模糊控制在锅炉给水控制系统中的应用

朱洪军 周 佐 路虹波

（1、中国石油大学（华东）信息控制学院，山东 东营 257061 2、齐鲁石化热电厂，山东 淄博 255410 3、华北电力大学研究生院，北京 102206）

1 引言

FUZZY控制器简要介绍：

1.1 Fuzzy控制的基本原理

模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思维逻辑，对被控对象的运行规律（往往没有确切的数学模型）进行总结、抽象、推理、量化，实施有效的控制。模糊控制的基础是模糊数学，利用模糊数学的推理理论，离线建立隶属函数数据库，将各种复杂的过程对象简单化。该过程需要对被控对象充分的了解，是直接的操作者，具有丰富的经验，才能总结规律，建立隶属函数数据库。当在线运行时，利用计算机的高速、大容量性能，通过推理、量化运算得到具体的控制量。模糊控制是一种非线性控制器，适合于时变、非线性、强耦合系统。

1.2 FUZZY（模糊）控制器的组成

FUZZY控制器主要由四部分组成：

1.2.1 模糊化

这部分的作用是将输入的精确量进行处理变成模糊控制器要求的输入量。对处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围，然后进行模糊处理，并用相应的模糊集合表示。其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态。

1.2.2 知识库

知识库通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了实际控制的经验和知识。

1.2.3 模糊推理

模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行。

1.2.4 清晰化

清晰化的作用是将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰量，最后将清晰量经尺度变化成实际的控制量。

2 锅炉给水回路控制原理及过程：

汽包水位控制采用常规仪表或单回路调节器组成的“三冲量汽包水位控制”有两种方案。方案1是简单易调的“并极三冲量”。这种控制方案从控制系统原理上讲为单闭环加前馈控制系统，被控量为汽包水位，给水流量、主汽流量以前馈方式加到控制输出。方案2为“串极三冲量”。这种方案从控制系统原理上讲为双闭环加前馈控制系统，外环控制汽包水位，内环控制给水流量，主汽流量以前馈方式加到控制输出。方案1的优点是须整定的参数少，调试简单，方便易行；缺点是系统的稳态偏差大，动态过程周期长，容易振荡，执行器动作频度大。方案2的优点是系统的稳态偏差小，动态过程周期短，系统的鲁棒性能好，执行器动作频度小；缺点是调试复杂，工作量大，需要技术人员能力较强。目前，方案1基本不用，方案2在单回调节器及常规DCS系统中普遍应用。

上述的方案1和方案2均为传统的汽包水位控制方案，存在如下缺点：

均为“位置式”PID控制，当给水流量、主汽流量信号故障时，控制回路失灵。

方案Ⅱ在给水压力波动或给水系统无调压泵时，给水门动作频度过大，锅炉负荷波动时，给水跟踪慢，水位偏差大。

针对上述情况，HIC-1000系统的给水控制采取了如下措施：

2.1 采用“增量式”PID控制器，双闭环控制系统。

2.2 主汽流量信号以微分形式作为前馈加入到内环给定。

2.3 外环输出限幅，使内环给定值与反馈值的偏差非饱和，有效克服给水压力波动或给水系统无调压泵时汽包水位控制不稳的困难。

主给水门、副给水门（给水大旁路、幅主给水门）采用双闭环控制系统，启动给水门采用单闭环控制系统。锅炉由点火到并汽前启动给水门投自动，在10-70%额定负荷时副给水门投自动，在70-100%额定负荷时主给水门投自动。三个给水调节门在任何时刻只能有一个投入自动运行，其余为手动。

符号说明：

sp_h:汽包水位给定值（h:汽包水位）；

sp_Dgs:内环给水流量给定（Dgs:给水流量）；

Dq:主汽流量；

fb0:主汽流量前馈系数；

PI1:主调节器，PI2:副调节器；

G1:给水门特性函数，G2:汽包特性函数。

·PID控制器参数：

共有三组PID控制器参数，每组两个调节器--汽包水位调节器和给水流量调节器。三组PID控制器参数分别对应主给水门、辅助给水门和启动给水门。主给水门用于锅炉70%--100%负荷，辅助给水门用于10--70%负荷，启动给水门用于锅炉启动过程及并汽前的控制。三个给水调节门在任何时刻只能有一个投入自动运行，其余为手动。

PID校正参数：是PID控制的辅助参数，与PID控制器配合实现各种控制状态的转换及控制策略的调整。

3 给水控制回路实时趋势验证：

投用后趋势图（见图1）：

图1 投自动后给水流量趋势图

从此趋势图中可以看出，#5锅炉投用给水自动控制系统之后，给水流量（位号FT101-FCV）输出值稳定在纵轴数值188值之下，波动范围在10之间，振幅不及5%，输出值稳定，自动控制效果明显。

4 结论

本文基于模糊控制原理，详细论述了模糊控制与实时控制相结合的单闭环加前馈控制系统，并将其运用于锅炉给水控制系统，使得给水流量即使在工况变化较大，负荷扰动等的情况下，依然能够保持自控，并用实时趋势图证明了其良好的控制效果。本文提出的锅炉给水自动控制思路对于国内锅炉特别是工况较为恶劣的电站锅炉的自控长期投运有很好的指导意义。其实施方案易于实现,且与电厂采用的控制设备类型无关。

[1]曾光奇.《模糊控制理论与工程应用》武汉华中科技大学出版社，2006年08月.

[2]张德泉.《集散控制系统原理及其应用》北京电子工业出版社，2007年08月.