1、引 言過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱其蒸汽管道和汽輪機的高壓部分損壞；過熱蒸汽溫度過低，會引起電廠熱耗上升，并使汽輪機軸向推力增大而造成推力軸承過載，還會引起汽輪機末級蒸汽濕度增加，從而降低汽輪機的內效率，加劇對葉片的腐蝕。所以鍋爐運行中必須保持過熱汽溫穩定在規定值附近。因此，火電廠鍋爐過熱汽溫，通常要求它保持在額定值5范圍內1。而汽溫調節過程是典型的大延遲熱工過程，由于大延遲的存在使過程可控指數很低，受控對象為多容、大慣性系統，受控系統存在嚴重的非線性和時變特性，且影響汽溫變化的擾動因素很多，如蒸汽負荷、火焰中心位置等。這就給汽溫調節帶來很大的困難。

2、而一些常規的控制方案用于大機組汽溫調節效果不夠理想，因此研究火電廠的主蒸汽溫度控制系統的新型控制策略具有重要的意義。模糊控制是當今控制領域中令人矚目的控制方法和技術，它通過把專家的經驗和要求總結成若干規則，采用簡便、快速、靈活的手段，來完成那些用經典和現代控制手段難以實現的自動化的目標，因而在多個領域中得到越來越廣泛的應用。由于常規模糊控制器的控制規則是根據現場操作人員或專家的經驗總結出來的，其語言規則和合成推理往往是固定的，它假設控制過程不會產生超出這些經驗范圍的顯著變化，從而有一定的局限性2。對于一個非線性、大延遲的系統，使用常規的PID控制，或是簡單的模糊控制將難以達到滿意的控制效果。大

3、型火電廠鍋護主蒸汽溫度控制系統是提高電廠經濟效益，保證機組安全運行的不可缺少的環節。主蒸汽溫度一般可看作多容分布參數受控對象，其動態特性表現為具有明顯的滯后特性，因此對該對象的控制比較困難，本文結合模糊控制和串級控制的優點，提出主汽溫FUZZY-PI串級控制方法，并且使用MATLAB 中的SIMULINK 軟件進行仿真，仿真結果表明該控制器可以使系統具有很好的抗干擾性能和魯棒性3。第一章 緒論1.1 論文的選題背景和意義在火電廠中，熱工對象普遍存在著大滯后和大慣性的特征，如電廠汽包鍋爐蒸汽壓力和燃料控制系統, 汽包鍋爐過熱蒸汽的溫度控制系統 ,這給控制帶來了一定的困難。本文以汽包鍋爐過熱蒸汽溫

4、系統為研究對象, 對汽溫動態特性分析。過熱蒸汽溫度一般可以看成多容分布參數受控對象，其動態特性描述一般可用多容慣性環節來表示, 通過其階躍擾動動態特性實驗結果可以看出, 該對象具有明顯的滯后特性。原因主要有:鍋爐燃燒工況不穩定, 煙氣側擾動頻繁且擾動量較大, 影響過熱蒸汽溫度變化快;由于工藝特性決定各級過熱汽管道較長, 造成過熱汽溫對其控制輸入噴水減溫器的減溫水量變化反應較慢;外部擾動(如主蒸汽流量波動、主汽壓力波動、汽水分離器水位波動、給水溫度及流量變化、蒸汽吹灰投入等) 變化頻繁且擾動量較大, 而使主汽溫度長期不能穩定;由于參數整定不當引起一、二級噴水量不匹配, 使得噴水量內擾較大, 造成

5、過熱汽溫在外擾較小時仍偏離設定值較大。因此, 針對上述情況設計的過熱汽溫控制系統, 既要求對煙氣側擾動及負荷波動等較大外擾具有足夠快的校正速度,同時又要求對減溫水內擾有較強的抑制能力, 從而使系統具有足夠的穩定性和良好的控制品質, 并能保證系統運行的安全性。常規控制方案: 一種是串級控制, 另一種是導前汽溫微分信號控制。當工況變化大時, 難以保證控制品質。因而考慮在串級控制系統中引入模糊控制器, 根據運行人員的操作經驗, 采用復合模糊串級控制系統。仿真結果表明: 與傳統的PID 控制相比, 復合模糊串級控制具有更快的響應、更小的超調和更強的抗干擾能力4 。1965年，美國加利福尼亞大學的扎德教

6、授發表了開創性的論文，從而產生了模糊集合論，并奠定了模糊集理論和應用研究的基礎。其后，一些學者把模糊集的思想引入系統控制，提出了模糊控制的概念，并開展了理論及應用方面的研究。1974年，英國的E.H.Mamdani 首先把模糊控制語言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發動機；在以后的20多年中，模糊控制在控制領域的應用越來越受到人們的重視。國外不少專家、學者、 工程技術人員都致力于模糊控制的研究，并將模糊控制器用于工業過程控制方面，取得了良好的效果。在高度工業化的日本，其模糊控制理論和研究都處于世界領先地位。從家用電器到生產過程控制，應用模糊控制技術的新一代產品已大量上市。從1979年開始，我國也開

