畢業(yè)論文：分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究（終稿）

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論文)題目 分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究院 系自動(dòng)化系專(zhuān)業(yè)班級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)xxxx班學(xué)生姓名xxx指導(dǎo)教師于希寧二一年六月華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究中文摘要 隨著我國(guó)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的高參數(shù)大容量機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)。從發(fā)展趨勢(shì)看, 600mw 及以上等級(jí)的火電機(jī)組已成為大電網(wǎng)的主力機(jī)組。同時(shí)大容量機(jī)組的不斷增加和電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化程度的日益提高，對(duì)火電廠機(jī)組的控制品質(zhì)提出了更高的要求。主蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行中的主要參數(shù),它的高低直接影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。鍋爐主汽溫控制有非線性和時(shí)變性。其大延時(shí)和大慣性的特點(diǎn)使其一直以來(lái)都成為火

2、電廠自動(dòng)控制的難點(diǎn)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，針對(duì)分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，組成及工作原理進(jìn)行分析，提出一種適合大遲延對(duì)象的并能在實(shí)際中得到應(yīng)用的控制策略后，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究其動(dòng)態(tài)特性與魯棒性。 關(guān)鍵字：過(guò)熱器，分段控制，串級(jí)控制，過(guò)熱汽溫，控制策略 steam temperature cascade control sub-system performance analysis and simulationabstractwith chinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-paramete

3、r units have put into production. from the development trend, above 600 mw unit will become a main unit of the power grids in the future. with the increasing of the large-capacity unit and the increasing degree of automation of the scheduling grid, it is a higher demand to the quality control of the

4、 thermal power plant unit. supercritical generating units is the development of large-capacity generating units in china will also become the main force units. the main steam temperature is the main parameters in the boiler operation, which affect the safe and stable operation of boiler directly. th

5、e control of main steam temperature in the boiler is nonlinear and time variability. it is very difficult to control for the large delay and the inertia of its characteristics. in this paper, we focused on the characteristics, composition, and the principles analysis of main steam temperature contro

6、l system and and propose a control strategy that fits the largedelay control ststem and can be applied in practice.then ,we must conduct the simulation and dynamic performance analysis.keywords: superheater，segment control，cascade control，superheated steam temperature，control strategyii華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（

7、論文）目 錄中文摘要iabstractii第一章 緒論31.1 電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況31.2 課題內(nèi)容和背景31.2.1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程31.2.2 直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程41.2.3 過(guò)熱器的分段控制策略41.2.4 過(guò)熱汽溫控制的意義及控制難點(diǎn)41.2.5 串級(jí)控制策略51.3 本文的研究?jī)?nèi)容6第二章 主汽溫?zé)崃ο到y(tǒng)及控制策略分析72.1 直流爐與汽包爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別72.2 過(guò)熱器的工藝流程72.3 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性82.4 過(guò)熱汽溫的分段控制策略92.5 主汽溫控制的任務(wù)分配102.6 串級(jí)控制系統(tǒng)的概述112.7 串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)13第三章 主汽溫控制

8、策略153.1 概述153.2 模糊控制論163.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其與模糊控制的結(jié)合173.4 smith預(yù)估器18第四章 分段串級(jí)控制系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)194.1 過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)sama圖194.2 過(guò)熱汽溫控制連鎖邏輯214.2.1 一級(jí)減溫噴水控制邏輯224.2.2 二級(jí)減溫水噴水控制邏輯23第五章 分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)245.1 調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定法245.2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型245.3 主汽溫控制系統(tǒng)simulink仿真及性能分析255.3.1 主汽溫控制系統(tǒng)simulink組態(tài)圖255.3.2 主汽溫控制系統(tǒng)在設(shè)定值擾動(dòng)下的仿真255.3.3 主汽溫控制系統(tǒng)在減溫水?dāng)_動(dòng)下

9、的仿真265.3.4主汽溫控制系統(tǒng)魯棒性測(cè)試275.4 一級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的simulink仿真及性能分析275.4.1一級(jí)汽溫控制系統(tǒng)simulink組態(tài)圖275.4.2 一級(jí)汽溫在設(shè)定值擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線285.4.3 一級(jí)汽溫在減溫水?dāng)_動(dòng)下的響應(yīng)曲線285.4.4 一級(jí)汽溫控制系統(tǒng)魯棒性測(cè)試29第六章 總結(jié)30參考文獻(xiàn)31致 謝32華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況電力行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，是人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和生活必不可少的重要產(chǎn)業(yè)。在我國(guó)各大電力系統(tǒng)中，主力機(jī)組的單機(jī)容量已有300mw過(guò)渡到600mw，并繼續(xù)到1000mw邁進(jìn)。隨著單機(jī)容量的增大，初蒸

10、汽參數(shù)也向高壓、超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界壓力逐步過(guò)渡。超臨界機(jī)組是我國(guó)近期發(fā)展起來(lái)的大容量機(jī)組，并逐漸將成為國(guó)家電力行業(yè)的主力機(jī)組。就目前看來(lái)，我國(guó)發(fā)電還是主要以火力發(fā)電為主，由于我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量還較為豐富，所以火力發(fā)電廠主要還是燃煤電廠，而考慮到煤炭、石油、天然氣等資源的有限性和不可再生性以及我國(guó)水利資源的可觀性，我國(guó)這幾年正在大力發(fā)展水電站。除此以外，核電事業(yè)的發(fā)展也取得了很好的成績(jī)，如新建的三門(mén)核電站、福清核電站等。這標(biāo)志著我國(guó)的發(fā)電模式逐漸向環(huán)保、節(jié)能、高效、多元、安全、低耗、環(huán)保、調(diào)度靈活的電力系統(tǒng)目標(biāo)發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，截至2009年底，全國(guó)發(fā)電設(shè)備容量87407萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)

11、10.23%。其中，水電19679萬(wàn)千瓦，占總?cè)萘?2.51%，同比增長(zhǎng)14.01%；火電65205萬(wàn)千瓦，占總?cè)萘?4.60%，同比增長(zhǎng)8.16%。水電占總?cè)萘勘戎厣仙?.74個(gè)百分點(diǎn)，而火電占比則減少1.45個(gè)百分點(diǎn)。從上可知，在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，火電機(jī)組仍是發(fā)電的主力?；痣姀S日漸朝著大機(jī)組大容量的方向發(fā)展，這樣可以提高熱效率，每千瓦的建設(shè)投資和發(fā)電成本也會(huì)降低。目前，我國(guó)發(fā)電主要是向600wm、1000wm機(jī)組的目標(biāo)邁進(jìn)。由于超臨界和超超臨界機(jī)組可以調(diào)高煤炭利用率、降低環(huán)境污染、提高經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組是必然趨勢(shì)。1.2 課題內(nèi)容和背景 1.2.1 汽包爐主汽溫

