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1、 1 绪论1.1概述电力工业是我国的国民经济发展的基础产业，在我国，电力生产主要以燃煤火力发电为主，但燃煤发电的直接污染较大，特别是SO2、NOX 等有毒物质的排放。其中，SO2的排放是造成酸雨的主要原因，为了通过炉内燃烧技术的改进，降低SO2、NOX排放量，我国从60年代起开始对循环流化床锅炉进行研究，并在90年代以后和外国公司联合研究并取得了较大有发展，现在循环流化床锅炉已发展成熟并在全国广泛应用。保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率，最佳的环保特性以及广泛的燃料适应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国
2、国情及发展优势。 循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed Boiler,CFB）作为近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧锅炉，具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点，因此在电力、城市供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用。但由于循环流化床锅炉的燃烧及汽水变化过程十分复杂，受影响的因素多，给煤、一、二次风，返料耦合性强，而且燃烧与汽水也存在复杂的耦合关系。此外，过程的非线性和大滞后也使对象更加复杂，难于建立精确的数学模型，这样对控制就提出了更为严格的要求。这包括两层意义：一是控制系统要有很高的可靠性；二是控制方案要有很好的控制实效。基于这
3、样两点，CFB锅炉一般都选择先进的DCS控制系统，特别是运用先进的控制方案能够实现锅炉燃烧的完全自控。11.2模糊控制在火电厂燃烧控制系统中应用的意义1.2.1 火电厂燃烧控制系统优化的必要性在电力工业中，火力发电是电力生产中的一种主要生产形式。作为火力发电厂主要设备的锅炉，对其生产过程进行有效的控制是电力工业中一项基本任务。燃烧系统作为锅炉系统中的一个重要子系统，其中包括燃料控制系统，送风控制系统及引风控制系统，对其实现热力过程的自动化控制有以下几方面好处：(1) 满足锅炉工艺发展的要求随着我国的电力工业的不断发展，作为火电厂重要设备的锅炉己走向大型化，锅炉控制系统也日趋复杂。系统的藕合性、
4、时变性、非线性等特点显得更加突出，锅炉系统生产过程需要监视的内容也越来越多，过程控制的任务愈来愈重，锅炉系统的运行与操作要求更为严格。早期在火电厂采用的人工控制或简单的仪表单回路调节系统己很难满足发电厂锅炉运行的要求。生产自动化方式逐渐不能适应时代的发展，锅炉控制系统的自动化面临着严峻的挑战。然而另一方面，计算机技术正在不断的发展、现代控制理论也在不断完善并应用。将上述两项技术相结合的自动控制技术应用于火电厂锅炉燃烧控制系统中，将会有效地提高火电厂的自动化水平，满足锅炉工艺发展的要求。(2) 提高锅炉系统运行的安全可靠性安全可靠是机组运行的首要要求，特别是对大容量机组更是具有重要的意义。随着机
5、组容量的增大，热力系统越来越复杂，需要监视、控制的项目显著增多。靠人来监视和操作，不仅劳动强度大，而且很难胜任，同时极易因误操作而造成事故，所以必须采用自动化仪表来完成监视和操作。检测装置能把机组的运行状态随时报告给人和调节装置；自动调节装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；保护装置能在机组运行发生异常或运行参数超过允许值时进行报警，避免、限制、处理事故。因此，模糊控制系统的应用使锅炉运行的可靠性得到了进一步的提高。(3) 提高锅炉系统运行的经济性在世界范围内，由于能源危机和剧烈的市场竞争，对节约能源和减少燃料消耗的要求不断提高，环境保护和文明生产的的呼声日益高涨。对锅炉的控制系统进行