7、始了模糊控制理論及應用方面的研究。目前，模糊理論方面的研究已取得了重要的成果。在各種模糊控制算法和模糊與常規復合控制算法的研究中取得了許多有價值的成就。傳統的PID控制器，由于其控制規律簡單，參數設置亦不復雜，在過程控制中仍得到廣泛的應用。但其致命的缺點是事先設定好的控制參數不能適應過程的不確定性而做出相應的調整。當系統參數變化時，由于控制參數不能隨之而變化，不能對受控過程參數做出適時調整，從而使過程的品質指標惡化。 Carcia和Morari在1982年提出了內模控制，這一控制的優點是能將PID控制、SIMULINK 預估控制、確定性線性二次最優反饋控制和多種預測控制等歸納在同一架構之下，內

8、模控制設計簡單、跟蹤性能好、魯棒性強、能消除不可測干擾的影響，是一種設計和分析預測控制系統的有力工具5。在控制工程中，被控對象總是含有種種不確定性。如果用精確數學模型設計相應的控制器，那么當不確定參數變化劇烈時，往往難以獲得滿意的控制效果，甚至造成無法控制。為了解決這個問題，出現模糊控制等方法。這些方法在一定條件下是可行的。但是當系統操作環境突變例如被控對象發生故障或運行環境發生突變，系統的參數變化很大，常規自適應控制器中的辨識器難以跟隨參數的實際變化，導致控制器性能不佳；另外，基于對象模型識別的常規自適應控制器以及目前已提出的模糊自適應控制器或者基于神經網絡實現的自適應控制器由于計算量大，控

9、制規律復雜，很難滿足實時性要求，尤其是在操作環境突變的暫態性比較差。1.2論文需要解決的問題論文主要有以下幾個方面的工作需要完成：1通過給定的數據和傳遞函數，根據給定的衰減率進行串級控制系統調節器整定計算，并進行仿真實驗。2熟悉MATLAB仿真工具SIMULINK。3利用上述模糊控制方法針對過熱器這一溫度對象，進行模糊控制器設計，進行仿真實驗。 第二章 模糊控制理論的數學基礎及模糊控制算法概述2.1模糊控制的數學基礎2.1.1模糊集合及其運算定義1：設U為以u表示的一個論域空間，此空間可以是連續的，也可以是離散的。論域空間U上的模糊集合F由隸屬函數表示，在區間0，1上取值，即：U0，1。模糊集

10、合可看成普通集合概念的推廣。普通集合的隸屬函數只能取兩值0，1。因此模糊集合可以用其元素u和它的隸屬度來表示： F= (u, uU當U連續時，模糊集合F可以簡寫為： ；當U離散是，模糊集合F可簡寫為： 。定義2：設A和B為論域U上的兩個模糊集合，規定AC的隸屬函數分別為，并且對于U上的每一個元素有： 上三式分別為A與B的并集、交集和A的補集。式中“”表示取大運算，“”表示取小運算，成為Zadeh算子。定義3：笛卡爾乘積，若A1，A2，An分別為U1,U2,，Un中的模糊集合，A1，A2，An的笛卡爾乘積在乘積空間的隸屬函數為：或者：2.1.2模糊關系及其合成定義4：模糊關系：一個n維的模糊關系

11、為中的模糊集合并表示為： 定義5：模糊關系的合成：若R和S分別為和中的模糊關系，則R和S的合成也為一個模糊關系，表示為，定義為： 其中：可以使最小算子，也可以使代數積、有界積等6。2.1.3語言變量定義6：模糊數：設A為論域U上的模糊集合，為其隸屬函數，又設，若對任意，都是一個閉區間，則稱A是一個模糊數。凡具有連續隸屬函數的凸模糊子集都是模糊數，凸模糊集是指以實數為論域且隸屬函數滿足 的模糊子集而言。定義7： 語言變量：語言變量由一個5元素的集合來表征，其中N是語言變量的名稱，如年齡、顏色、速度、體積等；U是N的論域；是語言變量值的集合，每個語言值都是定義在論域上的一個模糊集合；G是語法規則，

12、用以產生語言變量N的語言值的名稱；是語義規則，使與語言變量相聯系的算法規則，用以產生模糊子集的隸屬函數。例：“年齡”為一個語言變量，他的語義項集合T（年齡）可為：T（年齡）=老，非常老，比較老，年輕，年少，2.1.4模糊邏輯和近似推理在模糊邏輯和近似推理中，有兩類重要的模糊推理規則，即：廣義肯定式推理（GMP）前提1 if x is A then y is B前提2 if x is A結論 y is B廣義否定式推理（GMT）前提1 if x is A then y is B前提2 if y is B結論 x is A在廣義肯定式推理中，當A= A,B= B時，廣義肯定式推理就成了肯定式推理；

13、在廣義否定式推理中，當B=非B，A=非A時，廣義否定式推理就成了否定式推理。由于廣義肯定式推理是前向數據驅動式推理，所以在模糊控制中這種形式的推理更常用。定義8：復合推理規則：若為中的一個模糊關系，且為中的一個模糊集合，為中的一個模糊集合，由推出的方法定義為 若式中取最小算子，則上式即為Zadeh提出的取大-取小復合推理規則7。2.2基本模糊控制系統在工業過程中，由于一系列原因（例如被控對象和過程是非線性、時變性、多參數間的強耦合、較大的隨機干擾、過程機理錯綜復雜以及現場測量儀表條件的不足等），不可能建立被控對象的精確數學模型，而通常只能測得其參數間模糊的關系估計。因此，往往采用傳統的控制方法