12、控制系統(tǒng)的工藝流程汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)是由汽包，水冷壁，減溫器和過(guò)熱器串聯(lián)而成。其工藝流程可以從圖1-1中看出。主汽溫控制系統(tǒng)采用分段控制策略，具體內(nèi)容可見(jiàn)1.2.4。汽包爐主汽溫調(diào)節(jié)可以分為a、b兩側(cè)，蒸汽經(jīng)過(guò)a、b兩側(cè)過(guò)熱器后進(jìn)入聯(lián)合混熱箱，最后通過(guò)蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)。通過(guò)a、b兩側(cè)一級(jí)減溫器噴水注入過(guò)熱器來(lái)調(diào)節(jié)a、b兩側(cè)一級(jí)過(guò)熱器的出口蒸汽溫度，通過(guò)a、b兩側(cè)二級(jí)減溫器的噴水流量來(lái)控制主蒸汽溫度。 圖1-1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程圖 1.2.2 直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程 直流鍋爐沒(méi)有汽包，只有汽水分離器。直流鍋爐是依靠給水泵一次性的將通過(guò)省煤器預(yù)熱、水冷壁蒸發(fā)、過(guò)熱器各受

13、熱面而變成過(guò)熱蒸汽。其工藝流程可以從圖1-2中可以看出。直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)和汽包鍋爐一樣，采用分段控制、通過(guò)調(diào)節(jié)a、b兩側(cè)噴水流量調(diào)節(jié)蒸汽溫度。 圖1-2 直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖1.2.3 過(guò)熱器的分段控制策略 過(guò)熱器一般會(huì)分為低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器。過(guò)熱器采用兩級(jí)噴水減溫，一級(jí)噴水減溫器通常布置在屏式過(guò)熱器之前，且分布在過(guò)熱器的中間位置。二級(jí)噴水減溫器通常布置在高溫過(guò)熱器之前，同樣安裝在過(guò)熱器的中間位置。一級(jí)減溫器的作用是使屏式過(guò)熱器出口溫度維持在設(shè)定值，以保護(hù)屏式過(guò)熱器管壁不超溫，同時(shí)配合高溫過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)的工作。二級(jí)噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，

14、并保持末級(jí)過(guò)熱器不超溫。過(guò)熱器每級(jí)噴水減溫系統(tǒng)均有兩只減溫器，每只減溫器均分a、b兩側(cè)。對(duì)于a、b兩側(cè)來(lái)說(shuō)，由于其出口均有獨(dú)立的溫度測(cè)點(diǎn)，且溫度的設(shè)定值可以相互獨(dú)立，所以其控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為兩套獨(dú)立的汽溫控制策略。1.2.4 過(guò)熱汽溫控制的意義及控制難點(diǎn) 過(guò)熱汽溫控制對(duì)于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著非常重要的意義，但同時(shí)也是最難控制的的系統(tǒng)之一，其控制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：1）過(guò)熱汽溫的干擾因素很多，例如負(fù)荷，減溫水量等。2）在各種擾動(dòng)量的干擾下汽溫對(duì)象具有非線性、時(shí)變等特性，使控制難度加大。3）汽溫對(duì)象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)，尤其是隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過(guò)熱受熱面的比例加大，使其

15、遲延和慣性進(jìn)一步加大，增大了控制難度。但同時(shí)過(guò)熱汽溫控制對(duì)于機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著相當(dāng)重要的作用，主要有以下幾個(gè)方面：1） 過(guò)熱汽溫過(guò)高會(huì)使蒸汽管道金屬和鍋爐受熱面的蠕變加快，影響使用壽命。當(dāng)超溫嚴(yán)重的時(shí)候，將會(huì)使材料強(qiáng)度急劇下降從而導(dǎo)致管道破裂。過(guò)熱汽溫過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的汽缸、汽門(mén)、前幾級(jí)噴嘴和葉片的機(jī)械強(qiáng)度下降，導(dǎo)致使用壽命降低和設(shè)備損壞。2） 汽溫過(guò)低，將會(huì)影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)汽溫低的時(shí)候機(jī)組熱效率降低，煤耗增大。另外，汽溫降低會(huì)使汽輪機(jī)尾部的蒸汽濕度增大，影響汽輪機(jī)內(nèi)部的熱效率，使汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片的侵蝕加劇。此外，汽溫降低會(huì)使汽輪機(jī)所受的軸向推力增大，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行很不利。3）

16、主汽溫變化過(guò)大，除使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)汽缸的轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行?？傊^(guò)熱汽溫是火電機(jī)組的主要參數(shù)。由于過(guò)熱器是在高溫、高壓環(huán)境下工作，過(guò)熱器出口汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處，工藝上允許的汽溫變化又很小，汽溫對(duì)象特性呈非線性，影響汽溫變化的干擾因素多等，這些都使得汽溫控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因此正確選擇控制汽溫的手段及控制策略是非常重要的。1.2.5 串級(jí)控制策略 過(guò)熱汽溫控制對(duì)象具有大遲延大慣性的特質(zhì)，簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制要求。目前大型機(jī)組多數(shù)采用串級(jí)控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.3所示。 圖1-3

17、串級(jí)控制系統(tǒng)原理框圖 從圖中可以看出，串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱(chēng)為副環(huán)或副回路，在控制過(guò)程中起著“粗調(diào)”的作用，一個(gè)環(huán)在外面，成為主環(huán)或者主回路，用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”的任務(wù)，最終能夠保證被調(diào)量滿足工藝要求。 串級(jí)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，主要原因有以下三個(gè)原因：1）對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；2）改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；3）對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。由于串級(jí)控制系統(tǒng)的良好控制性能，所以在過(guò)熱汽溫控制中得到了廣泛的應(yīng)用。在基本擾動(dòng)下，主汽溫反映有著較大的遲延，而減溫器出口溫度有著明顯的導(dǎo)前作用，因此可以構(gòu)

