發(fā)電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻調速自整定PID模糊控制

第26卷第14期Vol.26 No. 142002年7月25日July 25, 2002發(fā)電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻調速自整定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，山東省濟南市250061; 2. 山東大學(xué)數學(xué)與系統科學(xué)學(xué)院，山東省濟南市250100)摘要:在火力發(fā)電廠(chǎng)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,而且水泵電耗嚴重。研制了-種循環(huán)水泵變頻調速自整定PID模糊控制系統,它采用自整定PID控制器自動(dòng)選擇調節規律,確定最佳運行參數,從而克服了大擾動(dòng)對系統的影響;利用模糊控制理論設計合理的切泵邏輯,實(shí)現了平穩切換。該系統不僅適用于火力發(fā)電廠(chǎng)循環(huán)水泵的控制,而且也可用于各類(lèi)供水泵站的控制。文中詳細介紹了該系統的控制算法及硬件結構等,最后給出了應用效果。關(guān)鍵詞:火力發(fā)電廠(chǎng);模糊控制;循環(huán)水泵;變頻調速; PID控制中圖分類(lèi)號: TM621. 7; TP2730引言一種工況,而實(shí)際自控系統的被控對象或過(guò)程一船汽輪機是火力發(fā)電廠(chǎng)的核心設備,而凝汽設備都具有非線(xiàn)性特性和不確定性,因此,僅采用常規的運行的好壞對汽輪機的安全性與經(jīng)濟性有很大影PID調節往往不能滿(mǎn)足控制要求。要想達到理想的響,一般可以從是否能達到并保持最有利的真空、凝控制效果,必須根據系統的狀態(tài)實(shí)時(shí)整定PID參結水過(guò)冷度的大小以及凝結水品質(zhì)是否合格等3個(gè)數,以滿(mǎn)足系統穩定性的要求[2]。方面來(lái)衡量。此外,循環(huán)水泵耗電量約占機組總發(fā)電過(guò)熱蒸汽汽輪機量的1.5%~3.5%,因此,循環(huán)水泵的經(jīng)濟運行對日-蕭汽器排著(zhù)風(fēng)機一0-送風(fēng)機熱電廠(chǎng)節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(cháng)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)水泵運行臺數的人工控制方法。這種方法不但勞圖1循環(huán)水泵 在火力發(fā)電廠(chǎng)中的位置動(dòng)強度大,而且隨機性大,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,另一方面導致了嚴重的電能浪費。雖然常規PID調節器自整定方法有兩類(lèi):Z- -N的臨循環(huán)水泵PID控制變頻調速系統近幾年發(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,但仍存在運行參數不能在線(xiàn)調方法都是基于Nyquist曲線(xiàn)上的臨界點(diǎn)的信息知識節、魯棒性差、切泵頻繁抖動(dòng)等不容忽視的問(wèn)題。本文設計了基于80C196KC和PLC的自整定來(lái)整定參數的,都有其固有的缺點(diǎn)。這里設計的自整PID模糊控制策略,實(shí)現了一類(lèi)非線(xiàn)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(guò)程的高質(zhì)量閉環(huán)控制。該系統已用于某火力法PM法,這是一種先進(jìn)的自整定算法,其突出發(fā)電廠(chǎng)循環(huán)水泵冷卻控制,取得了良好的應用效果。優(yōu)點(diǎn)是低超調、快響應。PM法的系統框圖如圖2所1自整定PID控制器設計廠(chǎng)PID循環(huán)水泵在火力發(fā)電廠(chǎng)中的位置如圖1所示。中國煤化工_ )r I受差對象常規PID控制器在使用過(guò)程中面臨最棘手的MHCNMH G問(wèn)題就是控制器參數的整定問(wèn)題。由于對某一特定L的控制系統所整定的某-組控制器參數僅適用于某圖2PM算法的系統框圖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)基金資助項目(Y2001G01)。