一种基于DCS的引风机模糊PID控制系统的制作方法

本发明涉及全背压热电厂锅炉引风机控制的技术领域，尤其是一种基于dcs的引风机模糊pid控制系统。

背景技术：

很多电厂的锅炉负荷工况会发生变化，特别是在低负荷工况时会造成风机运行效率降低等问题，引风机作为燃煤锅炉炉膛负压调节的重要辅助设备，其运行状况(锅炉运行中的炉膛负压是靠引风机来调整实现的，锅炉炉膛压力的是否稳定)将直接关系到整个锅炉运行的安全经济性。热电厂由于其生产特点，热用户用汽变化较大，全背压热电厂运行中的锅炉负荷完全根据热用户用汽变化而进行调整，由于昼夜和季节的不同以及不同热用户生产启停的变化，往往用汽波动量大且频繁，造成在生产运行中锅炉负荷上下波动较大，锅炉负荷甚至会降到额定负荷的50％，这就需要引风机具有可靠又经济的调速控制方式。

pid控制器是目前常用的的一类控制器，其历史发展悠久，因为其算法简单，可靠性高，应用现已较为广泛，绝大多数的控制系统均会采用pid方式。但常规的pid控制器有个弊端，就是其控制参数一旦整定后，将不能随着系统的变化来进行自适应调整，无法适应时变、时滞、非线性的控制系统。也就是说，采用常规pid控制只能在系统某一种工况下具有较理想的控制性能，而当系统的工作点偏离这一整定工况点时，控制品质就可能会下降，所期望的精确控制就会难以实现。

为减轻运行人员工作量，在电厂正常运行中，一般会考虑投入锅炉负压自动控制，自动状态下为传统pid控制方式。由于电厂引风机系统运行工况复杂多变，具有较强的不确定性，需要较为频繁的调整，这种系统无法建立出精确的模型，使得控制效果不精准。在实际运行中，引风机系统进行自动控制后，运行中锅炉炉膛负压波动范围很大且较为频繁，常常超出运行的要求范围，控制效果很不理想。炉膛负压大幅发生波动，这对锅炉的安全运行影响很大，甚至可能造成机组跳闸。这种采用传统pid控制方式的引风机系统，难以满足锅炉运行的控制要求，普遍存在着调节线性度不高、控制不灵敏、炉膛负压波动大等一系列问题，也一直困扰着电厂运行人员。

目前热电厂引风机所使用的转速控制多采用pid控制器来实现，即通过实时测定炉膛的实际负压，将该值与实际设定的炉膛负压值进行比较，利用pid控制器来调节引风机变频器的频率值，最终使锅炉炉膛负压保持在设定值。引风机系统自动运行时，它以炉膛负压为控制目标，维持实际负压和设定值之间的压力差在有效的误差范围之内。原有对引风机系统的控制是采用pid调节方式，其自动控制原理如图1所示。它是由炉膛压力测量装置对炉膛的实际负压进行实时测定，随后将该值与炉膛压力自动设定值相互比较，得出偏差后再通过pid控制器控制来调节引风机变频器的频率值，从而改变引风机的运行转速，最终使炉膛负压保持在设定值。

其中，图1中的r(t)是给定值，表示设定的压力；e(t)是偏差值，表示系统输出压力与设定压力的偏差量；y(t)是输出值，表示系统输出的压力；z(t)是测量值，表示实际测量到的压力。

