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第4期 2016年4月 机械设计与制造 Machinery DesgnManufacture 265 锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计与仿真 刘丽桑,张锦枫 (福建工程学院福建省数字化装备重点实验室,福建福州350118) 要:过热蒸汽温度的高低直接影响着火电机组的安全性和经济性。由于过热蒸汽温度对象具有非线性、时变等复杂 特性,设计了一种采用模糊PID控制策略的串级控制方案,分析了锅炉过热蒸汽温度在不同扰动作用下的动态特性,设 计了FUZZY—PID控制器,对PID控制器参数进行了整定,并对FUZZY-PID控制器和常规控制器的控制效果进行了仿真 比较,最后利用组态王Kingview开发了相应的过热蒸汽温度监控系统。结果表明,FUZZY—PID自适应能力强,提高了系 统对非线性、时变性和不确定性等的处理能力,改善了控制效果,具有更好的动态特性。 关键词:过热蒸汽;温度控制;FUZZY-PID;串级控制;Kingview 中图分类号:TH16;TP368.1;TK3 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2016)04—0265—03 Design and Simulaton of Boier Superheated Steam Temperature Contol System LIU Li—sang,ZHANG Jin-feng (Key Laboraty ofDigial Equipment,Fujn Universiy ofTechnology,Fujan Fuzhou 350118,China) Absract:The temperur fsuperheaed steam diecty fect he safety and economy he ermalpower uni.Because o he nlnear and me-varying characterstcs superheaed  emperure,a caca contol chem wih FUZZY—PID ontol stgy i prposed,and t dynami chaacterst oft boier superheaed stam temperure under dierent 如turbance a analyzed ̄The FUZZY-PID contoler  designed.and he simulon PID parameter uning  carred out by MATLAB.T contol ect FUZZY-PID contoler  simulated d compaed wih convennal contoler.Findly,a moniored control system i developed by Kingview.Te resuls show that te FUZZY-PID conroller not only improves the ystem o onlnea,tme variabiy and ce , 桫processing capaciy,but also has beter e L adaptve cay ad bettr dynami chaerstis. Key Words:Superheated S ̄am;Temperature Control;FUZZY-PID;Cascade Control;Kingview 1引言 2过热蒸汽温度的动态特I分析 锅炉设备所供应的蒸汽的温度或压力应当生产或负荷要 2.1蒸汽流量扰动下的动态特性 求,过热蒸汽温度是衡量锅炉能否正常运行的重要指标,也是生 要改变蒸汽流量则需改变锅炉负荷,锅炉负荷增加会使得 产机组安全、高效、经济运行的主要参数。温度控制的效果好坏直 蒸汽流量增大,反之则减小。过热器在受到蒸汽流量扰动时其内 接决定了机组的安全系数及其效率高低。据估计,一般汽温每降 部汽温的变化是较为一致的,出口汽温变化的迟延较小,迟延时 低(5~IO)C,效率就降低约1%,因此严格控制过热汽温在给定值 间r约为20s,具有较良好的动态特性。但实际运行中,蒸汽负荷 附近是大型火电机组运行的重要任务之一[ 是变化的,因此不宜用来控制过热汽温。 过热蒸汽温度控制中,被控对象具有非线性、时变性、滞后 2-2烟气传热量扰动的动态特性 性等特点日,控制起来比较困难,因此也产生了多种不同的控制方 烟气温度和流速受到多种因素的影响,例如燃烧情况或者 法。