韩芹 龚奇斌

【摘要】基于模糊控制技术和汽轮机DEH系统的数学模型，将模糊自整定理论应用于汽轮机DEH系统，设计了一种适用于汽轮机数字电液控制系统的双模糊自整定PID控制器。通过设计两个模糊自整定PID 控制器分别取代传统的转速控制器和功率控制器。针对 600MW 中间再热式汽轮机组并网后的负荷控制，在 LABVIEW 中对新的控制方案进行仿真研究。仿真结果和分析表明：在调节稳定性，控制效果和自整定PID参数等方面，模糊自整定PID控制算法均优于传统PID控制算法。

【关键词】模糊自整定PID控制;汽轮机负荷控制系统;模糊控制

1.引言

随着DCS在电站的普及，优化控制系统不是简单地对现有控制系统的调节器参数进行调整，而主要是研究采用新型控制结构和新型控制算法的控制系统。成功应用新型控制系统的关键之一就是在实际投运前对其进行详细的仿真试验，分析、研究和改善这些控制系统，以便使调试人员掌握新型控制系统的运行特征及控制器参数的工程整定规则[1]。目前，电厂中600MW 汽轮机控制系统，对其特点、功能的介绍比较多，但对其内部控制机理、控制方案的研究却不多见。古典的PID控制策略仍然是应用最多的，而智能控制和一些复合控制策略在汽轮机控制上应用的比较少见。本文利用模糊控制的快速动态响应和PID控制的稳态性能，针对600MW 中间再热式汽轮机组并网后的负荷控制，进行仿真研究，通过仿真验证了其控制效果。

2.汽轮机模糊PID控制系统结构

负荷控制主要是对汽轮机组实发功率增减的控制。目前，控制系统大多采用的方案是串级PID控制方案，功率控制器为主调节器，调节级压力控制器为副调节器。功率给定信号、转速控制信号和负荷扰动信号均在功率控制器处汇合，叠加之后的总输入信号变化较为复杂，对处理它们的控制器要求比较高。同时，当系统受到扰动时，发电机功率的变化因受自身惯性的影响，又受中间再热容积的影响，其响应时间较长。而正比于机组功率的调节级压力通过调节级压力回路可以使系统快速做出响应。为此，把模糊控制技术引入到功率PID控制和调节级压力PID控制中，设计了一种双模糊自整定PID控制器应用于汽轮机数字电液控制系统，可以实现系统控制的智能化，当系统发生扰动时参数能够自动整定。如图1所示。

图1 汽轮机模糊PID控制系统设计框图

图2 模糊PID功率控制器结构图

模糊自整定PID参数控制器的目的是为了使参数kp，ki，kd随着偏差e和偏差变化ke的变化而自行调整[2]。模糊PID功率控制器的设计如图2所示，把转速偏差修正后的功率给定值与功率的差值作为误差e。其目的就是为了保证汽轮机的输出功率无限接近功率给定值。模糊PID调节级压力控制器设计如图3所示，把功率控制器输出的控制信号与汽轮机反馈的调节级压力的差值作为误差e，其目的是为了快速地消除扰动。

图3 模糊PID调节级压力控制器结构图

3.模糊PID控制器设计

由于模糊控制器是采用数字计算机来实现的，因此模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、数据库（含数据库和规则库）、推理决策和精确化计算4部分的设计问题[3]。

3.1 隶属度函数设计

在汽轮机负荷控制系统中，e和偏差变化率ke作为双模糊控制器的输入变量，以kp、ki、kd三个参数作为两个控制器的输出变量。对偏差e、偏差变化ke及控制参数kp、ki、kd的模糊集及论域定义如下：e、ke和控制参数kp、ki、kd的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，对应的语言值集合为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，e、ke的论域均为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，kp的论域为：{-0.3，-0.2，-1，0，1，0.2，0.3}，ki的论域为：{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，kd的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}[4]。

整个模糊控制器的设计均在LabVIEW的模糊控制编辑器中完成。本文针对e、ke和kp、ki、kd均建立了以7个语言变量为名称的隶属度函数，其隶属度函数均为三角型隶属度函数。以偏差E隶属度函数设置情况为例，如图4所示。

图4 偏差e隶属度函数

3.2 模糊控制规则[5]

根据实际经验，参数kp、ki、kd在不同偏差e和偏差变化ec下自适应调整的基本调整规则如下所述：

（1）当e较大时，为加快系统响应，应取较大的kp和较小的kd，由于积分太强会使系统超调加大，因而要对积分作用加以限制，通常取ki=O或者较小值。

（2）当e中等大小时，为减少系统超调，kp应适当减小，同时对ki和kd的取值要适当。

（3）当e较小时，为减小稳态误差，kp与ki应取得大些，在这种情况下，kd的取值最重要，取值不当会引起系统振荡。

3.3 去模糊化

模糊控制量不能直接用来作为控制信号，输入完一个模糊规则表后，还必须进行去模糊化（清晰化），将其转换为清晰值。采用平均最大隶属度法来实现去模糊化，若输出量的隶属度函数有多个极值，则取这些极值的平均值为清晰值[4]。

4.仿真实验

通过使用LabVIEW中的模糊控制工具包Fuzzy Logic和，对基于双模糊自适应PID控制的汽轮机负荷控制系统进行了仿真研究，仿真程序框图如图4所示。

图5 双模糊自适应PID控制的

汽轮机负荷控制系统程序框图

功率回路和调节级压力回路组成串级负荷控制系统。调节器参数的整定采用现场广泛采用的逐步逼近法，依次整定功率主回路、调节级压力副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路的最佳整定值。仿真结果如图6所示，图7所示的仿真结果来自文献[4]。两图进行对比，可以看出基于双模糊自适应PID的汽轮机负荷控制要比单模糊PID负荷控制的效果要好些且过渡过程更加平稳，时间有所缩短，抗干扰能力显著增加，具有较强的鲁棒性。

5.结束语

本文基于模糊自适应PID控制，实现了汽轮机负荷控制的研究。控制仿真试验表明在规定范围内，系统响应时间和稳态精度都有明显改善。模糊PID控制器中的参数整定主要集中在模糊控制器中的参数ke、kce、kp、ki上，在对这些参数的整定过程中发现每个参数均有一定的取值范围，当超过此范围控制系统将变得不稳定或控制性能变差，多个参数存在一个在多个列向量中求取最佳数值组合的问题。

参考文献

[1]王爽心，葛晓霞.汽轮机数字电液控制系统[M].北京：中国电力出版社，2004：300-500.

[2]王亚刚，邵惠鹤.自整定PID控制器研究的综述[J].电气自动化，2000，22（1）：7-9.

[3]李士勇.模糊控制和智能控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[4]易继锴，候嫒彬.智能控制技术[M].北京：北京工业大学出版社，1999：200-350.

[5]韩芹.凝汽式汽轮机虚拟控制装置研究[D].长沙：长沙理工大学，2009：44-52.

基金项目：湖南科技学院校级课题（13XKYTB001）。

作者简介：韩芹（1982—），女，湖南永州人，硕士，助教，主要研究方向：计算机智能控制。