模糊控制器在分散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　去年底，航天工業(yè)總公司在遼寧省鐵法市召開技術(shù)鑒定會，對由哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的應(yīng)用于鐵法礦務(wù)局低熱值燃煤熱電廠2號鍋爐（130t／h）上的HIC—1000分散控制系統(tǒng)進行了技術(shù)鑒定。
　　
　　HIC—1000分散控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用國產(chǎn)"893"智能數(shù)據(jù)測控前端，I／O站根據(jù)需要可直接布置在現(xiàn)場，實現(xiàn)了系統(tǒng)的物理分散。

　　
　　該系統(tǒng)zui大特點是廣泛將模糊控制等*控制技術(shù)，注入DCS系統(tǒng)，成功應(yīng)用于燃用低熱值煤鍋爐和母管制系統(tǒng)中的一些大延遲、非線性、控制參數(shù)耦合等復(fù)雜控制系統(tǒng)中。現(xiàn)將控制系統(tǒng)簡要在這里作一介紹，供讀者參考。
　　
　　一、控制器
　　
　　HIC—1000分布式控制系統(tǒng)中采用了PID和FUZZY（模糊）兩種控制器。針對不同的過程對象，采用不同的控制器。
　　
　　（1）PID控制器
　　
　　PID控制器是線性控制器，適合于線性、定常、非耦合（弱耦合）系統(tǒng)。計算公式如下：
　　
　　Ud＝a·（Ud（n—1）+b·（e（n）—e（n—1）））
　　
　　a＝Td／（Kd·TK+Td），b＝KP·Kd
　　
　　△Up（n）＝Kp·（e（n）—e（n—1））
　　
　　△Ud＝Ud（n）—Ud（n—1）
　　
　　△Ui＝KP·TK·e（n）／Ti
　　
　　△Un＝△UP（n）+△Ui（n）+AUd（n）
　　
　　U（n）＝U（n—1）+△U（n）
　　
　　式中：
　　
　　KP：比例放大系數(shù)
　　
　　Ti：積分時間常數(shù)
　　
　　Td：微分時間常數(shù)
　　
　　K2：積分分離系數(shù)
　　
　　TK：控制周期
　　
　　Step：步長限制
　　
　　Sc：死區(qū)
　　
　　Kd：微分放大系數(shù)
　　
　　e：采樣周期內(nèi)偏差
　　
　　e—1：前一步采樣周期內(nèi)偏差
　　
　　Ud—1：前一步控制周期內(nèi)微分值
　　
　　（2）模糊控制器（FUZZYCONTROLER）
　　
　　模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思維邏輯，對被控對象的運行規(guī)律（往往沒有確切的數(shù)學(xué)模型）進行總結(jié)、抽象、推理、量化，實施有效的控制。模糊控制的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，利用模糊數(shù)學(xué)的推理理論，離線建立隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)庫，將各種復(fù)雜的過程對象簡單化。該過程要求設(shè)計人員對被控對象充分的了解，是直接的操作者，具有豐富的經(jīng)驗，才能總結(jié)規(guī)律，建立隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)在線運行時，利用計算機的高速、大容量性能，通過推理、量化運算得到具體的控制量。模糊控制是一種非線性控制器，適合于時變、非線性、強耦合系統(tǒng)。Fuzzy控制器框圖如下：
　　
　　圖中：
　　
　　k1，k2：尺度變換（模糊量化）的比例因子
　　
　　k3：尺度變換（清晰化）的比例因子
　　
　　r：參考輸入
　　
　　e：實際輸入與參考輸入的偏差
　　
　　e'：偏差的變化量
　　
　　u：經(jīng)過清晰化的控制量
　　
　　FUZZY控制器主要由四部分組成：
　　　　（1）模糊化
　　