14、，包括基于現代控制理論的控制方法，不如一個有實踐經驗的操作人員所進行的手動控制效果好。所謂模糊控制，就是在控制方法上應用模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊邏輯思維方法，用計算機實現與操作者相同的控制。基本Fuzzy控制系統框圖如圖2-1所示：圖2-1 基本Fuzzy控制系統方框圖要設計一個模糊控制器以實現語言控制必須經過以下三步：1. 精確量的模糊化，把語言量的語言值化為某適當區域上的模糊子集；2. 模糊控制算法的設計，通過一組模糊條件語句構成模糊控制規則，并計算模糊控制規則決定的模糊關系；3. 輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉化。現用一簡單的模糊控制器圖

15、2-1來說明Fuzzy控制的實現步驟。圖中R是系統設定值（精確量）；e、ec分別是系統誤差和誤差變化（精確量）；E和EC分別為反映系統誤差與誤差變化的語言變量的模糊集合（模糊量）；u為模糊控制器輸出的控制作用（精確量）；y為輸出量（精確量），下面簡要介紹模糊控制器的設計方法。2.2.1精確量的模糊化設誤差的基本論域為，誤差所取的模糊集合的論域為，這時需要通過量化因子進行論域變換，量化因子的定義是 （2-1）一旦量化因子選定，系統的任何誤差總可以量化為論域X上的某一元素。例如，已知實測誤差為，則它必屬于下列3種情況之一：（1）（2）（3）對于情況（2）及（3），分別將量化為-n與n。對于情況（1

16、），若，則將量化為；若，則需要將量化為，為某一整數。從式（2-1）可以看出，一旦給定論域，量化因子的取值大小可使基本論域發生不同程度的縮小與放大，即當大時，基本論域縮小，而當小時，基本論域放大，從而提高了誤差控制的靈敏度。同理，對于誤差變化率的基本論域，若選定構成論域的元素量化檔數n，則誤差變化率的量化因子定義為 對于系統控制量的變化，基本量化因子的概念，定義為 為其比例因子。其中，為控制量變化的基本論域；為基本論域的量化檔數。一般來說，等級分的越細,控制精度越高，但占用的計算機內存也越大，速度下降，所以在劃分等級時，必須綜合這兩項指標。本文、和分別規定為下列模糊子集：E= NB, NM, N

17、S, ZO, PS, PM, PBEC= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PBU= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB它們的論域劃分為14個等級，隸屬函數是正態分布的，這符合傳統習慣和人的思維特點。在給定論域上確定模糊子集的隸屬函數時要注意下面三個問題：1、任意兩個相鄰子集的最大隸屬度值在0.40.7之間。這個值取得較小時，控制作用比較靈敏；較大時，對被控對象參數的變化適應性較強，即魯棒性強。2、隸屬函數的形狀對控制效果影響較大。窄型隸屬函數，控制靈敏度高；寬型隸屬函數控制特性比較平緩，系統較為穩定。因此，一般在系統誤差較大的范圍內，采用具有低分辨率隸屬函數的

18、模糊集合，而在誤差較小，或接近于零時，宜采用高分辨率隸屬函數的模糊集合。3、為了保證控制作用的隸屬函數是單峰的，各模糊子集必須是正規凸的。2.2.2模糊推理算法模糊控制規則的一般形式為：if E is, EC is then U is 這里、是模糊子集；E表示被控量的設定值R對其實際值Y的偏差e=R-Y所對應的模糊子集，EC用來表示偏差變化率的模糊子集，U表示輸出控制量的模糊子集，是E的模糊子集劃分數目，是EC的模糊子集的劃分數目。上述模糊條件語句可歸結為一個模糊關系，即： 式中，符號“”表示Cartesian積。如果偏差、偏差變化率分別取E和EC，根據模糊推理合成規則，輸出的控制量應當是模糊

19、子集U， 式中符號“”表示模糊合成運算。這樣，若已知輸入量E、EC和輸出控制量U，就可以根據上述規則把相應的模糊關系求出來；凡過來，若系統的模糊關系為已知時，就可以根據E和EC求出模糊控制量U。2.2.3輸出量的模糊判決通過模糊推理得到的模糊控制器的輸出是一個模糊子集，但被控對象只能接受精確的控制量，因此需要解決將模糊量轉化為精確量的判決問題。現有的解模糊方法很多，如重心法、最大隸屬度法、系數加權平均數法和取中位數法等。其中，重心法不僅有公式可循，而且在理論上比較合理，它涵蓋和利用了模糊集合的所有信息，并根據隸屬度的不同而有所側重，所以本文采用重心法。2.3模糊控制的特點通過基本模糊控制設計過

20、程可知，模糊控制具有以下優點：模糊控制系統不依賴系統精確的數學模型，特別適宜于系統（過程）與模糊性對象采用，因為它們的精確數學模型很難獲得或根本無法找到。模糊控制的知識表示，模糊規則和合成推理是基于專家知識或熟練操作者的成熟經驗，并通過學習可不斷更新，因此，它具有智能性和自學習性。模糊控制的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以計算機（微機、單片機等）為主體，因此它兼有計算機控制系統的特點，如具有數字控制的精確性和軟件編程的柔軟性等。模糊控制系統的人-機界面具有一定程度的友好性，它對于有一定操作經驗的而對控制理論并不熟悉的工作人員來說，很容易掌握和學會，并且易于使用“語言”進行人-機對話，更好的為

