模糊-PID控制系统在过热蒸汽温度控制中实际应用及分析--中国期刊网

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模糊-PID控制系统在过热蒸汽温度控制中实际应用及分析

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：薛宏涛

[导读] 摘要：本文结合广西华磊3x350MW流化床机组#1机组过热蒸汽控制中存在的问题以及常规串级PID控制过热蒸汽温度存在的变负荷过程中系统稳定性差的分析，总结出一种新的控制方法以及思路，优化控制逻辑，并且得到很好的实际应用结果，对以后其他机组过热蒸汽温度控制提供了很好的控制思路以及方法。

        中国能源建设集团西北电力试验研究院有限公司陕西西安 710054
        摘要：本文结合广西华磊3x350MW流化床机组#1机组过热蒸汽控制中存在的问题以及常规串级PID控制过热蒸汽温度存在的变负荷过程中系统稳定性差的分析，总结出一种新的控制方法以及思路，优化控制逻辑，并且得到很好的实际应用结果，对以后其他机组过热蒸汽温度控制提供了很好的控制思路以及方法。该控制思路在后续的机组过热蒸汽温度控制中得到了很好的应用。
        关键词：过热蒸汽温度串级控制模糊鲁棒性
        1.概述
        蒸汽温度控制在火电厂安全经济运行方面有着相当重要的地位，也是防止锅炉超温的一种重要手段，但绝大多数火电厂的锅炉系统不时会出现锅炉主蒸汽超温或过热器局部超温的问题，这就涉及如何有效地控制锅炉减温水系统的问题了。主汽温是锅炉运行质量的重要指标之一，主汽温过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。主汽温过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，特别是目前在国内外大量使用超临界、超超临界锅炉，对蒸汽温度的要求更为苛刻、严格。因而主汽温的上限一般不超过额定值5℃；主汽温过低，会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全运行。在经典控制理论中，人们通常假定调节量响应迅速且远大于调节对象的变化量，但在生产实践中，大多数控制系统并非如此。锅炉主蒸汽温度信号是一个大迟滞信号，火电厂锅炉蒸汽温度控制系统通常采用串级PID调节方式，在工况相对稳定的情况下，每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好，但是，在较大幅扰动情况下就不一定了。特别是在极端情况下，如果过热器出口温度呈现上涨趋势，主调PID需要减小其输出至辅调的指令，而进入辅调缓慢降低，这时导前温度没有上升甚至还下降，这种现象由于测点取样位置太靠近减温器或者其他因素导致的温度剧烈变化，无法真实反映温度的实际变化，经运算，减温水调节阀会随着导前温度的剧烈变化而震荡变化，最后发生锅炉主蒸汽温度超温问题，若出现调节量受限，后果可能更为严重。鉴于以上串级PID控制鲁棒性差的原因，我们对控制思路做了改变。
        2.控制理论以及基础
        模糊模型控制使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于模糊规则库的建立缺乏完整性，没有明确的控制结构，存在较大稳态误差等。PID控制器结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制要求。但PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态(温度偏差及温度偏差变化率)去反映实际温度的变化趋势以及趋势变化的速率，用PID控制算法确定控制作用。当温差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；当温度偏差较小时采用PID控制，使其静态性能好，满足系统精度要求。因此模糊-PID复合控制，比单一的模糊控制或PID调节器有更好的控制性能，具有更强的鲁棒特性。
        综上所述，模糊控制与PID结合，适应温控系统非线性、干扰多、大时延、时变和热分布不均匀的特点。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的精确信息。从以上的分析可知模糊-PID控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变的过热蒸汽温度的控制可以获得很好的控制性能。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。
        3.被控量的模糊化以及控制逻辑的构成
        1)末级过热器出口蒸汽温度

；

        综上所述，最终计算后被控量作为过程值与设定值进行偏差运算后，进行PID运算输出到减温水调阀的控制指令，具体控制逻辑图如图1所示：

                       图1 模糊—PID控制逻辑图
        4.现场调试以及控制效果
        利用该模糊-PID控制逻辑，在过热器减温水投入自动后，优化模糊控制规则，整定PID参数，系统稳定后，过热度稳定，进行扰动试验,设定值增加5℃，25分钟后，实际过热器出口蒸汽温度稳定在设定值，且与设定偏差不超过±1℃，如图2所示。而且在在机组变负荷过程中，过热器出口温度最大偏差不超过±5℃，稳定运行时过热器出口蒸汽温度与设定偏差不超过±1℃，控制系统响应快速，鲁棒性强。

                          图2 模糊-PID控制实际温度扰动试验
        5.结论
        由模糊控制器-PID组成的过热汽温控制系统，则显示了其较强的自适应能力和鲁棒特性，其控制品质可以和常规PID串级控制系统进行参考对比。鉴于超临界机组过热汽温特性参数变化大、干扰因素多，但是却需要更稳定的过热蒸汽温度，本项目中使用的模糊-PID控制器在机组实际运行中可以很好的对过热蒸汽进行控制，该控制器亦可应用于其他温控制系统。