然而，传统pid控制器无法适应时变、时滞、非线性的控制系统，其控制参数一旦整定后就固定，无法跟随控制系统的实际动态情况来进行自适应调整，也就是说，采用常规pid控制只能在系统某一种工况下具有较理想的控制性能，而当系统的工作点偏离这一整定工况点时，常规pid控制是无法达到良好的控制效果的，就很难实现我们所期望的精确性。电厂锅炉引风机系统本质上是一个具有大惯性、纯滞后和分布式参数的非线性系统，其运行工况复杂多变，具有较强的不确定性，需要较为频繁的调整，对这样的系统来建立精准的数学模型是很困难的，不能得到一个精准的控制效果，也就是说，引风机系统用传统的pid控制方式不能很好的满足锅炉运行控制要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于dcs的引风机模糊pid控制系统，将全背压热电厂锅炉引风机控制方式由传统pid控制改为模糊pid控制方式，相比传统pid控制方式，模糊pid控制方式效果更好，稳定性更强，引风机系统在采用模糊pid控制后可以更加精准的控制好锅炉炉膛负压，在工况复杂多变的情况下，能保证炉膛压力处于一个稳定的设定值，这不仅能提高现场自动化水平、减轻运行操作人员工作强度，还将对锅炉的安全稳定运行有着重要的意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于dcs的引风机模糊pid控制系统，将引风机的控制方式采用模糊pid控制算法，并将模糊pid控制算法融入电厂现有dcs系统中，通过dcs来实现炉膛负压自动精准控制，引风机控制系统的模糊pid控制器具体功能由dcs系统来实现，根据系统控制的要求，运用功能模块，并在dcs系统中进行组态编程，运行时，模糊pid控制器将根据输入量的变化情况，按预定程序完成相应的控制，根据炉膛负压的大小，改变引风机的转速来调整引风量，使其与锅炉的送风量相匹配。

进一步具体地限定，上述技术方案中，所述引风机的电源由变频器来提供，通过变频器频率的改变来实现其转速的改变，变频器的频率调整是由dcs输出的开度值的改变来完成。

进一步具体地限定，上述技术方案中，所述模糊pid控制器将模糊控制器与pid控制器进行结合，通过模糊控制器在线自整定比例系数、积分系数、微分系数三个参数，输出比例系数、积分系数、微分系数的偏差，再把它们与初始pid参数相结合，从而实现在线自适应整定pid参数。

进一步具体地限定，上述技术方案中，所述控制系统在自动投入运行后，通过炉膛压力测量装置对炉膛负压进行实时检测，并将所检测到的信号经变送器处理后成为标准的电流信号，经a/d转换后送到dcs系统，dcs系统将测量到的炉膛负压实际值与炉膛自动负压设定值进行比较，计算出炉膛负压与设定压力的偏差值和炉膛负压偏差变化率，并经模糊pid控制器的模糊pid控制算法进行计算，利用模糊控制规则在线修改，得出引风机变频器的频率给定信号，通过变频器频率的改变来实时调整引风机的转速，从而保证锅炉炉膛负压自动维持在恒定的设定值。

进一步具体地限定，上述技术方案中，所述炉膛压力测量装置采用的是压力传感器。

进一步具体地限定，上述技术方案中，所述模糊pid控制器采用二维模糊控制结构形式，通过压力测量装置实时测量出炉膛负压后，读取实际炉膛负压和设定负压，对实际炉膛负压和设定负压进行比较，求出不同的系统负压偏差和系统负压偏差变化率，对系统负压偏差和系统负压偏差变化率进行模糊化，经模糊推理后，依据模糊规则并进行决策，从而可以获得模糊整定输出变量比例系数的偏差量、积分系数的偏差量、微分系数的偏差量，进行计算后，计算得出当前的比例系数、积分系数、微分系数值，最后用pid运算来精确地控制系统的输出控制量。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于dcs的引风机模糊pid控制系统，将引风机的控制方式采用模糊pid控制算法，并将模糊pid控制算法融入电厂现有dcs系统中，由dcs系统来实现引风机的模糊控制，即通过dcs来实现炉膛负压自动精准控制，改善控制品质，大大提高炉膛负压调整的准确性，实现引风机运行电耗的下降，达到系统性能改善和节能降耗的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统pid控制器的自动控制原理图；

