一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热电技术领域，尤其涉及一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水 位的方法。
【背景技术】
[0002] 汽包水位给水系统由给水调节阀、省煤器、汽包、下降管、下联箱、水冷壁管、过热 器等部分组成；储存在给水箱中的锅炉给水经除氧器除氧送至低压管路，然后经过给水泵 强制打入锅炉的高压管路，在炉前经过给水调节阀调节给水量，然后导入省煤器，锅炉给水 在省煤器内吸收锅管外烟气和飞灰的热量，水温上升可达300°c左右，但从省煤器出来的水 的温度仍然低于该压力下的饱和温度（约在330°C )，仍属于高压未饱和水，流经省煤器的 水沿着管路来到布置在锅炉外面顶部的汽包。汽包内下半部分是水，上半部分是饱和蒸汽， 高压未饱和水通过汽包底部的下降管向下流动，进而到达炉膛外面底部的下联箱，锅炉底 部四周的下联箱上并联安装上了许多水管，水沿着这些水管由下向上流动同时吸收了炉膛 中心火焰的辐射传热和高温烟气的对流传热，在压力的作用下进入汽包，经旋风分离器分 离出饱和蒸汽，进入过热器继续加热成为过热蒸汽。给水系统的任务是保持汽包水位在允 许的范围之内，在有扰动或虚假水位的情况也能够不超出安全范围，保证安全运行，保护炉 膛和汽轮机设备。
[0003] 热电生产过程中，汽包水位控制一直是控制领域的典型问题，为汽包提供充足合 适的给水量是生产的一个重要环节，直接关系着企业安全、稳定、经济运行。
[0004] 由于汽包水位控制具有大滞后、多变量、强耦合及非线性的特点，所以汽包水位控 制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一，主要原因在于：
[0005] (1)影响汽包内水位波动的因素较多，主要有两点，分别是蒸汽负荷流量瞬间波动 和给水量的瞬间波动；
[0006] (2)汽包水位控制受外界因素影响较大，工况复杂；
[0007] (3)汽包水位被控对象具有大延迟、大惯性的特点。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，旨 在解决现有技术存在的复杂工况下汽包水位难以控制，增加了热电生产中危险系数的问 题。
[0009] 本发明是这样实现的，通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法采用量化 因子可调的模糊控制器来控制汽包内的水位；
[0010] 选择汽包水位误差值e和水位误差变化ec作为主模糊控制器和二级模糊控制器 的输入，e和ec语言变量分别是E，EC，其中二级模糊控制器的输出为权重α，主控制器的输 出u推动执行机构动作，执行机构为进水调节阀；通过二级模糊控制器对汽包水位误差和 误差变化的比重进行分析，得到权重α，权重值α的改变会改变主控制器的输入端汽包水 位误差和误差变化的比重；从而增强误差E和误差变化EC在模糊控制规则中的适用性，因 此用同样的模糊控制规则可以产生不同的控制效果。在面对汽包水位复杂工况的控制中， 一张控制规则表很难对汽包水位全程进行很好的控制，所以在汽包水位不同的控制阶段通 过改变量化因子，选择出更加适合此时工况的模糊控制规则对汽包水位进行控制。
[0011] 选择主模糊控制器输入输出量的论域，隶属度函数，以及二级模糊控制器的论域， 隶属度函数，二级模糊控制器根据输入误差和误差变化的大小比重调节自己的输出值α， 而得到的α和（l-α)分别再与主模糊控制器的输入端的误差E和误差变化EC做乘法，从 而直接影响主模糊控制器误差和误差变化的输入比重从而选择更好的输入动作驱动积水 调节阀。结合汽包水位控制实际情况制定模糊规则表，两个个模糊控制器要两个模糊规则 表，二级模糊控制器通过E和EC的大小调节权重值α，主模糊控制器通过加权后的误差和 误差变化调节输出值驱动给水调节阀，从而进行量化因子可调的模糊控制器的设计。
[0012] 进一步，该方法通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法还需要：
[0013] 选择汽包水位作为被调节的量是控制信号，执行机构是给水调节阀；
[0014] 选择各控制器输入输出量的论域，隶属度函数，并结合工程实践制定模糊规则表， 进行量化因子可调的模糊控制器的设计。
[0015] 进一步，模糊规则表中二级控制器选择的输入的论域是（_6,6)，七级语言变量分 别为{负大ΝΒ，负中匪，负小NS，零ΖΟ,正小PS，正中ΡΜ，正大ΡΒ}，选择梯形隶属度函数，输 出论域范围是（0,1)，五级语言变量分别是{很大VB，较大Β，中等Μ，较小S，很小VS}，选择 三角形隶属度函数；主控制器的输入和输出的论域是（-3, 3)，七级语言变量{负大ΝΒ，负中 匪，负小NS，零ΖΟ,正小PS，正中ΡΜ，正大ΡΒ}隶属度函数从左至右分别是高斯型，三角形5 个，高斯型，根据二级模糊控制器输出的α，求出主控制器的输出：
[0016] U= a E 〇 (l-α )EC 〇 Rz (I)
[0017] 公式（1)中艮是主模糊控制器的推理矩阵，E和EC分别是语言变量值，再对上式 中的U通过最大隶属度法中的平均值法进行解模糊的运算，得到控制系统的输出u。公式如 (2)所示。
【主权项】
