專利名稱：一種鍋爐過熱汽溫模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱工過程自動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及對(duì)鍋爐過熱汽溫進(jìn)行模糊控制的技術(shù)。

背景技術(shù)：
鍋爐過熱汽溫對(duì)象具有較明顯的慣性、時(shí)滯性和非線性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性隨運(yùn)行工況的變化而改變，其精確的數(shù)學(xué)模型難以建立。
目前，鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)多采用PID串級(jí)控制方式。這種PID串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。其主要不足在于，由于PID參數(shù)嚴(yán)重依賴于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)過熱汽溫對(duì)象的運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，PID串級(jí)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)難以保證。
為了改善過熱汽溫控制系統(tǒng)的控制性能，一些研究者將模糊控制方法引入到過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)之中，以基本的二維模糊控制器作為主控制器，與副控制器(通常采用P控制器或PI控制器)構(gòu)成模糊串級(jí)控制系統(tǒng)。模糊串級(jí)控制系統(tǒng)能夠在一定程度上提高汽溫控制系統(tǒng)的性能。由于此類模糊串級(jí)控制系統(tǒng)中的副控制器仍然采用線性控制器(P控制器或PI控制器)，當(dāng)控制對(duì)象特性發(fā)生明顯變動(dòng)后，系統(tǒng)的控制性能同樣將明顯惡化。此外，在設(shè)計(jì)此類模糊串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，與設(shè)計(jì)前述的PID串級(jí)控制系統(tǒng)一樣，仍然需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，為克服現(xiàn)有的鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制方法和模糊串級(jí)控制方法所存在的不足，提供一種具有較強(qiáng)自適應(yīng)能力和魯棒性能、不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型的鍋爐過熱汽溫模糊控制方法。
為實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供這樣一種鍋爐過熱汽溫模糊控制方法，該控制方法包括如下步驟 ①根據(jù)過熱器出口蒸汽溫度ts、過熱器導(dǎo)前區(qū)出口蒸汽溫度tf以及過熱器出口蒸汽壓力ps，確定靜態(tài)增益系數(shù)kf； kf＝Cp(ts，ps)/Cp(tf，ps) (1)， 其中，Cp(ts，ps)代表溫度為ts、壓力為ps的過熱蒸汽的定壓比熱容，Cp(tf，ps)代表溫度為tf、壓力為ps的過熱蒸汽的定壓比熱容；進(jìn)而根據(jù)靜態(tài)增益系數(shù)kf和過熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0 yf0＝kfys0 (2)； ②建立過熱器出口溫度模糊控制器FCs，根據(jù)過熱器出口溫度信號(hào)ys與熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0的偏差es及該偏差的變化率ecs，通過模糊推理得到過熱器出口溫度控制分量us；建立過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf，根據(jù)過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)yf與過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0的偏差ef及該偏差的變化率ecf，通過模糊推理得到過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf； ③根據(jù)鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，利用下式估算過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子β β＝β0exp[-b(1-D/D0)] (5)， 其中，D0為鍋爐在額定負(fù)荷下的過熱器出口蒸汽流量，D為鍋爐在當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷下的過熱器出口蒸汽流量，β0為在額定負(fù)荷下選用的過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子，0＜β0＜1；b為一個(gè)選用的常系數(shù)，且b＞0； 以1-β作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf的加權(quán)因子； ④按下式對(duì)過熱器出口溫度控制分量us和過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf進(jìn)行加權(quán)綜合，得到控制量u； u＝βus+(1-β)uf(6)。