　　這部分的作用是將輸入的量進行處理變成模糊控制器要求的輸入量。對處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍，然后進行模糊處理，并用相應(yīng)的模糊集合表示。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)。
　　
　　（2）知識庫
　　
　　知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫包括各語言變量的隸屬度函數(shù)，尺度變換因子以及模糊空間的分級數(shù)等。規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則。它們反映了實際控制的經(jīng)驗和知識。
　　
　　（3）模糊推理
　　
　　模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理過程是基于模糊邏輯中的蘊涵關(guān)系及推理規(guī)則來進行。
　　
　　（4）清晰化
　　
　　清晰化的作用是將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換變成表示在論域范圍的清晰量，zui后將清晰量經(jīng)尺度變化成實際的控制量。
　　
　　二、給水控制回路
　　
　　給水控制回路可控制汽包水位，也可控制給水流量，通過控制主給水門或副給水門來實現(xiàn)，且都采用典型的雙環(huán)PID控制，內(nèi)環(huán)控制給水流量，外環(huán)控制泡包水位，控制框圖如圖3所示，因此共有四組PID控制器參數(shù)，主給水位和主給水門兩組用于主給水門的自動控制；副給水位和副給水門兩組用于副給水門的自動控制。另外設(shè)有PID校正參數(shù)，與PID控制器配合實現(xiàn)各種控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及控制策略的調(diào)整。　　
　　符號說明：
　　
　　sp_h：汽包水位給定值；
　　
　　h：汽包水位；
　　
　　sp_Dgs：內(nèi)環(huán)給水流量給定；
　　
　　Dgs：給水流量；
　　
　　Dq：主汽流量；
　　
　　fb0：給水流量前饋系數(shù)；
　　
　　fbl：穩(wěn)態(tài)時，fbl：Dgs—Dq；
　　
　　P11：主調(diào)節(jié)器；
　　
　　PI2：副調(diào)節(jié)器；
　　
　　Gl：給水門特性函數(shù)；
　　
　　G2：汽包特性函數(shù)；
　　
　　三、減溫水控制回路
　　
　　（1）工藝流程圖
　　
　　一、二級過熱汽溫控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工藝流程有如圖4：其中：
　　
　　θ0：減溫器前溫度。
　　
　　θ2：減溫器后溫度。
　　
　　θ1：過熱器后溫度。
　　
　　DJWS：減溫水流量。
　　
　　（2）控制框圖
　　
　　減溫水控制可控制減溫器出口汽溫，也可控制導(dǎo)前溫度，采用雙環(huán)PID控制，控制框圖

　　
　　符號說明：
　　
　　sp_θ1：過熱器出口溫度給定值。
　　
　　e1：主調(diào)節(jié)器編差。
　　
　　θl：過熱器出口汽溫。
　　
　　PI1：主調(diào)節(jié)器。
　　
　　u1：主調(diào)節(jié)器控制輸出，作為內(nèi)環(huán)給定，
　　
　　TK1：主調(diào)節(jié)器控制周期。
　　
　　G1（S）：主回路傳遞函數(shù)。
　　
　　sp_θ2：過熱器入口溫度給定值。
　　
　　e2：PI2調(diào)節(jié)器編差。
　　
　　θ2：過熱器入口汽溫。
　　
　　PI2：調(diào)節(jié)器。
　　
　　u2：PI2調(diào)節(jié)器控制輸出。
　　
　　TK2：PI2調(diào)節(jié)器控制周期，TK2=3—4TK1。
　　
　　G2（S）：減溫器傳遞函數(shù)。
　　
　　（3）控制方案
　　
　　減溫水控制包括一級冷段甲集汽聯(lián)箱出口溫度、一級冷段乙集汽聯(lián)箱出口溫度和主汽溫度等共計三個控制回路，每個回路分別控制一個減溫水門（分別為一級減溫門甲、一級減溫門乙和二級減溫門）。都采用雙閉環(huán)PID控制方案。內(nèi)環(huán)快速調(diào)節(jié)：外環(huán)消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制過熱汽溫。