18、成以減溫器出口溫度為副參數(shù)，過(guò)熱器出口溫度為主參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)，具體如圖1-4所示。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路時(shí)（如減溫水溫度發(fā)生擾動(dòng)），由于有副回路的存在，并且導(dǎo)前區(qū)的慣性小，副調(diào)節(jié)器能夠快速反應(yīng)，消除擾動(dòng)，從而使主汽溫不必發(fā)生較大變化。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路之外時(shí)，引起主汽溫偏離設(shè)定值，這時(shí)主調(diào)節(jié)器改變其輸出信號(hào)，通過(guò)副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)減溫水流量，使主汽溫恢復(fù)設(shè)定值。 圖1-4 過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng) 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容1)了解主汽溫控制現(xiàn)狀，主汽溫控制系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)及其控制對(duì)象的特性,對(duì)各種控制策略都要有大概的了解，并選定自己要做的控制策略。2)對(duì)分段串級(jí)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用做出分析。 3)了解各種整定

19、方法，建立汽溫控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 4）在文獻(xiàn)中找到符合自己需要的數(shù)學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)一級(jí)與二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，并進(jìn)行參數(shù)整定。5) 對(duì)一級(jí)與二級(jí)汽溫控制系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，熟悉參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)性能并進(jìn)行魯棒性測(cè)試。第二章 主汽溫?zé)崃ο到y(tǒng)及控制策略分析2.1 直流爐與汽包爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別汽包爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器，汽包，下降管，水冷壁，過(guò)熱器和再熱器組成。在汽水系統(tǒng)中,鍋爐的給水由給水泵打出,先經(jīng)過(guò)高壓加熱器,再經(jīng)過(guò)省煤器吸收一部分煙氣中的余熱后進(jìn)入汽包.汽包中的水在水冷壁中進(jìn)行自然或強(qiáng)制循環(huán),不斷地吸收爐膛輻射熱量,由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出,再經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)

20、熱器進(jìn)一步加熱成過(guò)熱蒸汽。這個(gè)具有一定壓力和溫度的過(guò)熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品.高壓汽輪機(jī)接受從鍋爐供給的過(guò)熱蒸汽，其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而生成電能。從高壓汽輪機(jī)排出的蒸汽，其溫度、壓力都降低了，為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱器中再次加熱，然后再進(jìn)入中、低壓汽輪機(jī)做功，最后成為乏汽從低壓汽輪機(jī)尾部排入冷凝器凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水與補(bǔ)充水一起經(jīng)凝結(jié)水泵先打到低壓加熱器，然后進(jìn)入除氧器，除氧后進(jìn)入給水泵，至此完成了汽水系統(tǒng)的一次循環(huán)。 直流爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器、汽水分離器、分離器儲(chǔ)水罐和儲(chǔ)水罐控制閥、水冷壁、過(guò)熱器和再熱器組成。 直流爐與傳統(tǒng)汽包爐在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別主要在于直

21、流爐沒(méi)有汽包，只有汽水分離器，所以直流爐的蓄水能力不強(qiáng)，但是對(duì)于擾動(dòng)和負(fù)荷的響應(yīng)較快。直流鍋爐因?yàn)闆](méi)有汽包，給水一次性通過(guò)省煤器、水冷壁、過(guò)熱器。直流鍋爐不受工作壓力的限制，可以適用于300mw以上的亞臨界和超臨界機(jī)組。 直流鍋爐的加熱面和蒸發(fā)受熱面之間和蒸發(fā)受熱面和過(guò)熱受熱面之間無(wú)固定的分界點(diǎn)，在工質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，各受熱面的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。直流爐的主要過(guò)程是：首先從給水泵過(guò)來(lái)的鍋爐除鹽水，經(jīng)過(guò)省煤器加熱后再經(jīng)過(guò)水冷壁的受熱面加熱后變成汽水混合物，經(jīng)汽水分離器后到過(guò)熱面。 在直流鍋爐中，蒸汽流量等于給水量和減溫水量的疊加，如果采用和汽包爐同樣的噴水降溫的手段，則當(dāng)噴水增加時(shí)，給水就會(huì)減少，繼而擴(kuò)

22、大了燃水比的失調(diào)程度。所以對(duì)于直流鍋爐，必須保持燃水比作為維護(hù)主汽溫的粗調(diào)手段，用噴水減溫作為細(xì)調(diào)手段。超臨界直流鍋爐的主汽溫控制相對(duì)于汽包鍋爐增加了許多困難，主要體現(xiàn)在：汽溫控制的要求增大；被控量過(guò)熱器溫度對(duì)于給水流量改變的相應(yīng)遲延時(shí)間（t=200-400s）比汽包鍋爐的同樣遲延（t=30-200）長(zhǎng)的多。因此，通常采用響應(yīng)較快的微過(guò)熱汽溫作為判斷燃水比是否失調(diào)的的檢查信號(hào)。2.2 過(guò)熱器的工藝流程 從圖2-1可以看出，過(guò)熱器分為低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器，有兩級(jí)減溫系統(tǒng)。一級(jí)噴水減溫器的作用是使屏式過(guò)熱器出口溫度維持在設(shè)定值，以保護(hù)屏式過(guò)熱器管壁不超溫，同時(shí)配合高溫過(guò)熱器溫度控制系

23、統(tǒng)的工作。二級(jí)噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，并保持末級(jí)過(guò)熱器不超溫。每級(jí)過(guò)熱器的a、b兩側(cè)都有各自的溫度測(cè)點(diǎn)，且溫度設(shè)定值可以單獨(dú)設(shè)定，所以其控制策略可以設(shè)計(jì)為兩套獨(dú)立的控制策略。 圖2-1 過(guò)熱器噴水減溫控制工藝流程圖2.3 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 影響過(guò)熱器出口溫度的因素有很多，主要有以下三種擾動(dòng)：（1）蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫動(dòng)態(tài)特性 汽機(jī)負(fù)荷變化會(huì)引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過(guò)熱蒸汽和煙氣之間的傳熱條件，導(dǎo)致汽溫變化。蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱蒸汽溫度的響應(yīng)曲線如圖2-2所示。可以看到溫度響應(yīng)具有自平衡特性，而且慣性小和遲延都比較小。這是因?yàn)檎羝孔兓瘯r(shí)，沿過(guò)熱器管道長(zhǎng)度方向的

24、各點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)變化。 圖2-2 蒸汽流量擾動(dòng)下的汽溫響應(yīng)曲線 （2） 煙氣側(cè)傳熱量擾動(dòng)下的汽溫動(dòng)態(tài)特性 燃料量增減，燃料種類(lèi)的變化，送風(fēng)量、吸風(fēng)量的改變都將引起煙氣流速與煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小。煙氣側(cè)擾動(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線如圖2-3所示。 圖2-3 煙氣側(cè)傳熱量擾動(dòng)下汽溫響應(yīng)曲線 （3） 噴水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 過(guò)熱器是具有分布參數(shù)的對(duì)象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作是無(wú)窮個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象。當(dāng)噴水量發(fā)生變化時(shí)，需要通過(guò)這些串聯(lián)單容對(duì)象，最終引起出口蒸汽溫度的變化。

