1  前言

    工業(yè)燃煤鍋爐是一種多變量系統(tǒng)，鍋爐燃燒過程具有明顯的純滯后特性和非線性特性，被控變量時變性大、影響因素多、內(nèi)部關(guān)聯(lián)強、外部擾動頻繁，建立準(zhǔn)確的實用數(shù)學(xué)模型非常困難。主汽溫是鍋爐運行中要監(jiān)視的一個重要參數(shù)，維持正常的主汽濕度，對機組的安全經(jīng)濟運行具有重要意義。主汽溫過高，會危及機組循環(huán)熱效率，嚴(yán)重時可能會危及機組設(shè)備的安全。而影響主汽溫的因素很多。

    (1)  給水溫度：給水溫度上升或下降，則主汽溫下降或上升。例如：汽機高加投入和解列時會引起給水溫度的變化。

    (2)  受熱面的污染：爐膛受熱面的結(jié)垢或積灰，則主汽溫升高。過熱器本身的結(jié)垢或積灰將導(dǎo)致主汽溫下降。

    (3)  過量空氣系數(shù)：過量空氣系數(shù)增大或減少，則主汽溫升高或下降。

    (4)  鍋爐負(fù)荷：鍋爐負(fù)荷升高(或下降)，主汽溫亦隨之上升(或下降)。

    (5)  燃煤：煤粉變粗、水分增大或灰分增加，都會使主汽溫升高。

    (6)  燃燒器的運行方式：擺動燃燒器噴嘴向上傾斜，會因火焰中心提高而使過熱汽溫升高。

    (7)  主汽壓：主汽壓升高，主汽溫升高。反之，主汽溫下降。

    所以，鍋爐主蒸汽溫度的控制要涉及很多干擾因素。國產(chǎn)420t/h電站鍋爐主蒸汽溫度是通過減溫水量來控制的，該鍋爐設(shè)有兩級噴水減溫裝置，第一級位于低溫過熱器和屏式過熱器之間，第二級位于屏式過熱器和高溫過熱器之間，每一級減溫水又分為兩側(cè)，兩側(cè)減溫水控制方案相同。由于主汽溫度屬純時間滯后系統(tǒng)，而純滯后的存在一方面使被調(diào)量不能及時反映控制作用的變化，控制作用只有在延遲τ后才能反映到被調(diào)量，另一方面當(dāng)對象受到干擾而引起被調(diào)量改變，控制器產(chǎn)生的控制作用不能立即對干擾產(chǎn)生控制作用，存在較大的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間。因此，基于傳統(tǒng)的串級控制系統(tǒng)已不能滿足控制要求。

圖1  主蒸汽溫度模糊控制結(jié)構(gòu)圖

        (1)  模糊化過程：測量輸入變量主蒸汽溫度t，計算t與主汽溫定值ts的誤差E及誤差變化dE，并將計算結(jié)果映射到相應(yīng)的論域中，然后轉(zhuǎn)換成通常用語言表示的一個模糊子集。總結(jié)專家和熟練操作人員的經(jīng)驗，可以得出誤差E、誤差變化dE這兩個語言變量各模糊子集用矢量方法表示的隸屬度函數(shù)。

        設(shè)輸入量量化等級為13級，即x,y=[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3, 4,5,6]，輸出量量化等級為9級，即z=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。主汽溫誤差變化范圍為[-E_L,+E_L]，誤差E的論域為[-10,10]，則比例因子：k₁=6/10=0.6；誤差變化率的變化范圍為[-dE_L，+dE_L]，誤差變化率dE的論域為[-20,20]，則比例因子：k₂=6/20 =0.3；輸出U的變化范圍為[-U_L,+U_L]，論域為[-30,30]，則比例因子：k₃=30/4=7.5。輸入量轉(zhuǎn)換為：X＝INT（k₁?E+0.5），Y＝INT（k₂?dE+0.5），INT為取整運算。輸出量轉(zhuǎn)換為：U＝k₃?Z。誤差E和誤差變化率dE均劃分成“負(fù)大（NB）”、“負(fù)小（NS）”、“零（ZE）”、“正小（PS）”、“正大（PB）”五個等級。

        (2)  模糊控制規(guī)則的建立：模糊控制規(guī)則是將專家和熟練操作人員的控制經(jīng)驗加以總結(jié)，從而得出模糊條件語句的集合，但必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性達(dá)到最佳。模糊控制器的中心工作是依據(jù)語言規(guī)則進(jìn)行模糊推理。模糊邏輯推理的依據(jù)是模糊控制規(guī)則庫。規(guī)則的形式可用條件語句IF THEN來表示。其基本形式為：

        IF  x  IS  E  and  y  IS  dE  ,  THEN  z  IS  U

        其中IF部分的“x  IS  E  and  y  IS  dE”稱為條件部。THEN部分“z IS U”稱為結(jié)論部。x，y是輸入變量，z是推理結(jié)果。E、dE、U是模糊集，它們用隸屬度函數(shù)來表示。

        (3)  求模糊控制表：利用模糊控制規(guī)則表對模糊化后的模糊子集E和dE，按照模糊推理公式：U=（E×dE）оR，采用Mamdani極大極小推理法，離線計算出每一個狀態(tài)的模糊控制輸出U，最終生成一張模糊控制表。

3  系統(tǒng)的投運

        北京和利時公司自行開發(fā)的分散控制系統(tǒng)HS2000系統(tǒng)具有模糊控制功能，本項目就是基于該DCS來完成的。利用帶模糊控制的控制模塊，很容易實現(xiàn)主汽溫度的模糊控制功能。由于機組投入自動發(fā)電控制（AGC），機組負(fù)荷變化比較頻繁，鍋爐燃燒調(diào)整要及時跟隨負(fù)荷的變化，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）基本滿足了負(fù)荷迅速變化的控制要求，但主蒸汽溫度純延遲的影響，導(dǎo)致主汽溫不能及時跟隨負(fù)荷的變化。引入模糊控制技術(shù)可以很好地解決主汽溫調(diào)節(jié)傳統(tǒng)方法中無法處理的問題，取得了較好的效果。由AGC變負(fù)荷擾動時主汽溫度的調(diào)節(jié)過程如圖2（負(fù)荷從79.85MW上升至89.78MW）、圖3（負(fù)荷從94.51MW下降至75.56MW）所示。主蒸汽溫度在自動狀態(tài)下基本上能控制在535~545℃范圍內(nèi)（主蒸汽溫度設(shè)定值為540℃），誤差在-10~5℃之內(nèi)。從試驗曲線可以看出，控制效果比原控制系統(tǒng)有所改善。

4  結(jié)束語

    模糊控制規(guī)則是建立在專家和熟練操作人員經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，因而帶有一定的主觀性。該項目設(shè)計中量化等級小，論域劃分較少的幾檔，使得調(diào)節(jié)較粗糙；減溫水調(diào)節(jié)閥漏，輸出特性變成非線性，也影響了調(diào)節(jié)的結(jié)果。所以，在沒有對主蒸汽溫度減溫水系統(tǒng)進(jìn)行改造的情況下，選用模糊控制技術(shù)來實施主汽溫控制，不失為一種嘗試。