1、 本科 毕业设计 锅炉蒸汽温度模糊控制器的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 电厂实现热力过程自动化，能使机组安全、可靠、经济地运行。锅炉是火力发电厂最重要的生产设备，过热蒸汽温度控制是锅炉控制系统中的重要环节。 随着控制对象变得复杂，应用常规 PID控制，精度和鲁棒性降低。 锅炉过热汽温具有大惯性、大滞后的特点，并且动态特性随机组负载变化而变化，运行过程中扰动多、难控制。 当控制对象很复杂的情况下，常规 PID控制器已经不太能满足控制要求了，为提高对复杂系统的控制性能，本文介绍了一种模糊 PID控制器。 文章针对这种情况
2、， 研究了 模糊 -PID复合控制算法 ,并针对某火电厂燃煤锅炉过热蒸汽温度进行了仿真研究。在分析蒸汽温度系统工作过程、调节对象及其动态特性的基础上 ,构建了系统的结构模型 ； 在对火电厂过热汽温控制对象特点分析的基础上 ， 结 合模糊控制动态特性好的特点 ， 提出了一种模糊 -PID控制设计方法。 它将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性以及鲁棒性融为一体，构造了一个自适应模糊 PID控制器。此控制器的比例系数、积分系数、微分系数可根据模糊推理规则进行在线调整。本文比较了 PID控制和模糊控制的异同，结合两者各自在控制方面的优点，设计出符合整套控制系统的模糊 -PID控制器。 本文以误差和误
3、差变化率为输入，利用模糊推理的方法实现了对参数的在线自动整定， 并且在 MATLAB环境下对该控制器进行了设计和仿真。从仿真结果可以看出 , 参数自整定模糊控制 器控制效果优于传统控制器 , 提高了系统的动态性能。 关键词 ： 过热蒸汽温度；传统 PID控制器；模糊 -PID控制器；仿真 II Abstract Power plants perform thermal process automation, which makes machine run safely, steadily and economically. Boilers are the most important prod
4、uction equipment in the power plants. The overheating steam temperature is one of the important quality standards. When the controlled objects become complicate, the control accuracy and robustness of the normal PID decrease. This paper design a fuzzy PID control in order to improve the system perfo
5、rmance for complex systems in which the normal PID controller is not suitable in such case. The paper studied the integrated control arithmetic of Fuzzy-PID for the above problems and made a simulation in over-heated steam temperature system of a thermal power station. On the basis of analyzing the
6、operating process, adjusted-object and their dynamic characteristics of the over-heated steam temperature system, the systems structure models were established. A design scheme of integrated fuzzy serial control system was presented the good dynamic characteristic of fuzzy control based on the analy
7、sis of the characteristic of over-heated steam temperature of thermal power station. A self-adjusting PID controller, which has simpler structure and higher robustness, is built when Fuzzy logic controller and PID controller are combined together appropriately. The proportional, integral and differe
8、ntial gains of the self-adjusting PID controller are adjusted online based on fuzzy inference rules. This paper emphasizes similarities and difference between the PID control and the fuzzy control, combined the advantages of each controller, and then design a Fuzzy-PID controller to suit this contro