25、因此，蒸汽溫度的響應(yīng)有很大的遲延。減溫器離過(guò)熱器出口越遠(yuǎn)，延遲越大。噴水?dāng)_動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2-4所示。 圖2-4 噴水量擾動(dòng)下的汽溫響應(yīng)曲線2.4 過(guò)熱汽溫的分段控制策略 從汽溫動(dòng)態(tài)特性的情況看，煙氣量、煙氣溫度和噴水量都可以用來(lái)控制過(guò)熱汽溫，但是考慮到在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的難易度，目前大多數(shù)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)都采用噴水量作為汽溫調(diào)節(jié)手段。由于噴水量擾動(dòng)下的大遲延特性，目前的汽溫控制系統(tǒng)都采用分段控制策略，設(shè)有兩級(jí)噴水，這樣能夠有效的調(diào)高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從控制策略上看，分段控制策略可以分為定值控制策略和溫差控制策略。在實(shí)際應(yīng)用中，定值控制策略由于其操作簡(jiǎn)單得到廣泛的應(yīng)用。本文主要討論定值

26、控制策略。在定值圖2-5 主汽溫分段控制策略控制策略中，一級(jí)噴水與二級(jí)噴水減溫的控制邏輯相互獨(dú)立，互不干擾。定值控制策略的控制目標(biāo)明確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明，參數(shù)整定容易，投運(yùn)簡(jiǎn)單。當(dāng)過(guò)熱器各段都是以對(duì)流換熱為主時(shí) ，定值控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)基本上能夠達(dá)到要求的品質(zhì)。由于定值汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)分別維持各自的設(shè)定值，所以當(dāng)汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象特性不同時(shí)，這種控制系統(tǒng)將不能滿足控制要求。例如在許多鍋爐的屏式過(guò)熱器處在輻射換熱區(qū)，汽溫調(diào)節(jié)對(duì)性呈現(xiàn)輻射特性，而高溫過(guò)熱器是布置在對(duì)流換熱區(qū)，呈現(xiàn)對(duì)流特性。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)輻射式過(guò)熱器中單位質(zhì)量蒸汽的輻射吸熱量減少，出口汽溫下降，而對(duì)流過(guò)熱器中單位質(zhì)量蒸汽的吸熱量增

27、加，其出口汽溫增加。由于定值控制策略的各個(gè)子系統(tǒng)的控制邏輯相互獨(dú)立，所以其一級(jí)減溫器噴水量減少，調(diào)節(jié)閥關(guān)小，而二級(jí)減溫器噴水量增大，調(diào)節(jié)閥開(kāi)大。此種控制策略兩級(jí)噴水器噴水量不協(xié)調(diào)。為了克服這種缺陷，可以將其改進(jìn)，從二級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器輸出引出前饋回路到一級(jí)減溫系統(tǒng)。2.5 主汽溫控制的任務(wù)分配主汽溫1的控制是通過(guò)控制一級(jí)減溫器的噴水量和二級(jí)減溫器的噴水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主汽溫與設(shè)定值（與負(fù)荷成單值函數(shù)關(guān)系）的偏差經(jīng)調(diào)節(jié)器運(yùn)算產(chǎn)生基本噴水量需求信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)與前饋信號(hào)迭加形總噴水量需求信號(hào)。前饋信號(hào)包括代表鍋爐送風(fēng)量的信號(hào)和主汽壓偏差信號(hào)（主汽壓與設(shè)定值之差），它們都提前反映負(fù)荷變化?？倗娝啃枨蠓?/p>

28、別乘以兩個(gè)不同的系數(shù)k1和k2（k1 k2）得到一級(jí)噴水需求信號(hào)a和二級(jí)噴水需求信號(hào)b。正常情況下，一級(jí)噴水量需求信號(hào)a經(jīng)修正形成一級(jí)噴水調(diào)節(jié)器設(shè)定值a，從而控制一級(jí)噴水閥。二級(jí)噴水量需求信號(hào)經(jīng)修正形成二級(jí)噴水調(diào)節(jié)器設(shè)定值b，從而控制二級(jí)噴水閥。因?yàn)閗1 k2，所以當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一級(jí)噴水量是大于二級(jí)噴水量的，即二級(jí)噴水的出力較小，這樣能夠使二級(jí)噴水留有余力的防止主汽溫超溫。當(dāng)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將一級(jí)噴水需求通過(guò)慣性環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié)調(diào)整一級(jí)噴水量的設(shè)定值，逐步改變一級(jí)噴水量；系統(tǒng)將一級(jí)噴水需求與一級(jí)噴水量設(shè)定值的偏差加到二級(jí)噴水量需求上，使二級(jí)噴水閥完成一級(jí)噴水閥沒(méi)有完成的部分。這樣保證了主

29、汽溫1能夠快速的維持在設(shè)定值。實(shí)際上，二級(jí)噴水量值是由總噴水量進(jìn)行比例微分形成，加強(qiáng)二級(jí)噴水的動(dòng)態(tài)控制作用，改善控制效果。2.6 串級(jí)控制系統(tǒng)的概述串級(jí)控制在熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，其調(diào)節(jié)品質(zhì)好，特別適用于時(shí)間常數(shù)較大，階次較高和有較大延遲的調(diào)節(jié)對(duì)象。串級(jí)控制系統(tǒng)除了主被調(diào)量外，還有一個(gè)輔助被調(diào)量，輔助被調(diào)量對(duì)調(diào)節(jié)作用的響應(yīng)要比較迅速。比較典型的有鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)，當(dāng)減溫水量改變后，過(guò)熱汽溫的變化較慢，減溫器出口汽溫的變化較快，這時(shí)就可以把減溫器出口汽溫作為過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的輔助被調(diào)量，形成一個(gè)調(diào)節(jié)回路，構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如下圖2-7所示。 串級(jí)控制系統(tǒng)和