虽然已有些文献对此问题作出研究B但现场热蒸汽温度调 送风量的改变都会使得烟气温度和流速发生变动,进而改变之后 节的滞后性和稳定性仍没有较好解决。在常规PID串级控制基础 环节的热交换状况而使得过热汽温发争变动。烟气传热量的变化 上,利用模糊控制器来修正PID控制参数,提高了系统对非线性、 可直接左右整个过热器的热交换变化情况,所以在烟气传热量扰 时变性和不确定性等的处理能力,改善了控制效果。 动下过热汽温的变化迟延f一般为(15~25)s,动态特『生较为理 来稿日期:2015—08-05 基金项目:科研启动基金(GY.Zl2079) 作者简介:刘丽桑,(1984-)女,福建莆田人,博士研究生,讲师,主要研究方向:工业自动化、智能算法; 张锦枫,(1991一),男,福建莆田人,本科,主要研究方向:电气自动化 
266 刘丽桑等:锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计与仿真 第4期 想。因此,烟气侧的扰动可以作为一种有效控制途径来控制过热 图中:R (s)一给定值,即设定的过热汽温值; :s)—主控制器输出 汽温,但是以锅炉设备目前的设计、制造和应用水平而言,实现该 控制途径还有一定的难度。 信号,即副控制器给定信号;Y。s)—被控过热汽温值;Y:s) 为副回路输出信号;W (s)和W s)~主、副控制器;W s) 和W (s)一主、副变送器;W。。(s)—过热器;w (s)—减温 器。各环节传递函数如下l 2.3减温水扰动下的动态特性 在减温水量扰动情况下,一般锅炉的过热汽温动作迟延时 间 约为(30—60)s,时间常数 约lOOs。在实际生产运行中,考虑 到安全等因素,不允许过热汽温有较大幅度和频繁的变化,通常限定 其与设定值的暂态偏差值在(±1O)℃以内,长期偏差值在(±5)C以 内。综上,过热汽温控制对象在各种扰动的作用下都具有较大延 ㈥= ( 寺) s) 1 ㈩ 2) 迟和惯性,且最终能够达到自平衡,只是迟延时间 r和时间常数 有所不同。但蒸汽流量作为既定参数不能作为控制对象,而在 实际生产中改变烟气传热量也还具有一定难度。因此喷水式减温 是最为合理的汽温控制实现方式。 3采用模糊PID控制策略的串级控制系 允议1=_ 对于现代大型锅炉,由于过热器管道普遍较长、结构较为复 杂,通常采用两级或者多级控制系统来保证控制效果。这里的控 制系统选择减温器后即过热器入口前汽温作为内环反馈信号,过 热蒸汽温度作为外环反馈信号。串级汽温控制方案,如图1所示。 温 图1过热蒸汽温度串级控制方案 Fig.1 Superheated Steam Temperature Control System 3.1控制系统框图和传递函数 由上述控制方案可确定串级过热汽温控制系统框图及其传 递函数,如图2、图3所示。 图2过热蒸汽温度控制系统框图 Fig.2 Block Diagram of Superheated Steam Temperature Control System 图3过热蒸汽温度控制系统传递函数 Fig.3 Transfer Functon of Superheated Steam Temperature Control System w (s): s)=1 3) Wol(s)= 4) (5) 3.2控制器参数整定 式(1)及式(2)中的参数还需整定,因此采用工程上的衰减 曲线法啊主副控制器参数进行整定。首先在Matab/Simulnk ̄中 建立副回路的仿真框图,如图4所示。 图4副回路仿真框图 Fig.4 Simulaton of Sub Lo0p 对设定值做单位阶跃变化并观察系统响应情况,并相应调 整6值。当仿真结果满足副回路的整定衰减率 =0.75时,可得副 控制器的参数为:62=0.4。副回路整定完成后,将其作为一个环节 代入主回路。主回路仿真图,如图5所示。 图5主回路仿真框图 Fig.5 Simulation of Main Loop 将PID控制器的初始比例带艿置于较大数值,积分时间 = 微分时间 =0,开始仿真。同样地,对设定值做单位阶跃变化 并观察系统响应情况,并相应调整6值。当仿真结果满足衰减率 -0.75时,可得 I=O.48, l_55。 4 FUZZY—PID控制器设计 模糊控制器由于具有快速跟踪特陛,非常适合于对大唳性、大 滞后的非线性被控对象进行控制。采用Fuzzv_PID控制器的锅炉过 热蒸汽温度控制系统仿真图,如图6所示。图中输入信号分别为实 际出口蒸汽温度与设定值的偏差e及偏差的变化率ec,模糊控制 器输出信号分别为PID控制器中的增量△^ AK,和△KD。输入输 出变量的量化域内取7个模糊子集:PB,PM,PS,ZO,NS,NM和 NB,分别对应正大、正中、正小、零、负小、负中和负大。各变量的隶 属函数均采用三角函数。根据操作人员的锅炉运行经 T以建立 如下模糊控制规则查询表,如表1 ̄表3所示。解模糊选用最大隶属 度平均值法。 
