基于延伸预测模糊控制的水暖锅炉自动化改造应用

王树东 周盛成 刘旭东 董 蕾

(1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050)

0 引言

目前我国西北地区的冬季供暖以锅炉集中供暖为主，然而锅炉房自动控制系统配置相对落后，存在操作工人劳动强度大，环境污染严重，运行工况不稳定，热效率低，燃料的消耗量大等问题。因此，提高锅炉运行效率，减小环境的污染、降低对能源的消耗势在必行。

锅炉是一个典型的非线性时变多变量的强耦合系统，过程机理错综复杂，不能建立精确的系统数学模型。若采用传统的控制方法，包括基于经典控制理论的控制方法，很难得到理想控制效果，因此考虑使用一些智能手段来实现控制目标。对其控制算法进行研究，具有比较重要的现实意义。

本文针对空军某部营区原有采暖锅炉所存在的手动控制、污染大、能耗高及供暖不连续、不稳定等缺点设计引入了延伸预测法中具有短期预测能力的简单移动平均和分时段、分情况温度修正的控制法，根据原系统手动运行状况下的大量运行参数，结合该采暖锅炉的特点，以优化原系统为前提，运用延伸预测和模糊控制的基本原理，建立本系统的模糊控制规则表，设计先进的模糊控制器。

1 系统结构设计

原系统由两台水暖锅炉(供水容量分别为6吨和4吨)组成，每台锅炉分别配有独立的鼓风机、引风机、炉排等辅机设备，供回水系统采用同一套循环水泵。系统正常运行状况下，由一台锅炉担负供暖任务，另外一台作为备用机组。在两台锅炉分别运行情况下系统结构完全相同，因此，在设计控制系统时只需按照一套系统来设计，在外电路部分设计两系统的切换电路，当一台锅炉发生故障后，能迅速可靠地切换到备用锅炉中，提高供暖的可靠性。

控制系统主要由上位监控系统(IPC)、中央控制单元(PLC)、变频器和信号采集单元等部分组成。系统采用了目前世界上比较先进的基于延伸预测的模糊控制技术，对引风机、鼓风机、循环泵、炉排等进行变频控制;上、下位机的通讯采用工业自动化行业中应用成熟的MPI网络通信技术，以提高系统通信的实时性与可靠性;各控制单元的硬件电路，采用手自动灵活切换的方式，使系统工作于不同的控制模式。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

上位监控计算机系统硬件部分采用研华IPC－610系列台式工控机，上位监控软件采用siemens公司winCC6.0组态软件进行组态。现场控制系统采用siemens公司S7－300系列PLC，CPU采用S7－315－2DP，该型号的CPU带有两个DP通信接口，可以建立一个MPI(多点接口)网络和一个PROFIBUS－DP网络，通过其CPU自带的MPI通讯接口与上位工控机进行通信。S7－300PLC是模块化中型PLC系统，具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，各模块之间可以进行广泛组合以用于扩展。PLC实现对鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵的手自动控制，对出、回水温度，出、回水压力的检测与控制，以及系统的连锁、互锁以及故障检测与报警等功能。整个控制系统由一套siemens公司S7－300系列PLC(包括CPU，DI、DO、AI、AO 模块等)，温度传感器，压力传感器，变频器，各种电机类负载，以及各种电控设备等组成。系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

锅炉控制系统是一个多变量、非线性、大滞后、强耦合的复杂系统，系统各变量之间存在错综复杂的关系，因此，采用传统的控制方法很难达到稳定控制系统的要求。本系统采用基于延伸预测的模糊控制方法来实现对系统各参量的综合控制。主要通过调节燃烧控制系统来实现整个系统的稳定运行。(1)通过调节鼓风机与炉排电机转速的比例来调节风煤比。炉排转速相对过高时，煤层达不到充分燃烧就已经排出，造成资源的浪费;当鼓风机转速相对较高时，煤层过分燃烧，造成炉膛只在前半段燃烧，后半段由于煤层已经燃烧充分而导致熄火，这样炉膛水管温度不平衡。因此控制鼓风机和炉排转速比例达到一个合适的比例就可以很好地控制炉膛燃烧系统。(2)通过调节鼓引风机的转速比来调节炉膛负压。鼓风机转速相对较高时，炉膛压力大于外界大气压力，火焰外溢，易引起火灾和伤人事故;引风机转速相对较高时，造成大量热量随烟尘被带出炉膛，造成热量的散失，降低资源的利用率。因此，控制鼓引风机的转速比，使炉膛负压稳定在微负压状态，以便克服上述缺陷。另外，通过调节循环泵的频率和补水泵来调节供回水温差和供水压力。

利用不同时段，不同供暖季节人体对温度的感觉敏感性不同的特性，采用分时段、分季节控制，实时调整系统运行状态，以达到或接近最优控制的目的。

为了保证系统能够正常有序地运行，在PLC中还设计了一系列连锁、互锁程序，如引风机运行时鼓风机才可运行，循环泵自动运行信号消失后变频器自动按照变频器手动设定值进行运行等。另外，控制电路还设计了1、2#锅炉的切换电路，当一台锅炉发生故障后，能在最短时间内可靠地切换到备用锅炉中，提高供暖的可靠性。

