第26卷第14期Vol.26 No. 142002年7月25日J(rèn)uly 25, 2002發(fā)電廠循環(huán)水泵變頻調(diào)速自整定PID模糊控制張承慧!，程兆林(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東省濟(jì)南市250061; 2. 山東大學(xué)數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，山東省濟(jì)南市250100)摘要:在火力發(fā)電廠中,目前常用的恒速泵手動(dòng)操作方式控制粗糙,不能保證冷凝器工作在最佳真空值,而且水泵電耗嚴(yán)重。研制了-種循環(huán)水泵變頻調(diào)速自整定PID模糊控制系統(tǒng),它采用自整定PID控制器自動(dòng)選擇調(diào)節(jié)規(guī)律,確定最佳運(yùn)行參數(shù),從而克服了大擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響;利用模糊控制理論設(shè)計(jì)合理的切泵邏輯,實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)切換。該系統(tǒng)不僅適用于火力發(fā)電廠循環(huán)水泵的控制,而且也可用于各類供水泵站的控制。文中詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的控制算法及硬件結(jié)構(gòu)等,最后給出了應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞:火力發(fā)電廠;模糊控制;循環(huán)水泵;變頻調(diào)速; PID控制中圖分類號(hào): TM621. 7; TP2730引言一種工況,而實(shí)際自控系統(tǒng)的被控對(duì)象或過程一船汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備,而凝汽設(shè)備都具有非線性特性和不確定性,因此,僅采用常規(guī)的運(yùn)行的好壞對(duì)汽輪機(jī)的安全性與經(jīng)濟(jì)性有很大影PID調(diào)節(jié)往往不能滿足控制要求。要想達(dá)到理想的響,一般可以從是否能達(dá)到并保持最有利的真空、凝控制效果,必須根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)實(shí)時(shí)整定PID參結(jié)水過冷度的大小以及凝結(jié)水品質(zhì)是否合格等3個(gè)數(shù),以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求[2]。方面來(lái)衡量。此外,循環(huán)水泵耗電量約占機(jī)組總發(fā)電過熱蒸汽汽輪機(jī)量的1.5%~3.5%,因此,循環(huán)水泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)日-蕭汽器排著風(fēng)機(jī)一0-送風(fēng)機(jī)熱電廠節(jié)能降耗亦有重要意義凹。冷卻塔]除氧器高壓加熱器由于歷史、技術(shù)等方面的原因,長(zhǎng)期以來(lái),循環(huán)(循環(huán)水柔聚纂5L給水菜一水泵的控制不被人們重視，普遍采用增加或減少并聯(lián)水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的人工控制方法。這種方法不但勞圖1循環(huán)水泵 在火力發(fā)電廠中的位置動(dòng)強(qiáng)度大,而且隨機(jī)性大,一方面影響冷凝器真空度Fig. 1 Circulation pumps in the steam power plant的控制精度,另一方面導(dǎo)致了嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。雖然常規(guī)PID調(diào)節(jié)器自整定方法有兩類:Z- -N的臨循環(huán)水泵PID控制變頻調(diào)速系統(tǒng)近幾年發(fā)展較快，界比例度法和Astrom的理想繼電特性法。這兩種取得了一定的效果,但仍存在運(yùn)行參數(shù)不能在線調(diào)方法都是基于Nyquist曲線上的臨界點(diǎn)的信息知識(shí)節(jié)、魯棒性差、切泵頻繁抖動(dòng)等不容忽視的問題。