摘 要：电厂实现热力过程自动化，能使机组安全、可靠、经济地运行。锅炉是火力发电厂最重要的生产设备，过热蒸汽温度控制是锅炉控制系统中的重要环节。

本文从理论上研究了模糊-PID控制器在控制方面的优点，设计出符合整套控制系统的模糊-PID控制器。以误差和误差变化率为输入， 利用模糊推理的方法实现了对参数的在线自动整定， 并且在MATLAB环境下对该控制器进行了设计和仿真。

关键词：过热蒸汽温度；模糊-PID控制器；仿真

1 电厂锅炉蒸汽温度控制系统的分析

影响蒸汽温度的主要因素有减温水给水量的变化，给水量的多少直接影响了最后出来的蒸汽温度，如果蒸汽温度过热就会损害过热器和高压力汽轮机，太低也不行，因为它会降低电厂效率的。除了这个干扰因素外还有过热蒸汽流量的变化，烟气温度的变化，过热器热交换性能的变化。各种扰动因素又相互影响，控制其中任何一个都可以实现对过热蒸汽温度的调节。本文通过对减温水流量的调节实现对过热蒸汽温度的调节。

电厂锅炉蒸汽在工作时，当减温水发生扰动时，汽温的延迟时间τ一般在30到60秒之间，而时间常数Tc一般在100秒左右。而过热蒸汽流量的变化与烟气温度的变化，发生扰动时汽温的延迟时间和时间常数比减温水发生扰动时的小，因而对于控制过热蒸汽温度的动态特性而言，选择过热蒸汽流量与烟气温度作为控制量比较好，但是实际却很困难，尤其是过热蒸汽流量是由用户决定，所以不能作为控制量。

虽然以减温水的流量作为被控对象的特性不是很理想，但是喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以目前还是广泛地把减温水流量作为控制过热蒸汽温度的控制对象。

2 锅炉蒸汽温度模糊-PID控制器的设计

电厂的锅炉蒸汽温度具有大滞后，大惯性等特性，为了能得到较好的控制性能，我们选取减温水的给水流量作为过热蒸汽的被控对象，通过控制减温水的阀门开度，使过热蒸汽温度能在比较理想的温度保持稳定或者在极小的范围之内发生变化。

根据在减温水流量发生扰动时，我可以测得汽温T的温度，然后通过温度变送器TT把测得的汽温送到温度控制器TC，在温度控制器中已设置好了期望温度，对期望温度与测得的汽温T进行比较，通过两者之间比较的结果产生的差值再送入系统当中来控制减温水调节阀门的开度。

设计完整体控制系统框图后，还要选取适当的检测、变送器，只有选取正确的器件才能使误差尽量控制在小的范围之内。

控制理论已经证明，对单回路定值控制系统这样的定值闭环反馈控制系统，当控制器放大倍数较大时或者含有积分因子时，其稳态误差在扰动不变的情况下主要取决于反馈通道即测量误差的大小。

对测量信号还要进行校正，对电厂过热蒸汽温度测量时，通常使用标准温度组件。在设计参数下运行时，这种温度装置的测量精度较高，当参数偏离给定值时，测量误差较大，其主要原因是蒸汽温度受压力与流量的影响，为此对其测量信号进行压力和流量校正。

在控制过程中对检测与变送装置的响应速度也有一定的要求。检测与变送装置都有一定的时间常数，会造成控制系统中的检测滞后于变送滞后，这样会使测量值与真实值之间产生一定的差异，会影响控制性能。所以在系统设计中要选取响应快速的检测与变送装置。

设计所采用的仿真软件是MATLAB6.5，它可以通过模块化计算、可视化、智能化的人机交互功能对系统进行仿真调试。

本次设计用到的MATLAB中的编辑器分别有：模糊推理系统编辑器、隶属函数编辑器、模糊规则编辑器、输出量曲面观测窗。

运用MATLAB的编辑器对系统进行模糊推理的设计。

1）通过模糊推理系统编辑器设计模糊控制器的输入、输出接口：

整个系统的输入变量为e，模糊控制器的输入变量分别为e和ec，而模糊控制器的输出变量是与常规PID控制器的Kp、Ki、Kd相叠加，所以它的输出变量也为Kp、Ki、Kd。

本次设计采用的模糊推理系统的类型为Mamdani（曼达尼型），它是一个双输入-三输出的二维模糊推理系统。

2）通过隶属函数编辑器对模糊控制器隶属函数进行设计。

本文模糊控制器所用的隶属函数均为三角形隶属函数，e、ec的论域范围都为[-60，60]，而Kp、Ki、Kd的论域都为[-3，3]。

而e、ec、Kp、Ki、Kd的模糊论域分别为：

e=ec=Kp=Ki=Kd={nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}

可以对隶属函数的名称、类型、变量取值范围进行设置，还可以增加覆盖输入量模糊子集的数目与调整模糊子集的分布。

3）通过模糊规则编辑器对模糊规则进行设计。

在设计好隶属函数之后，基于隶属函数的取值范围，要设计出一套符合整套系统控制的模糊控制规则。

设计模糊控制规则，一般都是通过模糊用语言来实现的，通过选取合适的模糊语言构成符合控制性能的模糊条件语句，形成模糊规则控制库来调节整个系统的控制，使其达到很好 控制性能。

根据本文e、ec、Kp、Ki、Kd所选择的模糊论域，我们设计出如下的控制规则。

If e is nb and ec is nb，then Kp is pb and Ki is nb and Kd is ps

If e is nb and ec is nm，then Kp is pb and Ki is nb and Kd is ns

If e is nb and ec is ns，then Kp is pm and Ki is nm and Kd is nb

If e is nb and ec is zo，then Kp is pm and Ki is nm and Kd is nb

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…………………………………………………………………………

（48） If e is pb and ec is pm，then Kp is nb and Ki is pb and Kd is ps

（49） If e is nb and ec is pb，then Kp is nb and Ki is pb and Kd is pb

模糊规则其实也可以说是一种与数学表达式相似的微分方程，只是这种微分方程是用模糊语言所表达的。

3 结论

维持过热器出口温度在允许范围内是锅炉过热蒸汽温度控制系统的主要任务。现在国内的大多数电厂还是采用依靠操纵人员的经验对系统进行现场调节。这种控制方式不仅存在极大的安全问题，而且也会大大降低电厂的工作效率。

本文针对电厂现在存在的这一现象，对过热蒸汽温度系统进行控制器设计进行了理论研究。并对仿真结果进行比较，得到的结论是模糊-PID的控制性能要优于传统PID单回路控制。

参考文献

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