第五章鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)

第五章鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)§5.1概述

§5.2過熱蒸汽溫度的控制策略§5.3過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)組成§5.4過熱蒸汽溫度系統(tǒng)的實(shí)例分析§5.5再熱蒸汽溫度控制策略§5.6再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)組成§5.7再熱蒸汽溫度控制實(shí)例分析1§5-1概述2一、蒸汽溫度控制的任務(wù)1.過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)

維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。

過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點(diǎn)，蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強(qiáng)度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。

3過熱蒸汽溫度偏低，則會降低發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率，據(jù)分析，汽溫每降低5℃，熱經(jīng)濟(jì)性將下降1%；且汽溫偏低會使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增大，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。一般規(guī)定大容量高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組都要求保持過熱蒸汽溫在的范圍內(nèi)。4

2．再熱蒸汽溫度控制的任務(wù)

隨著蒸汽壓力的提高，為了提高機(jī)組熱循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，減少汽輪機(jī)末級葉片中蒸汽濕度，高參數(shù)機(jī)組一般采用中間再熱循環(huán)。將高壓缸出口蒸汽引入鍋爐，重新加熱至高溫，然后再引入中壓缸膨脹做功。5一般再熱蒸汽溫度隨負(fù)荷變化較大，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低30%時，再熱蒸汽溫度如不加以控制，鍋爐再熱器出口汽溫將降低28~35℃(相當(dāng)于負(fù)荷每降低10%時，汽溫降低10℃)。所以大型機(jī)組必須對再熱汽溫進(jìn)行控制。6二、蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性

1.過熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性

主要為蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水?dāng)_動。

（１）蒸汽擾動下對象的動態(tài)特性

引起蒸汽流量變化的原因有二：一是蒸汽壓力變化，二是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門的開度變化。7結(jié)構(gòu)形式不同的過熱器，在相同蒸汽流量D的擾動下，汽溫變化的靜態(tài)特性是不同的。對于對流式過熱器的出口溫度，隨著蒸汽流量D的增加，通過過熱器的煙氣量也增加，導(dǎo)致氣溫升高；對于輻射式過熱器，蒸汽流量D增加時，爐膛溫度升高較少，爐膛輻射給過熱器受熱面的熱量比蒸汽流量的增加所需的熱量要少，因此輻射式過熱器的出口汽溫反而下降，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫對負(fù)荷變化的反應(yīng)是相反的，其靜態(tài)特性如下。8圖.蒸汽量變化與對流過熱器及輻射過熱器出口汽溫變化的靜態(tài)特性

9

實(shí)際生產(chǎn)中，通常把兩種過熱器結(jié)合使用，還增設(shè)屏式過熱器，且對流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量要多，因此綜合而言，過熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動態(tài)特性如上圖所示。

注意：蒸汽流量的擾動不能作為調(diào)節(jié)信號用。

圖.蒸汽量變化對過熱器汽溫的影響有延遲，有慣性，有自平衡能力。10

（２）煙氣量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性

引起煙氣傳熱量變化的原因很多，如給粉機(jī)給粉不均勻，煤中水分的改變，蒸汽受熱面結(jié)垢，過?？諝庀禂?shù)改變，汽包給水溫度變化，燃燒火焰中心位置的改變等。盡管引起煙氣傳熱量變化的原因很多，但對象特征總的特點(diǎn)是：有延遲，有慣性，有自平衡能力。它的特征曲線如左圖所示。11圖.煙氣流量變化對過熱汽溫的影響

從煙氣側(cè)來的擾動量使沿整個長度過熱器的傳熱量發(fā)生變化，汽溫變化反應(yīng)較快，延遲時間有10~20s，可以用來作為調(diào)節(jié)量信號。12

（３）減溫水量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性

常用的減溫方法有兩種：噴水式減溫和表面式減溫，前者的效果比后者好，噴水式減溫器一般裝在末級過熱器高溫段前面，一方面保護(hù)了過熱器高溫段，另一方面又改善了調(diào)節(jié)性能。這種過熱器的安裝方法與在飽和側(cè)裝設(shè)表面式減溫器相比，延遲時間能減小1/4。13圖.減溫水量變化對過熱汽溫的影響

特點(diǎn)：

有延遲，有慣性和有自平衡能力，延遲時間約為30~120s。減溫水量是常用的調(diào)節(jié)量。142．再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性圖.煙流擋板控制再熱汽溫的動態(tài)特性左圖是再熱汽溫動態(tài)特性，當(dāng)擋板從0％~100％變化時，再熱汽溫變化58℃，滯后時間80s；其傳遞函數(shù)可用四階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)表示：

再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性依控制方式的不同動態(tài)特性也不同。15圖.煙氣再循環(huán)對系統(tǒng)參數(shù)的影響16圖.擺動噴燃器角度對爐膛出口煙溫的影響17§5-2過熱蒸汽溫度的控制策略18一、串級控制方案1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過熱蒸汽溫度串級控制的基本結(jié)構(gòu)(最后一級)如右圖所示。圖.串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖19原理框圖如下圖所示圖.串級控制系統(tǒng)原理方框圖

20主參數(shù)(主變量)：

串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被調(diào)參數(shù)稱為主參數(shù)。副參數(shù)(副變量)：