图2是采用pid参数自整定的模糊控制器系统结构图；

图3是基于模糊pid的引风机控制系统结构图；

图4是模糊pid控制算法的流程图；

图5是偏差及偏差变化率的隶属度函数曲线；

图6是计算炉膛负压偏差e及偏差变化率ec的组态图；

图7是炉膛负压偏差e模糊化组态图；

图8是炉膛负压偏差ec模糊化组态图；

图9是模糊规则组态部分示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种基于dcs的引风机模糊pid控制系统，将引风机的控制方式采用模糊pid控制算法，并将模糊pid控制算法融入电厂现有dcs系统中，通过dcs来实现炉膛负压自动精准控制，引风机控制系统的模糊pid控制器具体功能由dcs系统来实现，根据系统控制的要求，运用功能模块，并在dcs系统中进行组态编程，运行时，模糊pid控制器将根据输入量的变化情况，按预定程序完成相应的控制，根据炉膛负压的大小，改变引风机的转速来调整引风量，使其与锅炉的送风量相匹配。

引风机的电源由变频器来提供，通过变频器频率的改变来实现其转速的改变，变频器的频率调整是由dcs输出的开度值的改变来完成。

模糊pid自动方式控制下的引风机系统，即使在锅炉燃烧工况发生较大的阶跃变化后，也能较为快速地将炉膛负压自动调整到位，炉膛负压实际波动范围较小，完全满足运行中的参数控制要求，不会出现炉膛冒正压的情况。

由于引风机系统所涉及的有关参数包括送风系统风压、炉膛负压、烟道负压、制粉系统出力及风压和给粉量等，在运行工况频繁复杂变化时，将会造成炉膛负压波动较大，不能稳定维持在设定区间，因此它是个多变量、非线性的复杂系统。在引风机控制系统中，模糊pid控制器将模糊控制器与pid控制器进行结合，通过模糊控制器在线自整定kp(比例系数)、ki积分系数(积分系数)、kd(微分系数)三个参数，输出kp、ki、kd的偏差，再把它们与初始pid参数相结合，从而实现在线自适应整定pid参数。这样其系统性能无论是在超调量，还是在快速性方面都优于常规pid，采用pid参数自整定的模糊控制器系统的结构见图2所示。

其中，图2中的de/dt表示求偏差的变化率；r(t)是给定值；y(t)是输出值，表示系统输出的压力；是kp的偏差量；是ki的偏差量；是kd的偏差量。

见图3，控制系统在自动投入运行后，通过炉膛压力测量装置对炉膛负压进行实时检测，并将所检测到的信号经变送器处理后成为标准的4～20ma电流信号，经a/d转换后送到dcs系统，dcs系统将测量到的炉膛负压实际值与炉膛自动负压设定值进行比较，计算出e(炉膛负压与设定压力的偏差值，简称为炉膛负压偏差值)和ec(炉膛负压偏差变化率)，并经模糊pid控制器的模糊pid控制算法进行计算，利用模糊控制规则在线修改，得出引风机变频器的频率给定信号，通过变频器频率的改变来实时调整引风机的转速，从而保证锅炉炉膛负压自动维持在恒定的设定值。炉膛压力测量装置采用的是压力传感器。

其中，图3中的r(t)表示设定压力，e(t)表示压力偏差，z(t)表示测量到的压力，y(t)表示输出压力，de/dt表示求偏差的变化率。

见图4，考虑模糊控制系统实现的简易性和快速性，模糊pid控制器采用二维模糊控制结构形式，通过压力测量装置(压力传感器)实时测量出炉膛负压后，读取实际炉膛负压和设定负压，对实际炉膛负压和设定负压进行比较，求出不同的e和ec，对e和ec进行模糊化，经模糊推理后，依据模糊规则并进行决策，从而可以获得模糊整定输出变量：(比例系数的偏差量)、(积分系数的偏差量)、(微分系数的偏差量)，进行计算后，计算得出当前的kp、ki、kd值，最后用pid运算来精确地控制系统的输出控制量。各个参数的计算公式如下：

e＝设定负压-实际炉膛负压(1)

ec＝e/t(2)

其中，t表示的是时间。

模糊pid控制器的具体设计步骤如下：

第一步骤、确定输入变量与输出变量：控制器设计为二维结构形式，输入量为炉膛负压实际测量值与自动设定值之间的偏差e以及偏差的变化率；pid控制器参数的三个调整值作为输出变量。