21、操作者提供控制信息。模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合非線性、時變及純滯后系統的控制。盡管模糊控制有許多優點，但在理論研究和實際應用中尚有許多問題需要深入研究。2.4模糊控制算法概述作者在查閱、綜合、分析了大量文獻的基礎上，選定了幾種具有代表性的新型模糊控制算法加以概述。2.4.1Fuzzy-PID復合控制Fuzzy-PID復合控制指的是模糊技術與常規的PID控制算法相結合的一種控制算法。這種控制方法常見的一種是模糊控制與PI調節器相結合應用的Fuzzy-PI雙模控制形式。這種改進的控制方法的出發點主要是因為一般模糊控制器消除系統穩態誤差的性能比較差，難

22、以達到較高的控制精度。尤其是在離散有限論域設計時，更為明顯。而PI調節器的積分作用從理論上可使系統的穩態誤差控制為零，有著很好的消除誤差作用。因此，有人提出了模糊控制和PI控制相結合的一種方案，以增加穩態控制性能。當誤差在一個閥值以外時，則采用模糊控制以獲得更好的瞬態性能；當誤差落到閥值以內的范圍時，則采用PI控制，以獲得更好的穩態性能。這種復合控制器的結構框圖如圖2-2所示。圖2-2 Fuzzy-PI復合串級控制系統2.4.2自組織模糊控制模糊控制器具有良好控制效果的關鍵是有一個完善的控制規則。但對于高階、非線性、大時滯、時變以及隨機干擾嚴重的復雜被控過程，僅靠對操作者實踐經驗的總結或模糊信

23、息的歸納，很難設計出適合被控過程的所有不同運行狀態的控制規則。為解決這類設計問題，人們設計了一種可以在運動過程中自動對本身或控制規則進行調整的模糊控制器，即自組織模糊控制器。它可使系統的性能不斷完善，能適應不斷變化的情況。目前主要有以下兩種自組織模糊控制器。1、帶修正因子的自組織模糊控制器在采用公式法的常規模糊控制器中，是利用以下計算控制量U的： 其中：x，y分別為模糊控制量偏差及偏差變化率的論域元素，a是介于0，1之間實數。a值的大小，直接反應了對偏差e及偏差變化率e的加權程度。因此通過調整單一因子a的值，就可以方便地修改控制規則，以改善系統的控制效果。但這種單因子自調整方法存在一些不足，就

24、是其控制規則只依賴一個a值，a值一旦確定，則偏差e及偏差變化率e的權重就確定了。這在實際系統中，顯然不能滿足系統狀態發生變化的需要。為了克服單因子的缺點，后來又有人提出帶兩個因子及帶四個因子的自組織模糊控制器，但其結果，從理論上還是會存在穩態誤差的。最近又有人提出對多因子進行尋優的模糊控制器，即采用ITAE積分性能指標： 式中，表示誤差函數加權時間之后的積分面積的大小。括號中英文字母漢譯分別是：I-積分；T-時間；A-絕對值；E-誤差。該指標能夠綜合評價控制系統的動態和靜態性能，從理論上來講，應具有良好的品質，但在實際工程中，采用尋優的方法很難達到理想的控制效果。盡管如此，帶修正因子的自組織模

25、糊控制器可以拋開控制表。把模糊控制規則綜合成一個簡單算式，直接求出控制器，并可以根據系統的運行狀態，通過調整a值，很方便的進行在線調整控制規則，以改善系統的控制性能。因此這是一種既方便又有效的自組織模糊控制器，特別適合于工程應用。2、參數自整定模糊控制器模糊控制系統的性能不但與控制規則有關，而且模糊化和精確化的兩個過程直接影響被控過程動態特性的優劣，這主要反映在量化因子、和比例因子的選取上。通常這三個因子都是一次確定的，這樣做往往不能全面適應被控對象變化的情況。借鑒PID參數自整定的思想，又提出了在線自整定模糊控制器的概念，其結構如圖2-3所示。我們知道，典型的單變量二維模糊控制器代數模型可用

26、下式表示： 比例因子和分別相當于模糊控制的比例作用和微分作用的系數，則相當于總的放大系數。、增大，相當于控制器的比例作用和微分作用增強；而增大，相當于控制器總的放大倍數增大。因此，若要加快系統的響應速度，減少穩態誤差與誤差變化率，就必須增大、，但可能引起系統較大的超調，調節時間增長、，嚴重時還會產生振蕩乃至系統不穩定。過大，會導致系統輸出上升速率過大，從而產生過大超調乃至振蕩或發散。系統參數自調整的思想是：當偏差較大時，縮小和，放大，降低對e和ec的分辨率；而當偏差和偏差變化率較小時，參數整定思想與上述相反。圖2-3 參數自整定模糊控制系統參數自整定模糊控制器的提出和實現，無疑為提高控制器的性

27、能提供了一種有益的方法。但通常對三個因子的自整定過程中，變化不大，因而仍然不能保證對人和系統都有優良的品質。2.4.3自適應模糊控制器一個控制過程，如果不能完全預知其環境和控制對象，但能夠在其運行過程中，利用輸入和輸出觀察到的信息，逐步減少對系統進行有效控制的先驗不確定性，以逐步達到最優或次優，則稱其為一個自適應模糊控制過程。采用模糊信息處理技術，具有自適應功能的控制系統稱為自適應模糊控制系統。自適應模糊控制器是在基本模糊控制器的基礎上，增設了三個功能塊兒構成的，其結構如圖2-4所示。性能測量：根據測量出的實際輸出特性與希望特性的偏差，確定輸出響應的校正量；控制量校正：通過修正控制規則來實現對