No.4 Apr.2016 机械设计与制造  常规PlD 267  , x| ” “ 。“… 厶一:  图6 FUZZY—PID锅炉过热蒸汽温度控制系统仿真图 Fig.6 Simulaton of Superheated Steam 冈7 FUZZY—PID串级控制系统Lj常规串 级控制系统输 响应曲线对比 Fig.7 Comparison of Output Response Cu ̄es Temperature Control System with FUZZY—PID Between FUZZY—PID and Tradional PID 表1 K 模糊规则表 Tab.1 Fuzzy Control Rule of KP 从图7中的响应曲线可以看}J,常规PID控制器的调节效果 较差,超调量较大,振荡较厉害,动态过渡时间较长.大约需300s 左右才能进入稳态,虽然具备消除静差的能力,但动态性能仍有 待进一步改善。使用FUZZY—PID的串级控制系统比常规PID串 级控制的调节效果理想得多,在扰动作用下.其综合控制品质指 标都比较高,动态过渡过程时间比较短,基本上可以消除振荡,超 调量几乎可以忽略。 5.2组态界面 使用组态王软件1开发了相应的过热蒸汽温度监控系统,在 系统中可方便的输入参数、监测汽温变化;并具有报警输H{和事 件记录功能。开发界面,如图8所示。 图8锅炉过热蒸汽温度监控界面 Fig.8 Monitoring Interace of Boiler Superheated Steam Temperature 6结论 在常规PID控制器基础上,加入了模糊控制规则来对控制参 数进行自适应调整以满足实时控制需求。设计的FUZZY—PID控制 系统采用串级控制方案,整定了主副控制器参数,加快了调节速度. 大大减少了超调量,且克服干扰能力强,控制效果得到明显改善。仿 真结果验证了该FUZZY—PID复合系统适用于锅炉过热蒸汽温度 这种大滞后非线性对象的控制,提高了过热蒸汽的品质。 参考文献 [I]王建国.孙灵芳,张利辉.电厂热T过程自动控制[M]北京:中国电力 出版社,2009. (Wang Jian—gu0,Sun Ling-fang,Zhang Li—huiAutomatc Control of 5结果分析 5.1仿真实例 据生产经验,副回路主要扰动为减温水扰动.主回路主要扰 动为燃烧率扰动。过热蒸汽温度控制要求为(540 ̄5)℃。在t=800s Thermal ProcessinPowerPlant[M].Beijing:ChinaElectric PowerPress. 2009. 2]韦庆志,李正明,孙俊.基于模糊自适应PID控制的锅炉过热蒸汽温度 控制系统[J]机械设计与制造,2010(7):73—175. (Wei Qing—zhi.Li Zheng—ming.Sun Jun.Temperature Control System of Superheated Steam of Boier based on Fuzzy Self-adaptve PID Control 时引入主回路燃烧率扰动和副回路减温水扰动量化值均为50) 主控制器初始参数为:Ke=2.083,g ̄O.038, =0。仿真所得曲线, 如图7所示。 J]MachineyDesgnManufcture,2010(7):173—175. (下转第272页) 
No.4 272 机械设计与制造 2000,14(4):61-64. Apr.2016 5结论 
(1)分析了再制造成本的构成要素、影响因素及其特点,针 (Xu Rui-Hong,Gu Pet-Liang.The product cos prediction based on BP neur etwork[J]Journa ndus Enneeng,000.4(4):61 64. 预测模型研究[J].项目管理技术,2013,11(5):57-62. Lu Hong-MetWang Xue—Qing.Reeah n  prdion model of he project cost based on he fuzzy pattern recogniton and BP neura network 对再制造成本具有随机性、不确定性、事前未知性及可用数据样 6]陆红梅,王雪青.