电厂锅炉燃烧系统的模糊免疫PID控制

　第 25 卷 第 5 期 　2005 年 10 月 动 　力 　工 　程 Vol . 25 No. 5 　 Oct . 2005 　 　　文章编号 :100026761 (2005) 0520673203 电厂锅炉燃烧系统的模糊免疫 PID 控制 刘久斌1 ,2 , 　李德桃1 (1. 江苏大学 能动学院 , 镇江 212013 ; 2.南京工程学院 动力系 , 南京 210013) 摘　要 : 讨论了单元机组采用炉跟机负荷控制方式时的锅炉燃烧控制系统 ,针对风扇磨直吹制锅 炉汽压调节对象惯性大、给煤机给煤量与控制电流呈非线性等特点 , 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了对象的数学模型 ,将高 阶惯性对象等效为带纯迟延的一阶惯性系统 ;利用借鉴生物系统的免疫机理而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出的一种非线 性控制器 ,再使用 Zadeh 的模糊逻辑 AND 操作并采用常用的 mom 反模糊化方法得到模糊控制器的 输出 f ( u ( k) ,Δu ( k) ) 。通过计算机仿真 ,给出了仿真曲线。结果表明 , 汽压系统能做到稳定性 高 ,鲁棒性强 ,调节及时 ,反应速度快 ,动态偏差小 ,无静态偏差。该分析和控制方法非常适合于燃 烧控制系统 ,控制品质好 ,符合工程实际 ,有实用价值。图 6 参 4 关键词 : 自动控制技术 ; 热工控制 ; 燃烧 ; 模糊免疫 中图分类号 : TP273 　　　文献标识码 : A Fuzzy2Immune Control of Combustion Systems of Utility Boilers LIU Jiu2bin1 ,2 , 　LI De2tao1 (1. College of Energy and Power , Jiangsu University , Zhenjiang 212013 , China ; 2. Faculty of Power , Nanjing Engineering College , Nanjing 210013 , China) Abstract : Combustion control systems of boilers in block units , which make the boiler follow the generator load , are being discussed. An analysis of the object’s mathematical model is discussed , and a system with a retardational inertia of the first order , equivalent of the object’s high order inertia , is presented , all the while keeping in mind the inertial behavior of the steam pressure of direct fired boilers fitted with fan mills , as well as the nonlinear relationship between the coal feeder’s output and the control current . A nonlinear controller is designed by making use of the immunity mechanism of biological systems , and , in a following step , f ( u , k) andΔu ( k) outputs of a fuzzy controller is obtained with Zadeh’s fuzzy logic AND , operating together with the commonly used mom defuzzy method. Following some calculation , a simulation curve is presented. Results show that the steam pressure’s control is stable and robust , regulation timely , response quick and dynamic deviations are reduced ; all without any steady state deviations. This way of analysis approach and this method of control is well applicable to