Chloé
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锅炉温度控制策略的应用研究 摘要:针对锅炉汽温控制的特点，设计了过热汽温串级模糊控制系统，介绍了系统的构成、原理 及该系统的优越性，并利用MATLAB仿真软件进行了仿真分析。 关键词:汽温;串级模糊控制;系统仿真 0 引言 过热蒸汽温度是衡量锅炉能否正常运行的重要 指标。假如过热蒸汽温度过高，若超过了设备部件 (如过热器管、蒸气管道、阀门、汽轮机的喷嘴、叶片 等)的允许工作温度，将使钢材加速蠕变，从而降低 使用寿命。严重的超温甚至会使管子过热而爆破。 可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分损 坏。过热蒸汽温度过低，会引起热耗上升，引起汽轮 机末级蒸汽湿度增加，从而降低汽轮机的内效率，加 剧对叶片的侵蚀。因此在锅炉运行中，必须保持过 热汽温稳定在规定值附近。通常允许变化范围为额 定值±5℃。目前对锅炉过热汽温调节大都采用导 前汽温的微分作为补充信号的系统。其系统原理如 图1所示。 系统针对过热汽温调节对象调节通道惯性延迟 大、被调量反馈慢的特点，从对象调节通道找出一个 比被调量反应快的中间信号θ1作为调节器的补充 信号，以改善对象调节通道的动态特性。动态时调 节器根据θ1的微分和θ2这两个信号而动作。但在 静态时(调节过程结束后)θ1不再变化，则dθ1/dt= 0，这时过热器汽温必然恢复到给定值。实际使用 中，中间信号θ1的引入在一定程度上确实改善了控 制系统的动态特性，但是，影响蒸汽温度的因素很 多，除减温水流量的扰动外，负荷的变化，工况的不 稳定，过剩空气系数等都会导致蒸汽θ2温度发生波 动。这些波动是无法预知的，无法用精确的数学模 型来描述。由于模糊控制不依赖被控对象的精确数 学模型，它主要是根据人的思维方式，总结人的操作 经验，完成控制作用，特别适合于大滞后、时变、非线 性场合，因此该文提出一种锅炉过热气温的串级模 糊控制系统。 1 控制方案的研究设计 串级调节系统是改善大惯性、纯滞后系统调节 质量的最有效方法之一，所以设计的控制方案采用 串级模糊控制，其控制系统如图2所示。 图2中F为减温水流量调节阀。P为副调节 器，采用比例调节;FC为主调节器，采用混合模糊控 制器，即一个二维模糊控制器和常规PI调节器并联 而成，除能够尽快消除副环外的扰动之外还可以校 正汽温偏差，保证汽温控制的精度。 汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温水 流量Wj为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽 温θ2为输出信号。为了改善调节品质，系统中采用 减温器出口处汽温θ1作为辅助调节信号(称为导前 汽温信号)。当调节机构动作(喷水量变化)后，导 前汽温信号θ1的反应显然要比被调量信号θ2早很 多。由于从调节对象中引出了θ1信号，对象调节通 道的动态特性可以看成由两部分构成:①以减温水 流量Wj作为输入信号，减温器出口处温度θ1作为 输出信号的通道，这部分调节通道称为导前区，传递 函数为G01(s);②以减温器出口处汽温θ1作为输入 信号，过热器出口汽温θ2为输出信号的通道，这部 分调节通道称为惰性区，传递函数为G02(s)，显然 导前区G01(s)的延迟和惯性要比惰性区G02(s)小 很多。系统结构如图3所示。 图3中有两个闭合的调节回路:①由对象调节 通道的惰性区G02(s)、副控制器Gc2(s)、副检测变送 器Gm2(s)组成的副调节回路;②由对象调节的导前 区G01(s)、主控制器(PI+混合模糊控制器)、主检 测变送器Gm1(s)以及副调节回路组成的主回路。 引入θ1负反馈而构成的副回路起到了稳定θ1的作 用，从而使过热汽温保持基本不变，因此可以认为副 回路起着粗调过热汽温θ2的作用。而过热汽温的 给定值，主要由主控制器(PI+混合模糊控制器)来 严格保持。只要θ2不等于给定值，主控制器就会不 断改变其输出信号σ2，并通过副调节器去不断改变 减温水流量，直到θ2恢复到等于给定值为止。可 见，主调节器的输出信号σ2相当于副调节器的可变 给定值。稳态时，过热汽温等于给定值，而导前汽温 θ1则不一定等于主调节器输出值σ2。 当扰动发生在副回路内，例如当减温水流量发 生自发性波动(可能是减温水压力或蒸汽压力改 变)，由于有副回路的存在，而且导前区的惯性又很 小，副调节器将能及时动作，快速消除其自发性波 动，从而使过热汽温基本不变。当扰动发生在副回 路以外，引起过热汽温偏离给定值时，串级系统首先 由主调节器(PI+混合模糊控制器)迅速改变其输 出校正信号σ2，通过副调节回路去改变减温水流 量，使过热汽温恢复到给定值。由于主调节器(PI+ 混合模糊控制器)的惯性迟延小，故反应迅速。 