6、优化，不但可以减少事故停机的损失和检修费用，还可以有效提高热效率，降低供电热耗和煤耗。机组还可实现自启停，可缩短启停时间，因而使各种热损失及工质损失都大为减少。(4) 提高了劳动生产率和改善劳动条件通过采用自动装置和监控手段可以减少运行人员，有效地提高劳动生产率，因为在机组自启停阶段，不需要临时增加运行人员协助操作和抄表。实现生产过程自动化，可使运行人员从繁忙的体力劳动和紧张的精神负担中解脱出来，值班员除在机组启停时有些操作外，正常运行时只需要在控制室内集中监视主设备及自动化仪表的运行情况4。1.2.2 模糊控制应用于火电厂燃烧控制系统中的优势模糊控制技术从广义上可定义为：“模糊控制指的是应用
7、模糊集合理论，统筹考虑控制的一种控制方式。”目前在工业过程中投入运行的模糊控制器，主要指的是以模糊命题形式表示的一组控制规则，经模糊推理决定控制量的形式。它的主要优点是：(1) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作者在操作过程中的操作数据及被控对象的运行数据等。(2)对被控对象参数的变化具有较强的鲁棒性，适用于对难以建立被控对象的数学模型的复杂系统进行控制，如非线性、时变、滞后系统。(3)为“语言型”控制，由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则，易于形成知识库。(4)由不同观点出发，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给
8、定系统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个控制系统的协调可以取得总体的协调制。(5)控制效果好，且所需设备简单，经济效益显著。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。因此，锅炉燃烧系统控制已成为火电厂过程控制中的一大难题。将模糊控制应用于火电厂燃烧控制系统中，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，而且在硬件配置不变的情况下，锅炉燃烧系统采用不同的算法就可实现不同的控制规律。实现不同的控制规律只需要修改软件，而不需要修改硬件。这样可以很方便地用同一套硬件构
9、成满足不同要求的锅炉燃烧控制系统，体现了系统控制的灵活性。综上所述，把模糊控制技术应用在锅炉燃烧系统，将有很好的和潜在的应用前景，并有明显的理论意义和实际意义2。1.3 本文研究的内容及要求针对450t/hCFB锅炉炉膛负压控制要求，设计模糊自校正控制系统，设计内容和要求主要有：1) 针对450t/hCFB锅炉炉膛负压控制要求，设计450t/hCFB锅炉炉膛负压控制系统总体方案。2) 选择所需的控制设备，画出设备主要接线图。3) 根据控制要求，设计模糊自校正控制算法。4) 设计实现控制任务的程序结构。5) 利用MATLAB 建立仿真模型，研究控制算法的性能，并与常规PID控制进行比较。对450
10、t/hCFB锅炉炉膛负压控制系统进行动态分析，引入模糊控制技术，通过与传统的PID控制技术进行仿真对比，来探讨模糊控制在火电厂燃烧控制系统中的应用。为此，本文所做的主要要求如下1) 熟悉450t/hCFB锅炉原理，了解实际运行中锅炉炉膛负压控制的重要性。2) 设计的450t/hCFB锅炉炉膛负压控制方案要求合理可行。3) 所选择的控制设备必须可靠性高，技术先进，列出具体生产厂家，型号等。4) 根据控制要求设计的控制算法必须科学，列出详细设计及推导过程。5) 选择目前通用的开发语言平台，设计实现控制任务的程序结构框图。6) 利用MATLAB 建立控制系统仿真模型，从稳定性，鲁棒性，抗干扰等方面研
