摘 要： 大型燃煤机组火力发电厂的输煤给煤系统具有时变性、滞后性等特点，传统的PID控制方案难以达到很好的控制效果，特别是当今国家对节能降耗及环保要求的提高，对输煤给煤量的精确控制也是各大电厂急需解决的难题。对此，本文提出了一种基于参数自整定模糊PID控制的给煤系统，通过对电机转速的精确控制，达到精确调节给煤量的控制目的。通过对控制系统数学模型的建立及仿真比较，可以知道该套基于参数自整定模糊PID调节控制系统具有响应快速、稳定、精确等特点，很好地克服了传统PID参数整定困难等问题，具有很好的实用性和技术推广价值。
关键词： 精确给煤， 参数自整定模糊PID控制，仿真
ABSTRACT: The coal feeding system used in large coal-fired thermal power plant with lager delaying and time-varying, traditional PID control is difficult to achieve satisfactory control purpose. Especially in the current, our century pay more attention to energy saving and environment protection, to control the coal feeding precisely is the urgent problem of most power plant. This article will introduce a design way which using self-adjusting Fuzzy-PID to control coal feeding, from control the speed of drive motor, the coal feeding speed can be controlled precisely. It is also to establish the mathematical mode, and imitate the experiment on computer with MATLAB, The result show that rapidity, stabilization, nicety of the Fuzzy-PID control system, the problem is overcome existing in traditional PID control. So this way of control coal feeding can be widely used.
Key words: Accurate coal, Self-adjusting fuzzy PID, Simulation
1 引言
给煤机是燃煤火力发电机组的重要辅机设备，与磨煤机等制粉设备配合，承担为支持锅炉燃烧连续、定量、精确输送燃煤的任务。现代给煤机要求可实现在运行过程中对输送燃煤量进行精确计量，并根据燃烧控制系统的反馈信息调节给煤速率，使输送入锅炉的燃煤量与所需燃料量相匹配，从而达到理想的经济效益及管理效果。精确控制给煤量，起到节约能源、降低能耗和减少浪费的作用。特别是在国家大力提倡节能环保的今天，能精确、合理控制供煤量的精确称重式给煤控制系统对能耗较大的电厂、钢厂经济效益的提升显得尤为重要。
2 给煤系统简介
2.1 给煤系统的主要组成
给煤控制系统主要由PLC可编程逻辑控制器、HIM触摸屏人机界面、远程上位机、变频器、称重机构、测速反馈机构以及各执行机构等组成。系统的主要组成如下图所示：
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图1 给煤控制系统主要组成结构图
系统的就地控制中心为PLC可编程控制器，实时对现场采集的称重信号及皮带转速信号进行运算处理，并通过通讯与远程集控进行数据传输，将运算出的当前实际给煤率数据与远程的控制希求数据进行比较，通过PID参数调节及模糊控制策略对皮带的运行速度进行调节以达到精确给煤的最佳控制目标。
2.2 控制原理及模型建立
给煤系统的称重及运算原理：
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图 2 称重调速的工作原理
如图2所示：给煤机中央处理器实时采集称重传感器所测得的皮带负荷和测速装置所测得的驱动电机转速，进行计算后得到实际的给煤速率和给煤量，再与需求的给煤率比较后进行PID运算，调节皮带驱动电机的转速，以达到精确的给定给煤率。
称重运算的原理是把皮带上所运载的单位长度上的重量Q（公斤/米）与物料的速度V（米/秒，用皮带的速度来代替）相乘，然后对时间t（秒）进行积分，从而得到物料的输送量。
运算理论公式如下：
称重跨距离L=X1-X0 dw=q*dx
dx=V*dt, dx段的物料 dw=q*vdt
把X0到X1这一段物料从皮带上通过的时间相应地定为t0,t1。则：在该时间内输送并称量的物料为：
W =∫dw = ∫q*vdt （1）
由上式可知，给煤量的大小与输送皮带运行速度以及皮带上的燃煤重量是有关系的，由于皮带上燃煤的重量是一个变量，所以皮带的速度也需要动态调节，以控制给煤率。皮带速度的调节是通过改变变频器的频率来控制驱动电机的转速来实现的。皮带输送的瞬时煤流量与电机转速可近似为线形关系，在不同时刻瞬时煤流量Q(t)与电机转速n(t)之间关系如下所示：