與現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制方法和模糊串級(jí)控制方法相比，本發(fā)明具有如下有益效果 1)本發(fā)明通過兩個(gè)獨(dú)立的二維模糊控制器，根據(jù)過熱器出口溫度信息以及過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信息進(jìn)行模糊推理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制分量，并通過兩個(gè)控制分量的加權(quán)綜合產(chǎn)生控制量；控制規(guī)則由專家和操作人員的經(jīng)驗(yàn)確定，控制器的設(shè)計(jì)不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性； 2)本發(fā)明依據(jù)熱力系統(tǒng)能量守恒原理，建立了一種估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度目標(biāo)值的方法，保證了前述的鍋爐過熱汽溫模糊控制方法的穩(wěn)態(tài)控制精度； 3)本發(fā)明通過控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析，提出了一種根據(jù)鍋爐負(fù)荷的變化在線調(diào)整控制分量加權(quán)因子的方法，提高了所述控制方法的自適應(yīng)能力。



圖1為與本發(fā)明方法對(duì)應(yīng)的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖3為鍋爐過熱汽溫模糊串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖4為100％負(fù)荷時(shí)過熱蒸汽溫度控制過程響應(yīng)特性比較； 圖5為75％負(fù)荷時(shí)過熱蒸汽溫度控制過程響應(yīng)特性比較； 圖6為50％負(fù)荷時(shí)過熱蒸汽溫度控制過程響應(yīng)特性比較。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
一種鍋爐過熱汽溫模糊控制方法(參考圖1)，該控制方法包括如下步驟 ①根據(jù)過熱器出口蒸汽溫度ts、過熱器導(dǎo)前區(qū)出口蒸汽溫度tf以及過熱器出口蒸汽壓力ps，確定靜態(tài)增益系數(shù)kf kf＝Cp(ts，ps)/Cp(tf，ps) (1)， 其中，Cp(ts，ps)代表溫度為ts、壓力為ps的過熱蒸汽的定壓比熱容，Cp(tf，ps)代表溫度為tf、壓力為ps的過熱蒸汽的定壓比熱容；進(jìn)而根據(jù)靜態(tài)增益系數(shù)kf和過熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0 yf0＝kfys0 (2)； ②建立過熱器出口溫度模糊控制器FCs，根據(jù)過熱器出口溫度信號(hào)ys與熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0的偏差es及該偏差的變化率ecs，通過模糊推理得到過熱器出口溫度控制分量us；建立過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf，根據(jù)過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)yf與過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0的偏差ef及該偏差的變化率ecf，通過模糊推理得到過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf； 所述偏差es及該偏差的變化率ecs按下式確定 所述偏差ef及該偏差的變化率ecf按下式確定 式(3)和(4)中，t為時(shí)間，d/dt為關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)； 所述過熱器出口溫度模糊控制器FCs和過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf的各輸入、輸出變量的模糊子集分別取為 Es＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} ECs＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} Ef＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} ECf＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} Us＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} Uf＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} 其中，Es和ECs分別代表作為過熱器出口溫度模糊控制器FCs輸入變量的偏差es和該偏差的變化率ecs的模糊子集；Ef和ECf分別代表作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf輸入變量的偏差ef和該偏差的變化率ecf的模糊子集；Us代表作為過熱器出口溫度模糊控制器FCs輸出變量的控制分量us的模糊子集；Uf代表作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf輸出變量的控制分量uf的模糊子集； FCs和FCf的模糊推理按表1所示的模糊控制規(guī)則進(jìn)行 表1 FCs和FCf的模糊控制規(guī)則
所述控制分量us的和控制分量uf根據(jù)最大隸屬度原則確定。