1. 一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在于，通过变模糊 量化因子控制热电厂汽包水位的方法采用量化因子可调的模糊控制器来控制汽包内的水 位； 选择汽包水位误差值e和水位误差变化ec作为主模糊控制器和二级模糊控制器的输 入，e和ec语言变量分别是E，EC，二级模糊控制器的输出为权重a，主控制器的输出u推 动执行机构动作，执行机构为进水调节阀；通过二级模糊控制器对汽包水位误差和误差变 化的比重进行分析，得到权重a，权重值a的改变会改变主控制器的输入端汽包水位误差 和误差变化的比重； 二级模糊控制器根据输入误差和误差变化的大小比重调节自己的输出值a，得到a和（I-a)分别再与主模糊控制器的输入端的误差E和误差变化EC做乘法，结合汽包水位 控制实际情况制定模糊规则表，两个模糊控制器要两个模糊规则表，二级模糊控制器通过E 和EC的大小调节权重值a，主模糊控制器通过加权后的误差和误差变化调节输出值驱动 给水调节阀，进行量化因子可调的模糊控制器的设计。
2. 如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在 于，该通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法还需要： 选择汽包水位作为被调节的量是控制信号，执行机构是给水调节阀。
3. 如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在 于，模糊规则表中二级控制器选择的输入的论域是（-6,6)，七级语言变量分别为{负大NB， 负中匪，负小NS，零Z0,正小PS，正中PM，正大PS}，选择梯形隶属度函数，输出论域范围是 (0,1)，五级语言变量分别是{很大VB，较大B，中等M，较小S，很小VS}，选择三角形隶属度 函数；主控制器的输入和输出的论域是（-3, 3)，七级语言变量{负大NB，负中匪，负小NS， 零ZO,正小PS，正中PM，正大PB}隶属度函数从左至右分别是高斯型，三角形5个，高斯型， 根据二级模糊控制器输出的a，求出主控制器的输出： U=aE〇 (I-a)EC〇Rz (I) 公式（1)中艮是主模糊控制器的推理矩阵，E和EC分别是语言变量值，再对上式中的U进行解模糊的运算，得到控制系统的输出u。
4. 如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在 于，量化因子公式如公式（2)所示： Ke= K ec= n/x (2) 式中n代表模糊控制器的论域，即模糊论域，x代表的是汽包水位的范围，即物理论域， 根据汽包水位波动的实际情况，正常水位变化通常在[-30, 30]，是物理论域，选择主控制器 的模糊论域为[_3,3]，则： Ke= 3/30 = 0. 1 (3) 水位波动的误差变化的基本论域为[-60,60]，则误差变化的Kec= 3/60 = 0. 05,运用 两种模糊控制器：主模糊控制器和二级模糊控制器，二级模糊控制器通过分析水位误差和 水位误差变化的大小，调节输入到主模糊控制器的水位误差和误差变化这二者的比重。
5. 如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在 于，二级模糊控制器的输出a，取值范围是[〇，1]，a值由公式（4)求： u*= e*〇RAn ec*〇RB (4) #和ec#分别是误差E和误差变化EC的模糊语言子集，R4和Rb分别是与误差E和误 差变化EC有关的模糊控制规则，"。"为取大-取小运算，"。"具体定义如下： 设两个模糊矩阵P= (Pu)mxn和Q= (qA)nX1，合成运算P〇Q结果也是一个模糊矩阵R，则R= (rik)mX1，模糊矩阵R的第i行、第k列元素rik等于P矩阵的第i行元素与Q矩阵 的第k列对应元素两两取小，而后再在所得到的j个元素中取大，即 rik= V (pq jk)，(i = 1，2. ? ?，m ;j = 1，2, ? ? ?，I) (5) 通过式（3)运算得到模糊控制量u%再用最大隶属度法中的平均值法得出清晰化的值， 最大隶属度平均值法就是在模糊论域上，有多个点都取了最大隶属度值，则取这些点的平 均值作为模糊集合的代表点，清晰化后得到的值就是权重因子a值，权重a与水位误差E 相乘以及（1-a)与误差变化EC相乘，作为主控制器的输入，当a=0.5时，水位误差E和 误差变化E对输出的影响的权重相同，都为0. 5,a偏离了 〇. 5,则对输出U的影响不再相 等：a> 〇. 5时，偏差E的权重大于误差变化EC的权重，a< 〇. 5时，则相反，在汽包水位 误差以及误差变化的权重分配中，减小权重因子a时，则误差变化率的权重增大，系统的 响应速度变慢；增大a时，系统的上升时间变短、超调量变大、调节时间变长。
【专利摘要】本发明公开了一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，根据热电厂汽包水位积水系统的实际运行情况，选取相关量作为模糊控制器的输入、输出；通过两个模糊控制器，一个主控制器，一个二级控制器，二级控制器主要通过分析汽包水位误差和误差变化的大小选择相应的权重，从而改变输出到主控制器的误差和误差变化的比例，使主控制器的选择更为精确的控制规则控制输出，驱动给水调节阀作出相应的动作。本发明解决了在汽包水位在复杂工况下的控制难点，不仅加强了控制器的适用各种复杂工况的能力，又提高了控制精度，满足控制要求，使得热电厂给水系统能稳定、安全、高效的运行。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104730928
【申请号】CN201510172836
【发明人】申涛, 于传江, 栾维磊, 郑鉴君
【申请人】济南大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月14日