Q(t)=K1n(t) (2)
其中K1≈0.0039。
电机转速n(t)与频率调节f(t)函数的关系式如下所示：
n(t)= K2f(t) (3)
其中K2=(1-S0)/p≈0.47，f(t)是变频器频率(Hz)，n(t)是给煤机电机转速(r/s)，p是电机极对数，取p=2，S0是转差率，取S0=6%。
结合对瞬时煤流量Q(t)与电机转速n(t)之间关系以及电机转速n(t)与频率调节f(t)的关系进行的分析，我们可以得到输煤控制系统的传递函数结构框图：
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图3 系统传递函数结构框图
由图4.3可知，R(s)为煤流量设定值，C(s)为煤流量累计输出值。由于电子皮带称测出的是瞬时煤流量，因此需要在瞬时煤流量与煤流量累计输出值之间增加一个比例积分环节K0。因此，该输煤控制系统的传递函数表达式为：
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3 参数自整定模糊PID控制原理及应用
自整定模糊PID控制器是以误差e和误差的变化ec作为输入，通过在运行过程中不断检测e和ec，来修正PID的3个控制参数KP、KI、KD，从而满足控制要求，使控制对象具有良好的动、静态性能。其控制原理见图4。
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图4 参数自整定模糊PID控制系统结构图
在不同的偏差e和偏差变化ec时，被控对象参数KP、KI、KD的整定规则如下：
（1）当偏差e较大时，取较大的KP与较小的KD，以促使系统具有较好的快速追踪性能，同时为了避免超调过大，对积分作用加以限制，可取KI=0。
（2）当偏差处于中等大小的时候，为使响应曲线超调较小，KP应取较小，KI也应取值适当，这时KD对系统的影响较大。
（3）当偏差较小时，为了使系统具有较好的稳态性能，KP与KI应取值适当大一些，同时为了避免系统在附近出现振荡，KD的取值是相当重要。
将给煤系统的实际给煤率与设定给煤率偏差e和偏差变化率ec的变化范围转换为量化论域e，ec=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，分别对应模糊子集{NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB}。
根据系统的实际性能及现场运行经验可知，给煤系统的给煤率变化e的变化范围可设为[-20，20]，变化率ec的变化范围可设为[-6，6]，输出变化量KP，KI，KD的变化范围分别设为[-3，3]，[-1，1]，[-0.3，0.3]。最后可以得到输入输出的量化因子分别为：Ke=3/20，Kec=1/2，K(KP)=3/3，K(KI)=1/3，K(KD)=0.1。结合本系统的特点，可将PID参数KP、KI、KD调节公式定义如下：
KPi= KP0+K(KP)* KP
KIi = KI0+K(KI)* KI （5）
KDi= KD0+K(KD)* KD
上式中，KP0，KI0，KD0是系统初始值。控制系统根据偏差e和偏差变化率ec，以及参数KP、KI、KD调节规则，在系统运行中通过对模糊逻辑规则的判断处理以及查表、运算，完成对PID参数自动化、智能化调节。
4 仿真结果研究
根据给煤系统的数学模型，用matlab分别对传统PID和参数自整定模糊PID控制进行仿真实验。设目标给定值为1，常规PID与Fuzzy-PID系统响应曲线以及抗信号干扰曲线分别如图5、图6所示。
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图6 信号干扰时常规PID与Fuzzy-PID系统响应曲线对比
由上图常规PID与Fuzzy-PID系统阶跃响应曲线比较可以看出，应用模糊PID控制可以获得比较理想的控制效果。在信号干扰和强度改变的情况下，参数自整定Fuzzy-PID在快速响应，稳态精度和减少超调量等方面均具有很好的表现，应用Fuzzy-PID控制器可以让系统几乎无超调，过渡时间也比常规PID控制器明显减小。当控制系统碰到突发干扰因素后可以敏捷、精确的稳定到设定状态，很好的适应生产现场的突变环境，满足生产过程中所需的精确控制能力。
5 结束语
本文介绍的将模糊自整定PID控制应用于电厂给煤控制系统的方法是根据给煤系统的特点建立控制模型，并通过模糊PID控制器的设计，实现对输煤给煤量的精确控制。通过Matlab仿真结果可以看出，系统采用参数自整定PID控制后具有超调小、对参数变化不敏感、稳定性强、控制精度高等优点，系统性能优于常规的PID控制。本套基于参数自整定模糊PID控制的给煤控制系统具有投资小、实用性强、安全稳定、控制精度高等特点，在实际运行中取得了很好的效果，具有很强的市场推广价值。
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作者简介：
张春晖，男，1986年出生，汉族，中船重工集团第702研究所，工程师，长期从事研究所、企业与大学院校的产学研项目，主要从事电站辅机自动控制系统、锅炉制粉控制系统、船舶自控产品的设计研发。
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