过热汽温串级模糊控制系统设计与仿真

任琦梅，姜建，李晓锋

(1.河南城建学院，河南平顶山467036;2.郏县供电有限责任公司，河南郏县467100)

锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉运行的重要参数。过热汽温过高，会对过热器和汽轮机设备造成威胁甚至损坏，影响设备使用寿命;过热汽温过低不仅会使机组循环热效率降低，煤耗增大，而且汽轮机的安全运行也无法保证;过热汽温变化过大，除了使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。因此，在锅炉运行过程中，必须把过热汽温严格控制在规定范围内。

目前，火电厂过热汽温控制广泛采用喷水减温，系统结构主要采用串级控制系统。但由于过热器具有大滞后、非线性、多变量和时变等特点，当工况变化比较大时，难以保证控制品质［1］。本文在串级控制的基础上，提出串级模糊控制策略，并通过仿真对控制效果进行对比分析。

1 串级控制系统组成

采用喷水减温的过热汽温串级控制系统如图1所示。

图1 过热汽温串级控制系统

有效反映减温水变化的是减温器出口的温度。为了改善系统的动态性能，本文引入减温器出口温度信号作为调节器的补充信号，以便快速反映影响过热汽温变化的扰动［2］。

过热汽温对象延迟和惯性较大，在减温水扰动下，导前汽温θ2比主蒸汽温θ1提前反映控制作用，因此采用导前汽温信号构成串级系统以改善汽温的控制质量。只要导前汽温发生变化，副调节器动作改变减温水量，初步维持减温水出口汽温在一定范围内，起粗调作用。过热器出口汽温θ1的控制是通过主调节器来校正副调节器的动作。过热汽温串级控制系统的原理如图2所示。

图2 过热汽温串级控制系统原理图

在串级过热汽温控制系统中，副回路的任务是快速消除内扰，要求调节过程的持续时间较短，但不要求无差，所以副调节器一般可选用比例调节器。当导前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。主回路的任务是维持过热汽温恒定，因此主调节器一般选用比例积分调节器。当过热汽温惰性较大时，也可选用比例积分微分调节器。

2 串级模糊控制系统组成

本文设计的过热汽温串级模糊控制系统结构如图3所示。主调节器部分在原来PID控制的基础上，并联一个基本的Fuzzy控制器。当过热汽温偏差较大时，利用模糊控制结合适当的作用量抑制干扰，保证系统快速响应，同时又保留了串级控制系统抑制内扰的特点，保证控制精度和良好的动态品质。

图3 过热汽温串级模糊控制系统结构图

本文中的模糊控制器采用二维结构，输入量为偏差e和偏差的变化率ec，输出量为控制量u［3］。二维模糊控制器如图4所示。

图4 二维模糊控制器

2.1 模糊语言变量设计

二维模糊控制器的输入模糊语言变量为E(温度偏差)和EC(温度偏差变化率)，输出模糊语言变量为U(阀门开度)。设E、EC和U的模糊论域均为［-6，6］，语言值均设定为7个，即{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

在Matlab中打开模糊逻辑推理系统编辑器，即可设定模糊语言变量及其高级属性，可以设定输入输出模糊语言变量各语言值的隶属函数，本文中采用三角形隶属函数。系统的决策部分采用Madani算法，解模糊化采用重心法。

2.2 模糊规则设计

设计模糊规则的主要依据是操作人员的经验和具体的技术要求。本文制定模糊规则的基本原则是:在适当考虑模糊量变化大小的前提下，当温度变化较大时，尽快消除温度偏差;当温度变化较小时，注意防止超调和保证系统的稳定性。依据火电厂操作人员“控制过热汽温的变化率，防止超调”的经验得到模糊控制的49条规则［4］(见表1)。

表1 模糊控制规则

用Matlab进行仿真时，可在模糊规则编辑器中编辑模糊规则，然后根据二维模糊控制器的结构搭建模糊控制器模型(见图5)。其中量化因子ke、kec和比例因子ku可以在仿真的过程中在线修改［5］。

图5 模糊控制器仿真模型

3 控制系统仿真模型的建立

以某电厂锅炉100%负荷时过热汽温的模型为仿真对象，被控对象的传递函数分别为［2］:

在Simulink中建立过热汽温串级控制系统模型(见图6)。图6中温度变送器传递函数取1，副调节器采用比例控制，主调节器采用PI控制，主、副调节器参数整定后，在仿真调试的过程中可以再适当修改，以求得到更好的控制效果。

图6 过热汽温串级控制系统仿真模型

在Simulink中建立过热汽温串级模糊控制系统模型(见图7)。图7中模糊控制模块为图5中的模糊控制器封装得到［6］。量化因子和比例因子是影响模糊控制器控制效果的重要因素。量化因子ke相当于模糊控制器的比例作用，kec相当于模糊控制器的微分作用，比例因子ku相当于总的放大倍数。量化因子可根据实际误差变化范围初步确定，并在仿真调试过程中适当调整。

4 仿真结果与分析

为便于对比分析，本文将串级控制和串级模糊控制的仿真曲线绘制在一张图上。分别对系统出现的减温水扰动、控制对象增益改变、控制对象时间常数改变、控制对象增加延迟等情况进行了仿真，结果如图8、图9、图10、图11所示。

图7 过热汽温串级模糊控制系统模型

图8 1000 s时加入减温水扰动的响应曲线对比

图9 惰性区增益改为1.5时响应曲线对比

图10 惰性区时间常数改为22 s时响应曲线对比

图11 惰性区加20 s延迟时响应曲线对比

从响应曲线对比可以看出:在给定阶跃信号作用下，过热汽温串级模糊控制系统的超调量和调整时间都比较小，表现出了良好的动态品质;在减温水扰动作用下，串级模糊控制系统能更快地恢复，表现出良好的抗内扰特性;在控制对象惰性区增益变化、时间常数变化、增加延迟等数学模型发生改变时，串级控制系统的振荡增强，调整时间增大，控制品质大大下降，而串级模糊控制系统仍保持了良好的动态性能，表现出较强的自适应性和鲁棒性能。

5 结论

针对过热汽温高阶大惯性、大时滞等特点，设计了过热汽温串级模糊控制系统。仿真结果表明，串级模糊控制系统与传统的串级控制系统相比，在稳定性、快速性、准确性等方面表现出更优越的控制品质，从加入扰动和改变控制对象数学模型的仿真实验可以看出，过热汽温串级模糊控制系统对环境的适应能力更强，具有良好的鲁棒性。由于过热汽温控制对象工况复杂，包含许多不确定因素，参数变化大，串级模糊控制系统具有广泛的应用前景。

［1］左燕，侯国莲，张建华，等.复合模糊串级系统在火电厂过热汽温控制中的应用［J］.现代电力，2002，19(1):64-69.

［2］谷俊杰，李建强，高大明，等.热工控制系统［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［3］谢仕宏.MATLAB R2008控制系统动态仿真实例教程［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［4］杨涛，高伟，黄树红.基于Matlab的锅炉过热汽温模糊控制系统仿真［J］.华中科技大学学报，2003，31(4):3-65.

［5］范永胜，徐治皋，陈来九.基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究［J］.中国电机工程学报，1997，17(1):23-28.

［6］罗文广，韩峻峰，兰红莉.基于MATLAB(SIMULINK)语言的模糊控制系统高效仿真［J］.计算机仿真，2001，18(3):14-16.