2 系统的优化与算法实现

2.1 延伸预测

锅炉控制系统的实质是一个温度控制系统，而温度控制系统最大的特点就是其滞后性。由于这种滞后性的存在，采用传统控制或单纯的智能控制都很难达到优良的控制效果。因此在对锅炉温度进行智能控制前，利用延伸预测法对环境温度进行延伸预测，以消除滞后性对于系统控制的影响。延伸预测是工业控制、社会经济等领域均适用的利用当前和以前数据进行预测数据未来走势的一种方法。常用的延伸预测法包括简单移动平均法、指数平滑法、季节指数水平法等。本系统中，根据其预测变量——环境温度的特点，考虑系统算法的实际需求，采用简单移动平均法对环境温度进行预测。

简单移动平均法是以过去某一时间段之内的预测数据加权平均值作为将来某时刻变量的预测值的方法。该方法只适用于短期预测，即以小时、日等为单位进行预测，消除数据中的异常因素或除去数据中的周期变动成分。由于简单移动平均法适用于短期预测，因此，对于存在滞后性的供暖系统来说，延伸预测既可以预测运行时刻之后某一时刻的温度参数，又可以在一定程度上消除温度变化的滞后性，提高系统运行的性能。简单移动平均法计算的表达式为:

其中:Tt+1是 t+1时刻的温度预测值;fi是前 i个采样周期的温度值对下一时刻温度的影响度 (权重)，n是预测时间段的长度，其取值的大小反映预测值对数据变化的反应速度。本系统中预测数据采样间隔为30min，预测时间段长度 n为2，即利用当前温度值、前半小时的温度值、前一小时的温度值预测此后半小时后的温度值。各阶段温度历史数据的权重系数分别为:f0=1/2，f1=1/3，f2=1/6。根据系统试运行阶段抽取的一天内温度测量值跟由上述延伸预测得到的对应时刻的温度值的比较结果可以看出，预测值基本能够跟随实际温度的变化规律，因此在系统中采用上述参数进行延伸预测。

2.2 模糊控制

根据延伸预测得到的室外温度预测值和操作人员的经验，经过长期运行得出的大量运行参数，建立运行参数经验表。系统根据经验表实时调节锅炉辅机的运行状态，系统运行经验表如表1所示。

表1 系统运行经验表

图3 模糊控制原理图

在实际系统的运行过程中，由于受到锅炉燃烧情况、管道泄露等因素的影响，炉排、鼓引风机、循环泵等虽然按照经验数据运行，但是供水温度经常达不到预测值，这就需要人为对辅机设备进行修正 (主要是循环泵)，以达到可靠、稳定供暖的目的。在本系统中，采用模糊控制的方法，对循环泵转速进行修正。

模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。该方法首先将现场操作经验或专家经验编成模糊规则，然后将输入变量模糊化，使之与模糊规则表一一对应，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。模糊控制原理框图如图3所示。

对于锅炉供暖温度的模糊控制系统，采用常见的二维模糊控制器，即它的输入变量是出水温度和出水温度预测值的偏差即偏差的变化;输出变量是循环泵频率的调节值，它直接影响循环泵输出温度的变化。进行模糊控制，首先将上述输入变量及输出变量用模糊语言变量的模糊子集表示。输入偏差用模糊语言变量的模糊集 E 表示，即:E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，输入偏差对应的模糊论域为:e={－8，－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7，8};输入偏差的变化率用模糊语言变量的模糊集EC表示，即:EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，输入偏差的变化率对应的模糊论域为:ec={－0.7，－0.6，－0.5，－0.4，－0.3，－0.2，－0.1，－0.05，0，0.05，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7};设输出变量的调节率用模糊语言变量的模糊集 U表示，即:U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，对输出变量的调解率对应的模糊论域为:u={－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}。选择输入变量和输出变量的隶属度函数都为三角形函数。

模糊控制规则如下:

如果偏差是“PB(正大)”，即温度很高，并且偏差变化率是“PB”，即温度增大变化率较大，那么控制量迅速减少“NB(负大)”，即迅速降低循环泵转速;

如果偏差是“PM(正中)”，即温度中等偏高，并且偏差变化率是“PB”，即温度增大变化率较大，那么控制量适当减少“NM(负大)”，即适当降低循环泵转速;

……

如果偏差是“NB(负大)”，即温度很低，并且偏差变化率是“NB”，即温度增大变化率较大，那么控制量迅速减少“PB(正大)”，即迅速升高循环泵转速。

依次类推，建立模糊控制规则表，如表2所示。

表2 模糊控制规则表

根据确定的模糊控制规则表，运用模糊数学理论对该规则进行计算推理，得到一个定性的用语言表示的决策输出量。将模糊输出量的语言域量值转化为相应的实际论域，从模糊推理结果推理出精确输出控制量。通过查询将当前时刻模糊控制器的输入量及其变化率所对应的控制输出值作为模糊控制器的最终输出，从而达到快速实时控制。

3 总结

系统改造完成后，在兰州军区空军临洮场站营区采暖锅炉系统中进行了试运行，并且对系统的性能进行了测试。在一周的测试过程中，系统均表现出了良好的鲁棒性。由于采用了变频技术和各种优化算法，锅炉始终处于经济燃烧状态，即保证系统的供暖效率，又节约了能源，减少对环境的污染;同时还极大地降低了司炉工人的劳动强度。

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