30、單回路控制系統(tǒng)有有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱(chēng)為副環(huán)或者副回路，在控制過(guò)程中起著粗調(diào)的作用；一個(gè)閉環(huán)在外面，別成為主環(huán)或者主回路，用來(lái)完成細(xì)調(diào)的任務(wù)，以保證被調(diào)量最終滿足工藝要求。如圖2.7所示，有調(diào)節(jié)單元i、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)對(duì)象i和測(cè)量單元i構(gòu)成的回路稱(chēng)為副回路(或稱(chēng)內(nèi)回路)，調(diào)節(jié)單元i稱(chēng)為副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)對(duì)象i的輸出信號(hào)稱(chēng)為輔助被調(diào)量。有調(diào)節(jié)單元ii、副回路、調(diào)節(jié)對(duì)象ii和測(cè)量單元ii構(gòu)成的回路稱(chēng)為主回路(或稱(chēng)外回路)，調(diào)節(jié)單元ii稱(chēng)為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)對(duì)象ii的輸出信號(hào)稱(chēng)為主被調(diào)量，調(diào)節(jié)對(duì)象i和調(diào)節(jié)對(duì)象ii統(tǒng)稱(chēng)是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn): (1)

31、串級(jí)控制系統(tǒng)有一個(gè)副回路，副回路具有快速作用，能夠有效的克服二次擾動(dòng)的影響可以說(shuō)串級(jí)控制系統(tǒng)主要是用來(lái)克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)的。從圖2.7可以看出，進(jìn)入副回路的擾動(dòng)u1在進(jìn)入副環(huán)后，首先影響副參數(shù)y2，于是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，力圖消除干擾對(duì)于副參數(shù)的影響。顯然，如果沒(méi)有副回路，擾動(dòng)u1的影響就需要由主被調(diào)量的變化通過(guò)主調(diào)節(jié)器來(lái)克服。如果具有副回路，擾動(dòng)u1的影響就可以很快的由輔助被調(diào)量的變化通過(guò)輔助調(diào)節(jié)器來(lái)加以克服。(2) 副回路起了改善調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路替代了單回路的一部分對(duì)象，其等效時(shí)間常數(shù)會(huì)縮短，而且隨著副調(diào)節(jié)

32、器比例增益的增大而減小。通常副回路被控對(duì)象都是單容或者雙容的對(duì)象，因此副回路控制器的比例增益可以調(diào)的很大，這樣，等效時(shí)間常數(shù)就可以很小，從而加快了副環(huán)的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。(3) 由于副回路的存在，使串級(jí)控制系統(tǒng)有了一定的自適應(yīng)能力。在生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)包含一些非線性因素的存在。因此，在一定負(fù)荷下，即在確定的工作點(diǎn)情況下，按照一定控制指標(biāo)整定的控制器參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍。如果符合變化過(guò)大，超出這個(gè)范圍，控制品質(zhì)就會(huì)下降。在單回路控制系統(tǒng)中如不采取其他措施是很難解圖2-7 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖 決的。但在串級(jí)控制系統(tǒng)中，負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以減少

33、影響或不影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。一方面，等效副對(duì)象的增益在副對(duì)象增益或者調(diào)節(jié)閥的特性隨負(fù)荷變化時(shí)受到的影響不大，因而在不改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動(dòng)的克服非線性因素的影響，保持或接近原有的控制質(zhì)量；另一方面，由于副回路是一個(gè)流量隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)操作條件或負(fù)荷變化時(shí)，主調(diào)節(jié)器將改變其輸出值，副回路能快速跟蹤及時(shí)而精確的控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從上述的兩個(gè)方面看，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力。 在設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，必須遵循下列兩條原則:一個(gè)原則是副回路應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。通常串級(jí)系統(tǒng)是用來(lái)克服對(duì)象的容積遲延和純遲延。也就是說(shuō)，選擇這樣的

34、參數(shù)使得副回路時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，使得等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，提高了工作頻率，加速了反應(yīng)速度，縮短控制時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)；另一個(gè)原則就是要把主要擾動(dòng)納入副回路中，這是因?yàn)楦被芈穼?duì)于二次擾動(dòng)有較強(qiáng)的克服能力。但是也不能走極端，試圖把所用的擾動(dòng)都包含在副回路中，這樣將使主調(diào)節(jié)器失去作用，也就不能成為串級(jí)控制系統(tǒng)了。 對(duì)于主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程的要求是被調(diào)量等于給定值，而對(duì)輔助被調(diào)量則沒(méi)有嚴(yán)格的要求。針對(duì)這種情況，副調(diào)節(jié)器應(yīng)該選用p作用或者pd作用，使內(nèi)回路盡快地消除擾動(dòng)，以減少擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響(實(shí)現(xiàn)粗調(diào));而主調(diào)節(jié)器一般選用pi或者pid作用，使穩(wěn)態(tài)被調(diào)量等于給定值。2.7

35、 串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)控制回路的組成是：由被調(diào)對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)、汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成內(nèi)回路；由被調(diào)對(duì)象的惰性區(qū)、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器和內(nèi)回路組成外回路。圖2-8為過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象由減溫器和過(guò)熱器組成，減溫水流量為對(duì)象調(diào)節(jié)通道的輸入信號(hào)，過(guò)熱器出口汽溫為輸出信號(hào)。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)中也采用減溫器出口汽溫作為輔助調(diào)節(jié)信號(hào)。對(duì)于串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無(wú)論擾動(dòng)發(fā)生在副調(diào)節(jié)器回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，其調(diào)節(jié)品質(zhì)都是優(yōu)于單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的。(1)擾動(dòng)發(fā)生在副回路內(nèi),例如當(dāng)減溫水流量wj發(fā)生自發(fā)性波動(dòng)(可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變)而引起減

36、溫水流量擾動(dòng)變化時(shí)，對(duì)于單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于沒(méi)有副調(diào)節(jié)回路去迅速消除wj的波動(dòng)，所以必然要影響到主汽溫的穩(wěn)定;對(duì)于串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于有副回路的存在，而且導(dǎo)前區(qū)的慣性又很小，副調(diào)節(jié)器將能及時(shí)動(dòng)作，快速消除掉減溫水流量的自發(fā)性波動(dòng)，從而使過(guò)熱汽溫基本不變。 圖2-8過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng) 2)擾動(dòng)發(fā)生在副回路以外，引起過(guò)熱汽溫偏離給定值時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)首先由主調(diào)節(jié)器改變其輸出信號(hào)，通過(guò)副調(diào)節(jié)回路去改變減溫水流量，使過(guò)熱汽溫恢復(fù)到給定值。這時(shí)，主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對(duì)象的慣性遲延比采取單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)的調(diào)節(jié)對(duì)象的要小。因此在這種情況下，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)解質(zhì)量還是高于單回路系統(tǒng)的?？梢?jiàn)，在串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系