combustion control systems , is featured by good control quality , meets engineering requirements , and is thus of practical significance. Figs 6 and refs 4. Key words : automatic control technique ; thermal control ; combustion ; fuzzy2immune 收稿日期 :2005202203 　　修订日期 :2005204215 作者简介 :刘久斌 (19622) , 男 ,江苏南京人 ,南京工程学院副教 授 ,江苏大学博士生 ,主要从事火电厂热控系统的教学和科研。 　　锅炉燃烧过程自动控制的任务在于使锅炉的燃 烧工况与锅炉的蒸汽负荷要求相适应 ,同时保证锅 炉燃烧过程能安全经济运行。因此 ,当锅炉的负荷 改变时需要进行燃烧调整。每台锅炉燃烧过程的具 体控制任务及控制策略因燃料种类、制粉系统、燃烧 设备以及锅炉的运行方式不同而异。燃料量控制就 是使进入锅炉的燃料燃烧所产生的蒸汽量满足的外 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 部负荷要求。燃料量控制是锅炉控制中最基本也是 最主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽 压力 ,也影响送、引风量的控制 ,还影响到汽包中蒸 汽蒸发量及汽温等参数 ,所以燃料量控制对锅炉运 行有重大影响。各种燃料控制可用图 1 简单表示。 当单元机组采用机跟炉的负荷控制方式时 ,锅炉调 节机组负荷 ,汽机调节汽压 ,直接将电网的负荷要求 N。作为锅炉负荷要求信号 ;当单元机组采用炉跟 机的负荷控制方式时 ,汽机调节机组负荷 ,锅炉调节 汽压 ,由于锅炉出口汽压是表征锅炉生产的蒸汽量 与汽机耗汽量之间的平衡指标 ,所以取锅炉出口汽 压作为锅炉负荷要求信号 ;当单元机组采用机炉协 调负荷控制方式 ,负荷控制系统 (主控系统) 的锅炉 主控信号作为锅炉负荷要求信号。本文主要讨论炉 跟机负荷控制方式时汽压调节控制系统。 图 1 　燃料量控制策略 Fig 1 　Fuel feeding control strategy 1 　锅炉汽压系统模型及分析 某电厂锅炉汽压系统可用图 2 表示 : 图 2 　锅炉汽压系统 Fig 2 　Steam pressure system of a boiler 　　常规调节 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是 :当发生扰动 ,主汽压偏离给定 值时 ,调节系统改变给煤机的控制电流 IC 进而改变 给煤量 M ,于是磨煤机输出的煤粉量也相应发生变 化 ,经分离器后 ,细度合格的煤粉由喷燃器送入炉膛 燃烧 ,从而使主汽压得到调节。可见 ,控制电流 IC 改变时 ,主汽压发生变化要经过给煤机、磨煤机、分 离器及锅炉的燃烧、热量Π汽压转换等过程 ,整体看 来调节对象属于高阶大惯性对象。另外 ,由于原煤 的物理状况变化和煤种变化等原因 ,给煤机的控制 电流与给煤量之间的关系呈非线性 ,甚至有时呈不 确定关系。某电厂给煤机的控制电流与主汽压的数 学模型如下 : W ( s) = ps ( S)Ic ( S) = 1. 5 (80 s + 1) 3 (1) 式中 　ps ———主汽压 (过热器出口汽压 MPa) , Ic ———给煤机的控制电流 (控制输出信号 mA. DC) W ( s)可等效为 G( s) : G( s) = K( Tcs + 1) e - TS (2) 对式 (1)求单位阶跃响应曲线 ,进而得 : Tc = 289 ( s) 　　T = 83 ( s) 所以 ,调节对象的等效传递函数为 : G( s) = 1. 5(289 s + 1) e - 83 S (3) 2 　模糊免疫 PID 控制 免疫是生物体的一种特性生理反应[1 ] 。生物的 免疫系统对于外来侵犯的抗原 ,可产生相应的抗体 来抵御。抗原和抗体结合后 ,会产生一系列的反应 , 通过吞噬作用或产生特殊酶的作用而毁坏抗原。生 物的免疫系统由淋巴细胞和抗体分子组成 ,淋巴细 胞又由胸腺产生的 T 细胞 (分别为辅助细胞 TH 和 抑制细胞 TS )和骨髓产生的 B 细胞组成。当抗体侵 入机体并经周围细胞消化后 ,将信息传递给 T 细 胞 ,即传递给辅助细胞 TH 和抑制细胞 TS ,然后刺激 B 细胞。B 细胞产生抗体以消除抗原。当抗原较多 时 ,肌体内的 TH 细胞也较多 ,而 TS 细胞却较少 ,从 而会产生较多的 B 细胞。随着抗原的减少 ,肌体内 的 TS 细胞增多 ,它抑制 TH 细胞的产生 ,从而 B 细 胞也随着减少。经过一段时间间隔后 ,免疫反馈系 统便趋于平衡。