基于Matlab的鍋爐過(guò)熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真

1、收稿日期:2002210215.作者簡(jiǎn)介:楊濤(19782,男,碩士研究生;武漢,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院(430074.基于Matlab 的鍋爐過(guò)熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真楊濤高偉黃樹(shù)紅(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院摘要:針對(duì)電站鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度PID 串級(jí)控制系統(tǒng)的效果并非十分理想的現(xiàn)狀,應(yīng)用Matlab 的模糊推理工具箱,設(shè)計(jì)了鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度模糊控制系統(tǒng),并用Simulink 進(jìn)行了對(duì)比仿真研究,結(jié)果表明,應(yīng)用模糊控制可獲得比使用傳統(tǒng)PID 控制更為理想的調(diào)節(jié)效果,不論在何種擾動(dòng)下,其綜合控制品質(zhì)指標(biāo)都比較高,動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間比較短,基本上可以消除振蕩,超調(diào)幅值也比較小.關(guān)鍵詞:電

2、站鍋爐;過(guò)熱蒸汽溫度;Matlab ;模糊控制;仿真中圖分類號(hào):T K323文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167124512(20030420063203現(xiàn)代電站鍋爐的過(guò)熱器是在高溫、高壓條件下工作的部件,它對(duì)于電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大影響.若過(guò)熱器內(nèi)蒸汽溫度過(guò)高,則會(huì)燒壞過(guò)熱器高溫段;若溫度過(guò)低,則會(huì)降低全廠熱效率和影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行.因此,嚴(yán)格控制過(guò)熱汽溫在給定值附近是大型火電機(jī)組運(yùn)行的重要任務(wù)之一1.過(guò)熱汽溫的擾動(dòng)來(lái)源很多,常規(guī)的過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)常采用串級(jí)或帶導(dǎo)前微分的雙回路控制,但當(dāng)工況發(fā)生較大變化或外部擾動(dòng)較大時(shí),該系統(tǒng)也難以保證優(yōu)良的控制品質(zhì),即出現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)、超

3、調(diào)量變大等問(wèn)題,需要人為干預(yù)(手動(dòng)調(diào)節(jié).本文以Matlab 作為仿真平臺(tái),構(gòu)建了模糊控制仿真模塊,將其與PID 模塊并聯(lián)構(gòu)成PID +Fuzzy 主調(diào)節(jié)器,探討改善鍋爐過(guò)熱汽溫的控制品質(zhì)的新途徑.1模糊控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)模糊控制的理論和模糊控制器的組成原理,此處采用過(guò)熱蒸汽的實(shí)際溫度T 與溫度給定T d 之間的誤差e =T d -T 和誤差變化e 作為輸入語(yǔ)言變量,輸出量為系統(tǒng)控制值u ,構(gòu)成一個(gè)二維模糊控制器2.其設(shè)計(jì)參數(shù)如下.在各輸入輸出語(yǔ)言變量的量化域內(nèi)取7個(gè)模糊子集:P B ,P M ,P S ,0,N S ,N M 和N B 分別對(duì)應(yīng)正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中和負(fù)大.將誤差e ,

4、誤差變化率e 和控制量u 的模糊語(yǔ)言變量E ,E C 以及U 的論域分成6個(gè)等級(jí).各量化因子為K 1=5,K 2=320,K 3=1/3.5.模糊決策一般都用“選擇從屬度大”的規(guī)則.在過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)過(guò)程中,當(dāng)系統(tǒng)的偏差較大時(shí),系統(tǒng)的快速性是主要矛盾,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度卻是次要的,這時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)快速減小偏差;而當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí),則要求設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制精度.因而模糊控制規(guī)律應(yīng)遵循:過(guò)熱汽溫上升速度快,汽溫偏高,則汽溫的控制量應(yīng)向下浮動(dòng);過(guò)熱汽溫下降速度快,汽溫偏低,則汽溫的控制量應(yīng)向上浮動(dòng).總結(jié)操作人員的經(jīng)驗(yàn),按模糊數(shù)學(xué)推理法則,選如下一組控制規(guī)則(表1形成模糊控制規(guī)則表.表1

5、模糊控制規(guī)則表E E CN B N M N S 0P S P M P BN B P B P B P B P B P M 00N M P B P B P B P B P M00N SP M P M P M P M0N S N S 0P M P M P S0N S N M N M P S P SP S0N M N M N M N M P M 00N M N B N B N B N B P BN MN BN BN BN B在Matlab 命令框中鍵入Fuzzy 進(jìn)入FIS 編輯器,建立兩路輸入e ,e 和一路輸出u ,輸入輸出變量的隸屬函數(shù)均采用三角函數(shù),如圖1所示.根據(jù)表1在FIS 編輯器中編輯模

6、糊推理規(guī)則.因?yàn)閮陕份斎刖?個(gè)語(yǔ)言值,所以最多會(huì)有49條規(guī)則,規(guī)則的描述如下:如果e 是負(fù)大、e 第31卷第4期華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Vol.31No.42003年4月J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition Apr.2003 圖1 輸入變量e 在Matlab 中的隸屬函數(shù)是負(fù)大,那么u 是正大;如果e 是負(fù)大、e 是正小,那么u 是正中;如果e 是正小、e 是負(fù)大,那么u 是正小;如果e 是正大、e 是負(fù)大,那么u 是零;如果e 是正大、e 是正大,那么u 是負(fù)大,等等,一共49條規(guī)則.將上述規(guī)則描述轉(zhuǎn)換為FIS 編輯器