第二步骤、输入与输出量的模糊化处理：锅炉运行中炉膛负压的变化范围一般会在-150pa到+50pa之间，将炉膛负压的自动控制设定值设为-50pa，则偏差e的变化范围为[-100，100]，设定偏差变化率ec的范围为[-10，10]，输出量的范围设为[-3，3]，[-0.06，0.06]，[-3，3]。并将{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}定义为e，ec，的量化论域，由此可以得出它们的量化因子分别为：ke＝0.06，kec＝0.6，kdp＝2，kdi＝100，kdd＝2。输入变量e、ec和输出量对应模糊子集为{nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb}。这里输入输出的语言变量的隶属函数均采用正态函数。偏差及偏差变化率的隶属度函数曲线，具体见图5。

下表为输出量的赋值表。

表1输出量赋值表

第三步骤、模糊规则的制定：模糊控制规则的建立是整个设计工作的关键之处。针对不同的输入变量，根据建立模糊规则的一般原则，可以得出pid控制器修正参数的模糊控制整定规律为：

1)当偏差|e|较大时，将kp取较大的值，以提高系统的响应速度；一般将ki值取为零，以限制积分，防止系统的响应会发生过大的超调；同时还需将kd值相对要取小一些，特别是在空载初期时，防止偏差瞬间变大而造成微分溢出。

2)当偏差|e|处于中等大小时，应取较小的kp值，这样系统响应的超调就会较小；而kd值必须选取适当，因为此时其对系统响应的影响较大。

3)当偏差|e|较小时，为防止超调过大，在消除稳态误差的同时，提高系统的控制精度，使系统有较好的稳态性能，应将kp与ki值取大一些，但同时需考虑到偏差变化率ec的因素，若e与ec具有相同的变化趋势，即输出偏离稳定值将越来越大，此时应将kp值取大；反之e与ec异号时，说明偏差的趋势在变小，kp值可适当开始减小。而kd的取值应考虑系统的抗干扰能力和响应速度等因素，数值选取应大小适中，防止系统在设定值区域发生振荡。

依据上述整定规律，结合运行操作人员的操作经验以及工程专业技术知识的总结，建立出模糊控制规则表，分别为表2～表4所示。

表的模糊控制规则表

表的模糊控制规则表

表的模糊控制规则表

第四步骤、去模糊化(见图6、图7和图8)：根据以上制定的49条模糊控制规则，对应49个相应的模糊关系ri(i＝1，2，…，49)，执行的是“或”运算，可得到总的模糊关系为：

模糊控制器的最终还是以实现对系统的精确控制为目标，实时测量并计算出偏差和偏差的变化率后，分别进行模糊化处理，并经规则匹配后，得到相应的模糊输出量，经模糊推理并去模糊化后得到被控对象能接受的精确量。去模糊化的方式本文采用加权平均法，其计算公式为：

式中，ki为隶属度，v表示平均值。平均值v0即为模糊集合求得的判决结果，最后用量化因子乘以v0以适应控制要求，从而得出控制量的实际值。

见图9，接着依据上表所设定好的模糊控制规则进行组态实现，共有49条模糊规则，组态时将模糊化后的e和ec通过and模块进行与运算后，得出输出结果。如当偏差e为pb，同时ec为pb时，则输出为pb。

模糊pid控制器设计好后，通过对dcs系统硬件控制器的算法功能模块进行编程组态，组态时先设计通过dcs计算出炉膛负压偏差以及偏差变化率，通过ai(模拟量输入)、add(加法)、sub(减法)、mul(乘法)、div(除法)、swch(二选一)等模块，按照逻辑进行组态连接，从而能实时计算出炉膛负压与设定压力的偏差值(e)和炉膛负压偏差变化率(ec)的数值。

其中，ai为模拟量输入模块。add为加法模块，将模块的两个输入量，进行求加运算后输出。sub为减法模块，将模块的两个输入量，进行求减运算后输出。mul为乘法模块，将模块的两个输入量，进行求积运算后输出。div为除法模块，将模块的两个输入量，进行求商运算后输出。swch为二选一模块，根据模块的开关量输入信号，该信号为1，则输出为预先设置数据一，否则输出为预先设置数据二。