　　
　　針對升降負(fù)荷對主汽溫度的影響，引入“負(fù)荷變化”對主汽溫度的前饋，直接作用于內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器出口，前饋系數(shù)取為多段值，與外擾的不同類型相對應(yīng)。該技術(shù)的采用，對于調(diào)峰機組（鍋爐）的過熱汽溫控制效果會更好。
　　
　　四、吸風(fēng)控制回路
　　
　　（1）控制方案
　　
　　負(fù)壓控制的難點在于以下兩方面：
　　
　　（a）穩(wěn)態(tài)時，煤質(zhì)變化、擋板特性變化以及其它外擾引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，隨著時間的推移，系統(tǒng)的特性函數(shù)會產(chǎn)生大的變化（尤其在大修之后）引風(fēng)控制系統(tǒng)容易產(chǎn)生震蕩，造成爐膛負(fù)壓不穩(wěn)定。
　　
　　（b）鍋爐漏風(fēng)系數(shù)隨時間的推移逐漸加大，造成煙氣含氧量增大。若負(fù)壓不穩(wěn)定（送風(fēng)門開度不變）則引起煙氣含氧量變化，從而導(dǎo)致送引風(fēng)控制系統(tǒng)的正反饋作用，系統(tǒng)發(fā)散，不穩(wěn)定。
　　
　　（c）制粉系統(tǒng)的啟停及系統(tǒng)的“倒風(fēng)”操作，可能造成爐膛負(fù)壓大擾動，該過程需要快速跟蹤調(diào)節(jié)。
　　
　　因此，HIC—1000分散控制系統(tǒng)中爐膛負(fù)壓采用PID與FUZZY相結(jié)合的控制方式。


　　
　　符號說明
　　
　　SP_Ps：爐膛負(fù)壓給定值。
　　
　　e：主調(diào)節(jié)器偏差。
　　
　　Ps：爐膛負(fù)壓。
　　
　　控制器：根據(jù)控制策略選擇對應(yīng)的控制器。
　　
　　u：主調(diào)節(jié)器控制輸出。
　　
　　u∑：總控制量輸出至引風(fēng)執(zhí)行器。
　　
　　Tk：主調(diào)節(jié)器控制周期，Tkl=1～2秒。
　　
　　G（s）:主回路傳遞函數(shù)。
　　
　　fb：前饋增量。
　　
　　fbl：排粉機出口壓力前饋系數(shù)
　　
　　fb2：送風(fēng)門開度前饋系數(shù)：
　　
　　△Ppfj：排粉機出口壓力增量。
　　
　　△Msfm：送風(fēng)門開度增量。
　　
　　（3）Fuzzy控制參數(shù)表：
　　
　　為節(jié)約內(nèi)存，對Fuzzy,表采取對稱存貯的方法，即偏差分域正、負(fù)對稱設(shè)置，將負(fù)偏差部分的子矩陣與正偏差部分的子矩陣實行轉(zhuǎn)置對稱變換，存貯于同一個單元，可將由Fuzzy表的數(shù)據(jù)量減少一半，有利于提高運行速度。對于快速及過阻尼Fuzzy控制方案，改變加權(quán)因子及Fuzzy控制周期即可，兩種控制方式共用同一矩陣表。
　　
　　五、送風(fēng)控制回路
　　
　　（1）控制策略
　　
　　送風(fēng)控制難點如下：
　　
　　（a）國產(chǎn)鍋爐的漏風(fēng)系數(shù)隨時間的推移越來越嚴(yán)重，尤其是中小機組。漏風(fēng)造成送門開度對煙氣氧量的變化量呈嚴(yán)重非線性關(guān)系，甚至出現(xiàn)逆關(guān)系曲線，時變特性嚴(yán)重。負(fù)壓變化導(dǎo)致漏風(fēng)量變化，zui終導(dǎo)致煙氣氧量變化。
　　
　　（b）國產(chǎn)氧化鎬不穩(wěn)定，壽命僅半年，氧量測量誤差大，不能真實反映鍋爐的燃燒效率。因此靠氧量方法控制送風(fēng)．不能達到*經(jīng)濟燃燒效果，往往導(dǎo)致送引風(fēng)控制系統(tǒng)振蕩發(fā)散，燃燒不夠。
　　
　　（c）機翼測風(fēng)裝置誤差大，影響控制的準(zhǔn)確性。
　　
