基于模糊PID的主汽温串级自适应控制

侯鹏飞　贾新春　王琦

摘  要：随着电网对火电机组调峰调频能力的日益严苛，火电机组经常运行在AGC指令频繁变化的工况下。当负荷指令变化时，主汽温度的对象模型也会随之发生变化。该文设计了一种基于模糊PID的主汽温串级自适应控制系统，根据主汽温的实时偏差与偏差变化率，依据模糊控制规则自适应调整PID控制器的3个参数。仿真结果表明，基于模糊PID的主汽温串级自适应控制具有系统超调小、响应速度快、变工况鲁棒性好等优点，满足机组AGC调峰调频时主汽温控制的动态特性。

关键词：主汽温度;AGC调峰调频;模糊PID;自适应控制;串级控制

中图分类号：TP273              文獻标志码：A

0 引言

近年来，电网对火电机组调峰调频响应能力日益严苛，电网AGC负荷指令的变化将直接导致主汽温度、主汽压力、给水流量等参数的大幅波动，使机组在调峰变工况时自动投入率低，协调控制系统控制不稳定，严重影响机组的安全稳定运行。在发电过程众多的热工被控参数中，主汽温度是最重要、最核心的被控参数之一。通常情况下，要求锅炉主汽温度的暂时性偏差不超过±10 ℃，长期偏差不超过±5 ℃。主汽温度偏高将导致过热器与汽轮机高压缸承受较高的温度和压力，影响机组的安全运行;主汽温度偏低则直接影响机组的发电效率，从而降低机组运行的经济性，此外还会增加蒸汽的含水量，缩短汽轮机的使用寿命。因此，主汽温控制是发电过程重要的被控参数之一。目前，火电机组主汽温度多采用串级PID控制，通过控制喷水减温器的喷水量达到调节主汽温度的目的。然而，当AGC负荷指令频繁变化时，由于主汽温度具有大迟延、大惯性、非线性与时变等特性，传统的串级PID控制使主汽温在变工况运行时的波动较大，控制效果不佳，不仅会影响机组的安全稳定运行，而且难以满足电网的调峰调频要求。为此，该文设计了一种基于模糊PID的主汽温串级自适应控制系统，模糊控制器根据设定值与实际值的偏差及偏差变化率自适应调整PID控制器的比例、积分和微分3个参数，使PID控制器的参数随偏差的变化而适当调整，以改善负荷变化时主汽温的动态特性，满足AGC负荷指令变化时主汽温的控制要求。

1 模糊PID串级自适应控制系统设计

1.1 系统整体设计

当AGC负荷指令发生变化时，机组协调控制系统将随负荷指令的变化自动调整火电机组的燃料量、给水流量、送风量等，使主汽温度产生一定波动。因此，在不同工况时主汽温的动态模型会发生相应变化，导致过热汽温也随减温水的动态特性变化。

基于模糊PID的主汽温串级自适应控制系统如图1所示，系统由内、外2个回路组成。其中，内回路被控对象为减温器，副调量为减温器出口蒸汽温度θ2，副调节器为PID控制器;外回路被控对象为过热器，主调量为过热器出口主汽温度θ1，主调节器采用模糊PID自适应控制器。

为了快速消除减温水的内部扰动，副调节器通常采用比例控制器K。主调节器采用模糊PID自适应控制器用于有效克服主汽温度的大迟延、大惯性特性以及工况发生变化时主汽温对象的非线性与时变性。主汽温串级自适应控制系统首先计算出主汽温设定值r与实际值的偏差e，再经微分环节de/dt计算得到偏差的变化率ec，模糊控制器再依据设计的模糊控制规则自适应调整PID控制器的KP、KI和KD 3个参数，使PID控制器的参数随偏差的变化自适应动态调整。

图1中，K为内回路比例控制器的比例系数;W1（s）为串级控制系统导前区传递函数;W2（s）为串级控制系统惰性区传递函数;WH1（s）为内回路温度变送器的传递函数;WH2（s）为外回路主汽温度变送器的传递函数。

将主汽温串级控制系统的内回路与惰性区传递函数W2（s）作为主汽温控制系统的广义被控对象W（s），经传递函数化简可得：

1.2 模糊PID控制器设计

模糊PID控制器根据主汽温设定值与实际值的偏差e与偏差变化率ec，依据设计的模糊控制规则自适应调整PID控制器的KP、KI和KD三个参数，使PID控制器的参数随偏差的变化自适应动态调整。

模糊控制器的输入为偏差e与偏差变化率ec，输出为PID控制器的KP、KI和KD。根据单位阶跃响应的特点分析可知，e和ec的论域应设为[-1，1]。模糊子集定义为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。e和ec的隶属函数选用灵敏度较高的三角函数trimf（）。

以该厂不同负荷时的主汽温度为研究对象，在MATLAB/Simulink环境下搭建模糊PID串级自适应控制系统仿真模型。此外，为了便于动态特性对比，同时搭建主汽温串级PID控制系统仿真模型，如图2所示。

根据串级控制系统整定方法，首先整定内回路副调节器K=25，然后再针对广义被控对象W（s）整定外回路主调节器PID控制器的参数KP、KI、KD 。为简便起见，内、外回路温度变送器的传递函数WH1（s）、WH2（s）均设为1。

分别针对30%、50%、75%和100%工况进行仿真研究，阶跃响应动态特性曲线如图3所示，动态性能指标见表3。

由图3与表3可知，基于模糊PID的主汽温串级自适应控制比传统串级PID控制具有更小的超调量，更快的上升时间与调节时间，系统动态特性明显改善。

3 结语

当AGC负荷指令发生变化时，主汽温被控对象的动态模型也会发生相应变化。基于模糊PID的主汽温串级自适应控制是根据主汽温设定值与实际值的偏差e与偏差变化率ec，依据设计的模糊控制规则自适应调整PID控制器的参数KP、KI和KD，使PID控制器的参数随偏差的变化自适应动态调整。

仿真结果表明，与传统的主汽温串级PID控制相比，基于模糊PID的串级自适应控制不仅减小了超调量，缩短了上升时间与调节时间，而且当AGC负荷指令发生变化时，基于模糊PID的串级自适应控制仍具有良好的动态特性。

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