其給定值隨主調(diào)節(jié)器的輸出而變化，能映主信號數(shù)值變化的中間參數(shù)稱為副參數(shù)。這是一個為了提高控制質(zhì)量而引起的輔助參數(shù)。21主調(diào)節(jié)器：根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作，其輸(主控制器)出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器稱為主

調(diào)節(jié)器，記為WT1(s)副調(diào)節(jié)器：

其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，并根據(jù)

(副控制器)副參數(shù)與給定值(即主調(diào)節(jié)器輸出)的偏差

動作的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，記為WT2(s)主回路(外回路)：

斷開副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個回路稱為主回路。22副回路：

由副參數(shù)，副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對象等(內(nèi)回路)

環(huán)節(jié)所組成的閉合回路稱為副回路，副回路有

時亦稱隨動回路。主對象：主參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號(惰性區(qū))為副變量，輸出信號為主參數(shù)，記為WD1(s)副對象(導(dǎo)前區(qū))：

副參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號為調(diào)節(jié)量，其輸出信號為副參數(shù)(副變量)，記為WD2(s)232、串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

串級控制仍然是一個定值控制系統(tǒng)，主參數(shù)在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統(tǒng)的過程具有相同的指標(biāo)和形式，但與單回路系統(tǒng)比較，串級控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）串級控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力2）串級控制系統(tǒng)可減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率。3）串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。24二、導(dǎo)前控制方案1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖25圖.導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)原理方框圖導(dǎo)前區(qū)對象

惰性區(qū)對象

內(nèi)擾

26副回路：

主回路：

272、減溫水量擾動時各信號分析281）引入導(dǎo)前微分信號縮短了遲延時間，等效地改善了控制對象的動態(tài)特性

在汽溫導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)中，當(dāng)減溫水量發(fā)生階躍擾動時，I1、I2變化如左圖所示。遲延時間縮短后，可控性變好，控制品質(zhì)將得到改善。3、導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的特點(diǎn)292）引入導(dǎo)前微分信號能減小動態(tài)偏差，改善控制品質(zhì)圖.閥門開度階躍擾動下汽溫特性

30曲線1、2分別為θ1、θ*

自平衡飛升特性曲線；曲線3、4為加導(dǎo)前微分信號前后的調(diào)節(jié)曲線；曲線5、6則為加導(dǎo)前微分信號前后θ1的過渡過程曲線。由于遲延時間和慣性都減小了，因而在調(diào)節(jié)器參數(shù)相同的情況下，加入微分信號可以減小過渡過程時間，改善控制品質(zhì)。3）導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力31三、狀態(tài)反饋-PID控制方案1、問題的提出隨著機(jī)組容量的增大,過熱器和再熱器管道也隨之加長,這就使得其熱慣性和調(diào)節(jié)滯后都大大增加,從而造成汽溫控制系統(tǒng)投自動困難,或被調(diào)參數(shù)的動、靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)差。32

該方案將現(xiàn)代控制論中狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器理論與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合,既克服了PID對大滯后對象控制效果不理想的缺點(diǎn),同時又具有在目前的DCS系統(tǒng)中易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。雖然在設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器時同樣需要掌握被控對象的有關(guān)知識,但它并不一定要求確切知道對象模型的定量數(shù)據(jù),對系統(tǒng)辨識這一難點(diǎn)問題作了一定程度的簡化處理。33狀態(tài)反饋的基本特點(diǎn)是采用對狀態(tài)向量的線性反饋律來構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),由于控制作用是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù),可使控制效果得到很大地改善,從而具有比輸出反饋更好的一系列控制特性。對于由下述方程描述的單輸入單輸出系統(tǒng)引入線性反饋律為34并考慮到一般情況下有d=0,便得到引入狀態(tài)反饋后閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)方程自動控制原理指出,控制系統(tǒng)的各種特性,或其各種品質(zhì)指標(biāo),很大程度上是由系統(tǒng)的極點(diǎn)位置所決定的。因此,系統(tǒng)綜合指標(biāo)的形式之一,可以取為s平面上給出的一組所希望的極點(diǎn)。而所謂極點(diǎn)配置問題,就是通過反饋陣的選擇,使閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn),恰好處于所希望的一組極點(diǎn)的位置上。352、基本原理（1）狀態(tài)觀測器及其狀態(tài)反饋

下圖所示為過熱器的狀態(tài)觀測器,整個過熱器劃分為四段,對每一分段又可簡化為一階慣性環(huán)節(jié),整個過熱器就是四階慣性環(huán)節(jié)。至于時間常數(shù)T通常是單元機(jī)組負(fù)荷的函數(shù),可作為狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)中的一個待定因變量,在運(yùn)行過程中通過觀測試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)整定。36過熱器的狀態(tài)觀測器及其狀態(tài)反饋示意圖37

將過熱器入口溫度偏差和出口溫度偏差引入狀態(tài)觀測器,這樣觀測到的狀態(tài)變量更明確地反映了溫度的變化方向,同時過熱器入口溫度偏差的引入使?fàn)顟B(tài)觀測器具有了預(yù)測控制的某些特點(diǎn)。為適應(yīng)過熱器參數(shù)的變化,入口溫度設(shè)定值,出口溫度設(shè)定值及時間常數(shù)T均為鍋爐負(fù)荷的函數(shù)。38

