進(jìn)爐膛進(jìn)行燃燒反應(yīng)。接下來(lái)的一種情形是燃燒形成的煙氣沿著煙道流動(dòng)，流經(jīng)位于爐膛出口水平煙道中的對(duì)流過(guò)熱器，過(guò)熱器中由鍋爐加熱過(guò)的飽和蒸汽會(huì)吸收煙氣的對(duì)流熱，二次加熱得到過(guò)熱蒸汽。另一種情形是流經(jīng)布置在爐膛四周的墻上或爐頂?shù)妮椛涫竭^(guò)熱器，此時(shí)過(guò)熱器通過(guò)吸收爐膛的輻射熱來(lái)進(jìn)行加熱，達(dá)到形成過(guò)熱蒸汽的目的。由過(guò)熱器出口出來(lái)的過(guò)熱蒸汽會(huì)沿著主蒸汽管路進(jìn)入汽輪機(jī)中做功，推動(dòng)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使過(guò)熱蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這也是火電廠能量三次轉(zhuǎn)換中至關(guān)重要的一環(huán)，所以，主蒸汽的溫度對(duì)汽輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用，換言之，主蒸汽溫度對(duì)鍋爐的熱效率高低起著至關(guān)重要的作用。主蒸汽溫度降低會(huì)使機(jī)組的熱效率下降，汽耗率上升。研究表明，主蒸汽溫度每下降5-10℃，就會(huì)降低約1％的熱循環(huán)效率[14]。為了保證電廠生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到較高的熱效率，避免造成燃料的浪費(fèi)，我們需要在生產(chǎn)過(guò)程中時(shí)刻對(duì)主蒸汽溫度這一重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。將飽和蒸汽加熱成為飽和蒸汽的設(shè)備叫做過(guò)熱器，這種設(shè)備工作的環(huán)境一般是高溫?zé)煔飧咚倭鲃?dòng)的煙氣管道或者是有燃料高溫燃燒的爐膛四周，工作環(huán)境溫度甚至可達(dá)1000℃，為了保證過(guò)熱器能在如此高溫的條件下正常工作，對(duì)其材料的選擇就變得十分苛刻。實(shí)際應(yīng)用中，我們一般選用高溫合金材料，如合金鋼等，還會(huì)在上面涂裝防腐材料，來(lái)延長(zhǎng)使用年限，解約經(jīng)濟(jì)成本。經(jīng)過(guò)研究，材料的極限溫度和其熔點(diǎn)的高低成正比，高溫合金材料具有熔點(diǎn)高的特點(diǎn)，使用此材料制成的過(guò)熱器對(duì)環(huán)境溫度的要求就更為寬松。雖然如此，但過(guò)熱器依舊有可以承受的極限溫度，若是溫度過(guò)高或過(guò)低依舊會(huì)對(duì)其造成影響。當(dāng)主蒸汽溫度高于極限溫度時(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，氧化腐蝕的趨勢(shì)也相應(yīng)增大[13]，造成汽機(jī)蒸汽管道、閥門、分離器等部件功能的破壞，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全可靠性。主蒸汽溫度過(guò)低嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽機(jī)末級(jí)端的蒸汽濕度變大甚至帶水，腐蝕葉片造成機(jī)械性能下降。同時(shí)，溫度若是在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生疲勞，使系統(tǒng)可靠性降低。由此可見，為了保證生產(chǎn)過(guò)程中的可靠性，保證系統(tǒng)和工人的安全，對(duì)主蒸汽溫度的控制也必不可少。綜上所述，鍋爐主蒸汽溫度必須在實(shí)際過(guò)程的出現(xiàn)各種擾動(dòng)的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和控制，其控制的目標(biāo)就是將輔助集熱裝置(過(guò)熱器)出口的蒸汽溫度控制在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)[15]。目前，噴水減溫的措施在諸多一般大型工業(yè)生產(chǎn)中都被廣泛應(yīng)用，也都表現(xiàn)出了不錯(cuò)的控制結(jié)果。實(shí)施此措施的具體操作是在過(guò)熱器出口安裝噴水減溫器，噴水減溫器會(huì)通過(guò)控制指令噴出具有過(guò)冷度的減溫水，對(duì)過(guò)熱器降溫。想實(shí)現(xiàn)主蒸汽溫度控制，需對(duì)噴書減溫器下達(dá)控制指令，但由于管道過(guò)長(zhǎng)，閥門較多，控制會(huì)表現(xiàn)出一定的滯后性，越是裝機(jī)容量大的機(jī)組這種特性也就越明顯。而且，主蒸汽溫度的設(shè)計(jì)值和裝機(jī)容量成正比，不同的裝機(jī)容量對(duì)主蒸汽溫度的設(shè)計(jì)值需求也不同。一般亞臨界鍋爐在540°C左右。超臨界鍋爐在560~570%C左右。超超臨界鍋爐在600℃左右。而主蒸汽溫度控制的一般規(guī)定為，短期內(nèi)溫度與給定值相差不大于+10°C，長(zhǎng)期內(nèi)相差不大于±5°C。允許的溫度偏差是設(shè)計(jì)值的幾十分之一，對(duì)控制系統(tǒng)精確度的要求很高。2.2主蒸汽溫度對(duì)象在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，存在著多種可能對(duì)主蒸汽溫度造成影響的因素，要想對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行控制，不僅需要了解其自身的靜態(tài)特性，也需要對(duì)其在各種不同擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性就進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。