模糊控制器在分散控制系统中的应用
去年底，航天工业总公司在辽宁省铁法市召开技术鉴定会，对由哈尔滨工业大学开发的应用于铁法矿务局低热值燃煤热电厂2号锅炉(130t／h)上的HIC—1000分散控制系统进行了技术鉴定。
HIC—1000分散控制系统配置结构如图1所示。该系统采用国产"893"智能数据测控前端，I／O站根据需要可直接布置在现场，实现了系统的物理分散。
该系统zui大特点是广泛将模糊控制等先进控制技术，注入DCS系统，成功应用于燃用低热值煤锅炉和母管制系统中的一些大延迟、非线性、控制参数耦合等复杂控制系统中。现将控制系统简要在这里作一介绍，供读者参考。
一、控制器
HIC—1000分布式控制系统中采用了PID和FUZZY(模糊)两种控制器。针对不同的过程对象，采用不同的控制器。
(1)PID控制器
PID控制器是线性控制器，适合于线性、定常、非耦合(弱耦合)系统。计算公式如下：
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：比例放大系数
Ti：积分时间常数
Td：微分时间常数
K2：积分分离系数
TK：控制周期
Step：步长限制
Sc：死区
Kd：微分放大系数
e：采样周期内偏差
e—1：前一步采样周期内偏差
Ud—1：前一步控制周期内微分值
(2)模糊控制器(FUZZYCONTROLER)
模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思维逻辑，对被控对象的运行规律(往往没有确切的数学模型)进行总结、抽象、推理、量化，实施有效的控制。模糊控制的基础是模糊数学，利用模糊数学的推理理论，离线建立隶属函数数据库，将各种复杂的过程对象简单化。该过程要求设计人员对被控对象充分的了解，是直接的操作者，具有丰富的经验，才能总结规律，建立隶属函数数据库。当在线运行时，利用计算机的高速、大容量性能，通过推理、量化运算得到具体的控制量。模糊控制是一种非线性控制器，适合于时变、非线性、强耦合系统。Fuzzy控制器框图如下：
图中：
k1，k2：尺度变换(模糊量化)的比例因子
k3：尺度变换(清晰化)的比例因子
r：参考输入
e：实际输入与参考输入的偏差
e'：偏差的变化量
u：经过清晰化的控制量
FUZZY控制器主要由四部分组成：
(1)模糊化
这部分的作用是将输入的量进行处理变成模糊控制器要求的输入量。对处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围，然后进行模糊处理，并用相应的模糊集合表示。其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态。
(2)知识库
知识库通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了实际控制的经验和知识。
(3)模糊推理
模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行。
(4)清晰化
清晰化的作用是将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰量，zui后将清晰量经尺度变化成实际的控制量。
二、给水控制回路
给水控制回路可控制汽包水位，也可控制给水流量，通过控制主给水门或副给水门来实现，且都采用典型的双环PID控制，内环控制给水流量，外环控制泡包水位，控制框图如图3所示，因此共有四组PID控制器参数，主给水位和主给水门两组用于主给水门的自动控制；副给水位和副给水门两组用于副给水门的自动控制。另外设有PID校正参数，与PID控制器配合实现各种控制状态的转换及控制策略的调整。
符号说明：
sp_h：汽包水位给定值；
h：汽包水位；
sp_Dgs：内环给水流量给定；
Dgs：给水流量；
Dq：主汽流量；
fb0：给水流量前馈系数；
fbl：稳态时，fbl：Dgs—Dq；
P11：主调节器；
PI2：副调节器；
Gl：给水门特性函数；
G2：汽包特性函数；
三、减温水控制回路
(1)工艺流程图
一、二级过热汽温控制系统各环节工艺流程有如图4：其中：
θ0：减温器前温度。
θ2：减温器后温度。
θ1：过热器后温度。
DJWS：减温水流量。
(2)控制框图
减温水控制可控制减温器出口汽温，也可控制导前温度，采用双环PID控制，控制框图