基于模糊模式识别和BP神经网络的工程项目成本 本有限的特点,采用了适合解决小样本、不确定性、非线性等问题 的支持向量机算法,构建了以可再制造零部件的比率A— 替换 零部件的比率A k 以及再制造技术.生指数肛为输入,再制造成 本为输出的支持向量机再制造成本预测模型。 (2)根据获取的样本数据,利用MATLAB工具对所建立的支 [J].ProjectManagementtechnology,2013,11(5):57-62.) 7]洪杰,韩磊,苗学问.基于支持向量机的滚动轴承状态寿命评估[J] E 京航空航天大学学报,2010,6(8):96—899. (Hong Jie,Han Let.Miao Xu ̄-wen.Assessment based on support vector machine or ng bearng de-le[J]Jour fBeing univery  式变速箱的再制造成本预测是可行的,并与BP神经网络预测模 AeronaucsandAsonauts,2010,36(8):896—899. 8]胡金海,谢寿生,骆广琦.基于支持向量机方法的发动机性能趋势预测 型预测结果相比,如表3所示。支持向量机预测值的平均相对误 持向量机预测模型进行训练和验证,证明了支持向量机用于机械 差只有2.74%,最大相对误差为11.96%,相对误差超过10%的只 J]推进技术,2005,26(3):260—264. (}IuJin—Hat,XieShou-Sheng.Studyofsupporvectormachinesfraero— 有1个,而BP神经网络预测值的平均相对误差为7.47%,最大相 对误差高达19.07%,相对误差超过10%的有5个,故得出对于小 engnepermancetendforasng[J]Journalofpropulontchnoog 2005.26(3):260-264.) (Shen Li-yanaqesearch of evaluation he remaufacturabiity of eleetrom— 9]申立艳.机电产品的可再制造性评价研究[D]济南:山东大学,2008. 样本数据,支持向量机比BP神经网络预测结果更准确,预测精 度更高,能有效地克服再制造成本样本数据不足的问题。 制造成本的准确预测,能为再制造决策者提供决策依据,进而做 出正确的决策以实现企业经济效益最大化,同时该预测模型还可 以推广到其他机电产品再制造成本的预测。 ec-hanicalproducts lD Jina:ShandongUniversiy,2008. (3)再制造成本是再制造决策的主要依据之一,因此,对再  10  Erik Sundin,Ber Bras.Making functonal sales environmentally and economica benefci hrough prduct emanufacng【J]doumal  CleanerProducton,2005(13):913—925. [11]张国庆,荆学东,浦耿强.汽车发动机可再制造性评价【J]中国机械工 程,2005,16(8):739-742. (ZhagGuo-qing,JingXue-dong,PuGeng-qiang.AssessmentonRem- 参考文献 [1]Gabreth M R.Managing condiion variabiliy in remanufacturing[D]. Tennessee:Vanderbih Universiy,2006. nufacurbiy ofthe Automobi EngnesJ]China Mechan Engn— eerng.2005,16(8):739—742.) 2]Feer G,Swaminathan  M.Managing new nd manucturd produc [12]BingDong,ChengCao,StewEagLee.Applying support vectormachines J]ManagementScence,2006,52(1):-14.  prdi buiding ene onsumptn n pial n J]Ene d 3]李新军,达庆利.再制造成本随机分布的生产优化问题研究 ]控制 Buildings,2005(37):545-553. 与决策,2008,23(1):41-45. [13]林升梁,刘志.