而后将炉膛负压偏差大小定义几个等级，当炉膛负压偏差达到或超过100pa时，则定义为炉膛负压很高(pb)；当炉膛负压偏差在50pa与100pa之间时，则定义为炉膛负压高(pm)；当炉膛负压偏差在20pa与50pa之间时，则定义为炉膛负压有点高(ps)；当炉膛负压偏差在-20pa与20pa之间时，则定义为炉膛负压适中(ze)；当炉膛负压偏差在-50pa与-20pa之间时，则定义为炉膛负压有点低(ns)；当炉膛负压偏差在-100pa与-50pa之间时，则定义为炉膛负压低(nm)；当炉膛负压偏差达到或超过-100pa时，则定义为炉膛负压很低(nb)。将计算出的偏差e通过cmp模块与not模块进行比较及取反运算后，从而完成炉膛负压偏差e的模糊化过程。

其中，cmp模块为比较模块，通过比较模式(如大于或等于)，对模块的两个输入值进行比较后，得出输出值。not模块为开关量取反模块，对模块的开关量输入，取反运算后进行输出。

同理，将炉膛负压偏差变化率(ec)在-10pa/s～10pa/s之间分别定义为快速上升(pb)、上升(pm)、有点上升(ps)、变化平稳(ze)、有点下降(ns)、下降(nm)、快速下降(nb)几个等级。同样经过cmp模块与not模块进行比较及取反运算后，完成ec的模糊化过程。

接着依据所设定好的模糊控制规则进行组态实现，共有49条模糊规则，组态时将模糊化后的e和ec通过and模块进行与运算后，得出输出结果。如当e为pb，同时ec为pb时，则输出为pb。

其中，and模块为两输入开关量与模块，将模块的两个输入开关量，进行与的运算后，输出结果。

根据模糊控制规则表，实时得出相应的输出变量并利用mul功能模块，乘以各自比例系数后得出再通过add功能模块，将加到pid各初始参数上，得到kp、ki、kd输出值，最后利用pid运算功能模块，完成系统变频开度量的输出。pid算法功能模块为厂家设计的一种模块，较为复杂，这里只应用了部分功能，将通过模糊自整定后得出的kp、ki、kd数值作为其运算基值，最终输出的是引风机变频开度量实际控制值。各个参数的具体计算公式如下：

其中，比例系数即修正系数，其为非固定值，通过工程实践法或试凑法，根据系统实际运行的情况，不断调整修正后得出。pid初始参数：根据实际运行情况，为防止指令的动作过于频繁，提高系统控制的稳定性，最终调整后的初始系数：kp＝0.6、ki＝0.005、kd＝0。(最终取消了微分模糊化环节)

这样就将模糊pid算法融入到机组现有的dcs集散控制系统中，从而由dcs系统来完成对引风机的变频控制，实现了锅炉炉膛负压的自动调节。

模糊控制是智能类的控制方法，它在传统pid控制的基础上，以偏差及偏差的变化率为输入对象，实时检测并进行模糊推理，可以根据系统变化，在线完成控制参数的修改工作。实现了参数的自整定，弥补了传统pid对复杂系统控制方面的不足。由于它是利用经验的基础上完成对系统的控制，所以无需建立出精确的数学模型，这对不确定性系统的控制较为有利，也是一个非常有效的途径。其次，由于有较强的鲁棒性，其控制效果不会随着被控对象的变化而变化，这对非线性、时变或者时滞系统的控制较为适用。

从电厂锅炉自动化控制的发展方向来看，使用模糊pid技术来参与锅炉的燃烧控制也是以后发展的主流趋势。将引风机的调速控制方式由传统pid控制改为模糊pid控制，可以解决引风机系统实际运行中存在的问题，使得响应变得较为迅速，能及时发出控制指令，实时根据现状来自适应修改pid控制参数，使炉膛负压趋于稳定运行，满足精确控制的需要。解决了传统pid控制方式存在的不足，使得系统的控制精度和响应速度明显得到改善，改变运行面貌，提高了运行调节的可靠性，大大改善锅炉炉膛负压的控制品质。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。