基于电厂锅炉燃烧模糊控制器的设计

-摘 要火力发电是当今电力生产中重要生产形式之一。在现代电力企业中，由于平安性、节耗性、提高劳动生产率等多方面要求，计算机控制系统如今广泛应用于电站控制。但在实际运行中，经常受到内部和外部的干扰，锅炉燃烧是一个多输入多输出的被控对象，而且变量间相互耦合严重，并具有多参数，非线性，不确定时滞和时变的特点，传统的 PID 控制效果往往不够理想。必须采用先进控制算法。 本文首先分析了火电厂锅炉燃烧控制系统的动态特性，确定了被控对像的传递函数。然后对锅炉燃烧系统单模糊控制器进展总体设计。主要输入量的模糊化，模糊控制规则的形成，输出量的模糊化。最后通过应用MATLAB中的SIMULINK对系统进展仿真，比照模糊控制与常规PID控制的控制性能。通过仿真结果比照得出：模糊控制器的控制性能总体优于常规PID控制器，它不仅具有良好的动态特性，还具有良好的环境适应能力。关键词：火电厂；燃烧控制系统；模糊控制；SIMULINK仿真 第一章 绪论1.1 研究背景和课题来源及意义1.1.1 研究背景电能是现代社会的必需品，假设没有电能人类的生活生产将面临巨大的困难。电能作为最清洁的能源，其使用方法简单，运送方便，容易转换。电力工业的开展水平实际上是工农业开展、人民生活水平和科技与国防现代化的重要标志。常见的电力生产有如水力发电，核能发电，火力发电，太阳能发电、风能发和地热能发电等方法。目前电能主要由火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂产生。在我国，火力发电是生产电力的主要方式，截止到 2009年 12 月底，全国发电量为 36506 亿千瓦时，其中火力发电量为 29814.22 亿千瓦时，占总发电量的 81.67%，表 1-1 是最近几年我国火力发电情况统计表煤是火力发电的主要燃料，中国每年消耗的煤炭用于发电占全国煤炭产量约一半的工业用煤总量，比例高达80%，为了节约资源，保护环境，应为了提高煤炭的燃烧效率。锅炉设备是火力发电过程中最重要的设备，其工作直接影响到整个电厂的运行状态。只有在中国工业锅炉实际运行效率大约有65%，与国外先进水平相比，低15-20%，通过节能改造，每年可节省大量的煤，影响锅炉效率的因素是多方面的，一方面由于燃煤发电的来源和煤种复杂多变，对燃烧系统的直接摄动；另一方面，由于设备老化和单位变换，得到变工况*围大，使电站锅炉运行状态往往偏离最优条件，因此，对锅炉燃烧系统优化控制技术先进，保证锅炉的平安环保经济运行，具有非常重要的现实意义。锅炉燃烧优化系统的本质是运行技术改变锅炉设备参数的前提下，通过对燃料和空气分配比等参数提供调整，使锅炉燃烧燃烧处于最正确状态，以增加同时对锅炉平安运行的热效率，锅炉的实现经济，环境保护和平安操作。1.2 模糊控制在火电厂燃烧控制系统中应用的意义自Zadeh教授在美国大学1965加利福尼亚建立了模糊集理论和1974英国e.h.mam2dani在锅炉和汽轮机控制模糊控制中的应用是成功的，模糊控制已在开发在现实生活中广泛应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了专家信息，语言为一种推理方法的控制系统构造。通俗的讲，模糊控制是模糊推理的控制对象，模仿人的思维方式难以建立准确数学模型的实现。它是利用模糊数学的穿插复合产品的控制理论，而且是智能控制的重要组成局部。突出了模糊控制的特点1)设计不要求知道被控对象的准确数学模型,只需要提供现场操作人员的经历知识及操作数据。