2滯環(huán)繼電器特性的描述函數的負倒數為:|OQ| = |G(jw)|=√x2 + sin2 %m(1)|PQ|os 9m- x一N(A)=-4A-ε-4|QR|= ToQ1Fx=-(4)- 1/(N(A))是平行于負實(shí)軸的一- 條直線(xiàn),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(xiàn)T1= aTp(8)Fig.3 Curve of一1/(N(A)) and Nyquist式中:a為給定系數。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(xiàn)上的某一點(diǎn)Q。通過(guò)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(guò)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)構成了PM法的自整定公式。當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)中國煤化工為:當圖2中開(kāi)關(guān)K倒向b點(diǎn)時(shí),開(kāi)環(huán)傳遞函數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K倒向a點(diǎn)時(shí),系統在自整定狀態(tài)下按繼電控制實(shí)現了在線(xiàn)自整定PID運算。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行,自振角頻率為oxc,有:制。具體控制框圖如圖5所示?！窆こ虘谩駨埑谢鄣劝l(fā)電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻調速自整定PID模糊控制3頻器加減速時(shí)間。檢別一開(kāi)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)的模糊規則:①當ep(n) < 0且e.(n) < PzDAC1208-[驅動(dòng)]-變類(lèi)器且變頻器頻率已達50 Hz時(shí),繼續升頻至51 Hz,然后關(guān)斷頻率輸出信號,延時(shí)1 s,將該泵切換至工頻真空度過(guò)商信號|發(fā)1P1.282C55真空度過(guò)低信號光P.3國示司夢(mèng)森系運行;②ep(n)>0且e.(n) > 0且變頻器頻率升至真空度到達信號4P1.4上限信號P1.P3.0-增泵驅動(dòng)-光精]-。20 Hz時(shí),關(guān)掉一臺運行于工頻的水泵，同時(shí),變頻PLC切泵指示信號兒宗P1.6小-波泵努動(dòng)-光稱(chēng)]~ +器開(kāi)始升頻。這兩條具有前饋性質(zhì)的模糊規則,對抑P.1卜+報電路制水泵切換時(shí)真空度的突變并使之平滑過(guò)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a.在|ep(n)|> P1階段,令變頻器以最大允許2模糊控制器設計的加速時(shí)間升降頻率,亦即積分常數固定,升降頻率模糊控制器本質(zhì)上是-種非線(xiàn)性控制器。對于采用比例控制。當ep(n)> Pr,e.(n) > cI時(shí),采用開(kāi)工作條件在大范圍內變動(dòng)、過(guò)程動(dòng)態(tài)具有非線(xiàn)性的關(guān)量控制,切掉-臺運行于工頻的水泵。系統，模糊控制比傳統控制方法更為有效。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(guò)程中,系統模型相當復雜,系統參數受出模糊控制。以變頻器加速時(shí)間為輸出控制量。用水量大小、季節氣溫、泄露等隨機因數影響較大模糊算法框圖如圖6所示。流量與水泵轉速也是非線(xiàn)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。利用微機軟件紙程靈活的特點(diǎn),將過(guò)程分為幾段,根據各段過(guò)程的特點(diǎn),采用不同的控制算法,以期達到最佳控制性能[3]。2.1控制結構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(hù)可調整)如下: K。為用于設定指模嬲關(guān)系矩陣RPIV變換制器對真空度偏差的靈敏度,其影響隸屬函數;K為用于設定控制器對真空度變化率的靈敏度;K。為決策C周)設定輸出控制量的強度?？刂扑惴ǚ譃橐韵聨锥?精確量a. 當真空度偏差|ep(n)|>P]時(shí),PI調節加于機)關(guān)量控制。由于實(shí)測真空度遠離給定值,大幅度改翌流量對最終控制精度影響不大,但加快了系統響應對象速度。b.當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，減小超調量,為精確控制做準備。此階段輸出中國煤化工段，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|ep(n)|