11、究所设计控制算法的控制效果如何，并与常规PID控制进行比较。2 循环流化床锅炉概述2.1循环流化床锅炉的工作过程图2.1 循环流化床锅炉的工作过程 流化床燃烧是燃料在流化状态下进行的一种燃烧，其燃料可以为工农业废物材料，化石燃料和各种生物质燃料。一般粗重的颗粒在燃烧室下部燃烧，细颗粒在燃烧室上部燃烧。被吹出燃烧室的细颗粒采用各种分离器收集下来之后，送回床内循环燃烧。图2.1给出了流化床锅炉的工作过程。在燃煤的循环流化床锅炉的系统中，首先煤被加工成一定粒度范围的煤粉，然后由给煤机送入循环流化床中进行燃烧，其中，许多细颗粒燃料将进入稀相区继续燃烧，并有部分煤粉随烟气飞出炉膛。飞出炉膛的大部分细颗粒
12、经由固体物料分离器分离后送回炉膛继续燃烧。流化床锅炉燃烧过程中产生的大量高温烟气经过受热面如过热器、再热器、省煤器、空气预热器等，在进入除尘器进行除尘，最后由引风机经烟囱送入大气。循环流化床锅炉燃烧是在整个炉膛内进行的，而炉膛中具有很高的颗粒浓度，高浓度颗粒经过床层、炉膛、分离器和返料装置在返回炉膛，进行多次循环，颗粒在循环过程中进行燃烧和传热。循环流化床锅炉给水先从省煤器进入，在进入汽包中，后从下降管进入冷壁。燃料燃烧所产生的热量在炉膛中通过对流和辐射等传热方式由水冷壁吸收，用来加热给水并生成汽水混合物。而汽水混合物进入汽包，在汽包内进行汽水分离，从汽包中分离出的水进入下降管继续参与水循环；
13、分离出的饱和蒸汽进入过热器系统继续加热变为过热蒸汽。流化床锅炉生成的过热蒸汽引入汽轮机，在汽轮机中做功，在汽轮机中将热能转换成汽轮机的机械能，一般125MW及以上机组锅炉中都有再热器，这些机组中的汽轮机高压缸排汽将进入锅炉再热器进行再热，再热后的蒸汽送入汽轮机中、低压缸继续做功2。2.2循环流化床锅炉的基本构成 循环流化床锅炉由两部分组成，第一部分由炉膛、固体燃料再循环设备、汽固分离设备和外置换热器等组成，上述部件形成了一个固体燃料循环回路。第二部分为尾部对流烟道，布置有省煤器、空气预热器、过热器和再热器等。图2.2 典型的循环流化床锅炉燃烧系统示意图图2.2为典型的循环流化床锅炉燃烧系统的示
14、意图。脱硫剂和燃料由炉膛下部进入锅炉，燃烧所需要的一次风和二次风分别有炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成。炉膛四周分布有水冷壁，用来吸收燃料燃烧产生的部分热量。分离器分离和收集由气流带出锅炉的固体物料，通过返料装置送回炉膛，而烟气则进入尾部烟道。(一)炉膛 炉膛的燃烧是以二次风入口为界分为两个区。二次风入口以上为小粒子氧化气氛的燃烧区，二次风入口以上为大粒子还原气氛的燃烧区。流化床的燃料燃烧过程、脱硫过程、N2O和NOx的生成和分解过程在燃烧室中完成。受热面布置在燃烧室中，它能吸收50燃料放出的热量。流化床燃烧室不仅是燃烧设备，而且也是热交换器和脱氮、脱硫装置，集流化、燃烧、传热
15、与脱硝、脱硫于一体。（二）分离器 循环流化床分离器是循环流化床燃烧系统的关键部件。它的形式决定锅炉整体布置和燃烧系统的紧凑性和形式，它的性能对燃烧室的传热特性、空气动力特性、物料循环、燃烧效率、蒸汽参数和锅炉出力，对石灰石的利用率和脱硫效率，对锅炉启动所需时间和负荷的调节范围以及维修费用和散热损失等均有重要影响。现在，国内外普遍采用的分离器有水冷或汽冷旋风分离器，高温耐火材料内砌的绝热旋风分离器，各种形式的方形分离器和惯性分离器。（三）返料装置 循环流化床锅炉的重要部件，它的正常运行对燃烧过程的可控性，对锅炉的负荷调节性能起决定性作用。返料装置的作用是将分离器收集的物料送回流化床循环燃烧，并保
16、证循环流化床的高温烟气不经过返料装置短路流入分离器，它既是一个锁气器，也是一个物料回送器。如果这两个作用失常，物料的循环燃烧过程建立不起来，燃烧室内的燃烧工况变差，锅炉的燃烧效率将大大降低，锅炉将达不到设计蒸发量。循环流化床的燃烧系统常采用的返料装置是非机械式的，主要有两种类型：一种是阀型返料器，如“L”阀等；另一种是自动调整型返料器，如流化密封返料器。阀型返料器要改变返料量则必须调整返料风量，自动调整型返料器能随锅炉负荷的变化自动改变返料量。（四）外置换热器 部分循环流化床锅炉采用外置换热器，其作用是使分离下来的物料部分或全部通过它，并冷却到500左右，然后通过返料器送到床内再燃烧。外置换热