(2)系统的优化性强,适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。(3)以语言变量代替常规的数学变量,易于构造形成专业语言。(4)推理过程模仿人的思维过程,参加了人类的经历,因而能够处理复杂甚至“病态系统。模糊控制器的设计和构造可以有许多不同的方法，但一般的模糊逻辑控制器的工作过程可以分为三个阶段：第一阶段是所谓的“模糊，从准确量的语言变量转化为不同的类实现，输入变量设置为不同程度会员，会员功能：通常使用三角形隶属函数，正态分布和梯形隶属函数；第二阶段，输入变量的集合被分配给一个if2then控制规则，结果的各种规则加在一起产生一个“模糊，即规则合成；第三阶段则为了解决模糊决策的模糊输出是通过语言变量的准确量的。其实这是一个输出*围，找到一个被认为是最具代表性和准确的输出控制量直接驱动控制装置。围绕着这样一个根本构造,模糊控制的开展取得了突出的成就。如近年来开展起来的自适应模糊控制、基于神经元网络的模糊控制等。全面综述了模糊控制近年来开展的状况。模糊控制理论，控制该型锅炉复杂的热过程中，具有重要的理论意义和现实意义。这是考虑到该控制方法的复杂性和传统的锅炉本身，实现锅炉的控制的存在下无法克制的问题确定:(1系统有严重的耦合。例如：对燃料的变化量，对其他几个电路产生影响。扰动燃料极大地影响蒸汽流，蒸汽流被改变反过来必然导致的变化的供水系统。(2)由于对系统的变化，煤炭和煤的质量造成了不确定性。改变负载参照蒸汽需求也构成了系统的不确定性。(3)通过滞后于煤炭量的变化对主蒸汽压力的变化，循环时间。在测量时间滞后的类包括延迟，处理延迟和传输延迟。从控制的角度来看，更困难的是，这个物种的大小与时间延迟和负载条件也有所变化。(4)有许多测量噪声信号，由于电厂的电力设备的高电压性能。(5)一天24小时在锅炉设定值不断变化使锅炉运行在最正确状态下运行。通常在早上大大增加负载，而在晚上，大大降低了负载1.3 模糊控制的开展及研究现状模糊控制又叫做模糊逻辑控制，它是一种新的计算机数字控制手段，主要的理论根底包括模糊集理论、模糊变量以及模糊推理等。美国著名学者L.A.Zadeh 教授在 1965 年首次创立了模糊集理论，而其首次应用于实际系统的控制则是由英国的 E.H.Mamdani 教授在 1974 年实现的，这也成为了模糊控制论- 4-诞生的标志。1980 年，Fukami 和 Mizumorod 等提出模糊条件推理，成功用于废水处理过程。1984国际模糊系统协会成立IFSA成立国际fuzzysystemassociation，1985在西班牙的第一个美国会议。我们在模糊理论的研究起步比拟早，国内学者在模糊理论取得了巨大的成就。吴伟志研究公理化的粗糙近似算子，王国俊在模糊逻辑的问题，取得了显著成就李洪兴zushu等人，李。在模糊控制技术与应用的优秀成果，特别是李教授红星2002年8月11日师*大学，采用“变论域自适应模糊控制理论得到了世界上第一个“四级倒立摆控制系统。2005，是模糊数学中出世40周年的第十一州的会议在中国举行，在全世界包括Zadeh教授近100位著名学者，聚集在，讨论了模糊数学的开展方案。许多科学家继续在模糊理论的开展和各种新技术、新理论和算法方面的穿插融合。虽然模糊理论被提出只有四十年，但其开展速度非常惊人。模糊控制已经应用到相机，如模糊洗衣机，电梯控制，水质净化等领域。智能模糊控制系统越来越受到人们的重视基于模糊理论，也使得快速开展。第2章 电厂锅炉燃烧控制系统2.1 电厂锅炉简介火力发电厂燃料的化学能量转换为电力企业的主要设备，锅炉，汽轮机和发电机。电站锅炉是火力发电厂的三大主机，也被称为蒸汽发生器，燃料这里在化学能量为热能转换。