9、l system. In this paper, error and error change are taken as inputs, a fuzzy inference method is utilized to realize automatic regulating PID parameters, and the controller is designed and simulate with MATLAB. The results of simulation indicate that fuzzy PID controller with self-adjusting paramete
10、rs is superior to traditional PID controller and it can improve the dynamic property of the control system. Keywords: overheating steam temperature; traditional PID controller; Fuzzy PID controller; simulation III 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 电厂锅炉蒸汽温度控制的研究的背景、目的及意义 . 2 1.2 电厂锅炉蒸汽温度控制系统的特点 . 2 1.3 本文要做
11、的工作 . 3 第 2 章 电厂锅炉蒸汽温度控制系统的分析 . 4 第 3 章 模糊控制技术 . 6 3.1 模糊逻辑的提出与发展 . 6 3.2 模糊控制系统 . 6 3.3 模糊控制的特点及展望 . 7 3.4 模糊控制器设计的基本方法 . 8 3.4.1 模糊集合 . 8 3.4.2 隶属函数 . 9 3.5 模糊控制器的结构与组成 . 10 3.6 量化因子与比例因子 . 11 3.7 Fuzzy-PID 复合控制器 . 11 第 4 章 锅炉蒸汽温度模糊 -PID 控制器的设计 . 13 4.1 常规 PID 控制设计 . 13 4.2 模糊推理系统的设计 . 15 4.3 模糊 -
12、PID 控制器的设计 . 20 第 5 章 MATLAB 仿真 . 22 5.1 常规 PID 控制的仿真 . 22 5.2 模糊 -PID 控制的仿真 . 23 5.3 仿真结果分析 . 24 结论 . 25 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 1 前言 自动控制理论经历了经典控制和现代控制两个重大的发展阶段，其理论已经非常成熟与完善了。但是随着被控系统变得越来越复杂以及一些外界因素的干扰，对于一些被控系统已经很难再建立起非常有效的数学模型，在这种情况下传统控制理论就很难再满足系统的控制性能了，这时就要运用新兴的模糊控制了。 模糊控制就是利用模糊集合理论，把人的模糊控制策略转
13、化为计算机所能接受的控制算法，进而实施控制的一种理论和技术。它可以模拟我们人类的思考方式，这就可以对一些无法建立起有效数学模型的被控对象进行模糊控制 来达到系统的控制要求。现在，模糊控制已经被应用于许多方面，不仅仅是在工业上，而且也在社会学、生物学及医学等其它领域得到了很好的应用。 在模糊控制中最重要的就是模糊控制器的设计，模糊控制器最为模糊控制的核心，它设计结构上的好坏直接影响了模糊控制性能的优劣。 由于设计环境的限制，本文的设计不能再实际电厂系统中进行，只能通过仿真模拟来观察模糊控制的结果。 本文应用的仿真软件是 MATLAB6.5，通过在 MATLAB设计环境下对模糊控制器的输入、输出、
14、隶属函数以及模糊控制规则进行设计。 本文通过对电厂锅炉蒸汽温度控制 系统进行分析，选取合适的被控对象，在针对电厂锅炉蒸汽温度控制系统的特点，设计出符合控制要求的模糊控制器。再通过 MATLAB仿真对传统PID控制与模糊 -PID控制进行比较，从比较结果中得出本次设计的结论。 虽然模糊控制有其优越的控制性能，但是模糊控制还处于初级阶段，它的理论还没有完全成熟，还没有完善，要想使模糊控制的适用范围更加广泛，模糊控制还需要进一步地发展。 2 第 1章 绪论 1.1 电厂锅炉蒸汽温度控制的研究的背景、目的及意义 随着科学技术的日益发展我国的电力系统正在发生着一场巨大的改革。计算机技术的 不断成熟，通信
15、技术所覆盖的领域越来越大，控制理论及信息处理技术也在不停地向前发展，新材料、新工艺正在代替传统的材料与工艺。这些都推动了电厂控制技术的进步，各种技术之间的联系越来越紧密，给电厂自动化控制带来了前所未有的机遇 3。 众所周知，电能不仅是现代工业生产的主要能源和动力，也是保障日常生活秩序的重要依靠。随着近些年我国经济的高速发展，对电的需求也是越来越大，电力系统的不断扩大，对电力系统的自动化控制技术水平的要求也越来越高，其中对电厂锅炉蒸汽温度的控制精度的要求也是越来越高。锅炉蒸汽温度在电厂安全经济 运行方面有着相当重要的地位，同样对防止锅炉超温也有很大的作用。为了保证电厂在运行当中的安全，也为了保证