28、控制量的校正；模糊控制的過程為每一個采樣周期過程的每一個輸出的校驗，給出關于該輸出的性能測量，然后算出每一個采樣周期的輸出特性的校正量P(nT),通過控制量校正求出控制量校正量R(nT)，進而修正控制規則。2.4.4多變量模糊控制前面提到的幾種模糊控制是針對簡單系統采用的雙輸入單輸出的模糊控制器，而圖2-4 自適應模糊控制系統對于多變量復雜系統，各輸入輸出變量之間存在著不同程度的相互影響。當多個輸出變量之間耦合程度較強時，便無法分為幾個獨立的單回路控制系統，這時必須才用多變量控制策略。對于多變量被控過程，如果采用模糊控制，即模糊集合表達的控制規則，那么其表達形式與單變量系統的模糊控制基本相同，

29、所不同的是多變量模糊控制規則更難提取，同時，由于多變量系統變量增多，用于表達多變量控制規則的計算量增大，對計算機存儲量的要求增大。為了解決多變量模糊控制系統中的這些問題，Gupta等在1986年對多變量控制系統的表達式進行了研究，給出了多變量模糊控制規則的分解近似表達式。這樣，不但為研究多變量模糊控制系統提供了基本結構，而且降低了計算機存儲容量的要求。可是，對于建立規則庫仍不易實現。徐承偉分別用模糊關系和語言變量描述方法對多變量被控過程建模，并利用解耦思想在模糊模型上設計解耦補償器，但還不夠成功，存在求解計算量大，甚至描述不正確等問題。但是到目前為止，還沒有很好的方法解決8。第三章 汽溫調節對

30、象的動態特性及常規控制方式3.1汽溫控制系統介紹3.1.1 汽溫調節的目的 蒸汽過熱器是鍋爐的重要組成部分，它的作用是將飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度的過熱蒸汽，鍋爐過熱器是由輻射過熱器，對流過熱器和減溫器等組成。現代鍋爐的過熱器是在高溫，高壓條件下工作的，鍋爐出口的過熱蒸汽溫度是整個汽水運行過程中的最高溫度，對于電廠的安全經濟運行有重大影響，汽溫過高會使過熱器和汽輪機高壓缸承受過高的熱應力而損壞，汽溫偏低會降低機組熱效率，影響經濟運行。所以，在鍋爐運行中，必須保持過熱蒸汽溫度穩定在規定值附近。一般要求過熱蒸汽溫度與規定值的暫時偏差值不超過10長期偏差不超過59。3.1.2汽溫調節系統的組成及功

31、能 由于過熱器的管道較長，結構復雜，其滯后和慣性較大，因此大部分機組的過熱蒸汽溫度的自動調節采用兩級噴水調節方式，第一級起粗調作用，正常運行時，取兩側屏式過熱器出口汽溫的平均值作被調量，其輸出直接控制兩側噴水調節門開度，改變減溫水量，適應負荷改變時對蒸汽品質的要求，同時保證屏的安全。第二級實現細調，調節減溫水量以消除燃燒工況不均勻時對系統的影響，保持額定的蒸汽溫度，保證最末級過熱器安全。3.1.3 過熱汽溫調節對象的靜態特性過熱汽溫調節對象的靜態特性指汽溫隨鍋爐負荷變化的靜態關系。對流式過熱器和輻射式過熱器的過熱汽溫靜態特性完全相反，對于對流式過熱器，當負荷增加時，通過其煙氣的溫度和流速都增加

32、，因而使過熱汽溫升高。所以對流式過熱器的出口汽溫隨負荷增加而升高。對于輻射式過熱器，由于負荷增加時爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負荷增大所需要的熱量，因此輻射式過熱器的出口汽溫隨負荷增加而降低如圖3-1所示。可見，過熱器的傳熱形式、結構、布置將直接影響過熱器的靜態特性。現代大容量鍋爐的過熱器系統都采取了對流式過熱器、輻射式過熱器和屏式（半輻射式）過熱器交替串聯布置的結構，這有利于減小過熱器出口汽溫的偏差，并改善了過熱汽溫調節對象的靜態特性。3.1.4 過熱汽溫調節對象的動態特性如圖3-2所示，過熱汽溫調節對象的動態特性是指引起過熱汽溫變化的擾動與汽溫之間的動態關系。引

33、起過熱汽溫溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流過過熱器的煙氣溫度和流速變化等。歸結起來，過熱汽溫調節對象的擾動主要來自三個方面：蒸汽流量變化（負荷變化），加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化（過熱器入口汽溫變化）。通過對過熱汽溫調節對象作階躍擾動實驗，可得到不同擾動作用下的對象動態特性，它們均為遲延的慣性環節，但各自的動態特性參數值（、）有較大差別。圖3-1 過熱汽溫的靜態特性 圖3-2 過熱汽溫調節對象的動態特性當負荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數，使過熱器各點的蒸汽溫度也幾乎同時

