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基于模糊PID负荷跟踪型主蒸汽温度控制系统研究.docx
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基于模糊PID负荷跟踪型主蒸汽温度控制系统研究.docx
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在火力发电机组中关于主蒸汽温度的控制具有重要意义。主蒸汽温度是过
热器的出口温度,即汽轮机的入口温度,是整 个 汽 水系统的最高温度,其数值过
高或过低都会威胁机组的运行安全与经济性
[1]
。理论上,主汽温越高,机组的经济
性越好,但过 高会导致汽轮机内部发生热膨胀,降低系统安全性,同时会降低过
热器的使用寿命
[2]
。另一方面,主汽温越低则机组安全性会越好,但过低会使机组
热效率降低,汽耗率增加,降低系统经济性
[3,4]
。因此,必须严格控制主蒸汽温度。
根据实际现场需求,保证机组长期安全经济运行的最大允许偏差≤±5 ℃,瞬时最
大允许偏差≤±10 ℃
[5]
。
由于主蒸汽温度控制系统复杂多变,且被控对象主蒸汽温度具有大惯性、
大延迟、非 线性和时变 性等特点
[3]
,使其控制难度 增加。目前 多采用传统 PID
控制方式。传统 PID 控制器结构简单、易于实现,在一定范围内能够达到良好
的控制效果。但 PID 控制仅适用于精确且结构简单系统的被控对像,对于主汽
温这种模型不精确的时变非线性控制对象,简单的 PID 控制难以达到控制要求。
经研究发现,模糊控制无需知道被控对象的精准模型,其通过采集被控量的多种
信息并根据人的思维和控制经验来制定规则,即使输入量发生一定的变动也不
影响输出结果,更适用于非线性时变对象。
结合模糊控制与 PID 控制各自的优点,本文设计了一种模糊 PID 控制器,
根据被控对象的变化趋势,进行模糊推理,设计模糊规则,决定控制动作,在线调
整 PID 控制器的 3 个参数,得到最佳组合以实现更好的控制效果。另外,对于
锅炉蓄热量少的直流锅炉,如果发电机负荷变化幅度较大,仅用锅炉的蓄热量难
以弥补发电机负荷变化带来的温度影响。因此本文以发电机负荷作为输入,根
据负荷变化进行实时跟踪控制,提升系统稳定性。传统方法采用阶跃信号作为
输入
[6]
,无法体现负荷变化时系统的控制作用,达不到符合跟踪的效果,而本文所
提方法则能体现出过程控制的优越性。本文选取日本中部电力(株)新名古屋火
力发电厂 220 MW 的 4 号机组为实体研究对象。
1 主蒸汽 温度控制系统模 型建 立
串级控制系统 抗干扰能力强 ,工作频率高,且具有 一定的自适应 能力,故主
蒸汽温度控制系统采用双闭环串级控制系统。其工艺流程图与系统框图如图 1
和图 2 所示。
图 1
图 1 主蒸汽温度控制系统
Figure 1. Main steam temperature control system
图 2
图 2 主蒸汽温度控制系统框图
Figure 2. Block diagram of main steam temperature control system
图 2 中,R
1
为温度目标值,R
2
为实时负荷,K
1
为主控制器,K
2
为副控制器,Kz
为调节阀,W
o1
为惰性区传递函数,W
o2
为导前区传递函数,a
1
为主蒸汽温度,a
2
为
减温器出口温度,W
1
为主温度变送器,W
2
为副温度变送器。
由图 1 和图 2 可以看出该系统主要分为两部分:主环和副环。主环由主控
制器 K
1
、副环、惰性区传递函数 W
o1
、主温度变送器 W
1
组成。主环为定值控
制系统,在控制过程中起“细调”作用,调整目标使输出温度接近给定值。副环由
副控制器 K
2
、调节阀 K
Z
、导前区传递函数 W
o2
、副温度变送器 W
2
组成。副环
为随动控制系统,在控制过程中起“粗调”作用
[7]
,调整目的是保证和提高主变量的
控制质量。
当喷水阀发生扰动时,首先影响 a
2
。一但 a
2
发生变化,W
o2
会立刻控制调节
阀 K
Z
改变喷水量。若 a
2
升高,则加大喷水量,反之减少喷水量,仍使 a
1
保持在设
定值附近。若 a
1
受影响超出设定范围,那么就要通过主控制器 W
o1
对副控制器
W
o2
进行校正,不断调整喷水量使 a
1
恢复到给定值附近。
根据查阅资料和推理计算,近似得出各部分传递函数。惰性区传递函数为
W
o1
= 150s+1
(1)
导前区传递函数为
W
o2
= 110s2+s+1
(2)
主温度变送器为
W
1
= 10.1s+1
(3)
副温度变送器为
W
2
= 10.1s+1
(4)
2 模 糊 PID 控制器设计
2.1 传 统 PID 控制器
传统 PID 控制器是将被控对象的实际输出值与目标值的偏差作为控制器
的输入,对偏差进行比例、积分、微分操作组合成线性的控制量,输出作用于被
控对象。
偏差方程为
e(t)=y(t)-r(t)
(5)
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