一般来说，电站锅炉用于发电厂。电站锅炉主要有两种类型：煤粉炉和循环流化床锅炉，本文主要研究对象为煤粉锅炉。给煤机 2 将原煤斗 1 中储存的煤源源不断的送入磨煤机 3 中，在磨煤机中制成的煤粉通过热空气进展枯燥并送入燃烧器中进展燃烧。冷空气在送风机20的作用下经空气预热器 17 预热后变为热空气，一局部热空气进入磨煤机中对煤粉进展加热和枯燥，另一局部直接进入炉膛，作为助燃空气参与燃烧。磨煤机送出的煤粉气流由燃烧器 9 送入炉膛中进展燃烧。2.2 锅炉燃烧过程控制的任务及对象特性2.2.1 燃烧过程控制的任务锅炉燃烧系统是锅炉经济、平安运行的最关键的子系统。锅炉燃烧过程控制的任务有很多，其中最根本的任务是保证燃料燃烧提供的热量满足蒸汽负荷的要求，与此同时，要保证锅炉运行的平安性和经济性。不同锅炉的控制任务和控制方法由于燃料种类、燃烧设备等因素的影响而有所差异。归纳起来，燃烧控制系统的任务有以下几个方面45：1保证主蒸汽压力的稳定性主蒸汽压力是锅炉产生的蒸汽量是适于消耗汽轮机的量，可对锅炉设备的平安运行直接相关，但它是稳定的反映燃料供给的适应性和负载。当控制，取决于改变燃料量投入主蒸汽压力的情况下，保证了主蒸汽压力的稳定性。2保证锅炉燃烧的经济性燃烧经济性表达在单位燃料的热释放是最大的，这是在燃烧状态的燃料。影响燃烧效率的主要因素是空气量，空气和燃料必须保证相适应，确保锅炉燃烧的经济性。改变燃料的数量时，必须进展相应的调整，空气。如果空气供给缺乏，燃烧不充分；如果供给的空气量太大，会造成很多的热量带走的烟。3.保证炉膛负压的稳定性锅炉炉膛负压是锅炉平安运行的关键参数，炉压稳定反映了风量、平衡或不铅量。为了保证在一定*围内的炉内压力的稳定，必须使引风量可以改变空气流量的变化。当空气流速比引风量，炉膛负压增大，会造成大量的热量随烟气排出，热损失增加；反之，当空气供给大于进风量，炉膛负压降低，造成炉膛向外喷火，威胁到工人的平安。三控制的任务是相互联系、不可分割的，人们常将主蒸汽压力，在烟气和炉膛负压的调节量为三的氧含量，燃料和空气的供给量和空气输入量为三的调节是保证经济的稳定和锅炉运行的平安性。2.2.2 锅炉燃烧控制系统的对象特性在锅炉燃烧控制系统，主要被调量是主蒸汽压力，蒸汽锅炉中产生的，是否适应消费和汽轮机主蒸汽压力蒸汽量，是锅炉设备的平安运行直接关系。燃烧率燃料和燃料热值的量变化的诸多因素，造成主汽压力变化的主要因素。其他两个是在烟道气和真空炉氧含量的调整量是保证燃烧状况良好的内部参数，风量要求，进气量保持适当的比例和数量的燃料。下面将分别讨论46每个控制变量的动态特性。1主蒸汽压力的动态特性当锅炉正常运行时，假设锅炉燃烧率发生变化，主蒸汽压力也将变化，响应曲线如图 2-2 所示。在图中我们可以看出，主蒸汽压力变化有延迟。2烟气含氧量的动态特性在送风量扰动下的烟气含氧量响应曲线如图 2-3 所示。3炉膛负压的动态特性在引风量扰动下的炉膛负压响应曲线如图 2-4 所示。由图 2-2 至图 2-4 可以看出，各被调量的动态特性曲线均近似于具有纯滞后有自平衡能力的一阶对象的响应曲线，本文将各个被控量的数学模型用具有纯滞后的一阶惯性环节的传递函数近似表示式中 t纯滞后时间； T 时间常数； K 放大系数2.3 锅炉燃烧系统的控制方案从燃烧过程的控制任务来看，燃烧过程的控制方案应该具有如下功能：1炉膛燃烧率的变化迅速，适应外界负荷的变化；2该控制系统能快速找到并拆下燃油、燃烧热值扰动；3确保燃料，送风和引风等参数协调的变化，保证燃烧的经济性；4确保燃烧过程的稳定性，防止炉膛负压大*围波动。