設(shè)過熱器導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)為圖中：39狀態(tài)觀測器的反饋矩陣：Kc=[Kc1,Kc2,Kc3,Kc4];狀態(tài)反饋矩陣：K=[K1,K2,K3,K4,K5],其中K1為過熱器導(dǎo)前區(qū)的反饋增益。40惰性區(qū)傳遞函數(shù)的增益K2可以查閱鍋爐的熱力計(jì)算書,取不同工況的平均值。而過熱器惰性區(qū)時間常數(shù)T2的辨識則可以利用狀態(tài)觀測器來完成。首先,令狀態(tài)反饋控制開環(huán),狀態(tài)反饋矩陣Kc=[0,0,0,0];

然后,調(diào)節(jié)觀測器時間常數(shù),使觀測器輸出值和過熱器出口值的變化基本保持一致,此時的觀測器時間常數(shù)即可認(rèn)為是惰性區(qū)傳遞函數(shù)的時間常數(shù)。由此可以確定K0和T0,進(jìn)而計(jì)算出矩陣Kc和K。工程實(shí)踐表明這種方法是簡便有效的。41（2）

狀態(tài)反饋-PID控制系統(tǒng)狀態(tài)觀測器、狀態(tài)反饋控制與常規(guī)PID調(diào)節(jié)相結(jié)合42采用狀態(tài)反饋控制能方便地通過配置閉環(huán)極點(diǎn)的方法,改變系統(tǒng)的特性,達(dá)到提高控制精度的目的。這對控制具有遲延環(huán)節(jié)的工業(yè)對象來說,無疑是一種較好的控制方案。但是,由于單相受熱管的動態(tài)特性與熱流量有關(guān),單靠狀態(tài)反饋配置極點(diǎn)還難以保證在不同的工況下使鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的指標(biāo)均達(dá)到理想的要求,而PID控制恰好具有魯棒性好和抗高頻干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),二者的優(yōu)勢可以互補(bǔ)。43利用狀態(tài)反饋改善系統(tǒng)的閉環(huán)特性,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,這是控制的第一個層次;將這個品質(zhì)比較好的廣義被控對象交由PID控制,改善系統(tǒng)的魯棒性,使系統(tǒng)的適應(yīng)性提高,這是控制的第二個層次。對于大量具有遲延環(huán)節(jié)的工業(yè)對象而言,采用這種狀態(tài)反饋-PID控制比傳統(tǒng)的PID串級控制和僅僅由狀態(tài)反饋控制都將更有效。44一級過熱減溫狀態(tài)反饋45二級過熱減溫狀態(tài)反饋4647四、分段控制方案

在大型鍋爐中，過熱器管道較長，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，為了改善控制品質(zhì)，一般采用分段控制，即將整個過熱器分成若干段，每段設(shè)置一個減溫器，分別控制各段的汽溫，以維持主汽溫為給定值。48采用了一次減溫噴水裝置。蒸汽經(jīng)屏式過熱器以后又進(jìn)入水平煙道的對流過熱器，為了保證過熱器出口溫度m為給定值，在高溫段水平過熱器處裝設(shè)了二次噴水裝置。如：機(jī)組一共設(shè)置兩個減溫器，分別調(diào)整屏式過熱器出口溫度和和高溫段出口汽溫。對于更大型的鍋爐，設(shè)置的減溫器有3~4個之多。對于分段控制系統(tǒng)，由于過熱器受熱面?zhèn)鳠嵝问胶徒Y(jié)構(gòu)的不同，可以采用不同的控制方法。49如果整個過熱器的受熱面的傳熱形式屬于純對流形式，則應(yīng)采用分段控制法將各段汽溫維持在一定值，每段設(shè)置獨(dú)立的控制系統(tǒng)。如果過熱器的受熱面的傳熱形式既有對流又有輻射，則必須采用溫差控制系統(tǒng)，即前級噴水用以維持后級減溫器前后的溫差。501、過熱汽溫分段控制

512、溫差控制的分段控制

5253

五、相位補(bǔ)償控制方案隨著單元機(jī)組容量的增大，過熱器管道的加長，主汽溫的滯后和慣性大大增加。如何克服主汽溫的慣性和滯后，是大型機(jī)組過熱汽溫控制中值得注意的一個問題。54

