過熱蒸汽壓力控制設(shè)計

目錄0.研究背景及意義 21蒸汽壓力串級系統(tǒng)控制原理 32燃料流量控制器設(shè)計 42.1模糊控制器 42.2T-S模糊推理 42.3FAPID系統(tǒng) 43鍋爐蒸汽出口壓力控制方案設(shè)計 53.1內(nèi)?？刂破?53.2內(nèi)部模型辨識 54仿真驗證 65心得體會 7參考文獻(xiàn) 70.研究背景及意義工業(yè)過程中，鍋爐蒸汽壓力系統(tǒng)由于模型不確定、滯后及非線性特性，在-定程度上影響了其有效控制。采用常規(guī)PID方法，需要根據(jù)工程經(jīng)驗對可調(diào)參數(shù)進行實時調(diào)整，控制效果存在滯后，容易引起失控。因此，學(xué)者們針對CFB循環(huán)流化床鍋爐建立了純模糊控制系統(tǒng)并加以驗證，然而純模糊控制算法極度依賴經(jīng)驗，確定模糊規(guī)則表難度大。有人采用改進蟻群算法對船舶鍋爐蒸汽壓力系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，算法較PID控制更為優(yōu)越，但該算法耦合性強，實現(xiàn)復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]提出在鏈條爐蒸汽壓力系統(tǒng)中采用基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，該方案僅在理論和仿真層面驗證了其有效性，實驗過程中系統(tǒng)調(diào)試難度大。為尋找既能滿足控制需求、又能適應(yīng)于工業(yè)實際中的有效控制算法，文獻(xiàn)[7]針對加熱爐溫度串級時滯系統(tǒng)設(shè)計了常規(guī)IMC—PID方法，實驗表明控制效果優(yōu)于PID控制。鍋爐蒸汽壓力系統(tǒng)屬于時滯系統(tǒng)，因此可將該方案改進后引入到過熱蒸汽出口壓力控制中。將常規(guī)IMC．PID算法加以改進，采用三自由度內(nèi)模-模糊自適應(yīng)PID控制，簡稱TDFIMC—FAPID。該方法用FAPID替代常規(guī)PID，用TDFIMC替代常規(guī)IMC，有效地消除了外在干擾的影響，改善了系統(tǒng)的魯棒性能和目標(biāo)跟蹤性能。

1蒸汽壓力串級系統(tǒng)控制原理鍋爐蒸汽出口壓力系統(tǒng)通常采用串級回路，通過調(diào)節(jié)燃料量的方式來改變蒸汽壓力大小，主要受燃料量波動與蒸汽負(fù)荷變化的干擾。副回路的粗調(diào)可將燃料波動等于擾盡可能地加以消除；此外，引入副回路可以代替副對象，減小系統(tǒng)被控對象的時間常數(shù)，從而使系統(tǒng)動態(tài)特性越好，抗干擾能力也越強。鍋爐蒸汽出口壓力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中副變量為燃料流量，主變量為過熱蒸汽出口壓力。副控制器采用FAPID控制，以消除副回路中的主要干擾；主控制器由TDFIMC構(gòu)成，用最小二乘法建立其數(shù)學(xué)模型后，通過TDFIMC算法可消除系統(tǒng)過熱蒸汽壓力大滯后的影響。分別表示燃料量、空氣量、過熱蒸汽出口壓力的設(shè)定值與測量值。圖1

2燃料流量控制器設(shè)計2.1模糊控制器模糊控制器具有不依賴系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)參數(shù)變化及負(fù)荷擾動不敏感，魯棒性能較PID更好的特點。為滿足控制過程中的精度要求、方便算法實現(xiàn)，文中采用二維模糊控制，選用T-s模糊規(guī)則。二維模糊控制器的輸人選擇燃料量的偏差及其偏差變化率EC、E與EC的論域分別取XE={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，0，1，2，3，4，5，6}和XEc={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊語言分別取{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}和{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。2.2T-S模糊推理為設(shè)計方便，模糊控制器將清晰化環(huán)節(jié)并入到模糊推理中，使控制器的輸出為精確量，即采用T-s型模糊控制，其模糊規(guī)則如下，分零階與-階兩種類型。零階T—s型規(guī)則中，h(e)為常數(shù)；一階T-S型規(guī)則中，us=P×e+q×+r為連續(xù)函數(shù)，P、q、r均為常數(shù)；A和取三角隸屬函數(shù)，i=1，2，?，／'t。則系統(tǒng)總的輸出如下：2.3FAPID系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID方法較一般的自校正PID算法及模糊自整定PID算法工作量小，便于建立模糊規(guī)則。FAPID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，虛線框內(nèi)為模糊自適應(yīng)部分FAC。系統(tǒng)在無外界干擾作用下先對PID參數(shù)進行整定，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)突加干擾或改變負(fù)荷時，F(xiàn)AC部分實時調(diào)整PID參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)快速穩(wěn)定地輸出。因此，文中應(yīng)采用一階T．S型模糊控制，實現(xiàn)PID參數(shù)實時調(diào)整的目的。圖2