根据前面的分析我们可以知道，燃料量，送风量和空气输入需要关注的物理量调节。通过调节燃料量的输入通过燃料燃烧和锅炉负荷产生的能量来适应外部能源锅炉；调整送风量是使燃料完全燃烧和排烟热损失最小，从而保证燃烧过程的经济。调整空气输入主要是为了使它与空气流兼容，以保证在一定的*围内要求炉压，目的是保证炉膛负压的稳定，从而保证锅炉燃烧过程的平安。在实际控制系统中，通常将整个系统简化为一个燃料控制系统，送风控制系统，三个子系统47，采用一定的控制方法使得三个被控量主蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压满足需求，如图 2-5 所示。2.3.1 燃料控制系统燃油控制系统，但对煤的燃烧热值量的直接因素有影响，蒸汽锅炉的输出量，在实际操作中，由于对煤炭和煤炭质量的量的变化而导致的扰动，很难在线煤的发热值提供测量，不能直接用它作为反应信号。总热量产生的煤粉燃烧和煤量之间有直接的联系，因此，我们可以给煤量入炉温度，炉内温度作为反应信号、控制回路，实现对主蒸汽压力控制。本文提出了一种基于模糊PI串级控制系统，主控制器采用模糊控制器调节主蒸汽压力，常规PI控制器的负调节器是用来调节炉内的温度，如图 2-6 所示2.3.2 送风控制系统送风控制系统的主要任务是保证锅炉燃烧的经济性，是通过空气量的调整以确保在最正确燃烧状态的燃料。只有当空气和煤量量相适应，以保证煤粉充分燃烧和最小的热损失。送风的大小可以通过调节变频器的风机控制。在空气预热器预热空气进风和二次风。空气从制粉系统、燃油控制系统决定，风主要用于运输和取暖的煤，同时提供煤粉初期燃烧的氧气。它的特点是风压高，根据现场操作人员的操作经历，通常是通过调整进料风机挡板开度将压力控制一个恒定值。两卷是由燃烧经济性的要求，确定。两风作为燃料提供的空气，使空气和煤粉充分混合燃烧。在锅炉燃烧过程中，如果空气供给量缺乏，燃烧不充分，甚至会引起火灾；如果供给的空气量太大，会造成很多的热量带走的烟。只有当燃料完全燃烧热损失也最小时，是最正确的燃烧状态。图2-7是空气供给控制系统的框图，介绍了优化控制理论，结合模糊控制，设计模糊自寻优控制器，T为加热炉温度控制。这一控制方案主要是利用了炉膛温度与送风量之间的关系。在煤的风量调整大小的根底上：一定的时间，最高温度ma*T为优化指标，通过调节空气供给，可以改变送风量和煤粉量之间的比率，当炉内温度最严密的T，即炉内温度最高，空气的量和煤粉供给这个适应的时间，到达最正确匹配的供给空气和煤粉；当煤量和煤质的变化，必须在空气中流动的相应的变化，模糊自寻优控制器可以根据温度变化调整风量，风量和煤量到达最正确匹配。图 2-8 为当给煤量不变时，炉膛温度 T 与送风量 V 的关系曲线。由图可知，在给煤量一定时，有一个最正确的送风量，即0V =V时，炉膛温度ma*0T =T=T。不同的给煤量所对应的炉膛温度和送风量关系曲线也不同。模糊自寻优控制器正是利用了炉膛温度T和送风量V的关系，根据给煤量或煤质的变化自动调整送风量，使得炉膛温度到达最大值，从而使锅炉的燃烧效率最高。2.3.3 引风控制系统风控制系统又称为炉膛负压控制系统，它的任务是：通过调整风机挡板开度，燃烧和锅炉燃烧室的烟气排放量保持平衡的产品，维持炉膛负压在设定点附近。当风量大于送风量，炉膛负压增大，会造成大量的热量随烟气排出，热损失增加；反之，当抽风量小于减少风量，炉膛负压，容易导致炉膛向外喷火，威胁工人平安。我们必须保证炉膛负压稳定在设定值，保证锅炉的正常运行。引风控制系统的框图如图 2-9 所示。