下圖表示了一個采用移位補(bǔ)償?shù)倪^熱汽溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)仍然屬于雙回路汽溫控制系統(tǒng)，與前所討論的采用導(dǎo)前微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同之處在于，在主回路（即主汽溫）中串入了一個比較器和相位補(bǔ)償器，比較器的作用是將主汽溫與給定值進(jìn)行比較，偏差值進(jìn)入相位補(bǔ)償器進(jìn)行相位超前和幅值校正，也稱相位補(bǔ)償。當(dāng)被控對象不需進(jìn)行位補(bǔ)償或相位補(bǔ)償器本身有故障時可用開關(guān)將其短路。5556相位補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為這是一個二階超前環(huán)節(jié)，可用以補(bǔ)償控對象的相位滯后。57由于過熱器惰性區(qū)的慣性特大，其相位滯后采用一階超前校正往往得不到滿意的補(bǔ)償效果，可采用二階超前校正進(jìn)行補(bǔ)償，其超前補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)上式。串聯(lián)相位超前校正的作用是提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量和改善了輸入信號（即主汽溫）的快速性，同時也在一定程度上改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串聯(lián)超前校正的優(yōu)劣取決于微分作箱的強(qiáng)弱。一般說來，微分作用不宜過強(qiáng)，否則不僅會降低系統(tǒng)的抗干擾能力，且使校正環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)衰減過大，從而要求調(diào)節(jié)器具有較小的比例帶予以補(bǔ)償，這在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)上將會產(chǎn)生一定困難。58六、Smith的控制Infi-90Smith預(yù)估器對過熱汽溫的控制Gc(s)G(s)e-τsG(s)(1-e-τs)59七、自適應(yīng)控制方案過熱汽溫的動態(tài)特性分析中，指出過熱汽溫難于控制的原因是燃料變化時，主汽溫動態(tài)特性的時間常數(shù)較大，并且時間常數(shù)和放大系數(shù)均隨負(fù)荷而變化。為了補(bǔ)償這個滯后的時間常數(shù)，可采用負(fù)荷前饋信號。一旦負(fù)荷在大范圍內(nèi)變化時，采用這種補(bǔ)償方法很難將汽溫控制在給定范圍之內(nèi)。對于時間常數(shù)較大而且作隨機(jī)變化的復(fù)雜過程，可采用自適應(yīng)預(yù)測控制，很有效果。60下圖表示了自適應(yīng)預(yù)測控制系統(tǒng)的原理框圖。主汽溫、壓力等信號送到卡爾漫濾波器，然后分別送到主汽溫預(yù)測模型和參數(shù)修正。主汽溫預(yù)測模型輸出值與主汽溫目標(biāo)模型進(jìn)行比較，通過比例積分控制器對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制。參數(shù)修正根據(jù)負(fù)荷變化對傳熱率和對象放大系數(shù)的影響不斷修正比例積分參數(shù)，使其適應(yīng)于隨負(fù)荷變化的被控對象動態(tài)特性。1、自適應(yīng)預(yù)測控制61圖.自適應(yīng)預(yù)測控制原理框圖622、模型參考自適應(yīng)預(yù)估控制63通過設(shè)置在過程通道中的可調(diào)的二階慣性補(bǔ)償器和增益補(bǔ)償環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)廣義過程對象與參考模型的慣性和增益相匹配。但是從信號的流動次序來看，由于上述自適應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)置在過程模型的后面，由自適應(yīng)律對可調(diào)參數(shù)的調(diào)整效果，須經(jīng)過過程的時滯時間后才能在過程的輸出中反映出來，也既輸出反映的只是滯后時間以前的可調(diào)數(shù)的狀態(tài)。這樣自適應(yīng)律對補(bǔ)償環(huán)節(jié)的調(diào)整是基于時刻以前模型匹配信息進(jìn)行的。64八、模糊控制方案

1、自整定模糊控制

主汽溫系統(tǒng)是火電廠鍋爐機(jī)組的重要環(huán)節(jié)，其控制質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性。主汽溫系統(tǒng)屬于典型的多容環(huán)節(jié)，其對象具有較大的遲延及時變型。影響主汽溫系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素有：(1)爐膛燃燒不穩(wěn)定；(2)噴水壓力變化；(3)蒸汽流量變化。當(dāng)負(fù)荷變化時，三種擾動可能會同時產(chǎn)生，造成主汽溫的變化幅度較大。65(1)自整定模糊控制器的結(jié)構(gòu)主汽溫自整定模糊控制器下圖所示，它由信息獲取與處理、知識庫和控制規(guī)則集構(gòu)成。與傳統(tǒng)的專家控制系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)實(shí)際上是一個專家模糊控制器。66(2)信息的獲取與處理信息獲取主要是接收閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信息及系統(tǒng)的輸入信息，對這些信息進(jìn)行處理。在主汽溫自整定模糊控制器中，輸入變量包括主汽溫T及其定值T0，導(dǎo)前區(qū)汽溫Td、噴水減溫閥位置反饋Ft。主蒸汽溫度、導(dǎo)前區(qū)汽溫的偏差eT、eTd及偏差變化率ecT、ecTd如下：67

式中，Td0為導(dǎo)前區(qū)溫度定值68

由于導(dǎo)前區(qū)溫度與運(yùn)行工況有關(guān)，無法設(shè)定溫度定值，故在算法中只用到了導(dǎo)前汽溫變化率，其值為：根據(jù)對象特性及現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，eT的模糊量化區(qū)間取為[-10℃,10℃]、ecT、ecTd的模糊量化區(qū)間取為[-5℃/min,5℃/min]。選擇系統(tǒng)各變量的論域，并將它們的大小量化為七個等級，將eT、ecT、ecTd量化后得到的模糊量用eT、ecT、ecTd表示。69（3）各種工況下的控制規(guī)則1）正常工況下的規(guī)則根據(jù)對象特性，考慮到主汽溫偏差及其變化率、導(dǎo)前區(qū)汽溫，采用增量式模糊控制方法，以公式形式給出的控制規(guī)則如下：70式中，U為減溫閥控制信號輸出，手動時跟蹤減溫閥開度反饋Ft。α、(1-α)、β分別為ET、ECT、ECTd的加權(quán)調(diào)整因子，其相對大小決定了三個變量在控制中所占比重。Ku為控制量從模糊集論域到基本論域的比例因子。主蒸汽溫度為大遲延高階對象，為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，偏差較大時，應(yīng)根據(jù)偏差進(jìn)行控制，偏差的加權(quán)系數(shù)可取大些，偏差較小時，應(yīng)根據(jù)偏差變化率控制，偏差變化率的加權(quán)系數(shù)應(yīng)大些。表1給出了加權(quán)系數(shù)取值的一個例子。71