抑制机理和主反馈机理之间的相互 协作 ,是通过免疫反馈机理对抗原的快速反应和稳 定免疫系统完成的[2 ] 。免疫 PID 控制器是借鉴上述 生物系统的免疫机理而设计出的一种非线性控制 器 :假设第 k 代的抗原数量为ε( k) ,由抗原刺激的 TH 细胞输出 TH ( k) , TS 细胞对 B 细胞的影响为 TS ( k) , 则 B 细胞接受的总刺激为 S ( k) , S ( k) = TH ( k) - TS ( k) (4) 　　式中 　TH ( k) = k1ε( k) , TS ( k) = k2 f ( △S ( k) ) ε( k) 若以抗原的数量ε( k) 作为偏差 e ( k) ,B 细胞 接受的总刺激 S ( k) 作为控制输入 u ( k) ,则有如下 的反馈控制规律 　u ( k) = K(1 - ηf ( u ( k) , △u ( k) ) ) e ( k) = kp1 e ( k) (5) 　　式中 , kp1 = K(1 - ηf ( u ( k) , △u ( k) ) ) , K = k1 ·476· 　　　　　动 　力 　工 　程 　 第 25 卷　 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 为控制反应速度 ,η= k2Πk1 为控制稳定效果 , f ( u ( k) , △u ( k) )为一非线性函数。利用模糊控制器可 逼近非线性函数 f ( u ( k) , △u ( k) ) :每个输入变量 被两个模糊集模糊化 ,分别是“正”( P) 和“负”( N ) ; 输出变量被三个模糊集模糊化 ,分别是“正”( P) 、 “零”( Z) 和“负”( N ) ;以上隶属度函数都定义在整 个 ( + ∞, - ∞)区间。模糊控制器采用以下规则 : (1) if u is P and △u is P then f ( u , △u) is N (2) if u is P and △u is N then f ( u , △u) is Z (3) if u is N and △u is P then f ( u , △u) is Z (4) if u is N and △u is N then f ( u , △u) is P 在各规则中 ,使用 Zadeh 的模糊逻辑 AND 操作 并采用常用的 mom 反模糊化方法得到模糊控制器 的输出 f ( u ( k) , △u ( k) ) 。 常规增量式 PID 控制器离散形式为 : 　u ( k) = u ( k - 1) + △u ( k) (6) 　△u ( k) = kp ( e ( k) - e ( k - 1) ) + ki e ( k) + kd ( e ( k) - 2 e ( k - 1) + e ( k - 2) ) = kp ( ( e ( k) - e ( k - 1) ) + kikp e ( k) + kd kp ( e ( k) - 2 e ( k - 1) + e ( k - 2) ) ) (7) 　　式中 , kp , ki , kd 分别为比例、积分和微分系数。 基于免疫反馈原理的控制器实际上就是一个非线性 P 控制器 ,其比例系数 kp1 = K (1 - η f ( u ( k) , △u ( k) ) ) , kp1 随 PID 控制器输出 u ( k) 及其增量 △u ( k)变化而变化 , K 为增益 ,则免疫 PID 控制器的输 出为 　u ( k) = u ( k - 1) + kp1 ( ( e ( k) - e ( k - 1) ) + kikp e ( k) + kdkp ( e ( k) - 2 e ( k - 1) + e ( k - 2) ) ) = u ( k - 1) + kp1 ( ( e ( k) - e ( k - 1) ) + KIe ( k) + KD ( e ( k) - 2 e ( k - 1) + e ( k - 2) ) ) (8) 式中 : KI = ki kp ; KD = kd kp 3 　汽压控制和仿真 汽压控制系统框图如图 3 所示[3 ,4 ] 。 图 3 　汽压控制系统方框图 Fig 3 　Block diagram of a pressure control system 　　模糊推理控制器以·u 和Δu 作为输入 ,PID 参 数作为输出。利用上述模糊规则在线对 PID 参数进 行修改 ,PID 算法取式 (8) , 便构成了免疫模糊控制 系统。对上述系统进行编程仿真计算 ,取采样时间 为 4s , K = 0. 1 ,η= 0. 8 ,输入信号 Pso 为单位阶跃信 号 , KI = 0. 55 , KD = 2. 4 仿真结果为 :免疫 PID 控制 kp1 的变化如图 4 所示 ,免疫 PID 控制汽压 Ps 的阶 跃响应图 5 所示。另外 u、Δu 和 f ( u ( k) , △u ( k) ) 的隶属函数曲线由于篇幅关系略。 　　