16、对现代化生产与日常生活的电量供给，所以对电厂锅炉蒸汽温度控制的研究是一项重要的任务。 到目前为止我国的发电厂还是主要以火电厂为主，在我国电力工业中占据着重要的地位，是我国重点能源工业之一。在我国火电厂锅炉中燃煤炉占有最大的比重，生产蒸汽的主要设备还是以锅炉为主。精确控制电厂锅炉蒸汽温度有以下几方面的好处： （ 1） 提高电厂汽轮机组可靠运行。保证机组可靠地、安全地工作是电厂的首要任务，电厂热力系统的复杂性，在 平时如果单靠工作人员来进行管理与监测的话，是一项很难完成的任务，而且也很有可能因为人员的误操作引起事故，对电厂造成损失。 （ 2） 提高电厂汽轮机组经济运行。电厂装上自动化装置后能使机组
17、运行地更加稳定与安全，所以对电厂的经济性也有很大程度的帮助，可以为电厂减少一些维修与检修的费用支出，也可提高电厂的热效率，降低煤耗与热耗。 （ 3） 改善劳动条件。在生产过程中实现自动化，可以减少工作人员的日常工作量，为工作人员减少了不少负担。工作人员在日常工作时除了在机组的启动和停止的时候需要操作以外，在机组正常运行时只需要在控制 室监视机组运行情况即可。 （ 4）提高生产效率同时起到提高经济效益的作用。 所以精确控制电厂锅炉蒸汽温度在安全、可靠的范围之内对推动我国经济发展有着巨大的意义。 1.2 电厂锅炉蒸汽温度控制系统的特点 发电厂从锅炉汽鼓出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热，使蒸汽温度达
18、到一定的要求温度后，再去推动汽轮机工作。每一种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下机组的效率最高。如果温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短，如果温度过底，当蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分蒸汽变成小水滴，冲击汽轮机叶片，造成生产事故，因此要 求控制温度的误差在很小的范围内变化。电厂锅炉蒸汽温度自动控制的主要任务是使过热器出口蒸汽温度不超出某一个范围， 并且起到保护过热器的作用，使管壁温度在允许的工作温度之内。要使电厂锅炉运行地质量达到一定的要求，就要严格控制电厂的过热汽温。过热气温的高或者低都会在很大的程度上影响电厂机组的安全运行与电厂运行地经济效益。 锅炉蒸汽温度具有大滞后、大惯性
19、的特点，并且动态特性随机组负载变化而变化，运行过程中扰动多、难控制。锅炉蒸汽生产过程中的大多数事故都是由于锅炉蒸汽温度控制不当3 引起的，因此锅炉蒸汽温度控制在电厂生产中 具有极其重要的作用。 目前，主要是通过喷水减温来调节与控制锅炉汽温，其工作原理是通过给水阀门给水，水可以吸收蒸汽热量，这样就达到了降低汽温的目的。所以本文主要通过控制汽温给水流量来控制汽温。 传统的控制系统采用 PID单回路控制 ,但由于常规 PID控制器以固定参数为主 ,当外界扰动较大和对象特性变化较大时 ,抑制干扰能力及控制效果均较差。所以本文提出了一种模糊 -PID控制方法，并且通过实验仿真，与传统 PID控制进行比较
20、，观察哪个控制系统的控制性能更能满足控制要求。 1.3 本文要做的工作 针对电厂锅炉蒸汽温度控制系统 的特点，在传统 PID 控制的基础上集合模糊控制，设计出模糊 -PID 控制器。本文主要完成的内容有： （ 1）以某一电厂锅炉蒸汽温度控制系统为例，在传统 PID 控制的基础上，结合模糊控制技术，对该系统实现模糊 -PID 控制。 （ 2）要设计出模糊 -PID 控制电厂锅炉蒸汽温度的总体方案。 （ 3）设计完成之后还要该系统进行仿真。仿真所用的软件是 MATLAB6.5. （ 4）对本文的设计做最后的总结。 4 第 2 章 电厂锅炉蒸汽温度控制系统的分析 要使一个控制系统对某一控制对象起到相
21、应的作用必须要对这一控制对象做全面的分析，只有了 解了它的特性，才能根据它本身的特点，设计出对其适用的控制系统，才能达到良好的控制效果。本章将对电厂锅炉蒸汽温度系统做进一步地分析，全面剖析其特性，为设计与其特性相符控制器做好前提工作。 发电厂从锅炉汽鼓出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热，使蒸汽温度达到一定要求温度后，再去推动汽轮机工作。每一种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下机组的效率最高。如果温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短，如果温度过底，当蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分蒸汽变成小水滴，冲击汽轮机叶片，造成生产事故，因此要求控制温度在很小 的范围之内变化。 锅炉蒸汽过热系统的
22、控制任务就是控制过热器出口汽温在规定范围内 , 并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度 ,从而保证过热器的正常使用寿命 ,又能为汽轮机的安全运行提供有力的保障。主蒸汽温度是否稳定是衡量锅炉运行质量的重要技术指标之一。 图 2.1 锅炉蒸汽整体结构图 电厂锅炉在正常运行时，蒸汽在整个系统中流动的结构图如图 2.2 所示。 图 2.2 锅炉蒸汽流动图 从图 2.2 中可以看出影响蒸汽温度的主要因素有减温水给水量的变化，给水 量的多少直接影响了最后出来的蒸汽温度，如果蒸汽温度过热就会 损害 过热器 和高压力汽轮机，太低 也不行 ，因为它会降低电厂效率的。 除了这个干扰因素外还有过热蒸汽流量的变化，