17、器内可布置省煤器，过热器，再热器等受热面。外置换热器的实质上是一个细粒子鼓泡流化热交换器，其流化速度是0.3-0.45m/s，具有磨损小，传热系数高的优点。采用外置换热器的优点如下：（1）为再热蒸汽温度和过热蒸汽温度的调节提供了很好的手段。（2）可解决大型循环流化床锅炉床内受热面布置不下的困难。（3）增加同一台锅炉对燃料的适应性。（4）节约锅炉受热面的金属消耗量。（5）增加循环流化床锅炉的负荷调节范围。其缺点是它的采用使设备、燃烧系统及锅炉整体布置方式比较复杂7。2.3循环流化床锅炉的特点2.3.1循环流化床锅炉的典型工作条件循环流化床锅炉的典型工作条件可归纳为表2-1 表2-1循环流化床锅炉
18、的典型工作条件项目数值项目数值床层温度/850950床层压将/KPa612流化速度/（m/s）48炉内颗粒浓度/（kg/m3）150600（底部）床料粒度/m100700340（上部）床料密度（kg/m3）18002600Ca/S摩尔比1.53燃料粒度/mm013壁面传热系数/W/（m2K）130250脱硫剂粒度/mm022.3.2循环流化床燃烧过程的特点循环流化床燃烧是在炉内使高温运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并将颗粒返混的流态化燃烧反应过程；在炉内将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内反复循环地组织燃烧。在这种燃烧方式下，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了，炉内温
19、度水平受煤中灰的脱硫和变形温度最佳温度的限制，一般为850左右。这样的温度远低于普通煤粉中的温度水平。这种“低温燃烧”方式有很多的好处，炉内碱金属及结渣析出比煤粉中要改善很多，无需很大空间去时高温灰冷却下来，对灰特性的敏感性降低，氮氧化物生成量减少，能在炉膛内组织廉价且高效的脱硫工艺等。通过燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应在过渡区内或动力燃烧区。由于相对来说循环流化床锅炉中的温度不高，而且有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是说取决于温度水平，控制燃料速率的主导因素不再是物理因素。循环流化床锅炉内燃烧的燃尽度很高，可达到98%99%，甚至更
20、高。从图2.2可看出，循环流化床锅炉内的固体燃料（包括燃料、灰、残灰、惰性床料和脱硫剂等）经历了从炉膛、分离器和返料装置返回炉膛的循环运动。整个脱硫过程及燃烧过程都是在循环运动的动态过程的逐渐完成。循环流化床锅炉中，有大量的固体物料在强烈的湍流下通过炉膛，人为操作可改变物料循环量，并改变炉内物料的分布规律，用以适应不同的燃烧工况。这种组织方式，炉膛中的热量、动量和质量传递过程十分强烈，时整个炉膛高度及水平方向上是我温度分布非常均匀。同时，强烈的质量、动量传递使循环流化床内的颗粒产生碎裂和磨损，从而进一步强化了燃烧6。 3 炉膛负压控制3.1 炉膛压力控制系统简介锅炉作为电厂中的重要设备，为了保
21、证炉膛的稳定燃烧，炉膛压力控制的作用就显而易见了。对于负压燃烧锅炉，如果炉膛压力接近于大气压力，则炉烟往外冒出，能源浪费且影响设备和工作人员的安全；反之，如果炉膛压力太低，又会使大量的冷空气漏入炉膛内，降低炉膛温度，增大了引风机负荷和排烟带走的热量损失。一般炉膛压力维持在比大气压力低20-100Pa左右。引风控制的任务是保持炉膛负压在规定的范围之内。由于引风调节对象的动态响应快，测量也容易，所以引风控制系统一般只需采用以炉膛负压pf作为被调量的单回路控制系统。由于送风量的变化时引起负压波动的主要原因，为了使引风量快速地跟踪送风量，以保持二者的比例，可将送风量作为前馈引入引风调节器。这样当送风控