为验证控制系统的鲁棒性 ,在上述同样情况下 在时间 800s 瞬间加一幅值为 1 的干扰 ,结果响应曲 线很快恢复平稳 ,其响应曲线如图 6 ,可见鲁棒性 强。 图 4 　免疫 PID 控制 kp1 的变化 Fig 4 　kp1 variation of fuzzy2immune control 图 5 　免疫 PID 控制汽压 Ps 的阶跃响应 Fig 5 　Step response of fuzzy2immune controlled pressure Ps 图 6 　扰动时免疫 PID 控制汽压 Ps 的阶跃响应 Fig 6 　Step response of fuzzy2immune controlled pressure Ps in case of some disturbance 4 　结　论 (1) 风扇磨直吹制锅炉汽压调节对象惯性大、 给煤机给煤量与控制电流呈非线性 ,可以将其视为 非线性问题 ,模糊免疫控制是一种可选的理想设计 方法。 (下转第 697 页) ·576·　第 5 期 刘久斌 ,等 :电厂锅炉燃烧系统的模糊免疫 PID 控制 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 5 　振动监测系统图 Fig 5 　The vibration monitoring system 由。这样的设计思路只能作为一种巡测系统 ,但是 作为一套在线长期监测系统 ,它一定需要传感器处 于在线工作状态 ,这样电池的耗电太大 ,经计算和实 验 ,我们发现电池只能维持 20 d 左右 ,这样频繁更 换电池也是一件很麻烦的事情 ,所以我们正在研制 在传感器的基础上增加一套振动能量转换为电能的 电路 ,充分利用传感器安装在振动体上的特点 ,将振 动能转化为电能 ,这样将从根本上解决电池的问题 , 从而实现长期的实时监测。 目前实现无线通讯的方式很多 ,我们最后选定 采用蓝牙技术实现无线通讯的理由如下 : (1) 蓝牙技术的通讯距离为 20 m ,相对来说信 号较弱 ,可以避免可能对其他系统产生干扰 ,但我们 可以采用中继功能实现超过 20 m 的远距离传送。 (2) 由于蓝牙技术采用 GFSK跳频技术和时分 双工 (TDD)技术 ,增加了信道保密度 ,避免了其他无 线信号对它的干扰 ,提高了监测系统的安全性和可 靠性。 (3) 蓝牙技术数据的传输率为 1 MbΠs ,这样高 的传输速率可实现振动波形的传输而使波形不失真 (香农定理规定了波形不失真的采样定理) ,以便计 算机进行振动频谱分析和故障诊断。 上述几大优点 ,使基于蓝牙技术的无线振动测 量具有了广泛的应用前景。 参考文献 : [1 ] 　严紫建 ,刘元安 . 蓝牙技术 [M] . 北京 :北京邮电大学 出版社 , 2001 年 [2 ] 　李朝青. 无线发送Π接收 IC 芯片及其数据通信技术选 编[M] . 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 2003 年. [3 ] 　朱 　刚 ,谈振辉 ,周贤伟. 蓝牙技术原理与协议 [M] . 北京 : 清华大学出版社 , 2002 年. [4 ] 　陆文华 ,程卫国 ,钱安家 . 汽轮机监视保护仪表 (TSI) 的 发展和建议[J ] .动力工程 ,1998 ,18(2) :11～15 [5 ] 　陆文华. 汽轮机监视保护仪表 ( TSI) 的开发与研究 [D] . 上海理工大学硕士论文 , 2003 年. (上接第 675 页) 　　(2) 模糊免疫控制方法科学合理 ,整定和仿真 简便易行。 (3) 最终组成的控制系统 ,控制质量好 ,鲁棒性 强 ,汽压系统能做到稳定性高 ,调节较及时 ,反应速 度较快 ,动态偏差小 ,无静态偏差 ,能够满足工程要 求 ,有实用价值。 参考文献 : [1 ] 　Jerne NK. The immune system [J ] . Scientific American , 1993 ,229(1) :52～62. [2 ] 　De Castro L N ,Zuben F J V. Artificial immune system :part 12basic theory and application [ R] . Technical Recort ,Tr2Dca 01Π99 ,1999. [3 ] 　丁轲轲 ,刘久斌 ,等. 热工过程自动调节 [M] . 北京 :中 国水利电力出版社 ,2000. 8. [4 ] 　李士勇 .模糊控制、神经控制和智能控制 [M] . 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社 ,1998. ·796·　第 5 期 陆文华 ,等 :一种新型的用于电厂辅机系统的无线振动监测系统 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.