③根據(jù)鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，利用下式估算過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子β β＝β0exp[-b(1-D/D0)] (5)， 其中，D0為鍋爐在額定負(fù)荷下的過熱器出口蒸汽流量，D為鍋爐在當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷下的過熱器出口蒸汽流量，β0為在額定負(fù)荷下選用的過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子，0＜β0＜1；b為一個(gè)選用的常系數(shù)，且b＞0； 以1-β作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf的加權(quán)因子； ④按下式對(duì)過熱器出口溫度控制分量us和過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf進(jìn)行加權(quán)綜合，得到控制量u u＝βus+(1-β)uf(6)。
下面通過具體實(shí)例，對(duì)鍋爐過熱蒸汽溫度模糊控制方法作進(jìn)一步說明，以驗(yàn)證本發(fā)明方法的優(yōu)越性。
控制對(duì)象為某臺(tái)600MW超臨界壓力鍋爐高溫過熱器。該高溫過熱器在不同負(fù)荷時(shí)的傳遞函數(shù)模型如表2所示。模型的輸入為減溫器噴水流量的變化(kg/s)，輸出分別為導(dǎo)前區(qū)出口蒸汽溫度和過熱器出口蒸汽溫度的變化(℃)。
表2 過熱汽溫對(duì)象模型
采用本發(fā)明所述的鍋爐過熱汽溫模糊控制方法，對(duì)該過熱汽溫對(duì)象的控制過程進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，并與PID串級(jí)控制方法以及模糊串級(jí)控制方法的控制結(jié)果進(jìn)行了比較。
作為比較的鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示，主控制器為PID控制器，副控制器為P控制器；這兩個(gè)控制器均按100％負(fù)荷模型整定，最佳整定參數(shù)為主控制器比例帶δ2＝0.83，主控制器積分時(shí)間常數(shù)Ti＝94.8s，主控制器微分時(shí)間常數(shù)Td＝23.7s；副控制器比例帶δ1＝0.04。
作為比較的模糊串級(jí)控制系統(tǒng)如圖3所示。在該模糊串級(jí)控制系統(tǒng)中，由二維模糊控制器替代PID串級(jí)控制系統(tǒng)的主控制器；該二維模糊控制器的模糊控制規(guī)則與FCs和FCf相同(見表1)；副控制器仍采用PID串級(jí)控制系統(tǒng)中的P控制器。
該超臨界壓力鍋爐的過熱器出口蒸汽溫度的設(shè)計(jì)值為541℃，過熱器導(dǎo)前區(qū)出口蒸汽溫度的設(shè)計(jì)值為488℃；鍋爐采用復(fù)合式變壓運(yùn)行方式，在不同負(fù)荷下過熱器出口蒸汽流量D和過熱器出口蒸汽壓力ps見表3。
表3 不同負(fù)荷下過熱器出口蒸汽流量和壓力
首先，根據(jù)前述的步驟①，利用設(shè)計(jì)工況下的參數(shù)由式(1)估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0的靜態(tài)增益系數(shù)kf；在控制過程中，則根據(jù)實(shí)際的過熱器出口蒸汽溫度ts、過熱器導(dǎo)前區(qū)出口蒸汽溫度tf以及過熱器出口蒸汽壓力ps，按式(1)在線計(jì)算該靜態(tài)增益系數(shù)kf，并按式(2)估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0；其次，按前述的步驟②建立兩個(gè)獨(dú)立的二維模糊控制器FCs和FCf，并按表1確定二維模糊控制器FCs和FCf的模糊控制規(guī)則；進(jìn)一步按式(5)估算過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子β，在驗(yàn)證例中，取前述的β0＝0.75及b＝3.6；最后，按前述的步驟④，通過式(6)對(duì)過熱器出口溫度控制分量us和過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf進(jìn)行加權(quán)綜合，產(chǎn)生控制量u。
當(dāng)過熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0單位階躍增加時(shí)，依據(jù)本發(fā)明方法產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度控制過程的響應(yīng)特性見圖4～圖6中的曲線3。
作為比較，在圖4～圖6中還同時(shí)給出了采用PID串級(jí)控制方法時(shí)控制過程的響應(yīng)特性(參見圖4～圖6中的曲線1)，以及采用模糊串級(jí)控制方法時(shí)控制過程的響應(yīng)特性(參見圖4～圖6中的曲線2)。
由圖4～圖6中給出的過熱蒸汽溫度控制過程的響應(yīng)特性可見，當(dāng)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生明顯變化時(shí)，PID串級(jí)控制方法和模糊串級(jí)控制方法的控制效果明顯惡化，而本發(fā)明所提供的過熱汽溫模糊控制方法仍然具有良好的控制效果。
該試驗(yàn)驗(yàn)證例表明，與現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制方法和模糊串級(jí)控制方法相比，本發(fā)明所提供的過熱汽溫模糊控制方法具有更好的自適應(yīng)能力和魯棒性。
權(quán)利要求
1.一種鍋爐過熱汽溫模糊控制方法，其特征在于，包括如下步驟
①根據(jù)過熱器出口蒸汽溫度ts、過熱器導(dǎo)前區(qū)出口蒸汽溫度tf以及過熱器出口蒸汽壓力ps，確定靜態(tài)增益系數(shù)kf
kf＝Cp(ts，ps)/Cp(tf，ps) (1)，