符号说明：
sp_θ1：过热器出口温度给定值。
e1：主调节器编差。
θl：过热器出口汽温。
PI1：主调节器。
u1：主调节器控制输出，作为内环给定，
TK1：主调节器控制周期。
G1(S)：主回路传递函数。
sp_θ2：过热器入口温度给定值。
e2：PI2调节器编差。
θ2：过热器入口汽温。
PI2：调节器。
u2：PI2调节器控制输出。
TK2：PI2调节器控制周期，TK2=3—4TK1。
G2(S)：减温器传递函数。
(3)控制方案
减温水控制包括一级冷段甲集汽联箱出口温度、一级冷段乙集汽联箱出口温度和主汽温度等共计三个控制回路，每个回路分别控制一个减温水门(分别为一级减温门甲、一级减温门乙和二级减温门)。都采用双闭环PID控制方案。内环快速调节：外环消除稳态误差，控制过热汽温。
针对升降负荷对主汽温度的影响，引入“负荷变化”对主汽温度的前馈，直接作用于内环调节器出口，前馈系数取为多段值，与外扰的不同类型相对应。该技术的采用，对于调峰机组(锅炉)的过热汽温控制效果会更好。
四、吸风控制回路
(1)控制方案
负压控制的难点在于以下两方面：
(a)稳态时，煤质变化、挡板特性变化以及其它外扰引起的系统不稳定，随着时间的推移，系统的特性函数会产生大的变化(尤其在大修之后)引风控制系统容易产生震荡，造成炉膛负压不稳定。
(b)锅炉漏风系数随时间的推移逐渐加大，造成烟气含氧量增大。若负压不稳定(送风门开度不变)则引起烟气含氧量变化，从而导致送引风控制系统的正反馈作用，系统发散，不稳定。
(c)制粉系统的启停及系统的“倒风”操作，可能造成炉膛负压大扰动，该过程需要快速跟踪调节。
因此，HIC—1000分散控制系统中炉膛负压采用PID与FUZZY相结合的控制方式。
符号说明
SP_Ps：炉膛负压给定值。
e：主调节器偏差。
Ps：炉膛负压。
控制器：根据控制策略选择对应的控制器。
u：主调节器控制输出。
u∑：总控制量输出至引风执行器。
Tk：主调节器控制周期，Tkl=1～2秒。
G(s):主回路传递函数。
fb：前馈增量。
fbl：排粉机出口压力前馈系数
fb2：送风门开度前馈系数：
△Ppfj：排粉机出口压力增量。
△Msfm：送风门开度增量。
(3)Fuzzy控制参数表：
为节约内存，对Fuzzy,表采取对称存贮的方法，即偏差分域正、负对称设置，将负偏差部分的子矩阵与正偏差部分的子矩阵实行转置对称变换，存贮于同一个单元，可将由Fuzzy表的数据量减少一半，有利于提高运行速度。对于快速及过阻尼Fuzzy控制方案，改变加权因子及Fuzzy控制周期即可，两种控制方式共用同一矩阵表。
五、送风控制回路
(1)控制策略
送风控制难点如下：
(a)国产锅炉的漏风系数随时间的推移越来越严重，尤其是中小机组。漏风造成送门开度对烟气氧量的变化量呈严重非线性关系，甚至出现逆关系曲线，时变特性严重。负压变化导致漏风量变化，zui终导致烟气氧量变化。
(b)国产氧化镐不稳定，寿命仅半年，氧量测量误差大，不能真实反映锅炉的燃烧效率。因此靠氧量方法控制送风．不能达到zui佳经济燃烧效果，往往导致送引风控制系统振荡发散，燃烧不够。
(c)机翼测风装置误差大，影响控制的准确性。
综上所述，屏弃“依据氧量控制送风”的传统控制策略，采用“风／煤比β自寻优”控制方案，根据锅炉负荷及燃烧状况，采用模糊推理逻辑在线搜索zui佳送风压力值，通过控制送风压力间接达到控制送风量的目的，实现zui佳经济燃烧。
(2)风／煤比在线自寻优控制方案
zui佳送风压力值计算过程如图8所示
其中定值计算公式：
f(Dq)={（psfH－psfL）/（DqH－DqL）}(Dq—DqL)+psfL
式中：
psfH,psfL：送风压力上、下限，
DqH，DqL：锅炉负荷上、下限，
△Psf：偏移量，司炉可通过OPU进行决定
风／煤比β在线自寻优的基本原理是在负荷相对稳定的情况下，使给粉机转速不变，吸风投入自动，根据本步采样周期的送风压力，控制送风门开度有一个改变量，在以下若干个采样周期内计算
DQ＝Dq+Co*dPb(t)／dt
其中DQ是用蒸发量表示单位锅炉给水容积吸热量，单位是T／h；Dq为蒸汽流量，单位是T／h；Co是汽包的蓄热系数。若△DQ>0，则表示当前搜索方向是正确的，可继续沿此方向搜索，否则应反向搜索，搜索步长的确定由模糊矩阵给定。β自寻优过程如图9所示。模糊自寻优探索的起始点由f(Dq)+△Psf开始(送风压力定值计算公式)。
