去年底,航天工業(yè)總公司在遼寧省鐵法市召開(kāi)技術(shù)鑒定會(huì),對(duì)由哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于鐵法礦務(wù)局低熱值燃煤熱電廠2號(hào)鍋爐(130t/h)上的HIC—1000分散控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)鑒定。
HIC—1000分散控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)"893"智能數(shù)據(jù)測(cè)控前端,I/O站根據(jù)需要可直接布置在現(xiàn)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的物理分散。
該系統(tǒng)zui大特點(diǎn)是廣泛將模糊控制等*控制技術(shù),注入DCS系統(tǒng),成功應(yīng)用于燃用低熱值煤鍋爐和母管制系統(tǒng)中的一些大延遲、非線性、控制參數(shù)耦合等復(fù)雜控制系統(tǒng)中?,F(xiàn)將控制系統(tǒng)簡(jiǎn)要在這里作一介紹,供讀者參考。
一、控制器
HIC—1000分布式控制系統(tǒng)中采用了PID和FUZZY(模糊)兩種控制器。針對(duì)不同的過(guò)程對(duì)象,采用不同的控制器。
(1)PID控制器
PID控制器是線性控制器,適合于線性、定常、非耦合(弱耦合)系統(tǒng)。計(jì)算公式如下:
Ud=a·(Ud(n—1)+b·(e(n)—e(n—1)))
a=Td/(Kd·TK+Td),b=KP·Kd
△Up(n)=Kp·(e(n)—e(n—1))
△Ud=Ud(n)—Ud(n—1)
△Ui=KP·TK·e(n)/Ti
△Un=△UP(n)+△Ui(n)+AUd(n)
U(n)=U(n—1)+△U(n)
式中:
KP:比例放大系數(shù)
Ti:積分時(shí)間常數(shù)
Td:微分時(shí)間常數(shù)
K2:積分分離系數(shù)
TK:控制周期
Step:步長(zhǎng)限制
Sc:死區(qū)
Kd:微分放大系數(shù)
e:采樣周期內(nèi)偏差
e—1:前一步采樣周期內(nèi)偏差
Ud—1:前一步控制周期內(nèi)微分值
?。?)模糊控制器(FUZZYCONTROLER)
模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思維邏輯,對(duì)被控對(duì)象的運(yùn)行規(guī)律(往往沒(méi)有確切的數(shù)學(xué)模型)進(jìn)行總結(jié)、抽象、推理、量化,實(shí)施有效的控制。模糊控制的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué),利用模糊數(shù)學(xué)的推理理論,離線建立隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),將各種復(fù)雜的過(guò)程對(duì)象簡(jiǎn)單化。該過(guò)程要求設(shè)計(jì)人員對(duì)被控對(duì)象充分的了解,是直接的操作者,具有豐富的經(jīng)驗(yàn),才能總結(jié)規(guī)律,建立隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)在線運(yùn)行時(shí),利用計(jì)算機(jī)的高速、大容量性能,通過(guò)推理、量化運(yùn)算得到具體的控制量。模糊控制是一種非線性控制器,適合于時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。Fuzzy控制器框圖如下:
圖中:
k1,k2:尺度變換(模糊量化)的比例因子
k3:尺度變換(清晰化)的比例因子
r:參考輸入
e:實(shí)際輸入與參考輸入的偏差
e':偏差的變化量
u:經(jīng)過(guò)清晰化的控制量
FUZZY控制器主要由四部分組成:
?。?)模糊化
這部分的作用是將輸入的量進(jìn)行處理變成模糊控制器要求的輸入量。對(duì)處理過(guò)的輸入量進(jìn)行尺度變換,使其變換到各自的論域范圍,然后進(jìn)行模糊處理,并用相應(yīng)的模糊集合表示。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)。
?。?)知識(shí)庫(kù)