34、改變。所以在負荷擾動下，汽溫的遲延和慣性比較小。當煙氣熱量擾動（煙氣溫度和流速產生變化）時，由于煙氣流速和溫度變化也是沿整個過熱器同時改變，與蒸汽流量變化對傳熱情況類似，所以汽溫的反應也是較快的。當減溫水量擾動時，改變了高溫過熱器的入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫。由于大型鍋爐的過熱器管路很長，因此減溫水流量擾動時，汽溫的反應是較慢的。對于一般高中壓鍋爐，當減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間 =3060s,時間常數=100s；而當煙氣側擾動時， =1020s，=100s。3.2 主汽溫對象的一般特性在現代火力發電廠熱工控制中，鍋爐出口過熱蒸汽溫度、主汽溫是鍋爐的主要參數之一，對電廠的安全經濟運

35、行有重大影響。主汽溫偏高會使過熱器和汽輪機高壓缸承受過高的熱應力而損壞，威脅機組的運行安全。主汽溫偏低則會降低機組的熱效率，影響機組運行的經濟性 同時主汽溫偏低會使蒸汽的含水量增加；從而縮短汽輪機葉片的使用壽命，因此必須將主蒸汽溫度嚴格控制在給定值附近。例如，亞臨界壓力機組的主蒸汽溫度通常要求其暫態偏差不能超過8穩態偏差不允許超過2。然而，隨著電力事業的發展，現代鍋爐機組大多采用那些大容量高參數、高效率的大型鍋爐，其過熱器管道相應地加長，其結構也更復雜。此外，在電力生產過程中，過熱器出口溫度還受到諸如蒸汽流量（負荷）變化、爐膛熱負荷變化、煙氣量及煙氣溫度波動、過熱器管壁結焦等等可測的或不可測的

36、外部因素影響。在這些外部因素的共同作用下，主汽溫對象除了具有多容大慣性、大遲延特性之外，往往又表現出一定的非線性和時變特性。理論分析和大量的實踐表明，在影響過熱汽溫的諸多因素當中，蒸汽流量（負荷）、煙氣擾動（熱負荷）、過熱器入口溫度 、（減溫水量）是三個最主要的因素。根據不同的調節機理，在實際應用中可采用設置擺動式燃燒器、煙氣擋板和多級噴水減溫等調節方式。其中，噴水減溫因為調節方式靈活、設備相對簡單易于控制是電廠主汽溫調節,特別是高溫過熱器出口汽溫調節是最主要的調節手段.由于各種過熱器的構造不同,它們的動態特性和靜態特性也有差異.所以在我們將應用前一章所介紹的模糊自適應預測控制算法著重研究。3

37、.3 常規串級控制系統的設計與分析3.3.1過熱汽溫串級調節系統的組成圖3-3過熱汽溫串級調節系統。汽溫調節對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量為對象調節通道的輸入信號，過熱器出口汽溫為輸入信號。為了改善調節品質，系統中采用減溫器出口處汽溫作為輔助調節信號（稱為導前汽溫信號）。當調節機構動作（噴水量變化）后，導前汽溫信號的反應顯然要比被調量信號早很多。圖3-3過熱汽溫串級控制由于從調節對象中引出了信號，對象調節通道的動態特性可以看成由兩部分組成：以減溫水流量作為輸入信號，減溫器出口溫度作為輸出信號的通道，這部分調節通道稱為導前區，傳遞函數；以減溫器出口溫度作為輸入信號，過熱器出口汽溫為輸出信號

38、的通道，這部分調節通道稱為惰性區，傳遞函數。顯然，導前區的遲延和慣性都要比惰性區的小得多。3.3.2串級汽溫調節系統的分析串級汽溫調節系統的方框圖如圖3-4所示，它有兩個閉合的調節回路：由對象調節通道的導前區、導前汽溫變送器、副調節器、執行器和減溫水調節閥組成的副調節回路；由對象調節通道的惰性區、過熱汽溫變送器、主調節器以及副調節回路組成的主回路。串級調節系統能改善調節品質，主要是由于有一個快速動作的副調節回路存在。由圖可以看出，引入負反饋而構成的副回路起到了穩定的作用，從而使過熱汽溫保持不變，因此可以認為副回路起著粗調節過熱汽溫的作用。而過熱汽溫的規定值，主要由主調節器來嚴格保持。只要不等于

39、規定值，主調節器就會不斷改變其輸出信號并通過副調節器不斷改變減溫水流量，直到恢復到等于規定值為止。可見，主調節器輸出信號相當于副調節器的可變給定值。穩定時過熱汽溫等于給定值，而導前汽溫則不一定等于原來的數值，的信號數值等于穩態時主調節器輸出值。對于串級汽溫調節系統，無論擾動發生在副調節回路還是發生在主調節回路，其調節品質都是優于單回路調節系統的。圖3-4 汽溫串級調節系統方框圖-減溫水流量；-減溫水流量擾動；-調解作用引起的減溫水流量變化；-調解通道導前區的傳遞函數；-調解通道惰性區的傳遞函數；-副調解器的傳遞函數；-主調解器的傳遞函數；-導前汽溫變送器的斜率；-主汽溫變送器的斜率；-執行器的

40、比例系數；-減溫水調節閥的比例系數（1）擾動發生在副回路內，例如當減溫水流量發生自發性波動（可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變）而引起變化時，對于單回路汽溫調節系統，由于沒有副調節回路去迅速消除的波動，所以必然要影響到主汽溫的穩定；對于串級汽溫調節系統，由于有副回路存在，而且導前區的慣性又小，副調節器能及時動作，快速消除掉減溫水流量的自發性波動，從而使過熱汽溫基本不變。（2）擾動發生在副回路以外，引起過熱汽溫偏離給定值時，串級系統首先由主調節器改變其輸入信號，通過副調節回路去改變減溫水流量，使過熱汽溫恢復的給定值。這時，主調節器的調節對象可以近似認為是等效對象，它的慣性遲延比采取單回路汽溫調節系統