2.2.1主蒸汽溫度靜態(tài)特性主蒸汽溫度靜態(tài)特性指的是汽溫與鍋爐負(fù)荷變化之間相互影響關(guān)系[16](只研究?jī)蓚€(gè)穩(wěn)定工況之間的區(qū)別)。鍋爐負(fù)荷改變會(huì)造成煙道中煙氣的溫度上升，流速加快，造成對(duì)流熱增加，而爐膛的溫度出現(xiàn)上升，直接影響就是輻射熱減少。這兩種現(xiàn)象會(huì)對(duì)應(yīng)影響對(duì)流式過(guò)熱器和輻射過(guò)熱器的吸熱，從而影響主蒸汽溫度。圖2-1氣溫靜態(tài)特性分析圖過(guò)熱器的分類方式多種多樣，方式多種多樣，可以根據(jù)管子的布置方式，排列方式等進(jìn)行分類，也可以根據(jù)其原理，位置，結(jié)構(gòu)的不同而分為對(duì)流式和輻射式兩種。不同類型的過(guò)熱器在負(fù)荷擾動(dòng)下，主蒸汽溫度的靜態(tài)特性也會(huì)產(chǎn)生不同的變化，具體情況如圖2.1所示，此文主要討論的是對(duì)流式過(guò)熱器。立式安裝的對(duì)流式過(guò)熱器一般安裝在鍋爐出口的水平煙道中，具有安裝簡(jiǎn)單，不容易積灰的優(yōu)點(diǎn)，尾部豎井的煙道則是普遍采用臥式安裝，雖然容易積灰不好清理，但是有利于排出水分。在討論主蒸汽溫度問(wèn)題時(shí)，研究目標(biāo)是水平煙道中的過(guò)熱器。由于燃燒產(chǎn)生的煙氣中蘊(yùn)含著極大的熱能，過(guò)熱器的工作環(huán)境溫度可高達(dá)450~1000℃，此時(shí)，過(guò)熱器主要依靠對(duì)流傳熱的方式吸收熱量，即熱量由煙氣這一流體中傳入過(guò)熱器管壁這一固體壁面。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐的燃燒反應(yīng)愈發(fā)劇烈，產(chǎn)生的煙氣溫度升高，對(duì)流熱增加，蒸汽流經(jīng)過(guò)熱器出口時(shí)吸收到更多的熱量，溫度也隨之增加。所以，對(duì)流式過(guò)熱器的出口的汽溫和鍋爐負(fù)荷成正比增加，靜態(tài)特性曲線是一條上升趨勢(shì)的弧線。而輻射式過(guò)熱器的靜態(tài)特性與對(duì)流式類型是一條下降的弧線，原因和輻射式過(guò)熱器的安裝位置和工作原理有關(guān)。輻射式過(guò)熱器在工作時(shí)靠吸爐膛的輻射熱來(lái)加熱蒸汽，一般安裝的爐膛四周的墻上或是爐頂。鍋爐負(fù)荷增加時(shí)時(shí)爐膛溫度也隨之增加，溫差降低，導(dǎo)致輻射熱減少，過(guò)熱器吸收熱量隨之減少，主蒸汽溫度上升速度變慢，和對(duì)流式過(guò)熱器的靜態(tài)特性正好相反。2.2.2主蒸汽溫度動(dòng)態(tài)特性鍋爐的動(dòng)態(tài)特性指的是汽溫與影響汽溫變化的因素之間的相互關(guān)系[17]研究從一個(gè)穩(wěn)定的工況到另一個(gè)穩(wěn)定工況的過(guò)渡特性)。也就是在系統(tǒng)受到干擾時(shí)，系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生不同程度的偏移，但是由于系統(tǒng)具有一定的自平衡能力，會(huì)控制系統(tǒng)逐漸恢復(fù)平衡狀態(tài)，系統(tǒng)在這個(gè)變化過(guò)程中，主蒸汽溫度隨著系統(tǒng)參數(shù)變化而產(chǎn)生的變化就稱為其動(dòng)態(tài)特性。實(shí)際生產(chǎn)中，存在多種影響主蒸汽溫度的因素，如控制系統(tǒng)的失誤，管道閥門的泄露等都會(huì)客觀的造成影響，但主要干擾的來(lái)源可以根據(jù)主蒸汽流經(jīng)的路線分為三種，即蒸汽側(cè)負(fù)荷的擾動(dòng)，煙氣側(cè)的擾動(dòng)和減溫水側(cè)的擾動(dòng)。為了描述鍋爐主蒸汽溫度在擾動(dòng)下的大慣性、大延遲等特性，可以用τ、T、K來(lái)描述。傳遞函數(shù)可表示為:其中，t表示延遲，T表示時(shí)間常數(shù)，K表示放大系數(shù)。

（1）主蒸汽溫度在負(fù)荷側(cè)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

蒸汽側(cè)的擾動(dòng)主要是鍋爐負(fù)荷變化引起，鍋爐的負(fù)荷改變會(huì)引起蒸汽流量的改變，蒸汽流量改變會(huì)直接改變過(guò)熱器從煙氣中所能吸收到的對(duì)流熱。對(duì)流傳熱的過(guò)程十分迅速，而影響對(duì)流傳熱的重要因素是流體的速度，所以當(dāng)鍋爐負(fù)荷改變會(huì)快速改變主蒸汽溫度。例如，機(jī)組負(fù)荷增大，燃煤量增加時(shí)，煙氣的流量迅速增加，和對(duì)熱器之間的對(duì)流換熱迅速且高效，導(dǎo)致主蒸汽溫度迅速上升。特性曲線如圖2.2所示。圖2-2蒸氣負(fù)荷擾動(dòng)下氣溫響應(yīng)曲線（2）主蒸汽溫度在煙氣側(cè)擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)特性在煙氣側(cè)擾動(dòng)下的干擾因素會(huì)受到系統(tǒng)本身工藝的影響，比如過(guò)熱器的蛇形管結(jié)渣會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，煙道過(guò)寬導(dǎo)致受熱器表面蛇形管的受熱不均，管道泄露也會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度下降，濃度變低，除此之外，燃煤反應(yīng)中原料的變化，燃燒器噴嘴的傾角等也會(huì)對(duì)影響主蒸汽溫度。因?yàn)闊熕俸推麥貛缀跏茄卣麄€(gè)過(guò)熱器水平方向同時(shí)發(fā)生改變的，因此導(dǎo)致整個(gè)管道側(cè)煙氣傳遞的熱量迅速發(fā)生改變[18]，因此汽溫的變化和蒸汽側(cè)的擾動(dòng)特性類似，都發(fā)生的十分迅速，也正是因?yàn)檫@一特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)采取這兩種控制手段。