冷凝器真空压力模糊PI控制系统

罗 马，孙建华，汪 伟

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

冷凝器真空压力模糊PI控制系统

罗 马，孙建华，汪 伟

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

分析冷凝器真空形成的原因以及影响真空稳定的因素，通过模糊PI的方法设计出冷凝器在不同工况下的真空压力控制器。通过仿真表明，模糊PI控制器较之常规PI控制器，对于冷凝器真空压力的控制性能更好。

冷凝器;压力;模糊PI

0 引言

冷凝器是汽轮机热力系统中的一个重要换热设备，在汽轮机装置热力循环中起着冷源的作用，用于降低汽轮机排汽压力和排汽温度，从而提高循环的热效率，其工作性能的好坏直接影响到整个船舶动力装置的安全、稳定和经济运行［1］。

冷凝器真空压力是汽轮机运行中的重要参数，真空的形成是由于汽轮机的排汽被凝结成水，蒸汽比容降低且体积大为缩小，使冷凝器汽侧形成高度真空，它是汽水系统完成循环的必要条件。如果冷凝器真空过低，不仅会引起蒸汽在机组中的有效焓降减小，还会导致汽轮机排汽温度升高，排汽缸变形和振动等故障。

在工作中，冷凝器真空度的下降会影响机组运行的安全性、稳定性、可靠性和经济性，因而有效控制并维持一定的冷凝器真空压力是非常必要的［2－3］。

1 冷凝器真空产生机理

在冷凝器运行过程中，需要通入大量的冷却水来对排汽进行冷凝。蒸汽在凝汽器内受循环水冷却凝结，比容降低，体积缩小，原来被蒸汽充满的空间压力降低而形成一定的真空，从而可以维持一定的真空度。另外，由于设备气密性的原因，冷凝器中会不断漏入空气，而很小的空气含量就会明显地影响到蒸汽与冷却水管之间的传热效率，从而导致冷凝器内真空压力的失衡。当空气不能被有效抽出而在冷凝器内大量积聚时，其本身的分压也直接导致冷凝器内压力的升高，凝汽器压力不能再视为蒸汽凝结温度所对应的饱和压力，空气的分压将不能被忽略［4］。

因此，在冷凝器运行中，冷却水量和空气含量是维持冷凝器真空压力的重要因素，同时冷凝器内压力的失衡也会导致冷凝器凝结水过冷度的增加，因此维持冷凝器内真空压力的平衡稳定是很重要的。

2 控制方案设计

2.1 控制策略

在船舶航行过程中，冷凝器所需的冷却水量随着船舶推进功率的变化而不断变化。为满足在不同功率工况下的冷却水需求量，需通过控制器来调节循环水泵吸入的海水量来实现。

2.2 模糊PI控制方法

对于以上所提到的不同功率工况，均通过循环水泵来调节和维持冷凝器的真空压力。在不同工况下，均采用模糊自适应PI控制方法来进行真空压力的控制。

此方法的工作原理如图1所示［5－6］。

图1 模糊PI控制器原理框图Fig.1 Principium of fuzzy PI controller

模糊自适应PI控制器以真空压力误差e和误差变化ec作为输入，在不断检测e和ec的过程中，根据模糊控制原理对控制参数进行修改，以满足不同时刻的e和ec对PI控制参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动静态性能。

2.3 模糊PI控制器设计

在模糊推理系统中，误差e和误差变化率ec为输入量，选取误差e和误差变化率ec的论域范围均为［－6，6］，语言变量集为 {NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分别表示 “负大”、 “负中”、 “负小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。同时设定e和ec的隶属函数为高斯型隶属度函数，模糊推理系统的输出则为Kp，Ki的增量ΔKp和ΔKi，其论域和语言变量集与误差e和误差变化率ec一致，并设置其隶属函数为三角形隶属度函数。

根据Kp和Ki在控制系统中的不同作用及其相互关系，并结合工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立如表1和表2所示的模糊规则表。

然后通过计算误差e和误差变化率ec的实时值，利用模糊规则进行模糊推理得出修正参数ΔKp和ΔKi代入到下式:其中:Kp0和Ki0为比例系数Kp和积分系数Ki的初始值。将修正后的Kp和Ki代入到PI控制器中进行控制，此过程不断重复。

表1 Kp模糊规则表Tab.1 Fuzzy rules of Kp

表2 Ki模糊规则表Tab.2 Fuzzy rules of Ki

3 仿真实验结果

在某已有的冷凝器模型上进行仿真，冷凝器真空压力的初始值为25 kPa，要求冷凝器的真空压力控制在34 kPa。当船舶分别以最大功率和10%功率推进时，2种工况都分别通过模糊PI控制器和常规PI控制器来调节循环水泵，以达到真空压力的控制要求，仿真结果如图2和图3所示。

图2 最大功率推进时，冷凝器真空压力控制曲线Fig.2 Change of condenser pressure in maximal power

图3 10%功率推进时，冷凝器真空压力控制曲线Fig.3 Change of condenser pressure in 10%power

当推进功率在10%功率和最大功率之间互相转换时，也分别用常规PI控制器和模糊PI控制器对冷凝器真空压力进行控制，仿真结果如图4和图5所示。

图4 由10%功率向最大功率切换时，冷凝器真空压力控制曲线Fig.4 Change of condenser pressure from 10%power tomaximal power

图5 由最大功率向10%功率切换时，冷凝器真空压力控制曲线Fig.5 Change of condenser pressure from maximal power to 10%power

从以上仿真实验结果可以看出，无论冷凝器是在高功率还是低功率工况运行时，模糊PI控制器较之常规PI控制器，都明显缩小了真空压力控制曲线的超调量以及调节时间，上升时间大致相当;同时，当推进功率在高低工况之间互相切换时，模糊PI控制器相对于常规PI控制器，背压的过渡过程更加平稳，控制性能更好，从而可更好地满足大范围功率水平控制要求。

4 结语

通过以上对冷凝器真空压力控制系统的研究，可以发现设计的模糊PI控制器在冷凝器运行的不同工况下，对其真空压力的控制效果要优于常规PI控制器，适应性更好。因此，运用该模糊PI控制方法改善了冷凝器的工作性能，从而可以提高整个机组的工作效率。

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Research on condenser pressure control system based on fuzzy PI control

LUO Ma，SUN Jian-hua，WANGWei
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper analyses the occurring reasons of condenser pressure and the factor that affect it，it designs the condenser pressure control systems in different situations by themethod of fuzzy PI.Through the simulation，it shows that fuzzy PI controller has a better performance on condenser pressure control than traditional PI controller.

condenser;pressure;fuzzy PI

U664.113;TK264.1+1

A

1672－7649(2013）03－0061－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.013

2012－11－15;

2013－01－11

罗马(1990－），男，硕士研究生，研究方向为核能科学与工程。