知識(shí)庫(kù)通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)包括各語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù),尺度變換因子以及模糊空間的分級(jí)數(shù)等。規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規(guī)則。它們反映了實(shí)際控制的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。
(3)模糊推理
模糊推理是FUZZY控制器的核心,模糊推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行。
?。?)清晰化
清晰化的作用是將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換變成表示在論域范圍的清晰量,zui后將清晰量經(jīng)尺度變化成實(shí)際的控制量。
二、給水控制回路
給水控制回路可控制汽包水位,也可控制給水流量,通過(guò)控制主給水門(mén)或副給水門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn),且都采用典型的雙環(huán)PID控制,內(nèi)環(huán)控制給水流量,外環(huán)控制泡包水位,控制框圖如圖3所示,因此共有四組PID控制器參數(shù),主給水位和主給水門(mén)兩組用于主給水門(mén)的自動(dòng)控制;副給水位和副給水門(mén)兩組用于副給水門(mén)的自動(dòng)控制。另外設(shè)有PID校正參數(shù),與PID控制器配合實(shí)現(xiàn)各種控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及控制策略的調(diào)整。
符號(hào)說(shuō)明:
sp_h:汽包水位給定值;
h:汽包水位;
sp_Dgs:內(nèi)環(huán)給水流量給定;
Dgs:給水流量;
Dq:主汽流量;
fb0:給水流量前饋系數(shù);
fbl:穩(wěn)態(tài)時(shí),fbl:Dgs—Dq;
P11:主調(diào)節(jié)器;
PI2:副調(diào)節(jié)器;
Gl:給水門(mén)特性函數(shù);
G2:汽包特性函數(shù);
三、減溫水控制回路
?。?)工藝流程圖
一、二級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工藝流程有如圖4:其中:
θ0:減溫器前溫度。
θ2:減溫器后溫度。
θ1:過(guò)熱器后溫度。
DJWS:減溫水流量。
(2)控制框圖
減溫水控制可控制減溫器出口汽溫,也可控制導(dǎo)前溫度,采用雙環(huán)PID控制,控制框圖
符號(hào)說(shuō)明:
sp_θ1:過(guò)熱器出口溫度給定值。
e1:主調(diào)節(jié)器編差。
θl:過(guò)熱器出口汽溫。
PI1:主調(diào)節(jié)器。
u1:主調(diào)節(jié)器控制輸出,作為內(nèi)環(huán)給定,
TK1:主調(diào)節(jié)器控制周期。
G1(S):主回路傳遞函數(shù)。
sp_θ2:過(guò)熱器入口溫度給定值。
e2:PI2調(diào)節(jié)器編差。
θ2:過(guò)熱器入口汽溫。
PI2:調(diào)節(jié)器。
u2:PI2調(diào)節(jié)器控制輸出。
TK2:PI2調(diào)節(jié)器控制周期,TK2=3—4TK1。
G2(S):減溫器傳遞函數(shù)。
?。?)控制方案
減溫水控制包括一級(jí)冷段甲集汽聯(lián)箱出口溫度、一級(jí)冷段乙集汽聯(lián)箱出口溫度和主汽溫度等共計(jì)三個(gè)控制回路,每個(gè)回路分別控制一個(gè)減溫水門(mén)(分別為一級(jí)減溫門(mén)甲、一級(jí)減溫門(mén)乙和二級(jí)減溫門(mén))。都采用雙閉環(huán)PID控制方案。內(nèi)環(huán)快速調(diào)節(jié):外環(huán)消除穩(wěn)態(tài)誤差,控制過(guò)熱汽溫。
針對(duì)升降負(fù)荷對(duì)主汽溫度的影響,引入“負(fù)荷變化”對(duì)主汽溫度的前饋,直接作用于內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器出口,前饋系數(shù)取為多段值,與外擾的不同類(lèi)型相對(duì)應(yīng)。該技術(shù)的采用,對(duì)于調(diào)峰機(jī)組(鍋爐)的過(guò)熱汽溫控制效果會(huì)更好。
四、吸風(fēng)控制回路
?。?)控制方案
負(fù)壓控制的難點(diǎn)在于以下兩方面:
