基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制

侯鵬飛　賈新春　王琦

摘? 要：隨著電網對火電機組調峰調頻能力的日益嚴苛，火電機組經常運行在AGC指令頻繁變化的工況下。當負荷指令變化時，主汽溫度的對象模型也會隨之發生變化。該文設計了一種基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制系統，根據主汽溫的實時偏差與偏差變化率，依據模糊控制規則自適應調整PID控制器的3個參數。仿真結果表明，基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制具有系統超調小、響應速度快、變工況魯棒性好等優點，滿足機組AGC調峰調頻時主汽溫控制的動態特性。

關鍵詞：主汽溫度;AGC調峰調頻;模糊PID;自適應控制;串級控制

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，電網對火電機組調峰調頻響應能力日益嚴苛，電網AGC負荷指令的變化將直接導致主汽溫度、主汽壓力、給水流量等參數的大幅波動，使機組在調峰變工況時自動投入率低，協調控制系統控制不穩定，嚴重影響機組的安全穩定運行。在發電過程眾多的熱工被控參數中，主汽溫度是最重要、最核心的被控參數之一。通常情況下，要求鍋爐主汽溫度的暫時性偏差不超過±10 ℃，長期偏差不超過±5 ℃。主汽溫度偏高將導致過熱器與汽輪機高壓缸承受較高的溫度和壓力，影響機組的安全運行;主汽溫度偏低則直接影響機組的發電效率，從而降低機組運行的經濟性，此外還會增加蒸汽的含水量，縮短汽輪機的使用壽命。因此，主汽溫控制是發電過程重要的被控參數之一。目前，火電機組主汽溫度多采用串級PID控制，通過控制噴水減溫器的噴水量達到調節主汽溫度的目的。然而，當AGC負荷指令頻繁變化時，由于主汽溫度具有大遲延、大慣性、非線性與時變等特性，傳統的串級PID控制使主汽溫在變工況運行時的波動較大，控制效果不佳，不僅會影響機組的安全穩定運行，而且難以滿足電網的調峰調頻要求。為此，該文設計了一種基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制系統，模糊控制器根據設定值與實際值的偏差及偏差變化率自適應調整PID控制器的比例、積分和微分3個參數，使PID控制器的參數隨偏差的變化而適當調整，以改善負荷變化時主汽溫的動態特性，滿足AGC負荷指令變化時主汽溫的控制要求。

1 模糊PID串級自適應控制系統設計

1.1 系統整體設計

當AGC負荷指令發生變化時，機組協調控制系統將隨負荷指令的變化自動調整火電機組的燃料量、給水流量、送風量等，使主汽溫度產生一定波動。因此，在不同工況時主汽溫的動態模型會發生相應變化，導致過熱汽溫也隨減溫水的動態特性變化。

基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制系統如圖1所示，系統由內、外2個回路組成。其中，內回路被控對象為減溫器，副調量為減溫器出口蒸汽溫度θ2，副調節器為PID控制器;外回路被控對象為過熱器，主調量為過熱器出口主汽溫度θ1，主調節器采用模糊PID自適應控制器。

為了快速消除減溫水的內部擾動，副調節器通常采用比例控制器K。主調節器采用模糊PID自適應控制器用于有效克服主汽溫度的大遲延、大慣性特性以及工況發生變化時主汽溫對象的非線性與時變性。主汽溫串級自適應控制系統首先計算出主汽溫設定值r與實際值的偏差e，再經微分環節de/dt計算得到偏差的變化率ec，模糊控制器再依據設計的模糊控制規則自適應調整PID控制器的KP、KI和KD 3個參數，使PID控制器的參數隨偏差的變化自適應動態調整。

圖1中，K為內回路比例控制器的比例系數;W1（s）為串級控制系統導前區傳遞函數;W2（s）為串級控制系統惰性區傳遞函數;WH1（s）為內回路溫度變送器的傳遞函數;WH2（s）為外回路主汽溫度變送器的傳遞函數。

將主汽溫串級控制系統的內回路與惰性區傳遞函數W2（s）作為主汽溫控制系統的廣義被控對象W（s），經傳遞函數化簡可得：

1.2 模糊PID控制器設計

模糊PID控制器根據主汽溫設定值與實際值的偏差e與偏差變化率ec，依據設計的模糊控制規則自適應調整PID控制器的KP、KI和KD三個參數，使PID控制器的參數隨偏差的變化自適應動態調整。

模糊控制器的輸入為偏差e與偏差變化率ec，輸出為PID控制器的KP、KI和KD。根據單位階躍響應的特點分析可知，e和ec的論域應設為[-1，1]。模糊子集定義為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。e和ec的隸屬函數選用靈敏度較高的三角函數trimf（）。

以該廠不同負荷時的主汽溫度為研究對象，在MATLAB/Simulink環境下搭建模糊PID串級自適應控制系統仿真模型。此外，為了便于動態特性對比，同時搭建主汽溫串級PID控制系統仿真模型，如圖2所示。

根據串級控制系統整定方法，首先整定內回路副調節器K=25，然后再針對廣義被控對象W（s）整定外回路主調節器PID控制器的參數KP、KI、KD 。為簡便起見，內、外回路溫度變送器的傳遞函數WH1（s）、WH2（s）均設為1。

分別針對30%、50%、75%和100%工況進行仿真研究，階躍響應動態特性曲線如圖3所示，動態性能指標見表3。

由圖3與表3可知，基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制比傳統串級PID控制具有更小的超調量，更快的上升時間與調節時間，系統動態特性明顯改善。

3 結語

當AGC負荷指令發生變化時，主汽溫被控對象的動態模型也會發生相應變化。基于模糊PID的主汽溫串級自適應控制是根據主汽溫設定值與實際值的偏差e與偏差變化率ec，依據設計的模糊控制規則自適應調整PID控制器的參數KP、KI和KD，使PID控制器的參數隨偏差的變化自適應動態調整。

仿真結果表明，與傳統的主汽溫串級PID控制相比，基于模糊PID的串級自適應控制不僅減小了超調量，縮短了上升時間與調節時間，而且當AGC負荷指令發生變化時，基于模糊PID的串級自適應控制仍具有良好的動態特性。

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