　　綜上所述，屏棄“依據(jù)氧量控制送風(fēng)”的傳統(tǒng)控制策略，采用“風(fēng)／煤比β自尋優(yōu)”控制方案，根據(jù)鍋爐負(fù)荷及燃燒狀況，采用模糊推理邏輯在線搜索*送風(fēng)壓力值，通過控制送風(fēng)壓力間接達到控制送風(fēng)量的目的，實現(xiàn)*經(jīng)濟燃燒。
　　
　　（2）風(fēng)／煤比在線自尋優(yōu)控制方案
　　
　　*送風(fēng)壓力值計算過程如圖8所示

　　
　　其中定值計算公式：
　　
　　f（Dq）={（psfH－psfL）/（DqH－DqL）}（Dq—DqL）+psfL
　　
　　式中：
　　
　　psfH,psfL：送風(fēng)壓力上、下限，
　　
　　DqH，DqL：鍋爐負(fù)荷上、下限，
　　
　　△Psf：偏移量，司爐可通過OPU進行決定
　　
　　風(fēng)／煤比β在線自尋優(yōu)的基本原理是在負(fù)荷相對穩(wěn)定的情況下，使給粉機轉(zhuǎn)速不變，吸風(fēng)投入自動，根據(jù)本步采樣周期的送風(fēng)壓力，控制送風(fēng)門開度有一個改變量，在以下若干個采樣周期內(nèi)計算
　　
　　DQ＝Dq+Co*dPb（t）／dt
　　
　　其中DQ是用蒸發(fā)量表示單位鍋爐給水容積吸熱量，單位是T／h；Dq為蒸汽流量，單位是T／h；Co是汽包的蓄熱系數(shù)。若△DQ>0，則表示當(dāng)前搜索方向是正確的，可繼續(xù)沿此方向搜索，否則應(yīng)反向搜索，搜索步長的確定由模糊矩陣給定。β自尋優(yōu)過程如圖9所示。模糊自尋優(yōu)探索的起始點由f（Dq）+△Psf開始（送風(fēng)壓力定值計算公式）。　　
　　其中A1，A2，…，Ai，…，A。為導(dǎo)優(yōu)過程搜索點，人為zui后收斂點，亦為*風(fēng)煤比點，Stepi為第i步時的搜索步長。在導(dǎo)優(yōu)搜索過程中若發(fā)現(xiàn)蒸汽流量波動較大，則停止搜索，轉(zhuǎn)入保持送風(fēng)壓力定值計算控制，同時給粉也轉(zhuǎn)入自動控制。β自導(dǎo)優(yōu)搜索周期為2小時。搜索時間為10---15min。
　　
　　送風(fēng)壓力定值計算控制是一種近似*控制，其送風(fēng)壓力控制曲線Sp_Psfy1＝f1（Dq）B呈線性函數(shù)；而自尋優(yōu)風(fēng)／煤比控制的送風(fēng)壓力曲線Sp—psfy1＝f2（Dq）是一種非線性函數(shù)，是*的控制方式。在控制方式中引入主蒸汽流量微分作為前饋量，以實現(xiàn)送風(fēng)控制對負(fù)荷的快速跟蹤。
　　
　　（3）控制框圖

　　
　　圖中：
　　
　　e：送風(fēng)壓力偏差
　　
　　u：FUZZY控制器的控制輸出，閥門開度
　　
　　G（s）：送風(fēng)壓力一送風(fēng)門的傳遞函數(shù)
　　
　　fb：主氣流量對送風(fēng)控制的前饋系數(shù)
　　
　　Dq（t）：主氣流量微分
　　
　　UΣ：送風(fēng)門控制開度輸出
　　
　　psfy1：送風(fēng)壓力測量值
　　
　　Sp_Psfy1：送風(fēng)壓給定值，它是鍋爐負(fù)荷、煤質(zhì)的函數(shù)，隨鍋爐負(fù)荷、燃料的不同而改變；同時還與漏風(fēng)有關(guān)，它可表述為
　　
　　Sp_Psfy1＝f（Dq（t），γ，σ）
　　
　　其中丁為煤的燃燒值，口為鍋爐的漏風(fēng)系數(shù)。
　　
　　Sp_Psfy1是個時變、非線性、非定常的系數(shù)，由它引起的送風(fēng)、引風(fēng)控制子系統(tǒng)是一個時變、非線性、非定常系統(tǒng)。
　　
　　六、給粉控制回路
　　
　　（1）控制策略及框圖
　　
　　單爐運行時，控制主汽壓力，當(dāng)有兩臺及以上鍋爐并列運行時，可控制單爐主汽壓力，也可控制母管壓力，控制框圖如圖11。
　　
　　符號說明：
　　
　　控制器1：母管壓力調(diào)節(jié)器，控制母管壓力。其輸出為并列運行在同一母管上的所有鍋爐總負(fù)荷給定值即SP_Dq：該值反映了平衡母管壓力所必須的負(fù)荷量。
　　
　　控制器2：各臺鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)器，控制對應(yīng)的鍋爐出力。其輸出為對應(yīng)鍋爐的給粉機轉(zhuǎn)速。該值反映了平衡鍋爐負(fù)荷給定所必須的給粉機轉(zhuǎn)速。