與固定加權(quán)因子相比，在控制規(guī)則中引入可調(diào)整加權(quán)因子后，可有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。偏差較大時，根據(jù)偏差進(jìn)行快速調(diào)整，偏差較小時，根據(jù)偏差變化率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證系統(tǒng)只有較小的過調(diào)。不同情況下加權(quán)因子的取值要根據(jù)具體對象而定，取值的變化不宜太大，否則會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果變差，合適的加權(quán)因子取值可通過仿真尋優(yōu)結(jié)果確定。72

由于在一定區(qū)間內(nèi)eT量化后的值為零，采用模糊控制器可能會帶來靜差?？梢圆捎孟旅鎺追N方法減小靜差：a.可將eT量化為更多等級，則死區(qū)將線性縮小，但量化等級太多會失去模糊控制的優(yōu)點(diǎn)；b.不采用均勻的量化區(qū)間，對0值的量化期間取小些；c.在eT進(jìn)入死區(qū)時采用沒量化過的偏差及變化率，將公式改為：73

2）異常工況下的規(guī)則

異常工況主要指主蒸汽溫度偏差太大或變化率太大的情況。此時對減溫閥要進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)主蒸汽溫度或?qū)皡^(qū)溫度過高或溫升太快時，應(yīng)快速打開噴水閥：這里，Tm、Tdm為主蒸汽及導(dǎo)前區(qū)汽溫允許的最大值，dTm、dTdm為相應(yīng)的溫升速率允許的最大值，dUm1、dUm2為噴水減溫閥快開的設(shè)定值。74

(4)結(jié)論針對主汽溫具有影響因素多、時滯較大及模型時變的特點(diǎn)，利用解析公式形式，對主汽溫偏差及其變化率、導(dǎo)前汽溫變化率進(jìn)行了綜合考慮，并可根據(jù)運(yùn)行工況自動調(diào)整各模糊變量的加權(quán)因子，從而提高了控制質(zhì)量。仿真研究表明，該模糊控制算法具有魯棒性好、算法簡單、實(shí)用、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其控制效果明顯優(yōu)于普通的模糊控制器，對主汽溫系統(tǒng)具有很好的適用性。752.自適應(yīng)模糊控制方案雖然可以通過總結(jié)歸納操作人員和領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)來建立模糊控制器的規(guī)則庫，但實(shí)際應(yīng)用中，對那些具有非線性、大時滯、高階次的復(fù)雜系統(tǒng)，利用人的經(jīng)驗(yàn)建立的控制規(guī)則也很難完美無缺，很難完全滿足控制要求。且當(dāng)被控對象具有時變性或系統(tǒng)環(huán)境不斷改變時，一成不變的控制規(guī)則難以適應(yīng)對象和環(huán)境的變化，達(dá)不到滿意的控制效果。76自適應(yīng)模糊控制又稱自組織模糊控制。它能自動地對模糊控制規(guī)則進(jìn)行修改、改進(jìn)和完善，以提高控制系統(tǒng)的性能。自適應(yīng)模糊控制器有著更好的控制性能。77自適應(yīng)控制器，如圖所示。它比一般的模糊控制器增加了三個環(huán)節(jié)：性能量測、控制量校正和控制規(guī)則修正。性能量測環(huán)節(jié)用于測量實(shí)際輸出特性與希望特性的偏差，以確定輸出響應(yīng)的校正量?？刂屏啃Ｕh(huán)節(jié)將輸出響應(yīng)的校正量轉(zhuǎn)換為對控制量的校正量?？刂埔?guī)則修正環(huán)節(jié)修改模糊控制器的控制規(guī)則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對控制量的校正。78然而，提出一種簡單實(shí)用的自適應(yīng)模糊控制算法是熱工控制工程師所關(guān)心的問題。本例是通過在常規(guī)PD型模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過引入積分環(huán)節(jié)，提出了PID型的模糊控制器，從而可消除模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。并通過，提出一種調(diào)整可調(diào)因子的模糊校正方法，從而使所提出的PID型模糊控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力。7980PID型模糊控制系統(tǒng)：

一般的模糊控制器是以被調(diào)量與定值之間的誤差和誤差變化率為輸入變量，因此它具有類似于常規(guī)PD控制器的作用，采用該類模糊控制器的控制系統(tǒng)可以獲得良好的動態(tài)品質(zhì)，但被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)偏差難于消除。為能消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，可采用如圖1所示的PID型模糊控制系統(tǒng)。圖1中，控制規(guī)則可以采用如下形式：81不失一般性，假設(shè)模糊集合Ai，Bj的隸屬函數(shù)為如圖2所示的三角形函數(shù)，ui,j為控制規(guī)則的單值型輸出。82現(xiàn)假定時刻t的輸入e落在之間，落在中，其中分別為模糊子集，的核心，分別為模糊子集的核心，其關(guān)系如圖2所示。