其中A1，A2，…，Ai，…，A。为导优过程搜索点，人为zui后收敛点，亦为zui优风煤比点，Stepi为第i步时的搜索步长。在导优搜索过程中若发现蒸汽流量波动较大，则停止搜索，转入保持送风压力定值计算控制，同时给粉也转入自动控制。β自导优搜索周期为2小时。搜索时间为10---15min。
送风压力定值计算控制是一种近似zui优控制，其送风压力控制曲线Sp_Psfy1＝f1(Dq)B呈线性函数；而自寻优风／煤比控制的送风压力曲线Sp—psfy1＝f2(Dq)是一种非线性函数，是zui佳的控制方式。在控制方式中引入主蒸汽流量微分作为前馈量，以实现送风控制对负荷的快速跟踪。
(3)控制框图
图中：
e：送风压力偏差
u：FUZZY控制器的控制输出，阀门开度
G(s)：送风压力一送风门的传递函数
fb：主气流量对送风控制的前馈系数
Dq(t)：主气流量微分
UΣ：送风门控制开度输出
psfy1：送风压力测量值
Sp_Psfy1：送风压给定值，它是锅炉负荷、煤质的函数，随锅炉负荷、燃料的不同而改变；同时还与漏风有关，它可表述为
Sp_Psfy1＝f(Dq(t)，γ，σ)
其中丁为煤的燃烧值，口为锅炉的漏风系数。
Sp_Psfy1是个时变、非线性、非定常的系数，由它引起的送风、引风控制子系统是一个时变、非线性、非定常系统。
六、给粉控制回路
(1)控制策略及框图
单炉运行时，控制主汽压力，当有两台及以上锅炉并列运行时，可控制单炉主汽压力，也可控制母管压力，控制框图如图11。
符号说明：
控制器1：母管压力调节器，控制母管压力。其输出为并列运行在同一母管上的所有锅炉总负荷给定值即SP_Dq：该值反映了平衡母管压力所必须的负荷量。
控制器2：各台锅炉负荷调节器，控制对应的锅炉出力。其输出为对应锅炉的给粉机转速。该值反映了平衡锅炉负荷给定所必须的给粉机转速。
a1、a2、a3：1#—3#锅炉负荷分配系数。控制系统利用a1、a2、a3将总负荷给定值SP_Dq分配给各台锅炉。各台炉按照自己的负荷给定控制自身出力，负荷分配系数满足：
∑ai=1i=1，2…num_bolier
SP2：各台锅炉负荷给定。SP2(i)=SP_Dq·a(i)。
Dq：锅炉主汽流量。
fbpb：汽包压力前馈系数
fbdq：主汽流量前馈系数
△pb：汽包压力增量。
△Dq：主汽流量增量。
Pm：母管压力。
TK：控制周期。
G1(S)：热力系统传递函数。
G2(S)：锅炉燃烧系统传递函数。
(2)控制程序框图
为达到稳态、动态指标均佳，控制过程中要注意区分燃烧系统所处的状态——稳态和暂态。内部扰动和外部扰动引起的动态分别选用不同的控制器见图12。当母管压力／主汽压力偏差大时，系统处于动态过程，采用快速PI控制器；反之，采用阻尼较大的PI控制器。内环相对外环是一个随动系统。
(3)负荷大扰动情况下的特殊处理
对于中小型机组，由于汽机不上“电调”装置，汽机与锅炉无法实现协调控制。而现场的实际运行却要求锅炉的负荷快速跟踪汽机负荷与母管中外网负荷的需求，这就导致给予粉机转达速大范围的变化，速度较快。当汽机因故障等原因快速甩负荷时，调节系统难以跟上，为此，特采取了给粉机自动投切控制技术，其基本思路是：当汽机快速甩负荷，外网负荷突然下降时，调节系统根据负荷变化的大小、主汽压力上升的速度，急停1—2台给粉机，使燃料量迅速下降，同时又稳定了其它给粉机的转达速，不致因所有给粉机转速快速下降而造成灭火。给粉机的投切逻辑在控制程序中自动完成。
给粉机自动投切技术的使用，使锅炉负荷自动调节范围可达到60％一110％，真正通过燃烧系统“72h”连续自动运行的考核指标。
七、磨煤机控制
磨煤机控制内容包括磨煤机入口负压和磨煤机出口温度。两台磨煤机分别独立控制。磨煤机人口负压采用FUZZY控制器，并引入磨煤机出口温度调节门开度(磨煤机人口热风门开度)作为其。人口负压调节门的前馈；磨煤机出口温度采用PID控制器，为简单的单闭环控制系统。磨煤机控制框图如图13、14所示。
八、排粉机控制
排粉机控制内容包括排粉机出口压力和排粉机出口温度。两台排粉机分别独立控制。排粉机出口压力采用FUZZY控制器，并引入制粉系统乏气门开度、再循环门开度、排粉机出口温度调节门(排粉机人口冷风门)开度作为其出口压力调节门(排粉机人口温风门)的前馈；排粉机出口温度采用PID控制器，为简单的单闭环控制系统。排粉机控制框图如图15、16所示。