其中，Cp(ts，ps)代表溫度為ts、壓力為ps的過熱蒸汽的定壓比熱容，Cp(tf，ps)代表溫度為tf、壓力為ps的過熱蒸汽的定壓比熱容；進(jìn)而根據(jù)靜態(tài)增益系數(shù)kf和過熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0
yf0＝kfys0 (2)；
②建立過熱器出口溫度模糊控制器FCs，根據(jù)過熱器出口溫度信號(hào)ys與熱器出口溫度信號(hào)目標(biāo)值ys0的偏差es及該偏差的變化率ecs，通過模糊推理得到過熱器出口溫度控制分量us；建立過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf，根據(jù)過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)yf與過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信號(hào)目標(biāo)值yf0的偏差ef及該偏差的變化率ecf，通過模糊推理得到過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf；
③根據(jù)鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，利用下式估算過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子β
β＝β0exp[-b(1-D/D0)] (5)，
其中，D0為鍋爐在額定負(fù)荷下的過熱器出口蒸汽流量，D為鍋爐在當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷下的過熱器出口蒸汽流量，β0為在額定負(fù)荷下選用的過熱器出口溫度控制分量us的加權(quán)因子，0＜β0＜1；b為一個(gè)選用的常系數(shù)，且b＞0；
以1-β作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf的加權(quán)因子；
④按下式對(duì)過熱器出口溫度控制分量us和過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度控制分量uf進(jìn)行加權(quán)綜合，得到控制量u
u＝βus+(1-β)uf (6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍋爐過熱汽溫模糊控制方法，其特征在于，在步驟②中，所述偏差es及偏差變化率ecs按下式確定
所述偏差ef及偏差變化率ecf按下式確定
式(3)和(4)中，t為時(shí)間，d/dt為關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；
所述過熱器出口溫度模糊控制器FCs和過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf的各輸入、輸出變量的模糊子集分別取為
Es＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}ECs＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}
Ef＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}ECf＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}
Us＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}Uf＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}
其中，Es和ECs分別代表作為過熱器出口溫度模糊控制器FCs輸入變量的偏差es和該偏差的變化率ecs的模糊子集；Ef和ECf分別代表作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf輸入變量的偏差ef和該偏差的變化率ecf的模糊子集；Us代表作為過熱器出口溫度模糊控制器FCs輸出變量的控制分量us的模糊子集；Uf代表作為過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf輸出變量的控制分量uf的模糊子集；
所述過熱器出口溫度模糊控制器FCs(過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度模糊控制器FCf)的模糊推理按下表所示的模糊控制規(guī)則進(jìn)行
所述控制分量us和控制分量uf根據(jù)最大隸屬度原則確定。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制方法和模糊串級(jí)控制方法所存在的不足，提供了一種鍋爐過熱汽溫模糊控制方法；該方法建立了一種估算過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度目標(biāo)值的方法，通過兩個(gè)獨(dú)立的二維模糊控制器，根據(jù)過熱器出口溫度信息以及過熱器導(dǎo)前區(qū)出口溫度信息進(jìn)行模糊推理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制分量，并通過兩個(gè)控制分量的加權(quán)綜合產(chǎn)生控制量；并且提出了一種根據(jù)鍋爐負(fù)荷的變化在線調(diào)整控制分量加權(quán)因子的方法。與現(xiàn)有技術(shù)中的鍋爐過熱汽溫PID串級(jí)控制方法和模糊串級(jí)控制方法相比，本發(fā)明所提供的鍋爐過熱汽溫模糊控制方法具有更好的自適應(yīng)能力和魯棒性。
文檔編號(hào)F22G5/00GK101761917SQ20101004203
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者陳紅, 王廣軍, 劉翠花 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)