(a)穩(wěn)態(tài)時(shí),煤質(zhì)變化、擋板特性變化以及其它外擾引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定,隨著時(shí)間的推移,系統(tǒng)的特性函數(shù)會(huì)產(chǎn)生大的變化(尤其在大修之后)引風(fēng)控制系統(tǒng)容易產(chǎn)生震蕩,造成爐膛負(fù)壓不穩(wěn)定。
?。╞)鍋爐漏風(fēng)系數(shù)隨時(shí)間的推移逐漸加大,造成煙氣含氧量增大。若負(fù)壓不穩(wěn)定(送風(fēng)門(mén)開(kāi)度不變)則引起煙氣含氧量變化,從而導(dǎo)致送引風(fēng)控制系統(tǒng)的正反饋?zhàn)饔?,系統(tǒng)發(fā)散,不穩(wěn)定。
(c)制粉系統(tǒng)的啟停及系統(tǒng)的“倒風(fēng)”操作,可能造成爐膛負(fù)壓大擾動(dòng),該過(guò)程需要快速跟蹤調(diào)節(jié)。
因此,HIC—1000分散控制系統(tǒng)中爐膛負(fù)壓采用PID與FUZZY相結(jié)合的控制方式。
符號(hào)說(shuō)明
SP_Ps:爐膛負(fù)壓給定值。
e:主調(diào)節(jié)器偏差。
Ps:爐膛負(fù)壓。
控制器:根據(jù)控制策略選擇對(duì)應(yīng)的控制器。
u:主調(diào)節(jié)器控制輸出。
u∑:總控制量輸出至引風(fēng)執(zhí)行器。
Tk:主調(diào)節(jié)器控制周期,Tkl=1~2秒。
G(s):主回路傳遞函數(shù)。
fb:前饋增量。
fbl:排粉機(jī)出口壓力前饋系數(shù)
fb2:送風(fēng)門(mén)開(kāi)度前饋系數(shù):
△Ppfj:排粉機(jī)出口壓力增量。
△Msfm:送風(fēng)門(mén)開(kāi)度增量。
?。?)Fuzzy控制參數(shù)表:
為節(jié)約內(nèi)存,對(duì)Fuzzy,表采取對(duì)稱(chēng)存貯的方法,即偏差分域正、負(fù)對(duì)稱(chēng)設(shè)置,將負(fù)偏差部分的子矩陣與正偏差部分的子矩陣實(shí)行轉(zhuǎn)置對(duì)稱(chēng)變換,存貯于同一個(gè)單元,可將由Fuzzy表的數(shù)據(jù)量減少一半,有利于提高運(yùn)行速度。對(duì)于快速及過(guò)阻尼Fuzzy控制方案,改變加權(quán)因子及Fuzzy控制周期即可,兩種控制方式共用同一矩陣表。
五、送風(fēng)控制回路
?。?)控制策略
送風(fēng)控制難點(diǎn)如下:
?。╝)國(guó)產(chǎn)鍋爐的漏風(fēng)系數(shù)隨時(shí)間的推移越來(lái)越嚴(yán)重,尤其是中小機(jī)組。漏風(fēng)造成送門(mén)開(kāi)度對(duì)煙氣氧量的變化量呈嚴(yán)重非線性關(guān)系,甚至出現(xiàn)逆關(guān)系曲線,時(shí)變特性嚴(yán)重。負(fù)壓變化導(dǎo)致漏風(fēng)量變化,zui終導(dǎo)致煙氣氧量變化。
?。╞)國(guó)產(chǎn)氧化鎬不穩(wěn)定,壽命僅半年,氧量測(cè)量誤差大,不能真實(shí)反映鍋爐的燃燒效率。因此靠氧量方法控制送風(fēng).不能達(dá)到*經(jīng)濟(jì)燃燒效果,往往導(dǎo)致送引風(fēng)控制系統(tǒng)振蕩發(fā)散,燃燒不夠。
(c)機(jī)翼測(cè)風(fēng)裝置誤差大,影響控制的準(zhǔn)確性。
綜上所述,屏棄“依據(jù)氧量控制送風(fēng)”的傳統(tǒng)控制策略,采用“風(fēng)/煤比β自尋優(yōu)”控制方案,根據(jù)鍋爐負(fù)荷及燃燒狀況,采用模糊推理邏輯在線搜索*送風(fēng)壓力值,通過(guò)控制送風(fēng)壓力間接達(dá)到控制送風(fēng)量的目的,實(shí)現(xiàn)*經(jīng)濟(jì)燃燒。
(2)風(fēng)/煤比在線自尋優(yōu)控制方案
*送風(fēng)壓力值計(jì)算過(guò)程如圖8所示
其中定值計(jì)算公式:
f(Dq)={(psfH-psfL)/(DqH-DqL)}(Dq—DqL)+psfL
式中:
psfH,psfL:送風(fēng)壓力上、下限,
DqH,DqL:鍋爐負(fù)荷上、下限,
△Psf:偏移量,司爐可通過(guò)OPU進(jìn)行決定
風(fēng)/煤比β在線自尋優(yōu)的基本原理是在負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的情況下,使給粉機(jī)轉(zhuǎn)速不變,吸風(fēng)投入自動(dòng),根據(jù)本步采樣周期的送風(fēng)壓力,控制送風(fēng)門(mén)開(kāi)度有一個(gè)改變量,在以下若干個(gè)采樣周期內(nèi)計(jì)算