22、制系统动作时，引风控制系统也立即跟着动作，而不是等炉膛负压偏离给定值后再动作，从而能使炉膛负压基本保持不变。所以引风控制系统引入送风前馈信号以后，将有利于提高引风控制系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。送风量信号通过前馈补偿装置f（x）送到引风调节器而使引风量跟着改变，是一个快速补偿（前馈）系统。但当系统处于静态时，前馈补偿装置f（x）的输出应为零，以使炉膛压力保持为给定值2。3.2 炉膛压力的测量炉膛压力的测量采用3个差压变送器，3个差压变送器的输出分别送到3个小值选择器，3个小值选择器的输出再送到大值选择器，大值选择器的输出为3个差压变送器的输出（测量）值的中间值。采用3个差压变送器的目
23、的是为了防止因变送器故障或信号管路阻塞而影响测量值的可靠性，从而影响炉膛余力控制的可靠性。测量的中间值与差压变送器的输出（测量）值进行比较，如果偏差超过一定范围，则将发出报警信号。炉膛压力大于+30Pa或小于-40Pa,通过“三态信号监视器”发出报警信号。3.3 炉膛压力控制的主要功能控制系统除完成正常的控制功能外, 还实现下列保护功能： a 炉膛过压保护 当炉膛压力超过最高值时应进行报警, 机组进行负荷迫降,直到压力返回到所需求的给定值，如果进行上述保护动作后，而压力仍然增加超过最高值时, 则系统产生跳闸信号, 该信号应为“ 三取二” 逻辑信号。b 炉膛内爆保护炉膛内爆是指因烟气侧压力过低而
24、导致设备损坏的现象，炉膛外爆常常能引起大家的注意和防范，但是，炉膛内爆很容易让人忽视。炉膛内爆的起因：1）调节锅炉气体流量的设备（包括空气供给烟气排除）误动作，导致炉膛承受过大的引风压头。2）因燃料输入快速减少或MFT炉内气体温度和压力急剧下降。防止炉膛内爆的措施1） 设计安装灭火保护装置2） 改善控制功能设计c 锅炉跳闸后的炉膛内爆保护 控制系统接受来自联锁系统的锅炉跳闸信号, 为的是将炉膛内负压偏差降到最小。在主燃料跳闸的事故情况下, 由于突然停止燃烧会造成炉膛内烟气量和烟气温度急剧下降, 显然这是引起炉膛低压峰值的主要原因。这个低压峰值 会引起炉膛内爆, 是很危险的。炉膛压力的计算非常近
25、似于下式（3-1）所示: PV=MRT （3- 1 ） P绝对压力 V炉膛容积 M一炉膛烟气质量 R烟气常数 T一绝对温度由于容积是固定的, R是常数, 故压力P与MT成正比关系。因此, 在主燃料跳闸后因炉膛内烟气量减少和温度降低将造成压力急剧下降。基于上述原因, 控制系统设计了突跳回路。该回路能识别何时发生主燃料跳闸, 并在跳闸时起作用以减少由于锅炉跳闸引起的负压力偏差7。4 450t/hCFB炉膛负压模糊自校正控制系统设计4.1 炉膛压力控制的系统方框图炉膛压力控制用调节两台引风机的导叶开度，来满足炉膛负压略低于外界大气压的要求，机组正常运行时，锅炉炉膛负压按传统的前馈-反馈方案进行控制1
26、。其控制系统方框图4.1为图4.1 炉膛负压的控制系统控制方框图（1）被控变量 它是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，本控制系统的被控变量为炉膛负压。（2）设定值 它是指被控变量要求达到的期望值，炉膛控制系统的设定值为-80-100pa。（3）前馈信号 前馈控制器输出到“前向通道”的信号（作用在控制系统的信号）称为前馈信号。本控制系统的前馈输入为送风量。（4）扰动变量 它是指任何导致被控变量偏离其设定值的输入变量。4.2控制对象的要求引风量与负压关系为： G（S）= 10e-S7s+1 (4-1)送风量对负压的干扰为： G（S）= 23s+1 (4-2)根据控制系统的要求，确定动态前馈补