基于RBF核函数的支持向量机参数选择[J]浙江工业 (Li Xin-jun,Da Qing-liMonopoly production optimization problem for 大学学报,007,25(2):163—167. (LinSheng-Liang,Liu Zhi.Parameter selection in SVM wih RBF kerel manucturng os wih ochas dibutn[J]Contol and Decn, 2008,23(1):41-45.) uncn[J]Journa fZheg Univey fTechnoy,2007,25(2): 163—167. 4]刘志峰,毕道坤,刘涛.基于线性回归模型的机电产品再制造费用预测 J]机械设计与制造,2011(9)258—260. (Liu Zhi-feng,Bi Dao-Kun,Liu TaEstmatng or remanufacturing cost [14]李元诚,方廷健,于尔铿.短期负荷预测的支持向量机方法研究[J] _中国电机工程学报,2003,23(6):55-59. (Li Yuan-cheng,Fag Ting-jian,Yu er-keng.Study of suppor vector machines or short-trem oad forecasting lJ j.Proceedings of he CSEE, of mechaca a elecca prduct baed on lnea regessin[J] MachineryDesign&Manufacture,2011(9):258—260.) 5]胥悦红,顾培亮.基于BP神经网络的产品成本预测[J]_管理工程学, 20o3.23(6):55—59.) (上接第267页) [3]董泽,刘娜,韩璞.专家整定PID控制系统的设计[J]计算机仿真, 2002,19(1):23—26. (Dong Ze,Liu Na,Han Pu.e Design of Exper Control System r PID 【J J.ComputerSimulaton,2002,19(1):23—26.) 7]王丹力.MATLAB控制系统设计、仿真、应用[M]北京:中国电力出版 社,2007. (Wag Dan-li.MATLAB Control System Design,Simulation d Applica— 4]沈凯,陆继东,陈 l顷.专家控制在循环流化床锅炉燃烧控制系统中的 应用[J]_动力工程学报,2003,23(4)2557—2559. (Shen Kai,Lu Ji-dong,Chen Jiao—shun.Applicaton of Exper Control System in Combustion Control for Circulatng Fluidized Bed Boier【J J. PowerEngneerng,2003,23(4):2557—2559.) on[M]Beg:ChinaElec PowerPrs,007. 8]黄卫华.模糊控制系统及应用[M] B京:电子工业出版社,2012. Huag Wei-huaFuz Contol ysem nd Appln[M]Being:Ele— ctronic Industry Press,2012. 9]李江全.组态软件Ki·gViw从Af到监控应用50例[M]北京:电子 工业出版社,2015. 5]谷俊杰,张栾英,郄彦明.再热汽温的模糊控制[J]动力工程学报, (LI Jig-quan.50 Cases of Configuration Sofware KingView-from 1997,17(6):26—29. ntoducn  Moniorng[M]Bei“g:Elecmni ndus Prs,2015. Gu un-je,Zhang Luan-yng,Qie Yan-mingFuzzy Cont of Reheatng [1O]夏蕾,袁镇福.火电厂锅炉主汽温度控制策略研究[J]锅炉技术,2007, amTempeure[J]PowerEngneerng,1997,7(6):26-29. 38(5):6—1O, 6]潘永湘,杨延西,赵跃.过程控制与自动化仪表[M]第2版.北京:机械 (XiaLi.YuanZhen-fu.TheResearch oftheMajorTemperatureControl 工业出版社,2011. Tehnique ontheBo fPowerPlntJ].BorTechnol2007,38 (PaYong-xiang,YangYan-xi,ZhaoYue.ProcessControlandAutomation nsumentM]SecondEdiBeing:MechanialndusyPres2011. (5):6—10.) 

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