DQ=Dq+Co*dPb(t)/dt
其中DQ是用蒸發(fā)量表示單位鍋爐給水容積吸熱量,單位是T/h;Dq為蒸汽流量,單位是T/h;Co是汽包的蓄熱系數(shù)。若△DQ>0,則表示當(dāng)前搜索方向是正確的,可繼續(xù)沿此方向搜索,否則應(yīng)反向搜索,搜索步長(zhǎng)的確定由模糊矩陣給定。β自尋優(yōu)過(guò)程如圖9所示。模糊自尋優(yōu)探索的起始點(diǎn)由f(Dq)+△Psf開(kāi)始(送風(fēng)壓力定值計(jì)算公式)。
其中A1,A2,…,Ai,…,A。為導(dǎo)優(yōu)過(guò)程搜索點(diǎn),人為zui后收斂點(diǎn),亦為*風(fēng)煤比點(diǎn),Stepi為第i步時(shí)的搜索步長(zhǎng)。在導(dǎo)優(yōu)搜索過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)蒸汽流量波動(dòng)較大,則停止搜索,轉(zhuǎn)入保持送風(fēng)壓力定值計(jì)算控制,同時(shí)給粉也轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制。β自導(dǎo)優(yōu)搜索周期為2小時(shí)。搜索時(shí)間為10---15min。
送風(fēng)壓力定值計(jì)算控制是一種近似*控制,其送風(fēng)壓力控制曲線Sp_Psfy1=f1(Dq)B呈線性函數(shù);而自尋優(yōu)風(fēng)/煤比控制的送風(fēng)壓力曲線Sp—psfy1=f2(Dq)是一種非線性函數(shù),是*的控制方式。在控制方式中引入主蒸汽流量微分作為前饋量,以實(shí)現(xiàn)送風(fēng)控制對(duì)負(fù)荷的快速跟蹤。
?。?)控制框圖
圖中:
e:送風(fēng)壓力偏差
u:FUZZY控制器的控制輸出,閥門(mén)開(kāi)度
G(s):送風(fēng)壓力一送風(fēng)門(mén)的傳遞函數(shù)
fb:主氣流量對(duì)送風(fēng)控制的前饋系數(shù)
Dq(t):主氣流量微分
UΣ:送風(fēng)門(mén)控制開(kāi)度輸出
psfy1:送風(fēng)壓力測(cè)量值
Sp_Psfy1:送風(fēng)壓給定值,它是鍋爐負(fù)荷、煤質(zhì)的函數(shù),隨鍋爐負(fù)荷、燃料的不同而改變;同時(shí)還與漏風(fēng)有關(guān),它可表述為
Sp_Psfy1=f(Dq(t),γ,σ)
其中丁為煤的燃燒值,口為鍋爐的漏風(fēng)系數(shù)。
Sp_Psfy1是個(gè)時(shí)變、非線性、非定常的系數(shù),由它引起的送風(fēng)、引風(fēng)控制子系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變、非線性、非定常系統(tǒng)。
六、給粉控制回路
?。?)控制策略及框圖
單爐運(yùn)行時(shí),控制主汽壓力,當(dāng)有兩臺(tái)及以上鍋爐并列運(yùn)行時(shí),可控制單爐主汽壓力,也可控制母管壓力,控制框圖如圖11。
符號(hào)說(shuō)明:
控制器1:母管壓力調(diào)節(jié)器,控制母管壓力。其輸出為并列運(yùn)行在同一母管上的所有鍋爐總負(fù)荷給定值即SP_Dq:該值反映了平衡母管壓力所必須的負(fù)荷量。
控制器2:各臺(tái)鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)器,控制對(duì)應(yīng)的鍋爐出力。其輸出為對(duì)應(yīng)鍋爐的給粉機(jī)轉(zhuǎn)速。該值反映了平衡鍋爐負(fù)荷給定所必須的給粉機(jī)轉(zhuǎn)速。
a1、a2、a3:1#—3#鍋爐負(fù)荷分配系數(shù)??刂葡到y(tǒng)利用a1、a2、a3將總負(fù)荷給定值SP_Dq分配給各臺(tái)鍋爐。各臺(tái)爐按照自己的負(fù)荷給定控制自身出力,負(fù)荷分配系數(shù)滿(mǎn)足:
∑ai=1i=1,2…num_bolier
SP2:各臺(tái)鍋爐負(fù)荷給定。SP2(i)=SP_Dq·a(i)。
Dq:鍋爐主汽流量。
fbpb:汽包壓力前饋系數(shù)
fbdq:主汽流量前饋系數(shù)
△pb:汽包壓力增量。
△Dq:主汽流量增量。
Pm:母管壓力。
TK:控制周期。
G1(S):熱力系統(tǒng)傳遞函數(shù)。
G2(S):鍋爐燃燒系統(tǒng)傳遞函數(shù)。