7、中的格式輸入,模糊推理規(guī)則輸入完畢后,即可將其保存為后綴為fis 的模糊推論文件,以備調(diào)用.2Matlab 環(huán)境下解的模糊化模糊推理的輸出結(jié)果是模糊集,而控制系統(tǒng)yyB (y d y yB (y d y .利用Matlab 軟件包調(diào)出所保存的3.fis 文件,進(jìn)入規(guī)則觀察器,選中centroid ,執(zhí)行view ruler ,一路輸出與兩路輸入之間的關(guān)系即刻以三維圖形的方式顯示出來(lái)(見(jiàn)圖2,改變輸入、輸出隸屬函數(shù)或推理規(guī)則,Matlab 會(huì)自動(dòng)求解模糊關(guān)系矩陣和輸出值2 .圖2模型規(guī)則推論結(jié)論三維圖3控制系統(tǒng)仿真分析確認(rèn)所建立的模糊推理系統(tǒng)在Matlab 的工作空間,使用Simulink 中F

8、uzzy Logic Controller 模塊,并將模糊推理系統(tǒng)名鍵入構(gòu)建Fuzzy 仿真模塊,便于系統(tǒng)仿真時(shí)調(diào)用.用Simulink 構(gòu)建的Fuzzy 仿真模塊如圖3所示.過(guò)熱蒸汽溫度多采用直接噴水控制方式,通過(guò)改變減溫水閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變減溫水量控制蒸汽溫度.其控制系統(tǒng)通常應(yīng)用具有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器的串級(jí)控制系統(tǒng),系統(tǒng)方框圖如圖4所示1 :圖3用Simulink 構(gòu)建的Fuzzy 仿真模塊圖4串級(jí)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)方框圖圖4中W 01(s 為調(diào)節(jié)對(duì)象導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù),W 02(s 為調(diào)節(jié)對(duì)象惰性區(qū)傳遞函數(shù);W 03(s 為燃燒率擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù);W H1(s 和W H2(s 分別代表導(dǎo)前蒸汽

9、溫度和過(guò)熱主蒸汽溫度的測(cè)量單元.仿真研究中取W 01(s =8/(1+15s 2;W 02(s =1.125/(1+25s 3;W 03(s =1/(1+20s ;W H1(s =W H2(s =0.1,且設(shè)副調(diào)節(jié)器W a2(s 為P 控制規(guī)律,若選擇該系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器W a1(s 分別采用常規(guī)PID 和PID +Fuzzy 兩種不同的調(diào)節(jié)器,構(gòu)成常規(guī)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)的兩種仿真模型,并利用Matlab 中的Simulink 分別進(jìn)行給定值、減溫水f (t 、燃燒率g (t 等3種擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)仿真試驗(yàn).兩種不同控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示.從上面3組試驗(yàn)的響應(yīng)曲線可以看出,使用PID +

10、Fuzzy 的模糊控制器要比使用傳統(tǒng)PID 控制器的調(diào)節(jié)效果理想得多,不論在何種擾動(dòng)下,其綜合控制品質(zhì)指標(biāo)都比較高,動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間比較短,基本上可以消除振蕩,超調(diào)幅值也比較小.使用傳統(tǒng)PID 控制器的調(diào)節(jié)效果要差許多,其響應(yīng)曲線的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng),超調(diào)幅值較大,振蕩比較厲害.46華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第31卷 圖5兩種不同控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比好的基礎(chǔ).利用Matlab 進(jìn)行控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真研究簡(jiǎn)捷、方便、可視化強(qiáng),是研究控制系統(tǒng)的一種有效途徑.參考文獻(xiàn) 中國(guó)電力出版社,1997.2聞新.Matlab 模糊邏輯工具箱的分析和應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社,2001.System of

11、f uzzy control in superheated steam temperatureof boiler based on MatlabY ang Tao Gao Wei Huang S huhongAbstract :This paper designed simulation of a fuzzy control system in superheated steam temperature of boiler by the mathematical computation tool kit Matlab.A simulation research was done by a si

12、mulation toolbox Simulink.It was shown that fuzzy control system had a better control of superheated steam tem 2perature than the common PID control system in any disturbance.The dynamic time was short and the am 2plitude of vibration was small.K ey w ords :station boiler ;superheated steam temperat

13、ure ;Matlab ;fuzzy control ;simulationYang T ao Postgraduate ;College of Energy &Power Eng.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan430074,China.(上接第55頁(yè)R esearch on the carbonation reaction of C aOChen Xiaohua Zheng Yi ng Zheng Chuguang Zhao HaiboAbstract :A grain model for carbonation reaction of CaO was

14、built.The effects of such factors as CO 2con 2centration and reaction temperature on the reaction were studied.The results showed that the carbonation reaction characteristics of CaO were consistent with product layer diffusion controlled mechanism.CO 2con 2centration and the best temperature for the reaction was between 680730.When the temperature was higher ,some parts of product began to decompose.The diffusion obstacle increased with the increase of the temperature ,and the clogging in some parts of