37、統(tǒng)中，副回路的任務(wù)是盡快消除減溫水流量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入副回路的各種擾動(dòng)，對(duì)過(guò)熱汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用。汽溫系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是保持過(guò)熱汽溫等于給定值，可采用比例積分或者比例積分微分調(diào)節(jié)器。第三章 主汽溫控制策略3.1 概述 直流鍋爐主汽溫控制對(duì)象是大遲延大滯后的對(duì)象，具有大純滯后工藝過(guò)程的自動(dòng)控制，是過(guò)程控制中最棘手的控制問(wèn)題之一。長(zhǎng)期以來(lái)，人們研究和提出了許多克服大遲延大滯后對(duì)象的控制方法，最簡(jiǎn)單的就是利用pid調(diào)節(jié)器。pid調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)方便、適應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，在要求不太嚴(yán)格的情況下，足以滿足生產(chǎn)過(guò)程的要求。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特別整定時(shí)還不能取得良好的效果時(shí)，還可

38、以在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行少許的改動(dòng)，例如，中間反饋方案，微分先行方案。微分先行和中間反饋控制方案能在無(wú)需多加任何特殊設(shè)備的條件下有效的改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但總的來(lái)說(shuō)，上述方案都存在這較大的超調(diào)量，并且響應(yīng)速度都挺慢的，如果要求更高的控制精度，則需要其它的控制策略。 控制理論經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，研究出了許多新型的控制策略。但就主汽溫控制上的工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用最多的還是史密斯預(yù)估器。例如采用常規(guī)串級(jí)控制系統(tǒng)和smith串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成的雙結(jié)構(gòu)控制方式來(lái)克服系統(tǒng)的滯后。但是對(duì)于這么簡(jiǎn)單的控制器，仍然有很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。預(yù)估補(bǔ)償方案在理論上能夠消除純滯后對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，但它最大的缺點(diǎn)就是對(duì)

39、數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)。預(yù)估補(bǔ)償方案要求工程數(shù)學(xué)模型有一定的精確度，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和辨識(shí)技術(shù)的推廣，使得預(yù)估控制方案在工程上得以實(shí)現(xiàn)。 傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制理論都要求有精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行時(shí)域或頻域的分析，然后設(shè)計(jì)出針對(duì)該控制對(duì)象的控制器。一旦對(duì)象的參數(shù)或者特性發(fā)生變化，原有的控制策略就不能夠取得較好的控制效果。因此，對(duì)于傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法，找到精確的數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。 電廠控制的復(fù)雜控制目標(biāo)和任務(wù)以及控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的不確定性、非線性等特性，使得傳統(tǒng)的基于對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法的應(yīng)用受到限制。就在常規(guī)控制理論面臨復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的挑戰(zhàn)的時(shí)候，人們?cè)诠こ虒?shí)踐中

40、發(fā)現(xiàn)這些復(fù)雜過(guò)程卻可由操作熟練的操作人眼通過(guò)在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)積累而達(dá)到有效的控制，這使得人們漸漸認(rèn)識(shí)到了在傳統(tǒng)控制中加入邏輯推理和啟發(fā)式知識(shí)的重要性。于此同時(shí)，人工智能由于計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展而成為一門(mén)學(xué)科。這些發(fā)展和思想促使了智能控制理論的誕生。智能控制作為新興的邊緣交叉學(xué)科，目前對(duì)智能控制系統(tǒng)尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義，然而對(duì)它的基本特征卻可以加以描述，ieee控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)描述為：“智能控制系統(tǒng)必須有適應(yīng)能力以應(yīng)付變化的環(huán)境和條件，但如果要能適應(yīng)較大的不可預(yù)測(cè)的變化，系統(tǒng)必須具有學(xué)習(xí)能力；系統(tǒng)必須具有在不確定環(huán)境中的自主能力，以最終實(shí)現(xiàn)自行設(shè)定并達(dá)到控制目標(biāo)；為有效處理復(fù)雜性，系統(tǒng)應(yīng)具有分級(jí)分層的

41、功能結(jié)構(gòu)?！边@顯然對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更高的要求，也為控制理論的發(fā)展指明了方向。在電廠控制研究領(lǐng)域，目前關(guān)于智能控制的實(shí)際應(yīng)用雖然較少。但在各種國(guó)際會(huì)議和雜志中發(fā)表文獻(xiàn)的日益增多表贏了電廠控制系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)。常見(jiàn)的智能控制系統(tǒng)有那些采用模糊控制邏輯、專(zhuān)家系統(tǒng)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其他智能方法的控制系統(tǒng)，它通常表示具有下列特征的控制器：1） 除了采用數(shù)值計(jì)算方法，還使用邏輯、排序、推理或啟發(fā)式方法的控制器；2） 本質(zhì)上是一種自治程度范圍比常規(guī)控制器更廣的非線性控制器； 3) 為實(shí)現(xiàn)更廣泛的功能，它依賴(lài)于模仿那些設(shè)想在人類(lèi)或生物系統(tǒng)中起作用的行為模式所表現(xiàn)出來(lái)的形式以及決策方法步驟。3.2 模糊控制論 模

42、糊控制是以模糊集合論、模糊變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 模糊控制系統(tǒng)框圖 從線性控制與非線性控制的角度分類(lèi)，模糊控制是一種非線性控制，它的組成核心是模糊控制器。所以，從其控制器的智能性看，它屬于智能控制的范疇，而且它己成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而且又有效的形式。尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等新學(xué)科的相融合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。 模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。模糊控制器由以下四部分組成: l)模糊化 這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過(guò)程如下:對(duì)這些輸入量進(jìn)

43、行處理以變成模糊控制器要求的輸入量。例如常見(jiàn)的情況是計(jì)算e=x-y和ec=de/dt，其中x表示參考輸入，y表示系統(tǒng)輸出，e表示誤差，ec表示誤差的變化率。有時(shí)為了減小噪聲的影響，常常對(duì)ec進(jìn)行一階滯后處理再使用。將上述己經(jīng)處理過(guò)的輸入量進(jìn)行量程變換使其變換到各自的論域范圍。 將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合表示。 2)知識(shí)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)。它通常由模糊控制規(guī)則庫(kù)組成，主要包括各語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)、模糊因子、量化因子以及模糊空間的等級(jí)數(shù)。規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列的控制規(guī)則，它們反映了