造成炉膛压力的主要因素是扰动，同时空气量，为了克制风控制滞后的空气供给控制问题，本文将供给量作为前馈补偿风控制系统，不仅可以有效抑制干扰，改善滞后的问题，加快响应速度的风扇控制器。该控制系统还采用模糊控制器作为炉膛负压调节器。2.4 本章小结在这一章中，通过对锅炉燃烧过程进展了深入的研究，明确了锅炉燃烧系统是一个强干扰，非线性，时变，多变量的复杂系统，掌握锅炉燃烧目标控制的特点，同时对控制对象的特性进展了深入分析，给予被告对象的响应调节变量的扰动，和对象的传递函数的形式给出。锅炉燃烧控制系统的强迫解耦成三个子系统，三个子系统的控制方案。三个控制子系统密切相关，相互影响，任何参数的变化都会影响到锅炉的，在实际应用过程中，锅炉燃烧控制系统必须被视为一个整体。第3章 基于模糊控制的电厂锅炉燃烧控制3.1 模糊控制概述我们总是在与许多日常接触的具有不确定性的事物的特性，例如，可能有很多，大多数，这些词都意味着价值不可能给出完全确定的，它具有模糊性的特点。首先提出了模糊控制和美国Lotfi射流理论L.A.Zadeh教授，他发表了开创性论文“模糊集理论中的1965个，然后模糊理论已引起人们的广泛关注。模糊控制最重要的特征有三点：1用语言变量代替数学变量或者两者的结合；2用模糊条件语句来规划变量之间的函数关系；3用模糊算法来刻划复杂关系。几十年来，很多国家的学者都模糊理论进展了深入的研究，使其取得了飞速的开展，并被广泛的应用到人们生产生活的方方面面。3.2 模糊推理所谓推理，就是从一个或几个的前提出发推出结论的思维方式。如果在推理的过程中所用到的前提和推理规则都具有模糊性，而且所得出的结论也是模糊命题时，我们就称这种推理为模糊推理。常用的模糊推理方式有以下几种：1单个前提单个规则前提 1事实：*是 A前提 2规则： if *是A，then y是B结果结论：y是 2多个前提单个规则前提 1事实： *是 A ，y是B前提 2规则： if *是 A和y是B，then z是C结果结论：z是3多个前提多个规则前提 1事实： *是 ，y是前提 2规则 1：if *是 和y是，then z是前提 3规则 2：if *是 和y是，then z是结果结论: z是 令, = =3.3 模糊判决通过模糊推理得到的是模糊输出，必须得到模糊值映射为准确的输出值对执行机构进展控制。模糊决策是在一个准确的值的输出模糊集合中表达的模糊输出，与准确值作为控制过程的输出量。下面介绍几种人们经常采用的模糊判决方法：1 重心法所谓重心法，首先要找到横坐标轴与模糊隶属函数曲线围成面积的重心，并将此重心作为准确值输出。对于连续论域式中表示*的隶属度。但我们实际上是计算输出*围内的假设干离散值的重心，将上式按照离散值进展变换2最大隶属度法这种方法是在模糊推理的输出集合中选取隶属度值作为输出量。要求方法要求隶属度函数曲线一定是单峰曲线。否则，具有最大隶属度的元素就可能不止一个。3系数加权平均法系数加权平均法去模糊化的准确输出量可由下式求出：3.4模糊控制器的设计3.4.1 模糊控制器的一般组成模糊控制器又称为模糊逻辑控制器，通过模糊模块，知识库包括数据库和规则库，模糊推理模块和反模糊模块。如图3-2所示。知识库是模糊控制器的根底上，对模糊控制规则，模糊隶属度函数和模糊化公式都包含在知识库中。1模糊化接口模糊性是准确的输入映射到相应的模糊权重集的作用，从而进一步模糊推理与决策。模糊输入变量进展处理，首先把它变成由控制器所需的输入；其次变换对输入量的处理，也就是域变换，最后进展模糊处理，准确量转化为模糊量，同时用模糊集合表示。2知识库数据库和规则库组成的知识库，包括模糊控制规则和隶属函数的定义和其他一些参数等。