動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2.3所示。圖2-3煙氣側(cè)擾動(dòng)下汽溫特性曲線（3）主蒸汽溫度在減溫水側(cè)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性現(xiàn)今的火電廠大多數(shù)采用噴水減溫的方式來(lái)控制過(guò)熱器出口的主蒸汽溫度，即向過(guò)熱蒸汽噴灑不同流量和溫度的霧化冷卻水，溫度較低的霧化冷卻水會(huì)和高溫的主蒸汽融合在一起，從而降低蒸汽整體的溫度。噴灑的減溫水會(huì)直接混合在主蒸汽里，所以對(duì)水質(zhì)的很高。除了水質(zhì)的影響，減溫器噴出的冷卻水溫度和流量也會(huì)影響蒸汽溫度，在主汽溫串級(jí)PID控制系統(tǒng)里，噴水減溫器一般安裝在兩級(jí)過(guò)熱器之間，也就是減溫水出口處的主蒸汽溫度是下一級(jí)過(guò)熱器的輸入，而末級(jí)過(guò)熱器出口的主蒸汽溫度會(huì)反饋到前一級(jí)過(guò)熱器的入口，所以，過(guò)熱器入口的溫度會(huì)被影響。由于過(guò)熱器為了增大受熱面一般采用蛇形管結(jié)構(gòu)，其管道就會(huì)很長(zhǎng)，溫度信號(hào)傳遞所需要的時(shí)間也隨之增加，所以汽溫曲線變化不是很快。如圖2.4所示。圖2-4減溫水側(cè)繞定下汽溫特性曲線據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)一般高、中壓鍋爐系統(tǒng)，當(dāng)煙氣側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)汽溫的延遲時(shí)間τ≈10~20s，時(shí)間常數(shù)T<100s。而當(dāng)減溫水側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，τ≈30~60s，T≈100s。由上述分析比較可得出結(jié)論，在蒸汽側(cè)負(fù)荷和煙氣側(cè)擾動(dòng)下系統(tǒng)的反應(yīng)較為敏感，汽溫能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變。而減溫側(cè)的擾動(dòng)發(fā)生后汽溫會(huì)換變化的相對(duì)更為緩慢。為了縮短系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)擾動(dòng)發(fā)生后作出反應(yīng)的時(shí)間，使主汽溫的變化處在合理范圍內(nèi)，參數(shù)τ、T和t/T越小越好。控制方法是很重要的。從理論上說(shuō)，雖然選擇從煙氣側(cè)改變參數(shù)的方法比較好，但是實(shí)際操作卻不容易實(shí)現(xiàn)。目前，安裝噴水減溫器來(lái)進(jìn)行控制的方式在大型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中較為常見。2.3串級(jí)PID控制方案鍋爐系統(tǒng)是電廠中除汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之外最重要的設(shè)備之一，具有大慣性，大遲延等特點(diǎn)，主蒸汽溫度這一參數(shù)在鍋爐系統(tǒng)中具有十分重要的意義，可以直接影響鍋爐運(yùn)行結(jié)果的質(zhì)量。但是要想對(duì)其進(jìn)行精確控制十分困難，主要原因如下：難點(diǎn)其一，鍋爐主蒸汽溫度具有大的延遲特性，且機(jī)組容量的增大，延遲性會(huì)變得更為明顯，當(dāng)延遲增加至某一臨界，就會(huì)使反饋?zhàn)饔寐綗o(wú)法對(duì)被控對(duì)象及時(shí)調(diào)節(jié)。難點(diǎn)其二，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，用戶的要求不斷改變，為了適應(yīng)這一變化，運(yùn)行工況亦會(huì)隨之變化，負(fù)荷的變化，給水流量的改變，溫度的改變，調(diào)節(jié)器角度的變化都會(huì)改變主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的輸入。難點(diǎn)其三，鍋爐主蒸汽溫度的工藝流程復(fù)雜，涉及到工質(zhì)如冷卻水，過(guò)熱蒸汽等的循環(huán)利用，需進(jìn)行控制的物理量眾多，且系統(tǒng)之間環(huán)環(huán)相扣，其干擾因素牽一發(fā)而動(dòng)全身，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。學(xué)者們目前通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)分析總結(jié)出每種控制方法各自的特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)和不足，但總的來(lái)說(shuō)，不論采用何種手段，只能盡量減弱影響，不能完全消除。目前在電廠中被廣泛應(yīng)的PID控制器選用了串級(jí)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)圖如2.5所示。