44、控制專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。 3)模糊推理 模糊推理是模糊控制理論的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。 4)清晰化清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換成實(shí)際用于控制的清晰量。它包含以下兩個(gè)部分:將模糊量經(jīng)清晰化變換變成論域范圍的等級(jí)量;將論域范圍的等級(jí)量經(jīng)比例變換為實(shí)際的控制量。模糊控制器，在理論上是由n維模糊關(guān)系r表示。r可以視為受約于0,1區(qū)間的n個(gè)變量的函數(shù)。r是幾個(gè)n維空間ri的組合，每個(gè)ri代表一條ifthen規(guī)則?？刂破鞯妮斎離被模糊化為x，模糊輸出y可應(yīng)用推理合成規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于模糊輸出y進(jìn)行模糊判決，可

45、得精確的數(shù)值輸出y。3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其與模糊控制的結(jié)合人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究的最初目的是為了模仿人或動(dòng)物神經(jīng)活動(dòng)，并力圖建立這種運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)探索和提出人腦存儲(chǔ)、處理和搜索信息等活動(dòng)的實(shí)際工作機(jī)制。它所引出的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法和通過(guò)一組基函數(shù)基礎(chǔ)上展開(kāi)而實(shí)現(xiàn)任意非線性函數(shù)逼近的見(jiàn)解，給復(fù)雜控制系統(tǒng)的建模帶來(lái)了一種新的、非傳統(tǒng)的表達(dá)工具，降低了不確定性，增加了控制系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境變化的泛化能力，極大地促進(jìn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在過(guò)程控制中的廣泛應(yīng)用：數(shù)據(jù)校正；過(guò)程運(yùn)行的評(píng)價(jià)與優(yōu)化；生產(chǎn)質(zhì)量的推理測(cè)量或軟測(cè)量；故障診斷；狀態(tài)估計(jì)；過(guò)程辨識(shí)；模式識(shí)別；由于大量神經(jīng)元的廣泛鏈接，即使有少量單元或連接損壞，也不影響系統(tǒng)

46、的整體功能，使其表現(xiàn)出啊很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性；采用并行分布處理方法，使得快速進(jìn)行大量的運(yùn)算成為可能。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)顯示了它在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面的巨大潛力，它的引入已產(chǎn)生了與之相關(guān)的多種混合智能控制方法。模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都屬于一種數(shù)值化和非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型函數(shù)估計(jì)器的信息處理方法，它們以一種不精確的方式處理不精確的信息。模糊邏輯作為一種符號(hào)處理方法，為人類(lèi)抽象的認(rèn)知過(guò)程如思維和推理等深層智能提供了較為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能夠模擬人類(lèi)的某些特定的語(yǔ)言屬性，可表示認(rèn)知不確定性下的推理機(jī)制。然而模糊邏輯系統(tǒng)并不像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它缺乏有效的學(xué)習(xí)方法，它所具有的“知識(shí)”可

47、通過(guò)該領(lǐng)域的專(zhuān)家提供，但是模糊邏輯控制規(guī)則是靠人的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)制定的，它本身并不具有學(xué)習(xí)能力，模糊控制規(guī)則越多，控制運(yùn)算的實(shí)時(shí)性就越差，而且需要識(shí)別和建立規(guī)則的時(shí)間隨規(guī)則數(shù)的增加而指數(shù)形式增長(zhǎng)。相比之下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，但它一般智能模擬人力低層的感知智能。雖然兩者處理模糊信息的方式和模擬的智能層次不同，但可以將它們結(jié)合起來(lái)，利用模糊控制的思維推理功能來(lái)消除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元之間的連接結(jié)構(gòu)的相對(duì)任意性和無(wú)所適從性。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)有力的學(xué)習(xí)能力來(lái)對(duì)模糊控制的各有關(guān)緩解進(jìn)行訓(xùn)練，如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)模糊集的隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其推理過(guò)程以及模糊決策等。因此，目前將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯相結(jié)合，發(fā)展模糊

48、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的主要發(fā)展方向。3.4 smith預(yù)估器smith預(yù)估器是應(yīng)用廣泛的對(duì)付電廠主汽溫大滯后的控制方法。該方法的基本思路是:預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性,然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)滯,使被調(diào)量能夠超前的反應(yīng)在控制器,使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作,從而抵消掉時(shí)滯特性所造成的影響:減小超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和加速調(diào)節(jié)過(guò)程,提高系統(tǒng)的快速性。smith預(yù)估器的原理如圖3-2所示。圖3-2 smith預(yù)估器原理圖圖中即為smith預(yù)估器。從理論上講,smith預(yù)估器可以完全消除主汽溫的時(shí)滯,從而成為一種對(duì)線性、時(shí)不變和單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實(shí)際應(yīng)用中，卻有

49、著其局限性,主要原因在于smith預(yù)估器需要確定被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)的模型，并且只能應(yīng)用于定常系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)條件是很難實(shí)現(xiàn)的，所以影響了smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。第四章 分段串級(jí)控制系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)4.1 過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)sama圖為了更好的理解過(guò)熱汽溫控制的實(shí)際應(yīng)用情況，本章對(duì)某電廠過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)sama圖進(jìn)行分析，圖4-1為某電廠一級(jí)汽溫控制sama圖。圖4-1 一級(jí)汽溫控制系統(tǒng)sama圖從圖4-1中可以看出，此系統(tǒng)為串級(jí)控制，主調(diào)節(jié)器在左側(cè)接受被調(diào)量信號(hào)與給定值的偏差信號(hào)并經(jīng)過(guò)pi運(yùn)算后送到副調(diào)節(jié)器的入口作為副信號(hào)的給定值，然后經(jīng)副調(diào)節(jié)器區(qū)控制一級(jí)噴水控制閥a。給定值

50、的形式：給定值信號(hào)與一級(jí)壓力之間的關(guān)系由函數(shù)發(fā)生器f1(x)決定，但此給定值可以由運(yùn)行人員在操作臺(tái)上手動(dòng)校正，并通過(guò)高低限后做為最終給定值，而且校正值及最終給定值都可以在crt上顯示出來(lái)。除此之外，還可以對(duì)被調(diào)量，要求閥位和實(shí)際閥位進(jìn)行顯示。手動(dòng)工況：當(dāng)手動(dòng)邏輯成立時(shí)，此系統(tǒng)將自動(dòng)切到手動(dòng)運(yùn)行方式，此時(shí)，運(yùn)行人員可通過(guò)手操使噴水閥的開(kāi)度變化，以適應(yīng)屏式過(guò)熱器出口溫度的要求。手動(dòng)時(shí)的跟蹤：當(dāng)此系統(tǒng)處于手動(dòng)控制時(shí)，為了防止下一次投自動(dòng)時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)，主，副調(diào)節(jié)器的輸出必須都處于跟蹤位置。副調(diào)節(jié)器的跟蹤是為了保證切換無(wú)擾。主調(diào)節(jié)器的跟蹤是為了防止副調(diào)節(jié)器在手動(dòng)期間產(chǎn)生積分正向或負(fù)向飽和。鑒于此，副調(diào)節(jié)器