因此在串级模糊蒸汽温度控制系统中，副回路 的任务是尽快消除减温水流量的自发性扰动和其他 进入副回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调 作用。主调节器的任务是保持过热汽温等于给定 值。系统在主控制器的设计上将模糊控制与常规的 PI调节器相结合，使控制系统既具有模糊控制响应 快、适应性强的优点，又具有PI控制精度高的特点。 2 模糊控制器的设计 模糊控制是一种基于规则的控制，在设计中不 需要建立被控对象的精确的数学模型。 1 模糊控制器的结构设计 该系统以过热蒸汽的实际温度T与设定值Td 之间的误差E=Td-T和误差变化DE作为输入语 言变量，系统控制值U为输出语言变量，构成一个 二维模糊控制器。其结构如图4所示。 Ku为模糊控制器比例因子，Ke，Kec为量化因子。 Ke:在输入量化等级确定之后，算法中改变误差 输入论域大小即改变了Ke的值，Ke增大，相当于缩 小误差的基本论域，起增大误差变量的控制作用。 若Ke选择较大，则上升时间变短，但会使系统产生 较大超调，从而过渡过程变长;Ke很小，则系统上升 较慢，快速性差。同时它还直接影响模糊控制系统 的稳态品质。 Kec:Kec选择较大时，超调量减小，但系统的响应 速度变慢，Kec对超调的抑制作用十分明显。但在 Ke，Kec和Ku中，系统对Kec的变化最不敏感，一般Kec 可调整范围较宽，其鲁棒性较好，给实际调试带来很 大方便。 Ku:比例因子Ku实质上是模糊控制器总的增益， 它的大小对系统输出的影响较大。Ku增大，系统超 调量随之增大，动态过程加快;反之，Ku减小，系统超 调量减小，动态过程变慢;Ku选择过大将会导致系统 震荡。由于Ku的敏感性，故可调范围较小。 模糊控制器可调参数Ke，Kec和Ku对系统性能 的影响各不相同，改变这3个参数可使控制器适用 于不同系统的性能要求。 2 模糊概念的确定及模糊化过程 对输入变量E进行模糊化，选择语言集为{负 大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小 (PS)，正中(PM)，正大(PB)}，模糊论域选择如下 [-n，-n-1，…，-1，0，1，…， n-1， n]，E的实际 变化范围为[-x，x]，则量化因子为Ke=n /x。对偏 差变化率DE进行模糊化，选择合适的模糊论域和 偏差变化率范围，同理可以计算出相应的模糊量化 因子Kec，在这里为了方便起见，选择偏差e、偏差变 化率DE具有相同模糊论域。 对于输出量U，调节范围为[-R，R]，语言集为 {负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小 (PS)，正中(PM)，正大(PB)}，模糊论域选择为[- m，-m-1，…，-1，0，1，…，m-1，m ]，输出比例 因子为Ku=R /m。 在设计过程中，选取各变量的模糊论域，E= {-3，-2，-1，0，1，2，3};DE={-3，-2，-1，0，1， 2，3};U={-3，-2，-1，0，1，2，3}，输入量E，DE 及输出量U模糊集的隶属函数选择为三角形，如图 5所示。 3 模糊规则的确定 模糊决策一般都采用“选择从属度大”的规则， 在过热蒸汽温度调节过程中，当系统的偏差较大时， 系统的快速性为主要矛盾，系统的稳定性控制精度 却是次要的，这时应使系统快速减小偏差;而当系统 偏差较小时，则要求以保证系统的稳定性及控制精 度为主。因而模糊控制规律应遵循:过热汽温上升 速度快，汽温偏高，则汽温的控制量应向下浮动;过 热汽温下降速度快，汽温偏低，则汽温的控制量应向 上浮动。因此采用的模糊控制器的模糊控制规则具 有以下的形式: if {E=AiandDE=Bi}thenU=Ci， i=1， 2，，n 其中Ai， Bi以及Ci分别为E， EC、和U的模糊子 集。控制规则的多少可视输入输出物理量数目及所 需的控制精度而定。由于模糊控制器采用两个输入 E， EC，每个输入分为7级共有49条规则。 按模糊数学推理法则选则表1所示控制规则。 4 逆模糊化过程 文中采用的模糊推理方式是常用的Mamdani 的Min-Max-COA法，即前项取小，多规则取大合 成结论，然后取重心得出非模糊化结论的算法。在 上述规则中，Ai，Bi， Ci分别为论域E，DE，U的模糊 子集，根据上述规则可推出模糊关系Ri=ExDE，这 里采用的最小运算规则，在按最大—最小合成(max -min composition)推理算法求得控制器输出的模糊 子集为U=(ExDE)·Ri，其中“·”为合成运算，非 模糊化后的结论即为输出U的修正值。逆模糊化 方法采用重心平均法(centroid of area)。 