圖2-5汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)噴水減溫器通常布置在前后兩級(jí)過(guò)熱器之間，經(jīng)過(guò)噴水減溫器后額主蒸汽溫度會(huì)作為反饋信號(hào)傳遞到執(zhí)行器，控制減溫水調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到更精確的控制。但是現(xiàn)場(chǎng)中由于噴水減溫器與過(guò)熱器之間安裝時(shí)鋪設(shè)的管道較長(zhǎng)，兩者距離較遠(yuǎn)，且過(guò)熱器的管壁是合金材料，對(duì)溫度的感知會(huì)由于熱容原因存在一定延遲，假設(shè)系統(tǒng)依靠單回路進(jìn)行控制，也就是單純將主汽溫θ作為主信號(hào)而不采用噴水器出口的溫度作為信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，過(guò)熱器出口的主蒸汽溫度會(huì)作為反饋信號(hào)直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制閥門的開度，這才控制上十分粗糙。故此，我們采用增加中間溫度作為導(dǎo)前信號(hào)的方式，使其形成串級(jí)控制系統(tǒng)，克服副回路由中間變量反映出來(lái)的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)副調(diào)節(jié)器能快速做出反應(yīng)相互抵消，例如減溫水、過(guò)熱器出口的擾動(dòng)。在選擇中間變量時(shí)，一般選擇那些動(dòng)作快速、幅度大、較頻繁的擾動(dòng)。由電廠的工作流程可知，液態(tài)水在汽包中被加熱成飽和蒸汽，蒸汽流出后首先經(jīng)過(guò)前級(jí)加熱器的加熱，前級(jí)過(guò)熱器出口的蒸汽溫度由噴水減溫器噴出的具有一定過(guò)冷度的霧化冷來(lái)控制，這就是串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路。副回路的調(diào)節(jié)克服了系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)因素對(duì)前級(jí)過(guò)熱器出口溫度的影響，同時(shí)還對(duì)主回路的控制器起到了粗調(diào)的效果，故此，更加利于實(shí)現(xiàn)主蒸汽溫度的精確控制?？刂葡到y(tǒng)方框圖如圖2.6所示。圖2-6等效串級(jí)控制方框圖在此控制系統(tǒng)中，串級(jí)回路中兩個(gè)回路構(gòu)成:

①副回路：被控對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)，溫度變送器、副調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。

②主回路：被控對(duì)象的惰性區(qū)、溫度變送器、主調(diào)節(jié)器，以及副回路。

在此控制方案下，選取的導(dǎo)前汽溫信號(hào)對(duì)噴水減溫器的變化感知靈敏度比主汽溫信號(hào)更高。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)導(dǎo)前氣溫信號(hào)及時(shí)將傳遞信號(hào)送到副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的信號(hào)作用到閥門，控制其開度改變減溫水流量，消除其對(duì)主汽溫影響。這個(gè)環(huán)節(jié)可以大致將主蒸汽溫度調(diào)整到一定的范圍，也就是粗調(diào)。實(shí)際中通常選用P或PD控制器。而在主回路中，主調(diào)節(jié)器對(duì)主汽溫信號(hào)夫人控制主要是校正和細(xì)調(diào)。當(dāng)主汽溫信號(hào)偏離值較小時(shí)，主調(diào)節(jié)器對(duì)副調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，接收到信號(hào)的負(fù)調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制噴水減溫設(shè)備，達(dá)到恢復(fù)主蒸汽溫度的目的，也就是通過(guò)細(xì)調(diào)精準(zhǔn)的控制汽溫。實(shí)際中通常選用PI或PID控制器。在上述的串級(jí)PID控制系統(tǒng)中，主、副回路中組成部分分工明確，可以簡(jiǎn)單的對(duì)參數(shù)進(jìn)行控制，系統(tǒng)在簡(jiǎn)單，便于操作的基礎(chǔ)上還具有很高的控制品質(zhì)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

第三章主蒸汽溫度控制器3.1串級(jí)PID控制器3.1.1PID控制理論P(yáng)ID控制是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的一種控制。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)PID控制器的處理后，發(fā)生變化的系統(tǒng)的輸出值會(huì)通過(guò)反饋回路，與設(shè)定值形成一定偏差，控制器接收到此信號(hào)之后會(huì)開始調(diào)節(jié)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，令偏差減小。PID控制器的原理是將輸入值與輸入值的偏差經(jīng)由比例、微分和積分環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)輸入量進(jìn)行控制的目的?？刂圃砣鐖D3.1所示。圖3-1PID控制原理圖圖中r(t)為系統(tǒng)預(yù)期設(shè)定輸入，y(t)為系統(tǒng)實(shí)際輸出值，e(t)表示y(t)與r(t)之間的偏差。三者關(guān)系可表示為(3-1)：(3-1)設(shè)Kp是比例系數(shù)，Ki是積分系數(shù)，Kd是微分系數(shù)。PID的控制規(guī)律表達(dá)式為(3-2)：(3-2)對(duì)式(3-2)做拉氏變換，得到其傳遞函數(shù)表達(dá)式為(3-3)：(3-3)式中，u(t)表示PID控制器輸出，Kp是比例系數(shù)，Td是積分時(shí)間常數(shù)系數(shù)，Ti是微分時(shí)間常數(shù)。