本文設(shè)計(jì)了基于80C196KC和PLC的自整定來(lái)整定參數(shù)的,都有其固有的缺點(diǎn)。這里設(shè)計(jì)的自整PID模糊控制策略,實(shí)現(xiàn)了一類非線性、大慣性及大定PID控制器采用一種只基于給定相位裕度的算滯后過程的高質(zhì)量閉環(huán)控制。該系統(tǒng)已用于某火力法PM法,這是一種先進(jìn)的自整定算法,其突出發(fā)電廠循環(huán)水泵冷卻控制,取得了良好的應(yīng)用效果。優(yōu)點(diǎn)是低超調(diào)、快響應(yīng)。PM法的系統(tǒng)框圖如圖2所1自整定PID控制器設(shè)計(jì)廠PID循環(huán)水泵在火力發(fā)電廠中的位置如圖1所示。中國(guó)煤化工_ )r I受差對(duì)象常規(guī)PID控制器在使用過程中面臨最棘手的MHCNMH G問題就是控制器參數(shù)的整定問題。由于對(duì)某一特定L的控制系統(tǒng)所整定的某-組控制器參數(shù)僅適用于某圖2PM算法的系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of PM algorithm收稿日期: 2002-02-11;修回日期: 2002-03-21。山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y2001G01)。2滯環(huán)繼電器特性的描述函數(shù)的負(fù)倒數(shù)為:|OQ| = |G(jw)|=√x2 + sin2 %m(1)|PQ|os 9m- x一N(A)=-4A-ε-4|QR|= ToQ1Fx=-(4)- 1/(N(A))是平行于負(fù)實(shí)軸的一- 條直線,如Vx2 + sin2 9m圖3所示。|OR|=K|G(jw)|=.Im|0Q1+ |QRI=sin'qa十xCOs9m (5)√x2 + sin2 9%由式(3)和式(5)得K的整定公式為:) Reml|OR|_ sin2 Pm十.xcos 9%K=_|G(jw)「~"x2+sin? 9m:M由式(2)得:一wT>+示=tan(90°-%一q)=-1/ C(jo)|PR|(cos 9n一x)sin 9m=β(7)TOR| =sin2 9m十xcos 9。選取TI的整定公式為:圖3 - 1/(N(A))和Nyquist曲線T1= aTp(8)Fig.3 Curve of一1/(N(A)) and Nyquist式中:a為給定系數(shù)。選擇不同的ε和d值,可以確定出給定虛部的將式(8)代入式(7),得到:Nyquist曲線上的某一點(diǎn)Q。通過分別改變PID算wcT+ βTp---= 0式中Kp,K:和Kp值,可以分別使Q點(diǎn)在G(jo)，wcaG(jw)/(jw)和jwG(jw)方向.上移動(dòng),如圖4所示。因求解上述方程,即可得到Tp的整定公式為:此.通過改變Kp,K和Kp值,可使Q點(diǎn)移動(dòng)到任意T。=一β土V3+4/a位置，例如移動(dòng)到給定相位裕度為%的單位圓周上2wc的P點(diǎn)。這就是PM法的基本思想。x=q√A_ε(10)4cCja)式(6)~式(10)構(gòu)成了PM法的自整定公式。當(dāng)jo -9m,a給定后，即可整定K,T,Tp,亦即可整定Kp,K,Kp。R9m在30°~ 60°之間選取為宜,a在2~ 4之間.選取為宜。假定9m = 30°,a= 4,則有:j@Gja)K _ 0.25土0.87x(11)0.25+ x20.43 - 0. 5xβ=0.25十0.87x(12)T= 4T,圖4分別改變Kp,K和Kp值,可使Q點(diǎn)在G(jw),r._一β土(3五G(jw)/(jc)和jwG( jw)方向上移動(dòng)的情形(14)WcFig.4 Moving condition of Q with varing Kp,Kr.Kp indirection of G(jw) ,G(jw)/ (jw) ,jwG(jw)A°+e(15)中國(guó)煤化工為:當(dāng)圖2中開關(guān)K倒向b點(diǎn)時(shí),開環(huán)傳遞函數(shù)MYHCN MH G法的一套簡(jiǎn)化的自整定Go(s) = K|1 + Tps + G(s) (2)按照PM算法的具體步驟,采用匯編語(yǔ)言編程,當(dāng)K倒向a點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)在自整定狀態(tài)下按繼電控制實(shí)現(xiàn)了在線自整定PID運(yùn)算。