采用代數(shù)積-加法-重心模糊推理法，可推導(dǎo)獲得PD型模糊控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：83由此可獲得整個PID型模糊控制器的輸入、輸出關(guān)系為：84

由式(3)，整個模糊控制器的輸入、輸出關(guān)系可近似看作是一個比例-積分-微分關(guān)系，其中比例系數(shù)為；積分系數(shù)為；微分系數(shù)為。顯然，可調(diào)因子kd影響了PID型模糊控制器的比例和微分成分，而可調(diào)因子β影響控制器的比例和積分，也就是通過調(diào)整這兩個參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對PID型模糊控制器比例、積分和微分的綜合調(diào)整，從而可實(shí)現(xiàn)PID型模糊控制系統(tǒng)的自適應(yīng)。85下圖為某鍋爐汽溫被控模型，在保持串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計(jì)PID型串級模糊汽溫控制系統(tǒng)。86

過熱汽溫控制系統(tǒng)采用的是常規(guī)的串級控制方案，由于被控對象的慣性較大，原控制系統(tǒng)不能取得滿足運(yùn)行要求的控制品質(zhì)。成功地將帶參數(shù)校正功能的PID型模糊控制器應(yīng)用到該機(jī)組的過熱汽溫控制中后，帶參數(shù)校正的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)良的控制品質(zhì)。87九、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制單神經(jīng)元自適應(yīng)控制ＰＳＤ在再熱汽溫控制中的應(yīng)用88§5-3過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)組成89

在大型鍋爐中，過熱器管道較長，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，為了改善控制品質(zhì)，一般采用分段控制，即將整個過熱器分成若干段，每段設(shè)置一個減溫器，分別控制各段的汽溫，以維持主汽溫為給定值。90主蒸汽溫度控制系統(tǒng)工藝流程如下圖所示。從圖中可以看出，主蒸汽溫度由三級噴水減溫組成，一級有一個噴水減溫閥，二、三級各有兩個噴水減溫閥。91一、一級噴水減溫控制（前屏過熱器出口溫度控制——FrontPHSOutletTEMPControl）

一級噴水減溫控制系統(tǒng)如下圖所示。1.信號說明FrontPHSOutletTEMP——前屏過熱器出口溫度FrontPHSInletTEMP——前屏過熱器入口溫度1STPRESS——調(diào)速級（第一級）壓力92FrontPSHTEMPSIGNBQ——前屏過熱器溫度信號壞質(zhì)量1STPRESSSIGNMODBQ——一級壓力信號指令壞質(zhì)量1RYCVAPOSErrorHI/LO——一級噴水控制閥A位置誤差高或低MFT.，F(xiàn)CB，orSF<25——主燃料跳閘，負(fù)荷快切裝置動作或主汽量<25%Reject1RYCVorMAN——一級噴水控制閥切到手動1RYSHSprayWaterValveA——一級過熱噴水閥A93一級噴水減溫控制系統(tǒng)942.工作原理此系統(tǒng)為串級控制，主調(diào)節(jié)器在左側(cè)接收被調(diào)量信號（FrontPHSOutletTEMP）與給定值的偏差信號并經(jīng)過PI運(yùn)算后送到副調(diào)節(jié)器的入口作為副信號（FrontPHSInletTEMP）的給定值，然后經(jīng)副調(diào)節(jié)器去控制一級噴水控制閥A。

（1）給定值的形成給定值信號與一級壓力（1STPRESS）之間的關(guān)系由f1(x)（函數(shù)發(fā)生器）決定，但此給定值可以由運(yùn)行人員在操作臺上（或操作鍵盤上）手動校正（通過“A”）并通過高低限后才作為最終給定值,而且校正值及最終給定值都可以在CRT上顯示出來。除此之外，還可以對被調(diào)量（主信號）、要求閥位和實(shí)際閥位進(jìn)行顯示。95（2）手動工況Reject1RYCVtoMAN成立時，此系統(tǒng)將自動切到手動運(yùn)行方式，此時，運(yùn)行人員可通過手操器使噴水閥的開度變化，以適應(yīng)PSH（屏式過熱器）出口溫度的要求。手動時的跟蹤：當(dāng)此系統(tǒng)處于手動控制時，為了防止下一次投自動時產(chǎn)生擾動，主、副調(diào)節(jié)器的輸出必須都處于跟蹤位置。副調(diào)節(jié)器的跟蹤是為了保證切換無擾。主調(diào)節(jié)器的跟蹤是為了防止副調(diào)節(jié)器在手動期間產(chǎn)生積分正向飽和。鑒于此，副調(diào)節(jié)器應(yīng)跟蹤手動輸出信號。96主調(diào)節(jié)器的跟蹤：在圖中，要使副調(diào)節(jié)器在手動期間入口信號為0，即有：a-b-c=0，所以主調(diào)節(jié)器輸出c=a-b。從圖中可見，在手動時，主調(diào)節(jié)器的跟蹤信號為偏差組件⊿3=a-b。（3）前饋信號一級壓力P1通過f2(x)引入副調(diào)節(jié)器，目的在于克服負(fù)荷變化時引起的溫度變化。（4）事故工況（超馳狀態(tài)）從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)生MFT，F(xiàn)CB以及主汽量<25%時，系統(tǒng)處于超馳狀態(tài)，噴水減溫閥將自動關(guān)閉。