3.1.2PID控制器參數(shù)可以根據(jù)資料總結(jié)出PID控制器中各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)與控制特點(diǎn)的表格，如表3-1所示。表3-1PID控制參數(shù)與控制結(jié)果關(guān)系表參數(shù)上升時(shí)間超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差KP↑增加減小略微變化增加KI↓增加減小縮短減小KD↓略微變化增加延長(zhǎng)幾乎不變(1)比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)可以同時(shí)減小被控量的穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)處理后的偏差和比例系數(shù)Kp之間成正比關(guān)系。也就是若是想使比例控制環(huán)節(jié)的作用加強(qiáng)，即令調(diào)節(jié)時(shí)間變短，準(zhǔn)確度增高，可以通過(guò)增加比例系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是比例系數(shù)在增大的同時(shí)也會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)各種負(fù)面影響，如動(dòng)態(tài)特性曲線的震蕩加劇，周期和衰減比縮短，超調(diào)量變大等，極容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。若是系統(tǒng)的反應(yīng)十分靈敏，也可以通過(guò)增大比例系數(shù)的辦法使其變得更加穩(wěn)定。如果系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定的過(guò)程中只有比例環(huán)節(jié)作用，那么穩(wěn)定是容易存在較大的余差。比例環(huán)節(jié)無(wú)法徹底消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，也被稱為有差控制。積分環(huán)節(jié)積分控制比起比例控制的特點(diǎn)是幾乎可以消除運(yùn)行中出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的控制性能增加，但是相對(duì)應(yīng)的，也會(huì)降低系統(tǒng)的靈敏度，具體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量這兩個(gè)物理量的增加。經(jīng)過(guò)積分環(huán)節(jié)處理后的偏差和Ki成反比關(guān)系。即若是想增大積分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響，只要調(diào)整參數(shù)使Ki降低。此時(shí)，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間也隨之縮短，但是Ki的數(shù)值過(guò)小的話，積分環(huán)節(jié)對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的削弱效果也會(huì)減弱，導(dǎo)致過(guò)渡時(shí)間增加，影響調(diào)節(jié)過(guò)程的準(zhǔn)確性。由于積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，也被稱為無(wú)差調(diào)節(jié)。微分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)可以同時(shí)控制靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)主要控制靜態(tài)誤差相比，微分環(huán)節(jié)主要作用于優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方面。微分環(huán)節(jié)不能直接控制誤差的大小，但是可以通過(guò)抑制誤差的出現(xiàn)和變化來(lái)使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。微分環(huán)節(jié)其實(shí)是一種通過(guò)對(duì)偏差的預(yù)測(cè)后進(jìn)行的超前調(diào)節(jié)。若是微分系數(shù)Kd過(guò)大，則容易造成系統(tǒng)在還沒(méi)來(lái)得及到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后就停止運(yùn)行，會(huì)對(duì)控制造成影響，所以微分系數(shù)的數(shù)值不宜過(guò)大，但也不能過(guò)小，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致控制效果過(guò)弱，影響穩(wěn)定性。3.3模糊自適應(yīng)PID控制器3.3.1模糊控制理論模糊一詞可以用來(lái)形容一些邊界不清晰的，或者難以辨認(rèn)的事物或狀態(tài)。我們所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)一般是精確的，基于準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的，可生活中，往往是由非線性的，具有模糊這一性質(zhì)的事物組成我們所在的這個(gè)復(fù)雜的世界。