27、偿器为 G（s）= 0.136s+13s+1 (4-3)模 糊 化EEc模糊控制规则U模 糊 控 制u被 控 对 象Ye+4.3 基本模糊控制器的设计方法4.3.1模糊控制器原理图4.2 模糊控制器的原理框图模糊控制器主要包括输入量的模糊化、模糊推理和模糊判决三部分。由上图4.2可知，要用模糊控制器实现语言控制，必须确定模糊控制器的结构，也就是解决以下三方面的问题：1) 模糊化：把输入量转化为模糊变量；2) 模糊控制规则：通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算由模糊控制规则所确定的模糊关系10。4.3.2 模糊控制器结构的确定 炉膛负压模糊控制器可以设计为二维模糊控制器，即输入量是炉膛负
28、压偏差和炉膛负压偏差变化率，输出是引风量。具体设置如下：1) 输入量变量e为给定炉膛负压与实际炉膛负压的差值。在模糊控制区内，偏差e的变化范围是-0.2，+0.2，偏差E的模糊论域为e=-6，-5，0，+5，+6，,它的模糊集为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。2) 输入变ec为给定炉膛负压与实际炉膛负压的偏差变化率。在模糊控制区内，偏差变化率ec的变化范围是-0.06，+0.06，偏差变化率ec的模糊论域为=-6，-5，0，+5，+6，它的模糊集合为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。3) 输出变量u即引风量。在模糊控制区内，引风量的模糊论域为U=-6，-5，0，+5，+6，引
29、它的模糊集为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。4.3.3 模糊控制赋值表的确定 模糊控制炉膛负压偏差E、炉膛负压偏差变化率及引风量U的模糊论域和模糊集确定后，考虑对论域覆盖程度、灵敏度、稳定性及鲁棒性原则，各模糊集以三角形曲线为隶属函数曲线。对模糊变量赋值，确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。模糊变量E、和U的赋值如表4-1所示。表4-1 输入、输出语言变量赋值表 语言值隶属度量化等级 -6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6PB000000000000.51.0PM0000000000.51.00.50PS00000000.51.00.5000ZO000000.51.00
30、.500000NS0000.51.00.50000000NM00.51.00.5000000000NB1.00.5000000000004.3.4 模糊控制规则的建立该模糊控制器的模糊规则具体形式如下：if E= and EC=then U=，其中i=1，n，、分别为E、和U的模糊子集。结合上面的论述的建立模糊控制规则表的基本思想，根据系统输出的误差及误差变化趋势来消除误差的模糊控制规则是基于该系统多年现场运行试验、经验积累、手动操作策略来确立的系统模糊控制规则。对于炉膛负压控制系统来说 ，控制对象的控制规则共有49条，如：（1） 如果实际炉膛负压与给定炉膛负压的差值是负大时，且误差变化率为负
31、大时，则增加引风量。 对应规则语言：if E=NB and EC=NB then u=PB （2） 如果实际炉膛负压与给定炉膛负压的差值是正大时，且误差变化率为正大时，则减少引风量。 对应规则语言：if E=PM and EC=PM then u=NB 其余规则依照表4-2依次输入控制规则编辑器。EC EU UNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB表4-2 炉膛负压的模糊控制规则表4
32、.4模糊自适应校正 为了满足在不同误差e和误差变化率ec对PID参数整定的要求，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修正，便构成了参数模糊自校正PID控制器，其控制系统的结构如图4.3所示。模糊控制规则对象PID控制器r + y - 图4.3 模糊校正PID控制器系统结构这种技术的设计思想是先找出PID三个参数与误差e及误差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改以满足在不同e和ec时对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。根据对已有控制系统设计经验的总结可得出PID参数Kp，Ki的自校正规则表，表4-3和表4-4