　　
　　a1、a2、a3：1#—3#鍋爐負(fù)荷分配系數(shù)。控制系統(tǒng)利用a1、a2、a3將總負(fù)荷給定值SP_Dq分配給各臺鍋爐。各臺爐按照自己的負(fù)荷給定控制自身出力，負(fù)荷分配系數(shù)滿足：
　　
　　∑ai=1i=1，2…num_bolier
　　
　　SP2：各臺鍋爐負(fù)荷給定。SP2（i）=SP_Dq·a（i）。
　　
　　Dq：鍋爐主汽流量。
　　
　　fbpb：汽包壓力前饋系數(shù)
　　
　　fbdq：主汽流量前饋系數(shù)
　　
　　△pb：汽包壓力增量。
　　
　　△Dq：主汽流量增量。
　　
　　Pm：母管壓力。
　　
　　TK：控制周期。
　　
　　G1（S）：熱力系統(tǒng)傳遞函數(shù)。
　　
　　G2（S）：鍋爐燃燒系統(tǒng)傳遞函數(shù)。
　　
　　（2）控制程序框圖
　　
　　為達到穩(wěn)態(tài)、動態(tài)指標(biāo)均佳，控制過程中要注意區(qū)分燃燒系統(tǒng)所處的狀態(tài)——穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)。內(nèi)部擾動和外部擾動引起的動態(tài)分別選用不同的控制器見圖12。當(dāng)母管壓力／主汽壓力偏差大時，系統(tǒng)處于動態(tài)過程，采用快速PI控制器；反之，采用阻尼較大的PI控制器。內(nèi)環(huán)相對外環(huán)是一個隨動系統(tǒng)。

　　
　　（3）負(fù)荷大擾動情況下的特殊處理
　　
　　對于中小型機組，由于汽機不上“電調(diào)”裝置，汽機與鍋爐無法實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。而現(xiàn)場的實際運行卻要求鍋爐的負(fù)荷快速跟蹤汽機負(fù)荷與母管中外網(wǎng)負(fù)荷的需求，這就導(dǎo)致給予粉機轉(zhuǎn)達速大范圍的變化，速度較快。當(dāng)汽機因故障等原因快速甩負(fù)荷時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以跟上，為此，特采取了給粉機自動投切控制技術(shù)，其基本思路是：當(dāng)汽機快速甩負(fù)荷，外網(wǎng)負(fù)荷突然下降時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化的大小、主汽壓力上升的速度，急停1—2臺給粉機，使燃料量迅速下降，同時又穩(wěn)定了其它給粉機的轉(zhuǎn)達速，不致因所有給粉機轉(zhuǎn)速快速下降而造成滅火。給粉機的投切邏輯在控制程序中自動完成。
　　
　　給粉機自動投切技術(shù)的使用，使鍋爐負(fù)荷自動調(diào)節(jié)范圍可達到60％一110％，真正通過燃燒系統(tǒng)“72h”連續(xù)自動運行的考核指標(biāo)。

　　
　　七、磨煤機控制
　　
　　磨煤機控制內(nèi)容包括磨煤機入口負(fù)壓和磨煤機出口溫度。兩臺磨煤機分別獨立控制。磨煤機人口負(fù)壓采用FUZZY控制器，并引入磨煤機出口溫度調(diào)節(jié)門開度（磨煤機人口熱風(fēng)門開度）作為其。人口負(fù)壓調(diào)節(jié)門的前饋；磨煤機出口溫度采用PID控制器，為簡單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。磨煤機控制框圖如圖13、14所示。
　　
　　八、排粉機控制
　　
　　排粉機控制內(nèi)容包括排粉機出口壓力和排粉機出口溫度。兩臺排粉機分別獨立控制。排粉機出口壓力采用FUZZY控制器，并引入制粉系統(tǒng)乏氣門開度、再循環(huán)門開度、排粉機出口溫度調(diào)節(jié)門（排粉機人口冷風(fēng)門）開度作為其出口壓力調(diào)節(jié)門（排粉機人口溫風(fēng)門）的前饋；排粉機出口溫度采用PID控制器，為簡單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。排粉機控制框圖如圖15、16所示。