41、時的調節對象=要小，因此在這種情況下，串級系統的調節質量還是優于單回路系統的。可見，在串級汽溫調節系統中，副回路的任務是盡快消除減溫水流量的自發性擾動和其它進入副回路的各種擾動，對過熱汽溫的穩定起粗調作用。汽溫系統的副調節器一般采用比例調節器，主調節器的任務是保持過熱汽溫等于給定值，所以可采用比例積分或比例積分微分調節器。3.3.3 調節器的整定根據參考文獻10知：副調節器 主調節器 變送器斜率 被控對象惰性區 (/mA)被控對象導前區 (/mA)根據參考文獻10可知被控對象的傳遞函數 K=由于，nT=215+320=90,nT3,主副回路可相互獨立的原則進行參數整定，即認為副回路是一個快速隨

42、動系統。副回路中調節器的參數整定：副回路的特征方程式：1+= 0 1+=0 225+30s+1+=0這是一個二階系統，設副回路的整定要求為衰減率=0.75，相應的阻尼系數=0.216則由上式可算出調節器的比例帶為=主調節器參數的整定：當副回路整定好以后，副回路的閉環傳遞函數可寫為=當前向傳遞函數遠大于1時，則上式中分母的1可以忽略，得副回路的閉環傳遞函數為=主回路的開環傳遞函數為=.式中圖3-5 主調節器參數整定的根軌跡圖如圖3-5所示，在根據平面上相應于=0.75的射線0-1，并計算出極點（）的位置。首先，令=時，在原點處的極點被抵消，根據軌跡的幅角條件，過P點做出與實軸夾角為的直線，此直線

43、與射線0-1相交于點，應用三角公式或直接從圖上量出的坐標為-0.0138+j0.0626.然后，設，則坐標為-0.011+j0.05.應用三角公式求出：至P點距離，到0點的距離；與負實軸的夾角。至此，可確定積分時間根據軌跡的幅角條件，零點Z至的幅角，可由此定出零點位置Z，并求出Z點的坐標（-0.021，j0）,則值為 調節器的比例帶可用此法求出。零點Z至的距離，根據軌跡的幅值條件，則調節器的比例帶為第四章 復合模糊控制系統及仿真研究4.1 復合模糊串級系統的設計4.1.1復合模糊串級控制思想的提出常規噴水調節經常采用帶負荷的前饋信號的串級PID控制系統, 以保證過熱汽溫度在大部分工況下保持在設

44、定值540左右,但若采用以固定參數為主的常規PID制器, 當外界擾動較大和對象特性變化較大時, 抑制干擾能力及控制效果均較差。因此，考慮模糊控制對對象模型難以確定、非線性、大滯后情況有良好的控制品質。由于帶基本Fuzzy 控制器的減溫水量過熱汽溫Fuzzy控制系統誤差e 和誤差的變化率ec 作為輸入量,實質上是具有PD 控制規律的一種控制系統, 考慮到語言變量基本論域的量化特點,該系統不具有消除穩態誤差的能力, 且由于在“0”檔處量化死區的影響, 還可能出現穩態等幅振蕩。因而采用在基本Fuzzy 控制器基礎上再構造一個PI并聯通道的Fuzzy-PI復合模糊控制結構。當過熱汽溫偏差較大時, 利用

45、模糊控制結合適當的作用量抑制干擾, 保證系統響應的快速性,同時又保留了串級控制系統抑制內擾的特點, 保證控制精度和良好的動態品質。本文所設計的復合模糊串級汽溫控制系統結構如圖4-1所示11。圖4-1 復合模糊串級汽溫控制系統方框圖4.1.2 系統的總體設計和任務規劃本文主要研究溫度對一級過熱器的影響。其特性已經在第四章中闡述過了。算法研究在MATLAB的SIMULINK環境下進行。本文控制系統的設計、仿真研究包含以下內容： 1過熱器固有特性的識別與分析；2模糊控制器的設計及仿真試驗；3Fuzzy-PI復合的設計及仿真試驗；4.1.3 對象固有特性的識別與分析世界上任何事物的運動都要遵循一定的客

46、觀規律，控制就是通過規律性的人為干預對象的行為來達到預期目的的。因而，從某種意義上說，了解對象的運動規律是實施有效控制的前提，各種控制方法只是了解的方式和規律的表達方式的不同而已。對模糊控制而言，是根據手動控制經驗與控制指標要求來完成。在系統工作區間內，被調量的允許最大變化范圍是10，正常運行時的最小偏差是5，控制量的變化范圍是060T/H，通過分析可以得出以下規律；K包括量化因子和比例因子兩部分，主要受工作點及工作狀態的影響，當負荷增加時，過熱器對象的K將增加，且表現為非線性，這時減溫水的變化對被調量的控制作用加強；當過熱器結垢非常嚴重時，將使K減小，減溫水的變化對被調量的控制作用減弱。量化