33、。（由于炉膛负压控制器常为PI控制器，所以不需要校正PID参数Kd）Kpee cNBNM-4NSZO-1PS+1PM+3PB+5+6NBPBPB0PMPM0PS0ZO0ZO0.51.0NMPBPB0PMPS0PS0ZO0.5NS0.50NSPMPMPMPM0PMPSPS0ZO0.5NS0.5NS00ZOPMPMPS ZO NSNMNMPSPSPSPS0ZONS NS NM0NMPMPSZO1.0NSNM0NMNM0NB00PBZOZO0NMNM0NM0NB0NB00表4-3 Kp的模糊控制规则表Kiee cNBNM-4NSZO-1PS+1PM+3PB+5+6NBNBNB0NMNS0NS0ZO0
34、ZO0.51.0NMNBNB0NMNS0NS0ZO0.5NS0.50NSNBNMPMPM0NSPSNS0ZO0.5PS0.5PS00ZONMNMNSZO PSPMPMPSNMPSNS0ZOPS PS PM0PBPMZOZO1.0PSPS0PMPB0PB00PBZOZO0PSPM0PM0PB0PB00表4-4 Ki的模糊控制规则表5 450t/hCFB锅炉炉膛负压模糊控制系统仿真5.1 模糊逻辑工具箱介绍在对火电厂燃烧控制系统中的给煤-主汽压力控制系统进行单模糊控制MATLAB仿真时，将用到模糊逻辑工具箱。在此，我们对该工具箱的功能作一个简单的介绍。模糊逻辑工具箱提供了两种方式来建立模糊逻辑控制
35、系统，即命令行方式和用户图形界面方式。由于后一种方式更加直观和方便，因此比较常用。在用户图形界面方式下，模糊逻辑工具箱提供了五个基本的交互式图形界面来设计和完成模糊逻辑控制系统。它们分别为：1) 模糊推理系统编辑器该编辑器用于设计和显示模糊推理系统的一些基本信息与参数：如推理系统的名称，输入、输出变量的个数与名称，模糊推理系统的类型，解模糊方法等。其中，模糊推理系统可以采用Mamdani或Sugeno两种类型，解模糊方法有最大隶属度法、中位数法、加权平均法等几种。2) 隶属函数编辑器该编辑器提供了一个友好的人机图形交互环境，用来设计和修改模糊推理系统中各语言变量对应的隶属函数的相关参数。如隶属
36、函数的形状、范围，以及论域的大小等。系统提供的隶属函数有三角形、梯形、高斯形、钟形等多种，也可由用户自行定义。3)规则编辑器通过该编辑器来设计和修改“If . Then”形式的模糊控制规则。由该编辑器进行模糊控制规则的设计非常方便，它将输入量的各语言变量自动匹配，而设计者只需通过交互式的图形环境选择相应的输出语言变量，这就大大简化了规则的设计和修改。另外，还可为每条规则选择权重，以便进行规则的优化。4）规则查看器规则查看器用于显示各条模糊控制规则对应的输入量和输出量的隶属函数。通过指定输入量，可以直接的显示所采用的控制规则，以及通过模糊推理得到相应输出量的过程，以便对模糊规则进行修改和优化。5
37、）表面查看器该查看器用于显示输入、输出量对应的表面空间，并可改变各轴对应的变量及观察的视角，便于用户对设计的模糊推理系统进行修改和优化。5.2 仿真研究5.2.1 输入、输出量的设置在MATLAB的Command Window 窗口的提示符下，键入fuzzy可打开FIS编辑器。然后单击隶属函数编辑器工具栏中的Edit，在Edit中单击add variable 增加输入变量，如图5.1所示。其中e代表炉膛负压偏差，ec代表炉膛负压变化率，u代表送风量。图5.1设置隶属函数输入变量然后，单击选中所要修改的输入、输出变量名称，对其进行设置，如图5.2所示。图5.2 设置输入变量的隶属度5.2.2 模