如臨床上某疾病的病因，如海水的潮汐，這些變化都有一定規(guī)律可尋，但是這種規(guī)律卻是復(fù)雜無(wú)序的，無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)解釋，隨著火電廠機(jī)組負(fù)荷的增加，各種回路和設(shè)備也隨之增加，逐漸形成了一個(gè)小型的復(fù)雜世界，每一個(gè)參數(shù)的改變背后其干擾因素也具有上述特點(diǎn)，此時(shí)，舊的控制理論就顯示出了它的局限性。當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增大時(shí)，其精確能力降低到低于某一臨界時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)兼顧控制的精確性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。為了使系統(tǒng)保持高的工作效率，我們可以嘗試?yán)脭?shù)學(xué)模型的辦法，對(duì)具有模糊特性的事物進(jìn)行一些粗淺的處理，在眾多無(wú)序的參數(shù)中尋找到規(guī)律，利用模糊語(yǔ)言構(gòu)成的控制規(guī)則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，眾多學(xué)者就是抱著這種心情，提出了模糊控制理論的概念。模糊控制(FuzzyControl)的本質(zhì)是一種數(shù)字計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，從創(chuàng)立至今，一直被各學(xué)者不斷的完善，至今已經(jīng)形成了一個(gè)完整的理論。其理論的三塊重要基石是模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理。1974年，英國(guó)的E.H.Mamdani最先將模糊控制語(yǔ)句應(yīng)用到模糊控制器上，并利用兩者相結(jié)合設(shè)計(jì)出的模糊控制器在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下對(duì)鍋爐和蒸汽機(jī)進(jìn)行了控制，取得了一定的成果這次試驗(yàn)具有十分重大的意義，標(biāo)志著模糊控制論的誕生。但是追根溯源，其實(shí)模糊集合論這一概念最早于1965年就被提出過(guò)，是美國(guó)的L.A.Zadeh創(chuàng)立該理論并不斷的補(bǔ)充中，且于1973年公布模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理，是英國(guó)學(xué)者馬達(dá)尼做上述研究的基礎(chǔ)。模糊控制是近些年發(fā)展大熱的智能技術(shù)的一個(gè)分支，不同于傳統(tǒng)的控制，智能控制在具有非線性特點(diǎn)的系統(tǒng)控制中顯示出了優(yōu)勢(shì)，如遺傳算法控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制等都具有這種特點(diǎn)。但模糊控制不同于其他的智能控制方法，它有足夠的理論支撐，并且在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)方面也有一定的實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)。3.3.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)及原理(1)結(jié)構(gòu)模糊控制器由四個(gè)部分組成其基本結(jié)構(gòu)，各個(gè)部分之間的聯(lián)系如圖3-2所示：圖3-2模糊控制器各組成部分間聯(lián)系圖由上圖可知，模糊控制器的四個(gè)組成部分各有分工，每一個(gè)部分都有不同的功能，具體入下表所示：表3-2模糊控制器各組成部分功能表模糊化選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的模糊量。知識(shí)庫(kù)根據(jù)人類專家的經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫(kù)，將實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡到模糊控制器。模糊推理實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的推理決策。清晰化主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。(2)原理模糊控制器的基本原理如圖3-2所示。圖3-2模糊控制器基本原理圖由上方基本原理圖可以清晰的看出，模糊控制器內(nèi)部其實(shí)是由幾個(gè)不同的功能模塊構(gòu)成，實(shí)際運(yùn)行中，控制過(guò)程中的判斷需要根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行，對(duì)控制過(guò)程的控制則是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行編程的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。以一維模糊控制控制器為例，其控制過(guò)程可以總結(jié)為以下幾個(gè)步驟：首先，模糊控制器的輸入量e是個(gè)數(shù)字量，經(jīng)是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即A/D轉(zhuǎn)換器輸出得到的，A/D轉(zhuǎn)化器的輸入是一個(gè)精確的模擬量E，此數(shù)值是系統(tǒng)誤差，需先由現(xiàn)場(chǎng)變送器中傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元采樣，得到采樣數(shù)值之后與給定值進(jìn)行比較得到。之后，輸入量系統(tǒng)誤差e進(jìn)入模糊控制器后，需先通過(guò)模糊運(yùn)算進(jìn)行模糊化，確定適當(dāng)?shù)恼撚蚍秶?