47、因子和比例因子的取值影響模糊化的精度：量化因子越大系統調節惰性越小，系統上升速率越大，過大，將產生較大的超調量嚴重時會產生振蕩，甚至使系統不穩定工作。過小，導致快速性變差。另一方面，它嚴重影響系統的穩態特性，導致穩態精度降低。而量化因子的作用效果與相反。比例因子作用類似比例作用，越大，上升速率越快，過大則容易使系統輸出產生波動，可能導致等幅震蕩甚至發散；越小，系統向前增益越小，輸出的上升的速度越小，快速性變差。對過熱器對象來說，結垢增加也將使得對象的容量滯后 增加，這時控制量對對象的控制作用沒有改變，但是對象的最大變化速度向后推移，系統的調節速度降低。在相同條件下，較大的輸入量會產生較大的最大

48、誤差變化率。相同的控制量，會在較低負荷處產生較大的誤差變化率。這些結論是基于有限數據總結的，可以設想把工作區間細分，逐段測試，可以把握更充分、更細致的材料，但這些實驗還不能在工程上全部實現。 4.1.4 SIMULINK工具箱簡介控制系統的計算機輔助設計技術從成為一門專業的學科以來，已有二十多年的歷史，一直受到控制屆的普遍重視，在其發展的過程中出現了各種各樣的實用工具和理論成果。MATLAB是MathWorks公司的軟件產品，正是進行這種設計技術的方便可行的工具，目前已成為國際控制界應用最廣泛的語言工具。現在MATLAB已經成為一個系列產品，MATLAB主包和工具箱（TOOLBOX)。功能豐富

49、的工具箱將不同領域和不同方向的研究者吸引到MATLAB的編程環境中，成為MATLAB的忠實用戶。SIMULINK是一個用來對動態系統進行建模，仿真和分析的軟件包，它支持連續，離散及兩者混合的線性系統，也支持具有多種采樣速度的多速率系統。SIMULINK為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型就象用筆和紙畫一樣容易。SIMULINK包含有sinks（輸入方式）、Source（輸入源）、Linear（線性環節）、Nonlinear（有線性環節）、Connections（連接與接口）和Exrra（其它環節）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶也可以定制和創建用戶自己

50、的模塊。用創建的模型可以具有階梯結構，因此可以采用從上到下或從下到上的結構創建模型。在定義完一個模型以后，以后可以通過SIMULINK的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行為方式對于運行仿真非常有作用。用Scope模塊和其它的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀察到仿真結果。除此之外以后該可以在改變參數后來迅速觀看系統中發生的變化情況。仿真的結果可以存放到的工作空間里做事后處理。模型分析工具箱包括非線性和平衡點分析工具、MATLAB的許多工作及MATLAB的應用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環境

51、下對自己的模型進行仿真、分析和修改。SIMULINK for Windows依賴于Windows和MATLAB的要求，因而它所需要的系統配置和其它設置就不必專門增加或改變，只要能滿足系統的需要即可12。4.1.5 模糊推理工具箱簡介二十多年前，LAZadeh教授提出了模糊集合理論已經在眾多領域中的工程領域得到廣泛深入的研究。對于實際操作人員，即時沒有精確三數據個過程模型，也可以操作和復雜的過程。而模糊理論正式將操作人員的操作經驗轉換成可以在計算機上運行的算法，以實現模糊控制13。目前，模糊集合理論受到了世人前所未有的關注。澳大利亞Queensland大學的教授開發了基于MATLAB環境的“模糊

52、推理系統工具箱”（Fuzzy Inference Toolbox For MATLAB）。該工具箱集成度高，內容豐富，基本包括了模糊集合理論的各個方面，基本包括了模糊集合理論的各個方面，其主要內容有：（1） 模糊集合各種運算。（2）模糊邏輯推理。（3）非模糊化。(4)模糊集合理論在自動控制中的應用4.2模糊控制器的設計采用Fuzzy logic 工具箱的FIS 編輯器編輯模糊控制器, 針對火電廠主汽溫對象控制品質要求, 保證出口溫度為530 545。4.2.1確定輸入輸出變量輸入變量為2個，分別為偏差e和偏差的變化率ec,輸出變量為u。模糊語言變量分別為E (溫度偏差) ，EC(溫度偏差變化率

53、)和U(閥門開度)。4.2.2模糊化E 的論域為 - 20, 20 , 劃分為7個等級，模糊子集 ( i= 1, , 7)的7個語言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的實際物理意義為出口溫度很高、較高、稍高、正好、稍低、較低、很低, 它們的隸屬函數選trimf (三角形) 。EC 的論域為 - 20, 20 , 劃分為7個等級, 模糊子集 ( i= 1, , 7) 的7個語言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的實際物理意義為出口溫度變化負的快速增加、負的增加, 負的稍微增加、不變、正的稍

54、微增加、正的增加、正的快速增加, 它們的隸屬函數選trimf (三角形)。U 的論域為 - 20, 20 , 劃分為7個等級, 模糊子集 ( i= 1, , 7)的7個語言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的實際物理意義為噴水減溫閥全關、半關、稍微關小、不動、稍微開大、半開、全開, 它們的隸屬函數選trimf (三角形)1415。4.2.3模糊規則編輯該模糊控制器的模糊規則具有如下形式:if E = and EC= then U = , i= 1,. . . , n, 其中, , 分別為E、EC 和U的模糊子集。由經驗整定規則共49條, 如如果出口溫度太高, 且溫度偏差快速增加, 則噴水減溫閥全開對應規則語言: if E = N B and EC= N B then U = PB如果出口溫度恰好, 且溫度偏差朝升高的方向快速增加, 則噴水減溫閥全開對應規