3 系统仿真 为了说明串级模糊控制系统在锅炉过热蒸汽温 度的控制上有更好的调节效果，分别搭建具有导前 微分信号控制系统和串级模糊控制系统的仿真框 图。在保持相同输入信号条件下设置两系统被控对 象为相同的参数，以利于比较。 考虑到在实际应用中，各种随机扰动的影响及 过程的复杂性，被控对象有着大惯性、纯滞后的特 性，设系统的主副被控对象的数学模型分别为: 两系统仿真方框图搭建分别如图6、图7所示; 过热汽温响应曲线分别如图8、图9所示。 从仿真曲线可以很清楚的看到:串级模糊控制 系统应用在锅炉过热蒸汽温度控制上能够获得比具 有导前微分信号控制系统更好的调节效果。具有导 前微分信号的控制系统仿真曲线有振荡，有超调，动 态过渡时间长，误差大。而串级模糊控制系统仿真 曲线基本无振荡，无超调，动态过渡时间短，误差小， 有较好的控制品质。 根据现场锅炉运行情况，为了能 更好地说明问题，在保持两个系统中 各调节器、控制器参数不变的情况下， 同时改变两个系统的被控对象的参 数。 W02=e-5s12s+1 观察仿真曲线，如图10、图11所 示。 由于被控对象在电厂中各种设备复杂的运行环 境下，一直处于波动状态，改变主被控对象参数后而 其他参数保持不变时，具有导前微分信号的控制系
_html 这个不能复制的资料介绍] 文章从硬件和软件两方面介绍了以51为核心的单片机远程温度控制系统的设计思路，对硬件原理图和软件程序框图作了详细的描述。首先介绍了当前温度控制领域的发展趋势和发展前景，接着进行整体方案确定，然后在设计过程中通过比较分析确定了元器件并对各部分选用的元器件进行了简单介绍。其中用到了单片机串行远程通信，对串口通信部分的特点、功能和设计进行了详细说明；在软件部分的设计中，根据整体要求划分出了各功能模块，系统整体由数据采集、中断处理、输出控制几部分组成。文章采用PID算法控制电炉的通断时间，对PID算法进行了比较详细的说明。总的来看，整个设计有用件较少，功能较全，成本低等优点。具有较强的实用性。 [目录] 第一章 绪论 第二章 方案论证 第三章 硬件系统的设计 第四章 软件设计 第五章 系统调试 [原文] 第一章 绪论 1 温度控制的现状和发展趋势 温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多机器的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，然后进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。目前，市场上有很多比较先进的温度控制仪，如美国福禄克公司(Fluke Corporation)提供的紧凑式高准确度标准温度炉，能满足只有极少公司才可达到的IECIOIO 和CSA安全标准。其500系列温控仪有以下特点:-45℃～670℃可选温度范围，温度稳定性为02℃，温度一致性为05℃，温度不确定性1℃，计算机接口包括RS-232标准配置，重量6kg，尺寸为318*203*267mm 。福禄克公司旗下的HART公司更是温度校准的恒温曹世界第一销量的公司，HART设计的独一无二的控制技术能够给出±0001的温度稳定性。恒温槽设置点的超高分辨力可达到小数点后5位的高精度。另外，还有德国的Lauda公司生产的加热/冷却恒温浴槽、冷却器，温度控制精度可达正负01。这些都是当今在温度控制领域研究出来的比较先进的产品，其势头还将一路发展下去，本领域的研究还将不断地进行，也必将会有更多、更加先进、经济的产品问世。 第二章 方案论证 1 系统功能、系统指标确定 本设计以实现课题基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比。 根据设计任务基本要求，本系统应具有以下几种基本功能： （1）可以进行温度设定，并自动调节水温到给定值； （2）可以实时显示给定温度与水温实测值； （3）可以调整PID控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求； [参考资料] 1 胡汉才单片机原理及其接口技术北京:清华大学出版社1995 2 张毅刚单片及原理及应用．北京：高等教育出版社2005 3 何立民单片机系统设计北京：北京航空航天大学出版社，1990 4 齐维贵，丁宝单片微型机原理接口通信控制黑龙江：黑龙江科学技术出版社 5 钱寿宇，杜斌微机通信技术成都：电子科技大学出版社，1992 6 李朝青单片及原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社，1994 7 马宏杰，张思东等微机通信原理与实用技术北京：清华大学出版社，1994 8 陈明荧8051单片机课程设计实训教材北京:清华大学出版社 2004 9 徐淑华 程退安，姚万生单片机微型机原理及应用哈尔滨哈尔滨工业大学出版社 1994 @hc06/106395/
