基于智能模糊遺傳算法的鍋爐自動(dòng)控制技術(shù)研究

摘要：鍋爐燃燒過程是一個(gè)具有大慣性、大時(shí)延、變參數(shù)的多輸入多輸出復(fù)雜過程，傳統(tǒng)的鍋爐燃燒控制多采用PID控制，但PID控制是無法為具有大慣性、大時(shí)延和變參數(shù)的過程提供高質(zhì)量的控制，本文提出了基于遺傳算法的模糊PID控制可以大大提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒控制PID控制模糊控制

鍋爐是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的熱能供應(yīng)設(shè)備。目前，我國(guó)現(xiàn)有鍋爐幾十萬臺(tái)，是國(guó)家的一個(gè)耗能大戶。由于技術(shù)落后，設(shè)備陳舊，操作水平低，目前大部分鍋爐還存在著熱效率低、能耗高的問題。鍋爐燃燒過程是一個(gè)具有大慣性、大時(shí)延、變參數(shù)的多輸入多輸出復(fù)雜過程，傳統(tǒng)的鍋爐燃燒控制多采用PID控制，但PID控制無法為具有大慣性、大時(shí)延和變參數(shù)的過程提供高質(zhì)量的控制，解決此問題的方法是采用比PID更為有效的控制技術(shù)。鍋爐燃燒智能控制技術(shù)可以利用鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)和集散控制系統(tǒng)(DCS)，通過一系列先進(jìn)建模、優(yōu)化和控制技術(shù)的應(yīng)用，提高鍋爐運(yùn)行效率，改善控制效果。這種技術(shù)投資少，能夠充分提高鍋爐控制的自動(dòng)化程度，使鍋爐處于更理想的運(yùn)行工況，提高鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)的安全性，因而受到廣泛關(guān)注。

1 鍋爐燃燒的自動(dòng)控制任務(wù)

燃煤蒸汽鍋爐的生產(chǎn)任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè)備的要求，生產(chǎn)具有一定參數(shù)的蒸汽，為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐控制主要有下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)：

（1）保持汽包水位范圍。汽包水位是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)，關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量，也是確保安全生產(chǎn)的重要參數(shù)。水位過高會(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象；水位過低會(huì)影響汽水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管內(nèi)的流動(dòng)停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。因此，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）維持蒸汽壓力在預(yù)定值。蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽鍋爐的重要工藝參數(shù)。蒸汽壓力過低或過高，對(duì)于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。壓力過高，會(huì)加速金屬的蠕變，導(dǎo)致鍋爐受損; 壓力過低，就不可能提供給負(fù)荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。在鍋爐運(yùn)行過程中，蒸汽壓力降低，表明負(fù)荷的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量; 蒸汽壓力升高，說明負(fù)荷的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發(fā)量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。

2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的回路特性分析

2.1 汽包水位回路特性分析

蒸汽鍋爐的汽包水位是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，也是一個(gè)十分重要的被調(diào)參數(shù)，保持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。蒸汽鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。鍋爐汽包中的水位不僅受到給水量和蒸發(fā)量之間平衡關(guān)系的影響，還受到在汽水循環(huán)管路中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。因?yàn)殄仩t汽水中水位值h不僅反映了汽包( 包括水循環(huán)的管路) 中的水容積，也反映了水面下汽包的容積。水面下汽包的容積又與鍋爐的負(fù)荷和蒸汽壓力有關(guān)。

2.2 蒸汽壓力回路特性分析

鍋爐汽包蒸汽壓力是燃燒過程控制對(duì)象的主要被調(diào)量，在一般的飽和蒸汽鍋爐中，蒸汽壓力是衡量?jī)?chǔ)蓄在鍋爐中能量大小的尺度，只有當(dāng)鍋爐輸入和輸出的能量平衡時(shí)，壓力才能保持穩(wěn)定。引起蒸汽壓力變化的因素是很多的，如燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況變化的原因。它的主要擾動(dòng)是燃料量的改變( 稱為內(nèi)擾動(dòng)) 和蒸汽流量的改變( 稱為外擾動(dòng))。

2.3 經(jīng)濟(jì)燃燒回路特性分析

鍋爐燃燒控制要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)主要功能是提高鍋爐的燃燒經(jīng)濟(jì)性，使鍋爐運(yùn)行在最高熱效率狀態(tài)下，以達(dá)到節(jié)約燃煤的目的。燃燒的效率高低難以直接測(cè)量，常用煙氣中的含氧量作為表示指標(biāo)。風(fēng)煤比是影響鍋爐熱效率的一個(gè)重要因素，無論風(fēng)煤比過高還是過低都將使鍋爐的熱效率大大降低。在現(xiàn)行的各種控制方法中，廣泛采用固定風(fēng)煤比調(diào)節(jié)加變氧量的校正方案，但節(jié)能效果并不理想。這是由于變氧量調(diào)節(jié)規(guī)律中，最佳含氧量與蒸汽負(fù)荷的關(guān)系曲線一般由司爐人員憑經(jīng)驗(yàn)獲得，帶有一定的片面性；另外，含氧量測(cè)量可靠性不高，維護(hù)量大，難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

3 鍋爐燃燒智能控制算法

3.1 模糊控制系統(tǒng)組成

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，和其它的自動(dòng)控制系統(tǒng)一樣，通常由被控對(duì)象、測(cè)量裝置、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件組成。它的核心部分為模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。模糊控制系統(tǒng)的主要組成部分：（1）被控對(duì)象。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體。這些被控對(duì)象可以是確定的或模糊的、單變量的或多變量的、有滯后的或無滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時(shí)變的，以及具有強(qiáng)耦合和干擾的等多種情況。對(duì)于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。除了電氣以外，如各種交、直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，還有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液壓馬達(dá)、液壓閥等。（3）模糊控制器。是整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心部分，是基于模糊知識(shí)表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”。（4）傳感器（測(cè)量裝置）。是將被控對(duì)象的各種非電量，如流量、溫度、壓力等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種裝置，其精度往往直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

3.2 模糊控制器

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)，所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法以及模糊決策的方法等因素。模糊控制器也稱為模糊邏輯控制器，由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言型控制器，故也被稱為模糊語言控制器。

4 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)研究對(duì)象某60t/h 燃煤蒸汽鍋爐，設(shè)計(jì)了燃燒控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件采用VB 語言設(shè)計(jì)，包括控制參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)打印等功能。系統(tǒng)采用了模糊控制的方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，在偏差較大時(shí)使KP增大，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，在中間過程抑制了系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)的超調(diào)，在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)KI、KP增大，Kd減小，使系統(tǒng)縮短了穩(wěn)態(tài)時(shí)間，抑制了振蕩。與傳統(tǒng)的PID控制相比，用自適應(yīng)模糊PID控制汽包水位，控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好，魯棒性強(qiáng)，有效地改善了模糊PID控制的效果。

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