電廠鍋爐燃燒模糊控制系統的設計

摘 要：燃煤鍋爐是電廠重要的動力設備，鍋爐燃燒系統是電廠的一個重要組成部分。由于鍋爐的燃燒過程具有多輸入、多輸出、大時滯、非線性等特點，常規的控制方法無法達到預期的效果。本文的目的就是設計一種模糊控制策略并應用于這個復雜的鍋爐燃燒系統。由于鍋爐燃燒系統的各個回路之間存在一定程度的耦合，所以在模糊控制器中引入了靜態解耦的方法，另外，為了消除穩態誤差還增加了積分作用。最后對設計好的電廠鍋爐燃燒模糊控制系統進行仿真，由仿真結果可以看出，本文所設計的模糊控制策略較之傳統PID控制策略取得了更為滿意的控制效果。

關鍵詞：鍋爐燃燒系統；模糊控制；解耦；

1 引 言

電廠鍋爐是火力發電廠三大主要設備中的重要的能量轉換設備，因此對于鍋爐的控制是一個十分重要的問題。燃燒過程的控制是一個復雜的控制系統，它的基本任務是使燃料燃燒所提供的熱量適應鍋爐蒸汽負荷的需要，同時還要保證鍋爐安全經濟運行。火電機組鍋爐燃燒控制是一個時變動態過程，傳統的常規PID控制算法很難使之達到理想的控制效果和較高的自動投運率。模糊控制系統不需要被控過程的準確數學模型，它充分利用來自工程師和司爐工的語義知識進行系統設計，其控制方式類似人的思維模式，因此，對鍋爐采用模糊控制方式可取得令人滿意的效果。

本文主要研究內容包括以下幾個方面：針對電廠鍋爐燃燒系統設計一個模糊控制器，同時還引入了解耦、模糊積分作用等策略，對設計好的鍋爐燃燒模糊控制系統進行仿真，并與傳統的PID控制策略進行對比，分析得出模糊控制器的良好控制效果，體現出這種模糊控制系統的可行性與優越性。

2電廠鍋爐燃燒模糊控制系統

火電廠鍋爐燃燒系統是火電廠最重要的控制系統之一。鍋爐燃燒控制也是火電廠最重要的過程控制。鍋爐燃燒是典型的多變量復雜系統，主要特征包括：非線性、非最小相位特征、不穩定性、時滯和負荷干擾，對其難以建立精確的數學模型。由于鍋爐燃燒系統具有上述的動態特性，因此，如何能夠將鍋爐燃燒系統控制的更加準確、快速、高效是一個急需攻克的難題[4]。這主要是因為在對象動態特性不斷變化的情況下，控制器的參數非常難以整定。即使整定好，隨著工況的變化，控制參數也會偏離最優點。

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學著名教授L.A.Zadeh首先提出的，經過多年的發展，在模糊控制理論和應用研究方面取得重大成功。它有以下特點：模糊控制是一種基于規則的控制，直接采用語言型控制規則，出發點是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確的數學模型，比較容易建立語言控制規則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取、動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。利用這些控制規律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優于常規控制器，模糊控制是基于啟發性的知識及語言決策規則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。因此，將模糊控制用于電廠鍋爐燃燒控制系統中將是一個可行的方案。

本文所研究的鍋爐燃燒控制的三個子系統，即燃料量、送風和引風控制回路的控制品質都直接關系到整個機組的安全和經濟運行。因此鍋爐燃燒被控對象是一個三輸入三輸出的相互關聯的多變量對象，其動態特性可用傳遞矩陣表示：

本文針對三個回路采用三個獨立的模糊控制器，對其分別進行控制。因為每一個控制回路都是單變量的，所以選擇單變量二維模糊控制器形式；模糊控制器的輸入量選擇誤差E以及誤差變化EC，模糊控制器的輸出為控制量U。模糊集以及論域定義如下：E、EC和U的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；E、EC和U的的論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

首先將控制量由模糊量轉變為精確量，為了獲得準確的控制量，就要求模糊方法能夠很好地表達輸出隸屬度函數的計算結果。本文采用工業控制中廣泛使用的去模糊方法—中間最大值法。該模糊控制器中有三個重要的比例因子，分別為Ke、Kec和Ku ，這三個比例因子對于模糊控制器的控制效果可以起到調節作用。

所要研究對象的第一、第二回路的耦合情況，第一回路的控制量U2 對于第二回路的輸出量Y2 有一定的干擾作用，如果要實現U2 對Y2 的解耦，根據前饋補償原理可得：

本文所設計的模糊控制器是在系統的輸出量上加入積分作用，通過對系統的誤差進行累加并加入到最后的輸出量上，從而達到消除系統的穩態偏差。為了達到這個控制效果，該模糊控制器是在第一回路中，當系統的誤差值小于0.1時，系統開始加入模糊積分作用，即將模糊控制器的系統誤差值進行累加，并且將所累加的誤差和值加到系統的輸出端 上，從而消除了系統的穩態誤差。而第二、三回路中，同樣采用了積分作用，但是另外兩個回路采用模糊積分控制作用的條件與第一回路不同，是當系統的誤差小于0.2時即引用模糊積分作用，作用原理與第一回路相同。

3電廠鍋爐燃燒模糊控制系統仿真分析

該模糊控制策略對三個回路的控制均取得了較好的跟蹤效果。PID控制器的超調量明顯高于模糊控制器，PID控制器的超調量為12%，而模糊控制器的超調量幾乎為零；并且，常規PID控制器的調節時間是9.5s，而模糊控制器的調節時間為4.0s；另外，模糊控制器的單位階躍響應曲線沒有過多的振蕩，而常規PID控制器的振蕩較為明顯。綜上所述，模糊控制器在對于鍋爐燃燒系統的控制方面，具有更好的控制效果，明顯優于常規PID控制器。

4 結 論

電廠鍋爐燃燒系統是一個龐大的復雜控制系統，它具有多輸入、多輸出、大時滯、非線性等特點，由于這些動態特性決定了不能選擇常規的控制方法進行控制。

本文所設計的模糊控制器中，增加了解耦、模糊積分作用等控制方法來對復雜的動態特性進行控制，解耦作用可以對回路間的干擾起到抑制作用；積分作用可以消除系統的穩態誤差，從而使控制效果更加理想。為了驗證模糊控制器的可行性與優越性，將其與常規PID控制策略的仿真結果進行對比，模糊控制器超調量。調節時間等方面具有更好的控制效果，因此，模糊控制器是更適合于這種復雜控制對象的控制方法。

作者簡介：

施雪峰，（1976-），男，工程師，從事電廠節能管理工作。