电厂锅炉燃烧模糊控制系统的设计

摘 要：燃煤锅炉是电厂重要的动力设备，锅炉燃烧系统是电厂的一个重要组成部分。由于锅炉的燃烧过程具有多输入、多输出、大时滞、非线性等特点，常规的控制方法无法达到预期的效果。本文的目的就是设计一种模糊控制策略并应用于这个复杂的锅炉燃烧系统。由于锅炉燃烧系统的各个回路之间存在一定程度的耦合，所以在模糊控制器中引入了静态解耦的方法，另外，为了消除稳态误差还增加了积分作用。最后对设计好的电厂锅炉燃烧模糊控制系统进行仿真，由仿真结果可以看出，本文所设计的模糊控制策略较之传统PID控制策略取得了更为满意的控制效果。

关键词：锅炉燃烧系统；模糊控制；解耦；

1 引 言

电厂锅炉是火力发电厂三大主要设备中的重要的能量转换设备，因此对于锅炉的控制是一个十分重要的问题。燃烧过程的控制是一个复杂的控制系统，它的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。火电机组锅炉燃烧控制是一个时变动态过程，传统的常规PID控制算法很难使之达到理想的控制效果和较高的自动投运率。模糊控制系统不需要被控过程的准确数学模型，它充分利用来自工程师和司炉工的语义知识进行系统设计，其控制方式类似人的思维模式，因此，对锅炉采用模糊控制方式可取得令人满意的效果。

本文主要研究內容包括以下几个方面：针对电厂锅炉燃烧系统设计一个模糊控制器，同时还引入了解耦、模糊积分作用等策略，对设计好的锅炉燃烧模糊控制系统进行仿真，并与传统的PID控制策略进行对比，分析得出模糊控制器的良好控制效果，体现出这种模糊控制系统的可行性与优越性。

2电厂锅炉燃烧模糊控制系统

火电厂锅炉燃烧系统是火电厂最重要的控制系统之一。锅炉燃烧控制也是火电厂最重要的过程控制。锅炉燃烧是典型的多变量复杂系统，主要特征包括：非线性、非最小相位特征、不稳定性、时滞和负荷干扰，对其难以建立精确的数学模型。由于锅炉燃烧系统具有上述的动态特性，因此，如何能够将锅炉燃烧系统控制的更加准确、快速、高效是一个急需攻克的难题[4]。这主要是因为在对象动态特性不断变化的情况下，控制器的参数非常难以整定。即使整定好，随着工况的变化，控制参数也会偏离最优点。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh首先提出的，经过多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面取得重大成功。它有以下特点：模糊控制是一种基于规则的控制，直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器，模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。因此，将模糊控制用于电厂锅炉燃烧控制系统中将是一个可行的方案。

本文所研究的锅炉燃烧控制的三个子系统，即燃料量、送风和引风控制回路的控制品质都直接关系到整个机组的安全和经济运行。因此锅炉燃烧被控对象是一个三输入三输出的相互关联的多变量对象，其动态特性可用传递矩阵表示：

本文针对三个回路采用三个独立的模糊控制器，对其分别进行控制。因为每一个控制回路都是单变量的，所以选择单变量二维模糊控制器形式；模糊控制器的输入量选择误差E以及误差变化EC，模糊控制器的输出为控制量U。模糊集以及论域定义如下：E、EC和U的模糊集均为：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；E、EC和U的的论域均为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

首先将控制量由模糊量转变为精确量，为了获得准确的控制量，就要求模糊方法能够很好地表达输出隶属度函数的计算结果。本文采用工业控制中广泛使用的去模糊方法—中间最大值法。该模糊控制器中有三个重要的比例因子，分别为Ke、Kec和Ku ，这三个比例因子对于模糊控制器的控制效果可以起到调节作用。

所要研究对象的第一、第二回路的耦合情况，第一回路的控制量U2 对于第二回路的输出量Y2 有一定的干扰作用，如果要实现U2 对Y2 的解耦，根据前馈补偿原理可得：

本文所设计的模糊控制器是在系统的输出量上加入积分作用，通过对系统的误差进行累加并加入到最后的输出量上，从而达到消除系统的稳态偏差。为了达到这个控制效果，该模糊控制器是在第一回路中，当系统的误差值小于0.1时，系统开始加入模糊积分作用，即将模糊控制器的系统误差值进行累加，并且将所累加的误差和值加到系统的输出端 上，从而消除了系统的稳态误差。而第二、三回路中，同样采用了积分作用，但是另外两个回路采用模糊积分控制作用的条件与第一回路不同，是当系统的误差小于0.2时即引用模糊积分作用，作用原理与第一回路相同。

3电厂锅炉燃烧模糊控制系统仿真分析

该模糊控制策略对三个回路的控制均取得了较好的跟踪效果。PID控制器的超调量明显高于模糊控制器，PID控制器的超调量为12%，而模糊控制器的超调量几乎为零；并且，常规PID控制器的调节时间是9.5s，而模糊控制器的调节时间为4.0s；另外，模糊控制器的单位阶跃响应曲线没有过多的振荡，而常规PID控制器的振荡较为明显。综上所述，模糊控制器在对于锅炉燃烧系统的控制方面，具有更好的控制效果，明显优于常规PID控制器。

4 结 论

电厂锅炉燃烧系统是一个庞大的复杂控制系统，它具有多输入、多输出、大时滞、非线性等特点，由于这些动态特性决定了不能选择常规的控制方法进行控制。

本文所设计的模糊控制器中，增加了解耦、模糊积分作用等控制方法来对复杂的动态特性进行控制，解耦作用可以对回路间的干扰起到抑制作用；积分作用可以消除系统的稳态误差，从而使控制效果更加理想。为了验证模糊控制器的可行性与优越性，将其与常规PID控制策略的仿真结果进行对比，模糊控制器超调量。调节时间等方面具有更好的控制效果，因此，模糊控制器是更适合于这种复杂控制对象的控制方法。

作者简介：

施雪峰，（1976-），男，工程师，从事电厂节能管理工作。