51、應(yīng)跟蹤手動(dòng)輸出信號(hào)。下面將串級(jí)控制系統(tǒng)流程做詳細(xì)介紹：信號(hào)部分，系統(tǒng)的被調(diào)量為屏式過(guò)熱器的蒸汽溫度1，該信號(hào)經(jīng)處理后輸入到比較器。被調(diào)量的給定值是汽機(jī)速度級(jí)壓力的函數(shù)，由函數(shù)器f（x）產(chǎn)生，并可由運(yùn)行人員在操作員站ois的軟手操控制器m/a上對(duì)其進(jìn)行正負(fù)偏置，形成給定值10。提供偏置的目的是便于運(yùn)行人員根據(jù)運(yùn)行需求，對(duì)汽溫值進(jìn)行適當(dāng)修改。函數(shù)器的設(shè)置使機(jī)組在較低的負(fù)荷下就可投入汽溫自動(dòng)。 串級(jí)控制部分，主調(diào)節(jié)器pid1的輸入偏差信號(hào)e1為給定值10與實(shí)測(cè)值1的偏差。一級(jí)減溫器出口溫度1j與主調(diào)節(jié)器輸出的差作為副調(diào)節(jié)器pid2的輸入偏差信號(hào)e2。當(dāng)某種擾動(dòng)引起二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度1上升時(shí)，主調(diào)

52、節(jié)器輸入偏差減小，pid1的輸出下降，引起副調(diào)節(jié)器的輸入偏差增大，pid2的輸出增加，使減溫水增加，一級(jí)減溫器出口汽溫1j立即下降，經(jīng)延時(shí)被調(diào)量1下降。1j下降使副調(diào)節(jié)器的輸入偏差e2減小。這樣，在主汽溫的遲 圖4-2 防超溫保護(hù)回路 延期間內(nèi)，當(dāng)主調(diào)節(jié)器輸出還在減小時(shí)，1j也在同時(shí)減小，抑制了副調(diào)節(jié)器輸出的進(jìn)一步增加，從而防止了減溫水過(guò)調(diào)。 防超溫保護(hù)回路（圖4-2），防超溫保護(hù)回路由pid3、4給定器、0%給定器、限幅器、切換器等組成。正常情況下這一回路不起作用，它由切換器t控制，輸出為零。只有當(dāng)某種原因?qū)е露?jí)減溫器入口蒸汽溫度比給定值高出4以上時(shí)，pid3才會(huì)有大于零的輸出，使一級(jí)減溫

53、水噴水調(diào)節(jié)閥過(guò)開(kāi)，以防止屏式過(guò)熱器超溫。防超溫保護(hù)回路的控制作用受到限幅器的限制，以避免噴水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低，汽輪機(jī)跳閘，鍋爐mft或一級(jí)噴水電動(dòng)隔離閥異常關(guān)閉時(shí)，過(guò)熱器一級(jí)減溫噴水調(diào)節(jié)閥將自動(dòng)關(guān)閉。噴水調(diào)節(jié)閥前后安裝有電動(dòng)隔離閥和氣動(dòng)隔離閥。當(dāng)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥稍微開(kāi)啟后，電動(dòng)隔離閥將自動(dòng)連鎖打開(kāi)；鍋爐mft后自動(dòng)連鎖關(guān)閉。但對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥稍微開(kāi)啟，相應(yīng)的電動(dòng)隔離閥打開(kāi)時(shí)，氣動(dòng)隔離閥將自動(dòng)連鎖打開(kāi)；當(dāng)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥全關(guān)后自動(dòng)連鎖關(guān)閉。這樣做的目的為了防止因減溫水調(diào)節(jié)閥漏流影響汽溫和汽輪機(jī)的安全。由于機(jī)組負(fù)荷改變時(shí)，可知對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)也會(huì)隨之改變，為使控制系統(tǒng)在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)都

54、具備較高的控制品質(zhì)，本系統(tǒng)具有自適應(yīng)性能力，主，副調(diào)節(jié)器的pid整定參數(shù)都能隨負(fù)荷變化自動(dòng)修正。此外，為了得到的更好的控制效果，還可以在主調(diào)節(jié)器pid1兩端，還并聯(lián)了一個(gè)smith預(yù)估器，由于他對(duì)被調(diào)量的變化趨勢(shì)具有“預(yù)估”能力，比微控制功能更強(qiáng)。它用于具有大延遲特性的對(duì)象的控制，常常比pid控制能獲得更滿意的控制效果，故也常用于汽溫控制中。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可由熱控人員通過(guò)軟件設(shè)置，在pid調(diào)節(jié)器和smith預(yù)估其中任選一個(gè)作為系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器。最終臺(tái)n 在主回路中，二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫的測(cè)量有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于a，b兩側(cè)高溫過(guò)熱器的出口聯(lián)箱上。a，b測(cè)點(diǎn)選擇的方法是：（1）可由運(yùn)行人員在操作員站上選擇

55、a，b任一測(cè)點(diǎn)溫度或a,b兩測(cè)點(diǎn)溫度平均值，作為二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫量值；（2）也可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇，當(dāng)a，b兩信號(hào)均正常，可自動(dòng)選擇兩信號(hào)的平均值作為二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫測(cè)量值，若兩信號(hào)之一壞質(zhì)量，自動(dòng)選擇另一個(gè)，且禁止切換到壞質(zhì)量測(cè)點(diǎn)。主回路的被控對(duì)象是二級(jí)過(guò)熱器出口汽溫，調(diào)節(jié)的目的是使該汽溫等于運(yùn)行人員手動(dòng)給定的過(guò)熱器出口汽溫給定值，該值在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)為540。在主回路中，主調(diào)節(jié)器pid1輸入的偏差信號(hào)是二級(jí)過(guò)熱器出口偏差。副回路的被對(duì)象是二級(jí)減溫器出口溫度，它由一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)得，與二級(jí)減溫器出口汽溫給定值進(jìn)行比較后，形成二級(jí)減溫器出口汽溫偏差，該偏差作為副調(diào)節(jié)器pid2的輸入。4.2 過(guò)熱汽溫控制連鎖邏輯 為了防止減溫器噴水調(diào)節(jié)閥門(mén)的漏流影響，在噴水調(diào)節(jié)閥前后設(shè)置了噴水截止閥。通常，需要減溫水時(shí)（調(diào)節(jié)閥控制指令大于約