38、糊控制规则的设置在FIS结构ranshao规则编辑器中，依据表4-2中输入模糊控制规则。如图5.3所示。图5.3 模糊控制规则完成了GUI建立模糊推理系统的全过程后，在FIS编辑器的File菜单下，将整个模糊推理系统以文件名lzx.fis存入到磁盘中。以供以后调用使用。同时我们可以通过规则观测器和曲面观测器来查看其模糊控制规则的输出曲面。 如图5.4所示。图5.4 模糊控制规则的输出曲面5.2.3 用SIMULINK构建系统结构图在做仿真研究时，应首先建立仿真模型方框图。根据本文图4.1给出的炉膛负压控制系统结构图，可以在SIMULINK软件环境下建立仿真模型方框图。具体做法就是从SIMULI
39、NK库中取出相应的模块放入模型界面上，用线连接好，并设置对应参数。再根据需要对控制对象和传递函数进行封装。另外，对于其中模糊控制器，要先编好其对应的S-Function函数，然后封装起来，就完成了SIMULINK仿真模型的建立。常规PID控制系统仿真模型和模糊控制系统仿真模型如图5.5。图5.5 常规PID控制系统仿真模型和模糊控制系统仿真模型5.3 仿真对比5.3.1炉膛负压控制系统无干扰时的仿真研究结合上述炉膛负压的参数，设定给定值R=-80，整个仿真时间设定为1000s，当锅炉正常运行时，此时，分别采用常规PID控制器，模糊控制器得出的仿真曲线和对比曲线如图5.6，5.7，5.8所示。图
40、5.6 常规PID炉膛负压控制系统仿真曲线 图5.7 炉膛负压模糊控制系统仿真曲线5.8炉膛负压的仿真曲线对比5.3.2炉膛负压控制系统有干扰时的仿真研究炉膛负压的给定值为R=-80，整个仿真时间设定为,1000s，系统在500处施加幅值为2的干扰，其控制系统的仿真方框图为5.9，其响应曲线为5.10。5.9加扰动的炉膛控制系统仿真方框图 图5.10 加扰动的炉膛控制系统仿真对比曲线5.4仿真结果分析通过对锅炉炉膛负压模糊自校正控制系统的设计，从整体控制效果来看，模糊控制器要比PID控制器控制效果要好，模糊控制系统具有比常规PID控制系统控制过程时间短、超调小、抗干扰能力强等特点，能较好地满足
41、本控制系统的控制要求，具有较高的控制品质。从系统无干扰情况下的仿真响应曲线中，可看出，同传统前馈反馈控制系统相比较，模糊前馈反馈控制系统的响应速度快，系统上升时间短，超调量小，过渡时间短，整个过渡过程比传统前馈反馈控制系统平稳得多；在系统有扰动的情况时，模糊前馈反馈控制系统重新恢复到稳态的时间比传统前馈反馈控制系统要小很多，系统的超调量相应也比较小。从仿真结果及分析来看，模糊控制器的控制性能总体优于常规PID控制器。它主要体现在以下三方面：1）模糊控制器的动态特性较好，不仅响应速度快，而且超调量小；2）模糊控制器具有良好的稳态品质，稳态过程没有震荡；3）采用模糊控制器系统的抗干扰能力强。6 小
42、 结本文针对火电厂循环流化床锅炉燃烧系统的特点，以锅炉炉膛负压为控制对象进行了动态分析，主要针对炉膛负压模糊控制系统，在锅炉额定运行控制参数进行模糊控制与常规PID控制的仿真研究。 炉膛负压模糊控制系统设计主要包括：第一，确立模糊输入/输出量，并给出模糊输入/输出量的隶属函数模型；第二，提出相应的模糊控制规则；第三，在对锅炉燃烧系统建立数学模型的基础上，对模糊控制器应用MATLAB7.0中的SIMULINK软件进行了综合算法仿真。仿真结果表明，模糊控制器的控制性能总体上优于常规PID控制器。首先，模糊控制器的动态特性较好，不仅响应速度快，而且超调量小；其次，模糊控制器具有良好的稳态品质，稳态过程没有震荡；而且，模糊控制器系统的抗干扰能力强，对生产现场的各种噪声和干扰具有较好的抑制作用。本文为单模糊控制器应用于锅炉炉膛负压控制系统提供了理论基础和仿真依据，但对如何将模糊控制与PID控制整合，如何进一步完善模糊控制规则，提高它的控制精度等相关问题，还要继续深入研究。参考文献1 戚晓耀。对循环硫化床锅炉风系统优化的探讨. 西安理工大学硕士论文，2003年。2 吴庆彬。循环流化床的模糊控制。南京工业大学硕士论文，2004年.3李政.