模糊控制 在锅炉燃烧系统中的仿真 研究

引言 锅炉燃烧控制是火电厂最重要的过程控制。由 于锅炉燃烧过程是典型的多变量复杂系统, 对其难 以建立精确的数学模型, 使得基于数学模型带固定 参数的常规 PID 控制方案难以获得理想的控制效 果, 锅炉燃烧控制也因此成为火电厂过程控制中的 一大难题。模糊控制的突出特点在于控制系统的 设计不要求知道被控对象的精确数学模型, 只需提 供现场操作人员的经验知识及操作数据, 而且模糊 控制器的鲁棒性强, 适用于非线性、时变及滞后系 统。因此将模糊控制方案引入锅炉燃烧控制应能 取得有效的结果。

锅炉燃烧被控对象的动态特性 锅炉燃烧控制的 3 个子系统, 即燃料量、送风和引风 控制回路的控制品质都直接关系到整个机组的安全 和经济运行。因此锅炉燃烧被控对象是一个三输入 三输出的相互关联的多变量对象, 其动态特性可用传 递矩阵表示 :

其中 V r 为一次风挡板开度, V g 为送风机挡板开度, V s 为引风机挡板开度, pm 为主汽压力, CO2 为烟气含氧量, ps 为炉膛压力。 对锅炉燃烧被控对象进行控制的具体任务是 : (1) 当锅炉 的蒸汽量与机组的汽耗量不相适应时, 会引起主汽压力的 变化, 这时必须相应地调节锅炉送耗量匹配, 从而维持主汽 压力稳定 ; (2) 当燃料量改变时, 必须相应调节送风机挡板 开度, 从而调节送风量, 使其与燃料量匹配, 保证炉膛烟气含 氧量稳定, 从而保证燃烧过程有较高的经济性 ; (3) 调节引风 机挡板开度调节引风量, 使其与送风量匹配, 以保证炉膛压 力稳定。

模糊仿真方案的建立 以对主气压力的控制为例, 以对主气压力的控制为例, 利用 MATLAB 中的模糊 逻辑工具箱, 在 SIMUL IN K 中可以建立模糊控制方案 的仿真框图

对主汽压力回路, 设误差 e 的变化范围为 [ - 1MPa,1MPa ], 其模糊量 E 的论域为 [ - 6,6 ], 则 Ke =6 。 设主汽压力误差变化率的变化范围为 [ - 0.1MPa,0. 1MPa ], 其模糊量 EC 的论域为 [ - 6,6 ], 则 Kec=60 。控制 量 u 即容量风挡板开度的变化范围为 [ -48,48 ], 其模糊量 U 的论域为 [ - 6,6 ], 则 Ku = 8 。 E 、 EC 和 U 的模糊子集 分别规定如下 : E = {NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB} EC, U = {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} 隶属度函数的形状对模糊控制器的性能有很大影响。 当隶属度函数比较窄瘦时, 控制较灵敏, 反之, 控制较粗略和 平稳。通常当误差较小时, 隶属度函数可取得窄些, 当误差 较大时, 隶属度函数可取得宽些。

E 的隶属度曲线 EC 的隶属度曲线

U 的隶属度曲线

控制规则是对专家的理论知识和实践经验的总结。这里 共有 56 条规则

仿真调试 在其它回路的给定值均为 0 时, 对各回路分别作给 定值的单位阶跃扰动试验, 可以得到各回路被调量的 单位阶跃扰动响应曲线。下图给出了主汽压力的单 位阶跃扰动响应曲线。

当主汽压力被控对象的传递函数由 pm = S/ (30 S + 1) V r 变化为 pm = S/ (60 S + 1) V r, 主汽 压力回路加入单位阶跃信号时, 主汽压力的响应曲线如 图所示。

曲线分析 (1) 从单位阶跃扰动试验可以看出, 系统在受到定值 扰动时, 在模糊控制方案下, 被调量的过渡过程时间 和超调量都较小。 (2) 从内扰动试验可以看出, 在受到内扰时, 系统的波 动很小, 且能快速消除内扰的影响, 被调量能很快回 到原来的给定值。

结 论 本文将模糊控制应用于锅炉燃烧过程, 从仿真结 果可以看出模糊控制能够克服常规 PID 控制响应 速度慢、超调量大的缺点, 而且模糊控制器的鲁棒 性较强。

参考文献 [1] 周洪，刘海波 模糊控制在锅炉燃烧系统中的 仿真研究 热力发电 热力发电 [2] 张培明，邵国平 模糊控制在燃煤锅炉床层温 度控制中的应用 信息技术 信息技术 [3] Mohand Mokhtari Michel Marie. Engineering Application of MATLAB5. 3 and SIMULINK3 Publishing House of Electronice Industry,2002. [4] 李士勇. 模糊控制神经控制和智能控制论 [M]. 哈尔滨工业大学出版社,1998.