模糊控制规则，根据设计的知识和操作者的经历领域的有关专家都存储在规则库。3模糊推理模糊决策推理是按照模糊规则进展决策的，它模拟了人类的思维过程，是模糊控制的核心。Mamdani 的极大极小推理法是目前最常用的推理方法。4解模糊接口解模糊也称为模糊判决，它的作用是将模糊推理得到的模糊输出映射成准确的输出，这样才能对执行机构进展控制。上文介绍了几种解模糊的方法，解模糊方法的选择与隶属度函数的形状、模糊推理的方法等都有一定的联系。3.4.2模糊控制器的构造及其分类模糊控制系统一个被控制量的偏差、偏差变化和偏差变化率作为模糊控制器的输入，外表看起来有三个输入变量，但它们实际所反映的是同一个输入量，因此，人们仍然把它称为单变量模糊控制器。1单变量模糊控制器的构造在模糊控制系统中，模糊控制器的维数模糊控制器的输入量的个数决定的。(1) 一维模糊控制器。将被控制量的实测值与给定值之间的偏差e作为控制器的输入，见图 3-3 a)。(2)二维模糊控制器。二维模糊控制器是目前采用比拟广泛的模糊控制器，它将被控变量与给定值的偏差e和偏差变化作为控制器的输入量，见图 3-3 b)。(3)三维模糊控制器。三维模糊控制器将被控量与给定值之间的偏差e、偏差变化e&和偏差变化的变化&e& 作为控制器的输入量，见图 3-3 c)。这类控制器的构造比拟复杂、推理过程缓慢，一般较少使用。2多变量模糊控制器的构造图 3-4 给出的是一个具有多个输入输出变量的模糊控制器，多变量模糊控制器一般应用在多变量模糊控制系统中。3.5 锅炉燃烧系统的模糊控制器设计及仿真为了研究、分析和设计系统，需要对所设计的模糊控制器进展验证。本文采用的仿真工具是 Mathworks 公司推出的基于 MATLAB 平台的 Simulink 工具箱。Simulink 是在 MATLAB 环境下用来对系统进展建模、仿真和分析的工具。它提供了可视化、图形化的交互环境，并有专用的模块库。3.4.1 燃料控制系统模糊控制及仿真在进展仿真的过程中，根据现场实际，将主蒸汽压力设为 9MPa，假设炉膛温度模型为,蒸汽压力模型为：,蒸汽流量干扰通道模型为：,仿真模型和仿真结果分别如图 3-5 和图 3-6 所示。从仿真结果可以看出，采用模糊PI 串级控制对燃料控制系统进展控制，系统在 9 分 21 秒时到达稳定，滞后时间为 4 分 24 秒，到达了比拟令人满意的控制效果。3.4.2 送风控制系统模糊控制及仿真系统的控制量为送风量，被调量为炉膛温度，同时受到燃料的干扰，将燃料量作为前馈输入，仿真模型和仿真结果分别如图 3-7 和 3-8 所示。此控制系统采用模糊自寻优控制，利用炉膛温度与送风量之间的关系，将炉膛温度作为寻优指标，从仿真结果可以看出，系统在 5 分 56 秒到达稳定，滞后时间为 1 分 36 秒，送风量可以根据给煤量迅速调整，使燃烧效率到达最优。3.4.3 引风控制系统模糊控制及仿真引风控制系统的负压调节器采用模糊控制器，仿真模型如图 3-9 所示。炉膛设定值为-30Pa，负压模型为：，送风干扰通道模型为仿真结果如图 3-10 所示从仿真曲线可以看出，系统的滞后时间为 45 秒，经过 5 分 55 秒到达稳定。在当送风量改变时，控制器可以迅速调整引风量，使炉膛负压稳定在设定值附近。3.5 本章小结本章对模糊控制的原理进展了深入的分析，给出了适宜的模糊控制器的构造，针对三个子系统的不同特点，分别设计燃料控制系统、送风控制系统和引风控制系统的模糊控制器。在 Simulink 环境下搭建了系统的仿真模型，仿真结果说明，本文所设计模糊控制器能够对锅炉燃烧过程控制起到较好的控制效果。. z