3鍋爐蒸汽出口壓力控制方案設(shè)計3.1內(nèi)?？刂破鲀?nèi)?？刂谱鳛楣I(yè)中一種有效的控制手段，其設(shè)計簡單，參數(shù)整定方便，不能兼顧系統(tǒng)抗干擾和給定值跟蹤性能L1。二自由度內(nèi)?？刂仆ㄟ^兩個參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤與抗干擾特性，改善了系統(tǒng)性能。然而，二自由度內(nèi)模控制的反饋環(huán)節(jié)無法兼顧系統(tǒng)抗干擾性和參數(shù)魯棒性，為此，本文采用三自由度內(nèi)?？刂芓DFIMC，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.2內(nèi)部模型辨識針對鍋爐蒸汽壓力系統(tǒng)，選取操縱量為燃料流量，被控量為過熱蒸汽出口壓力；采用一階慣性加滯后環(huán)節(jié)的模型來模擬主蒸汽壓力對象。式中，為過程穩(wěn)態(tài)增益；T為時間常數(shù)；為純滯后時間。文中采用階躍響應(yīng)法采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并用最小二乘法進行參數(shù)辨識。即在零初始時刻加入幅值為0的階躍輸人／2()，時刻過程的增量輸出。式中，(t)為Y(t)的白噪聲，對其進行積分，可得：鍋爐過熱蒸汽出口壓力系統(tǒng)的最終模型為：則可計算出內(nèi)?？刂破?4仿真驗證對IMC及3種算法的抗擾性及魯棒性進行仿真分析與比較，如圖4所示。(a)兩種IMC抗擾性與目標(biāo)跟蹤特性比較(b)TDFIMC系統(tǒng)魯棒性分析(c)3種算法抗干擾能力分析(d)3種算法系統(tǒng)魯棒性能分析圖4圖4(a)所示為二自由度內(nèi)?？刂芓OFIMC與三自由度內(nèi)?？刂芓DFIMC的抗擾性與目標(biāo)跟蹤特性比較曲線。圖中，隨著β增大，TOFIMC與TDFIMC的目標(biāo)跟蹤特性均變差；隨著α減小，其抗干擾能力均增強，TDFIMC的抗干擾能力明顯更強。且α、β互不構(gòu)成影響。圖4(b)所示為三自由度內(nèi)?？刂启敯粜阅鼙容^曲線，其中β=4，曲線從上往下依次為：，α1=1／3，α2=2；α1=2／3，α2=2；α1=1／3，α2=1；α1=2／3，α2=1?？梢姡S著α增大，系統(tǒng)魯棒性能變差。圖4(c)所示為系統(tǒng)對象與模型匹配時串級PID、IMC—PID與TDFIMC—FAPID的控制仿真曲線。60s時在外回路加20％的擾動，IMC．PID與TDFIMC．FAPID較PID能更快速平穩(wěn)，即IMC抗擾動能力更強。100s時在內(nèi)回路加20％的擾動，TDFIMC．FAPID的曲線無明顯波動，說明FAPID抗干擾能力強于普通PID。圖4(d)所示為系統(tǒng)對象與模型不匹配時串級PID、IMC-PID與TDFIMC—FAPID的控制仿真曲線。由圖可知，變參數(shù)時，TDFIMC—FAPID相對于IMC．PID和串級PID的控制曲線動態(tài)特性和穩(wěn)定性更好，即TD．FIMC—FAPID具有更好的系統(tǒng)魯棒性能。5心得體會本次課設(shè)，采用三自由度、內(nèi)?？刂?、模糊自適應(yīng)PID算法，通過最小二乘原理辨識主蒸汽壓力對象的內(nèi)部模型，實現(xiàn)對蒸汽出口壓力系統(tǒng)的串級控制。對于專業(yè)基礎(chǔ)有了更好的學(xué)習(xí)和認(rèn)識。參考文獻(xiàn)[1]王景友,林正頎,于邦玲,等.過熱蒸汽的監(jiān)測與控制系統(tǒng)[J].自動化與儀表,1988(03):8-1