97（5）一級噴水切手動條件：1）一級噴水閥閥位偏大或偏小。2）前屏過熱器溫度信號壞質(zhì)量。3）一級壓力信號壞質(zhì)量。4）主燃料跳、緊急返回，SF<25%98二、二級噴水減溫控制（后屏過熱器出口溫度控制——RearPSHOutputTEMPControl）二級噴水減溫控制如下圖。1．信號說明RearPSHOrtletTEMP——后屏過熱器出口溫度RearPSHInletTEMP——后屏過熱器入口溫度BurnerTietDMD——燃燒器仰角命令RejectIRYCVtoMAN——二級噴水閥切到手動RearPSHTEMPSIGNBQ——后屏過熱器溫度信號壞質(zhì)量BTDMDSIGHBQ——燃料器仰角信號壞質(zhì)量99二級噴水減溫控制系統(tǒng)100

二、工作過程（1）兩個噴水控制閥。左右兩側(cè)分別設(shè)置了控制閥，并且共用同一個主、副調(diào)節(jié)器，有兩個手/自動平衡組件，可同時手動和自動，也可以一側(cè)手動而另一側(cè)自動運(yùn)行。（2）積分器的使用。在圖的中部，有一純積分器，積分器的作用主要用于左右兩側(cè)溫度偏差太大時，校正兩側(cè)減溫水，試圖使左右兩側(cè)溫度相等。（3）3RYCV的使用。此信號的引入對高溫過熱器出口溫度的控制是一個超前運(yùn)行，這樣可以防止高溫段溫度控制系統(tǒng)超溫。101（4）二級噴水控制切手動條件：1）二級閥位A或B不正常。2）燃燒器仰角信號壞質(zhì)量。3）后屏溫度信號壞質(zhì)量。4）一級壓力信號壞質(zhì)量。5）主燃料跳、緊急返回及SF<25%102三、三級噴水減溫系統(tǒng)（BoilerOutletTEMPControl——鍋爐出口溫度控制）三級噴水減溫系統(tǒng)如下圖。1．信號說明HTCSHOutletTEMP——高溫過熱器出口溫度HTCSHInletTEMP——高溫過熱器入口溫度Reject3RYCVtoMAN——三級噴水閥切到手動HTCSHTEMPSIGNBQ——高溫過熱器溫度信號故障3RYBPOSErrorHI/LO——三級噴水閥位B誤差高或低3RYAPOSErrorHI/LO——三級噴水閥位A誤差高或低103三級噴水減溫控制系統(tǒng)1042．工作原理此系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)大致與前二級相同，唯一不同之處是一個主調(diào)節(jié)器，兩個副調(diào)節(jié)器。三級噴水控制切手動條件：（1）三級噴水控制閥位A或B不正常。（2）BTD信號壞質(zhì)量。（3）高溫過熱器溫度壞質(zhì)量。（4）一級壓力信號壞質(zhì)量。

105106§5-4過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)實(shí)例分析107國電福建南埔電廠過熱汽溫控制

1.一級過熱汽溫控制，通過串級回路來控制一級出口過熱器汽溫，其中主回路用來調(diào)過熱二級減溫器入口溫度，副回路用來調(diào)過熱一級減溫器出口溫度。2.二級過熱汽溫控制，通過串級回路來控制主蒸汽溫度，其中主回路用來調(diào)主蒸汽溫度，副回路用來過熱二級減溫器出口溫度。108一級過熱器控制109一級過熱器控制邏輯110二級過熱器控制111二級過熱器控制邏輯112§5-5再熱蒸汽溫度控制策略113

再熱汽溫的控制，一般以采用煙氣控制的方式為主，這比采用噴水控制有較高的熱經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際采用的煙氣控制方式：

變化煙氣擋板位置，

煙氣再循環(huán)擺動噴燃器角度多層布置圓形燃燒器汽---汽熱交換器蒸汽旁通114一、采用煙氣擋板控制再熱汽溫的控制系統(tǒng)

采用煙氣擋板需把尾部煙道分成兩個并聯(lián)煙道，在主煙道中布置低溫再熱器，旁路煙道中布置低溫過熱器。在低溫過熱器下面布置省煤器，調(diào)溫?fù)醢鍎t布置在工作條件較好的省煤器下面。主，旁兩側(cè)擋板的動作是相反的，即再熱器側(cè)開，過熱器側(cè)關(guān)，反之亦然。115116圖.煙氣檔板控制再熱汽溫控制系統(tǒng)1171.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用煙氣擋板控制再熱汽溫的控制系統(tǒng)如左圖。2.工作原理

再熱汽溫作為主信號(被調(diào)量)，左側(cè)通過加法器，調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)煙氣擋板，右側(cè)去調(diào)節(jié)噴水。正常時主要靠煙氣擋板來調(diào)節(jié)再熱汽溫，兩個函數(shù)發(fā)生器用以修正擋板的非線性，反相器是用以使兩個擋板反向動作(即一開一關(guān))。118二、采用煙氣再循環(huán)控制1.基本原理