，將精確的物理量值轉(zhuǎn)化為模糊變量，用模糊結(jié)合的形式來(lái)表示。按照設(shè)定模糊控制規(guī)則R進(jìn)行選擇，輸出模糊控制量u。此時(shí)的u為模糊量，實(shí)際控制中無(wú)法直接使用，故此需進(jìn)行去模糊化處理，需要令u通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量信號(hào)可以直接輸入到執(zhí)行結(jié)構(gòu)上，達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的目的。3.3.3模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，將近90%的控制系統(tǒng)都采用傳統(tǒng)PID控制，但是這個(gè)現(xiàn)象并不會(huì)一成不變，包括模糊系統(tǒng)在內(nèi)的智能控制系統(tǒng)正在逐步發(fā)展，可以預(yù)見的是，在未來(lái)的被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，多邊的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，智能控制替代傳統(tǒng)PID控制后，可以使目前系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差，精度不足，震蕩幅度大等問(wèn)題得到更加妥善的解決。伴隨著模糊控制理論的廣泛深入應(yīng)用，我們對(duì)模糊控制器各種特質(zhì)，如結(jié)構(gòu)、控制方法、算法設(shè)計(jì)等的要求也將逐步提高，以滿足系統(tǒng)控制性能和控制品質(zhì)的更優(yōu)化。模糊控制器的輸入輸出可以是靈活多變的，在主蒸汽控制系統(tǒng)中，一般選定系統(tǒng)的誤差和對(duì)誤差求導(dǎo)后的結(jié)果做輸入量，輸出量是PID控制器的三個(gè)參數(shù)，所以本文討論的是兩個(gè)輸入量和三個(gè)輸出量的模糊自適應(yīng)PID控制器。雙輸入三輸出模糊自適應(yīng)PID控制器的原理方框圖如3.7所示:圖3-3模糊PID控制器原理圖模糊自適應(yīng)PID控制根據(jù)模糊理論知識(shí)設(shè)置自適應(yīng)系統(tǒng)，并根據(jù)被控對(duì)象系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的模糊信息、模糊規(guī)則等參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)輸入采樣時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入制定的規(guī)則執(zhí)行模糊推理來(lái)計(jì)算輸出，并實(shí)時(shí)在線調(diào)整PID控制參數(shù)。上述圖片描述的模糊控制器的工作流如下：通過(guò)對(duì)變送器取樣獲得了被檢測(cè)變量的測(cè)量值，通過(guò)將實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較獲得了系統(tǒng)誤差值e，通過(guò)求導(dǎo)的方式獲得系統(tǒng)誤差值的變化率ec，e和ec被選擇作為模糊控制器的輸入值，輸入?yún)?shù)被模糊運(yùn)算轉(zhuǎn)換成模糊數(shù)。E、EC和相應(yīng)的模糊R控制規(guī)則會(huì)根據(jù)系統(tǒng)使用的控制算法中的合成規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)行模糊判斷邏輯。與用人類經(jīng)驗(yàn)設(shè)定或計(jì)算方法設(shè)定傳統(tǒng)PID參數(shù)相比，模糊自適應(yīng)PID根據(jù)模糊理論知識(shí)設(shè)定自適應(yīng)系統(tǒng)，并給出模糊控制器的控制量U，即將調(diào)整后的修改量分別加入預(yù)先設(shè)定的PID控制器的原始Kp、Ki、Kd值中，得到可以滿足控制各種要求的控制量，最后在u上進(jìn)行反模糊運(yùn)算，最后得到精確的u控制量。在滿足被控對(duì)象基本控制的要求下，模糊自適應(yīng)PID控制器表現(xiàn)出更好的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性。3.3.4模糊PID控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程1.模糊控制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般選定系統(tǒng)的誤差和對(duì)誤差求導(dǎo)后的結(jié)果做輸入量，輸出量是PID控制器的三個(gè)參數(shù)，所以本文討論的是兩個(gè)輸入量和三個(gè)輸出量的模糊自適應(yīng)PID控制器。本文選擇雙輸入，即系統(tǒng)誤差和對(duì)誤差求導(dǎo)后的兩個(gè)信號(hào)作為輸入，和三輸出，即調(diào)節(jié)后的PID控制器參數(shù)，Kp，Ki，Kd三個(gè)數(shù)值作為輸出。2.隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)語(yǔ)言變量和模糊集合之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，語(yǔ)言值的數(shù)量對(duì)應(yīng)于子集的數(shù)量。子集的數(shù)量直接決定系統(tǒng)控制器的控制質(zhì)量。子集過(guò)少會(huì)導(dǎo)致變量值粗糙，控制的精度會(huì)降低。反之，子集語(yǔ)言值過(guò)多會(huì)使變量的值更詳細(xì)，但也會(huì)同時(shí)使模糊的規(guī)則和控制表數(shù)量變多，計(jì)算量也就越大。