?。?)控制程序框圖
為達(dá)到穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)均佳,控制過(guò)程中要注意區(qū)分燃燒系統(tǒng)所處的狀態(tài)——穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)。內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)分別選用不同的控制器見(jiàn)圖12。當(dāng)母管壓力/主汽壓力偏差大時(shí),系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)過(guò)程,采用快速PI控制器;反之,采用阻尼較大的PI控制器。內(nèi)環(huán)相對(duì)外環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。
(3)負(fù)荷大擾動(dòng)情況下的特殊處理
對(duì)于中小型機(jī)組,由于汽機(jī)不上“電調(diào)”裝置,汽機(jī)與鍋爐無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。而現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行卻要求鍋爐的負(fù)荷快速跟蹤汽機(jī)負(fù)荷與母管中外網(wǎng)負(fù)荷的需求,這就導(dǎo)致給予粉機(jī)轉(zhuǎn)達(dá)速大范圍的變化,速度較快。當(dāng)汽機(jī)因故障等原因快速甩負(fù)荷時(shí),調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以跟上,為此,特采取了給粉機(jī)自動(dòng)投切控制技術(shù),其基本思路是:當(dāng)汽機(jī)快速甩負(fù)荷,外網(wǎng)負(fù)荷突然下降時(shí),調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化的大小、主汽壓力上升的速度,急停1—2臺(tái)給粉機(jī),使燃料量迅速下降,同時(shí)又穩(wěn)定了其它給粉機(jī)的轉(zhuǎn)達(dá)速,不致因所有給粉機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降而造成滅火。給粉機(jī)的投切邏輯在控制程序中自動(dòng)完成。
給粉機(jī)自動(dòng)投切技術(shù)的使用,使鍋爐負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到60%一110%,真正通過(guò)燃燒系統(tǒng)“72h”連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行的考核指標(biāo)。
七、磨煤機(jī)控制
磨煤機(jī)控制內(nèi)容包括磨煤機(jī)入口負(fù)壓和磨煤機(jī)出口溫度。兩臺(tái)磨煤機(jī)分別獨(dú)立控制。磨煤機(jī)人口負(fù)壓采用FUZZY控制器,并引入磨煤機(jī)出口溫度調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度(磨煤機(jī)人口熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度)作為其。人口負(fù)壓調(diào)節(jié)門(mén)的前饋;磨煤機(jī)出口溫度采用PID控制器,為簡(jiǎn)單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。磨煤機(jī)控制框圖如圖13、14所示。
八、排粉機(jī)控制
排粉機(jī)控制內(nèi)容包括排粉機(jī)出口壓力和排粉機(jī)出口溫度。兩臺(tái)排粉機(jī)分別獨(dú)立控制。排粉機(jī)出口壓力采用FUZZY控制器,并引入制粉系統(tǒng)乏氣門(mén)開(kāi)度、再循環(huán)門(mén)開(kāi)度、排粉機(jī)出口溫度調(diào)節(jié)門(mén)(排粉機(jī)人口冷風(fēng)門(mén))開(kāi)度作為其出口壓力調(diào)節(jié)門(mén)(排粉機(jī)人口溫風(fēng)門(mén))的前饋;排粉機(jī)出口溫度采用PID控制器,為簡(jiǎn)單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。排粉機(jī)控制框圖如圖15、16所示。