利用再循環(huán)風(fēng)機(jī)從煙道尾部抽取低溫?zé)煔膺M(jìn)入爐膛底部，從而改變輻射受熱面與對流受熱面的吸收比例，以達(dá)到調(diào)溫目的。被控對象的動態(tài)特性與再循環(huán)煙氣量，煙氣抽出位置及送入爐膛位置等因素有關(guān)。一般說來，從省煤器出口抽取煙氣，把它送入爐膛底部冷灰斗，這樣的煙氣再循環(huán)能夠有效地起調(diào)節(jié)再熱汽溫的作用。119圖.煙氣再循環(huán)裝置120121

2.系統(tǒng)分析

煙氣再循環(huán)對主汽溫度產(chǎn)生正向影響，即調(diào)高再熱汽溫時，同時主汽溫度升高。另外，煙氣再循環(huán)對主汽壓力和蒸汽流量也要造成擾動。若由于某種原因再熱汽溫升高，這時起升溫作用的煙氣再循環(huán)裝置顯然是不需要投入的，只能用事故噴水進(jìn)行再熱汽溫控制。對停運(yùn)的再循環(huán)煙道來說，爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔饪赡芙?jīng)擋板縫隙倒流入再熱循環(huán)煙道而破壞設(shè)備。故在停運(yùn)時，應(yīng)自動打開熱風(fēng)門，引入壓力稍高的熱風(fēng)將煙道封鎖，以防高溫爐煙倒入。

1221233.工作過程

（1）再熱汽溫與給定值的偏差進(jìn)入調(diào)節(jié)器，然后經(jīng)加法器和手/自動平衡組件改變再循環(huán)煙氣量以控制再熱汽溫，在加法器中引入送風(fēng)量信號V和再熱循環(huán)煙氣量信號VG作為前饋控制信號。送風(fēng)量V反映了鍋爐負(fù)荷的大小，同時能提前反映汽溫的變化，V增加時，汽溫升高，故V按負(fù)向送入加法器。124

（2）函數(shù)發(fā)生器用以修正風(fēng)量和再循環(huán)煙氣量之間的關(guān)系。風(fēng)量增加時，相應(yīng)的煙氣再循環(huán)量應(yīng)減少。乘法器采用煙溫信號修正循環(huán)煙量。（3）當(dāng)再熱蒸汽超溫時，比較器輸出負(fù)值。調(diào)節(jié)器輸出負(fù)信號關(guān)煙氣再循環(huán)擋板，煙氣再循環(huán)失去調(diào)溫作用。同時兩個反相器將有正輸出，右側(cè)將打開噴水控制，左側(cè)打開熱風(fēng)門，用熱風(fēng)將循環(huán)煙道封住，防止高溫爐煙倒入再循環(huán)煙道，燒壞設(shè)備。125三、采用擺動燃燒器角度即通過改變?nèi)紵鲀A斜角度來改變爐膛火焰中心的位置和爐膛出口的煙氣變化，達(dá)到控制再熱汽溫的目的。燃燒器上傾時可提高爐膛出口煙氣溫度，燃燒器下傾時可以降低爐膛出口煙氣溫度，因此改變?nèi)紵鲀A角能夠控制再熱汽溫。例如低負(fù)荷時可通過上傾燃燒器來提高再熱汽溫使其維持給定值。126燃燒器擺動角度對爐膛出口煙溫的影響如圖所示。127128129四、汽—汽熱交換器再熱汽溫控制

采用汽—汽熱交換器進(jìn)行再熱汽溫控制是屬于蒸汽旁通的一種，它是在爐外設(shè)置一組用一次蒸汽來加熱再熱汽的熱交換器，利用三通閥改變流經(jīng)熱交換器的再熱蒸汽量來控制再熱汽溫。汽—汽熱交換器的調(diào)整范圍很小，還必須輔以噴水。130131它如同一根粗的U形管筒，中間細(xì)管內(nèi)流經(jīng)過熱蒸汽，外部粗筒流過再熱蒸汽，利用三通旁路閥調(diào)整流過熱交換器中再熱蒸汽的流量，即可控制再熱汽溫。1、粗調(diào)再熱汽溫由于汽一汽熱交換器的滯后和慣性較大，它的調(diào)溫幅度不大，故在此將它作為一粗調(diào)再熱汽溫的裝置。采用主蒸汽流量作為導(dǎo)前信號有助于克服被控對象的滯后和慣性，因此在粗調(diào)系統(tǒng)中，采用主蒸汽流量和再熱器減溫水量這兩個信號至加法器∑中，經(jīng)調(diào)節(jié)器PI去控制三通閥，函數(shù)模塊f1（x）、f2(x)是用來修正主蒸汽流量和噴水量的比值關(guān)系的。1321332、細(xì)調(diào)再熱汽溫再熱器的噴水只是作為再熱汽溫的細(xì)調(diào)手段。采用串級控制系統(tǒng)時，為了保證再熱器出口汽溫θ2調(diào)整平穩(wěn)，取噴水后的再熱汽溫θ1信號經(jīng)反相器-K作為主調(diào)節(jié)器PI2輸出的上、下限幅信號，這個限幅信號是浮動的。例如，當(dāng)再熱汽溫給定值增加很高時，由于PI2的積分作用，其輸出將增大，但其上限受到一定限制，相應(yīng)調(diào)節(jié)器PI3輸出減少，減少噴水量。噴水量減少后，溫度θ1首先升高，使上限限幅信號增大，PI2的輸出跟著增加，使減溫水再進(jìn)一步減少，這樣通