目前對(duì)輸入狀態(tài)變量和輸出狀態(tài)變量采用三級(jí)對(duì)稱劃分的方法被證實(shí)可以在控制中平衡計(jì)算量和控制精度的矛盾性。具體途徑是將七個(gè)詞匯的語(yǔ)言變量進(jìn)行組合，將語(yǔ)言值表示為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}或者{NB，NM，NS，Z，PS,PM，PB}的形式。在確定了范圍之后，必須確定適當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù)，以便使范圍內(nèi)的獨(dú)立變量和語(yǔ)言變量有機(jī)的聯(lián)系在一起，而后進(jìn)行模糊的處理，最終以模糊子集的形式表達(dá)出來(lái)。本文中選擇的隸屬函數(shù)為三角形隸屬度函數(shù)，公式如下：3.量化因子與比例因子的設(shè)計(jì)總體來(lái)說(shuō)，蒸汽溫度的主控制系統(tǒng)是模糊的，模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)依據(jù)是：誤差e稍有變化時(shí)，參數(shù)也須調(diào)整，使系統(tǒng)能夠消除中斷，快速抑制誤差的發(fā)生；當(dāng)ec誤差變化率的相對(duì)誤差e很小或很小時(shí)，需要調(diào)整參數(shù)，使系統(tǒng)能夠快速解決誤差。在錯(cuò)誤率e和錯(cuò)誤率ec較低的情況下，也需調(diào)整設(shè)置以保持系統(tǒng)性能穩(wěn)定。量化因子(ke，kec)和比例因子(ku)對(duì)系統(tǒng)的影響如下表：表3-3量化因子和比例因子參數(shù)對(duì)系統(tǒng)影響影響ke參數(shù)ke增大，控制系統(tǒng)的靜差減小。同時(shí)，ke越大，響應(yīng)曲線的上升速度增快，調(diào)節(jié)的死區(qū)變小。當(dāng)ke大到一定程度時(shí)，控制過(guò)程的超調(diào)增大，造成調(diào)節(jié)過(guò)程的延長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐上到y(tǒng)產(chǎn)生震蕩。但當(dāng)ke小到一定程度時(shí)，可能會(huì)造成收斂速度的減慢，調(diào)節(jié)過(guò)程中惰性加大，響應(yīng)曲線的上升變慢，造成系統(tǒng)精度大幅度降低。kec參數(shù)kec增大，控制過(guò)程的靜差減小，對(duì)抑制超調(diào)量有明顯的作用。同時(shí)，當(dāng)kec越大，控制過(guò)程的響應(yīng)越遲鈍，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中所需的時(shí)間變短。當(dāng)kec越小，控制過(guò)程的響應(yīng)越靈敏，上升速率也會(huì)加快，且小到一定程度時(shí)可能會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生震蕩，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。ku參數(shù)ku的影響類似于系統(tǒng)中的比例增益，當(dāng)ku越大時(shí)，響應(yīng)速率越快,超調(diào)量增大，響應(yīng)曲線上升速度減小。但ku過(guò)大，會(huì)造成系統(tǒng)的嚴(yán)重震蕩。但ku過(guò)小，會(huì)造成收斂速度過(guò)慢。ku是在控制過(guò)程中影響最大的一個(gè)參數(shù)，它不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但影響著整個(gè)過(guò)程控制的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)上述表格中內(nèi)容可以清晰的看出，量化因子與比例因子參數(shù)間接的影響著復(fù)雜系統(tǒng)的控制效果，十分重要，實(shí)際仿真中需要謹(jǐn)慎選擇。4.模糊規(guī)則表的建立在計(jì)算機(jī)的模糊規(guī)則編輯器中，是利用模糊控制語(yǔ)言用格式為“if..then...”的模糊條件語(yǔ)句來(lái)編程的，具體可表示為：由于輸出的參數(shù)是kp,ki,kd三個(gè)參數(shù)，所以可列出三張具有49條模糊規(guī)則的表格，如表表3-4kp的模糊規(guī)則表eecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3-5ki的模糊規(guī)則表eecNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSNSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表3-6kd的模糊規(guī)則表eecNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB在模糊規(guī)則控制器中，可根據(jù)上表進(jìn)行模糊規(guī)則的編寫，得到三個(gè)參數(shù)的三維變化規(guī)則圖。5.模糊推理和去模糊化本文選取瑪達(dá)尼極大極小推理方法，即模糊蘊(yùn)含取小，模糊規(guī)則取大，再取重心精確化過(guò)程得出結(jié)論。在上述的規(guī)則中，設(shè)論域e，ec，u的模糊子集分別為Ea,，ECb，U(a+b)，采用最小運(yùn)算法則，即模糊關(guān)系為RC=E×EC，在根據(jù)選取的推理方式，得出輸出參數(shù)的模糊子集U=(E0×EC0)°RC，在非模糊化后得出的結(jié)果即為u的修正值。本文采取重心法為清晰化方法，設(shè)輸出參數(shù)的模糊子集為U，即得出清晰量，其他量的公式為：，。

第四章主蒸汽溫度控