只用1片80C196KC芯片就完成了這種自整定算法以及后面的模糊控方式運(yùn)行,自振角頻率為oxc,有:制。具體控制框圖如圖5所示?！窆こ虘?yīng)用●張承慧等發(fā)電廠循環(huán)水泵變頻調(diào)速自整定PID模糊控制3頻器加減速時(shí)間。檢別一開關(guān)[27C64]d.在a,b,c各段控制算法中,疊加以下用于切.ADAD167480C196KC+-[2817A換水泵時(shí)的模糊規(guī)則:①當(dāng)ep(n) < 0且e.(n) < PzDAC1208-[驅(qū)動(dòng)]-變類器且變頻器頻率已達(dá)50 Hz時(shí),繼續(xù)升頻至51 Hz,然后關(guān)斷頻率輸出信號(hào),延時(shí)1 s,將該泵切換至工頻真空度過商信號(hào)|發(fā)1P1.282C55真空度過低信號(hào)光P.3國(guó)示司夢(mèng)森系運(yùn)行;②ep(n)>0且e.(n) > 0且變頻器頻率升至真空度到達(dá)信號(hào)4P1.4上限信號(hào)P1.P3.0-增泵驅(qū)動(dòng)-光精]-。20 Hz時(shí),關(guān)掉一臺(tái)運(yùn)行于工頻的水泵，同時(shí),變頻PLC切泵指示信號(hào)兒宗P1.6小-波泵努動(dòng)-光稱]~ +器開始升頻。這兩條具有前饋性質(zhì)的模糊規(guī)則,對(duì)抑P.1卜+報(bào)電路制水泵切換時(shí)真空度的突變并使之平滑過渡是很有效的。圖580C196K自整定PID模糊控制器框圖Fig.580C 196K based self-tuning PID- fuzzy controller2.2控制算法的實(shí)現(xiàn)a.在|ep(n)|> P1階段,令變頻器以最大允許2模糊控制器設(shè)計(jì)的加速時(shí)間升降頻率,亦即積分常數(shù)固定,升降頻率模糊控制器本質(zhì)上是-種非線性控制器。對(duì)于采用比例控制。當(dāng)ep(n)> Pr,e.(n) > cI時(shí),采用開工作條件在大范圍內(nèi)變動(dòng)、過程動(dòng)態(tài)具有非線性的關(guān)量控制,切掉-臺(tái)運(yùn)行于工頻的水泵。系統(tǒng)，模糊控制比傳統(tǒng)控制方法更為有效。在冷凝器b.在PI≥lep(n)|≥P2階段,采用雙輸入單輸真空度控制過程中,系統(tǒng)模型相當(dāng)復(fù)雜,系統(tǒng)參數(shù)受出模糊控制。以變頻器加速時(shí)間為輸出控制量。用水量大小、季節(jié)氣溫、泄露等隨機(jī)因數(shù)影響較大模糊算法框圖如圖6所示。流量與水泵轉(zhuǎn)速也是非線性關(guān)系,水泵供水具有于給定E(n)關(guān)狀態(tài),其相互間也有-定的影響。利用微機(jī)軟件紙程靈活的特點(diǎn),將過程分為幾段,根據(jù)各段過程的特點(diǎn),采用不同的控制算法,以期達(dá)到最佳控制性能[3]。2.1控制結(jié)構(gòu)K主要輸入變量如下:ep,(n)為真空度實(shí)際偏差模糊化模桐化e.(n) 為真空度變化率。Ep(n)E(m)修正因子(用戶可調(diào)整)如下: K。為用于設(shè)定指模嬲關(guān)系矩陣RPIV變換制器對(duì)真空度偏差的靈敏度,其影響隸屬函數(shù);K為用于設(shè)定控制器對(duì)真空度變化率的靈敏度;K。為決策C周)設(shè)定輸出控制量的強(qiáng)度。控制算法分為以下幾段:精確量a. 當(dāng)真空度偏差|ep(n)|>P]時(shí),PI調(diào)節(jié)加于機(jī))關(guān)量控制。由于實(shí)測(cè)真空度遠(yuǎn)離給定值,大幅度改翌流量對(duì)最終控制精度影響不大,但加快了系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)象速度。b.當(dāng)PI≥lep(n)|≥P2時(shí),采用雙輸入單輸出.真空度模糊控制算法。此階段的目的是降低真空度變化率，圖6模糊算法框圖減緩真空度升(降)勢(shì)頭，以使真空度平滑地接近給Fig.6 Block diagram of fuzzy control algorithm定值，減小超調(diào)量,為精確控制做準(zhǔn)備。此階段輸出中國(guó)煤化工段，控制算法與P≥控制量選為變頻器加減速時(shí)間。MHCNMH是輸出控制量換成頻率c.當(dāng)|ep(n)|