23、烟气温度的变化，过热器热交换性能的变化。各种扰动因素又相互影响，控制其中任何一个都可以实现对过热蒸汽温度的调节。本文通过对减温水流量的调节实现对过热蒸汽温度的调节 10。 汽泡 减温器 蒸汽温度 减温水 过热器 汽鼓 过热器 阀门 汽温 T 给水 5 当减温水流量扰动时，它会使过热器入口的蒸汽温度发生改变，从而改变过热器出口蒸汽温度，我们可以从图中更直观地发现这种变化，其阶跃响应曲线如图 2.3 所示。 图 2.3 减温水扰动下的动态特性 从图中可以明显的观察到，其响应曲线的特点也就是说在减温水扰动下的动态特性为有延迟，有滞后，有自平衡能力，但是由于电厂所采用的大型工作锅炉，它的过热管都很长，
24、所以当减温水发生扰动的时候，蒸汽温度的反应都会很缓慢，会对电厂的工作效益产生比较大的影响。 电厂锅炉蒸汽在工作时，当减温水发生扰动时，汽温的延迟时间 一般在 30到 60 秒之间，而时间常数 Tc 一般在 100 秒左右。而过热蒸汽流量的变化与烟气温度的变 化，发生扰动时汽温的延迟时间和时间常数比减温水发生扰动时的小，因而对于控制过热蒸汽温度的动态特性而言，选择过热蒸汽流量与烟气温度作为控制量比较好，但是实际却很困难，尤其是过热蒸汽流量是由用户决定，所以不能作为控制量。 虽然以减温水的流量作为被控对象的特性不是很理想，但是喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以目前还是广泛地把减温水流量作为控
25、制过热蒸汽温度的控制对象。 t Tc 0 6 第 3 章 模糊控制技术 3.1 模糊逻辑的提出与发展 “模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。 “模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内容更丰富，更符合客观世界。为了用数学方法描述和处理自然界出现的不精确、不完整的信息，如人类语言信息和图像信息， 1965 年美国著名学者加利福尼亚大学教授扎德（ L.A.Zadeh）发表了题为“ fuzzy set ”的论文，首先提出了模糊理论。 模糊理论提出的年代，由于科学技术尤其是计算机技术发展的限制，以及科技界对“模糊”含义的误解，使得模糊理论没有的达到应有的发展。从 1965 年
26、到 20 世纪 80 年代，在美国、欧洲、中国和日本，只有少数科学家研究模糊理论。虽然理论文章总数高 达约 5000 篇，但实际应用却寥寥无几。 模糊理论成功地应用首先是在自动控制领域。 1974 年，英国伦敦大学教授 Mamdani 首先将模糊理论应用于热电厂的蒸汽机控制，揭开了模糊理论在控制领域应用的新篇章，充分展示了模糊控制技术的应用前景。两年后， Mamdani 又是把模糊理论运用到了水泥的旋转炉控制当中。在所有的模糊理论实际应用中，模糊理论在欧洲是主要在工业自动化控制，而到了美国则是运用于军事领域。尽管在此之后的 10 多年内，模糊理论应用取得了很好的效果，然而，没有取得根本上的突破
27、。 到 20 世纪 80 年代，计算机得到 的很大的发展，在日本，科学家们通过结合模糊理论与计算机技术，成功地将两者结合产生的新技术应用在一些工业和消费品有关的控制方面。有了这一个先例，在世界范围之内应用模糊控制于实际当中的例子是接踵而至。下面分别介绍几个例子，如 1983 年的日本 Fuji Electric 公司的饮水模糊控制； 1987 年日本 Hitachi 公司的地铁模糊控制，只是在日本，从 1987-1990 这三年间就有 319 种模糊控制专利的申报。随着科技的迅速发展，模糊理论与越来越多的技术相结合，产生了更多的新兴科技，已经逐步走进了我们的生活，我们日常生 活当中就有许多模糊
28、科技的产品，如模糊摄像机、模糊洗衣机等。所以说随着模糊理论的越来越成熟，我们与模糊理论的距离会越拉越紧。 模糊控制与模糊数学是紧密联系的，以其为根本基础，运用模糊理论中的语言，建立一定的规则，再将它与计算机技术相结合，通过模糊推理来进行控制的。在现代的工业生产中，其特性为非线性的占绝大多数，它们的数学模型是极难建立起来的，这样的话常规控制就很难达到工业生产的控制特性要求了。这时，模糊控制就体现出它的价值了，它能利用其独特的语言规则，不需要建立精确的数学模型就可以达到工业生产要求的控制性能。 所以说，模糊控制会被越来越广泛地应用于工业生产当中。 3.2 模糊控制系统 模糊控制系统既然作为一种控制系统，当然也属于自动控制的范围之内，只是与传统的自动控制系统有一些不同的地方。它的基础是模糊数学，结合模糊控制自己独有的模糊语言与模糊推理，再通过采用计算机控制组成的一种新型控制系统。它的核心部分是模糊控制器，这种控制器是具有一定智能性的，这就是模糊控制与传统控制的最大区别。所以说模糊控制是一种具有智能功效的现代化新型控制。 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入 /输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五个部分组成。其系统框图如图 3.1 所示：
