基于电厂锅炉燃烧模糊控制器的设计

摘要

火力发电是当今电力生产中重要生产形式之一。在现代电力企业中，由于安全性、节耗性、提高劳动生产率等多方面要求，计算机控制系统如今广泛应用于电站控制。但在实际运行中，经常受到内部和外部的干扰，锅炉燃烧是一个多输入多输出的被控对象，而且变量间相互耦合严重，并具有多参数，非线性，不确定时滞和时变的特点，传统的 PID 控制效果往往不够理想。必须采用先进控制算法。本文首先分析了火电厂锅炉燃烧控制系统的动态特性，确定了被控对像的传递函数。然后对锅炉燃烧系统单模糊控制器进行总体设计。主要输入量的模糊化，模糊控制规则的形成，输出量的模糊化。最后通过应用MATLAB中的SIMULINK对系统进行仿真，对比模糊控制与常规PID控制的控制性能。通过仿真结果对比得出：模糊控制器的控制性能总体优于常规PID控制器，它不仅具有良好的动态特性，还具有良好的环境适应能力。

关键词：火电厂；燃烧控制系统；模糊控制；SIMULINK仿真

第一章绪论

1.1 研究背景和课题来源及意义

1.1.1 研究背景

电能是现代社会的必需品，若没有电能人类的生活生产将面临巨大的困难。电能作为最清洁的能源，其使用方法简单，运送方便，容易转换。电力工业的发展水平实际上是工农业发展、人民生活水平和科技与国防现代化的重要标志。常见的电力生产有如水力发电，核能发电，火力发电，太阳能发电、风能发和地热能发电等方法。目前电能主要由火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂产生。在我国，火力发电是生产电力的主要方式，截止到 2009年 12 月底，全国发电量为36506 亿千瓦时，其中火力发电量为 29814.22 亿千瓦时，占总发电量的

81.67%，表 1-1 是最近几年我国火力发电情况统计表

煤是火力发电的主要燃料，中国每年消耗的煤炭用于发电占全国煤炭产量约一半的工业用煤总量，比例高达80%，为了节约资源，保护环境，应为了提高煤炭的燃烧效率。锅炉设备是火力发电过程中最重要的设备，其工作直接影响到整个电厂的运行状态。只有在中国工业锅炉实际运行效率大约有65%，与国外先进水平相比，低15-20%，通过节能改造，每年可节省大量的煤，影响锅炉效率的因素是多方面的，一方面由于燃煤发电的来源和煤种复杂多变，对燃烧系统的直接摄动；另一方面，由于设备老化和单位变换，得到变工况范围大，使电站锅炉运行状态往往偏离最优条件，因此，对锅炉燃烧系统优化控制技术先进，保证锅炉的安全环保经济运行，具有非常重要的现实意义。锅炉燃烧优化系统的本质是运行技术改变锅炉设备参数的前提下，通过对燃料和空气分配比等参数提供调整，使锅炉燃烧燃烧处于最佳状态，以增加同时对锅炉安全运行的热效率，锅炉的实现经济，环境保护和安全操作。

1.2 模糊控制在火电厂燃烧控制系统中应用的意义

自Zadeh教授在美国大学1965加利福尼亚建立了模糊集理论和1974英国e.h.mam2dani 在锅炉和汽轮机控制模糊控制中的应用是成功的，模糊控制已在开发在现实生活中广泛应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了专家信息，语言为一种推理方法的控制系统结构。通俗的讲，模糊控制是模糊推理的控制对象，模仿人的思维方式难以建立精确数学模型的实现。它是利用模糊数学的交叉复合产品的控制理论，而且是智能控制的重要组成部分。突出了模糊控制的特点

1)设计不要求知道被控对象的精确数学模型,只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。

(2)系统的优化性强,适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。

(3)以语言变量代替常规的数学变量,易于构造形成专业语言。

(4)推理过程模仿人的思维过程,加入了人类的经验,因而能够处理复杂甚至“病态”系统。

模糊控制器的设计和结构可以有许多不同的方法，但一般的模糊逻辑控制器的工作过程可以分为三个阶段：第一阶段是所谓的“模糊”，从精确量的语言变量转化为不同的类实现，输入变量设置为不同程度会员，会员功能：通常使用三角形隶属函数，正态分布和梯形隶属函数；第二阶段，输入变量的集合被分配给一个if2then控制规则，结果的各种规则加在一起产生一个“模糊”，即规则合成；第三阶段则为了解决模糊决策的模糊输出是通过语言变量的精确量的。其实这是一个输出范围，找到一个被认为是最具代表性和精确的输出控制量直接驱动控制装置。围绕着这样一个基本构造,模糊控制的发展取得了突出的成就。如近年来发展起来的自适应模糊控制、基于神经元网络的模糊控制等。全面综述了模糊控制近年来发展的状况。

模糊控制理论，控制该型锅炉复杂的热过程中，具有重要的理论意义和现实意义。这是考虑到该控制方法的复杂性和传统的锅炉本身，实现锅炉的控制的存在下无法克服的问题确定:

(1系统有严重的耦合。例如：对燃料的变化量，对其他几个电路产生影响。扰动燃料极大地影响蒸汽流，蒸汽流被改变反过来必然导致的变化的供水系统。(2)由于对系统的变化，煤炭和煤的质量造成了不确定性。改变负载（参照蒸汽需求）也构成了系统的不确定性。

(3)通过滞后于煤炭量的变化对主蒸汽压力的变化，循环时间。在测量时间滞后的类包括延迟，处理延迟和传输延迟。从控制的角度来看，更困难的是，这个物种的大小与时间延迟和负载条件也有所变化。

(4)有许多测量噪声信号，由于电厂的电力设备的高电压性能。

(5)一天24小时在锅炉设定值不断变化使锅炉运行在最佳状态下运行。通常在早上大大增加负载，而在晚上，大大降低了负载1.3 模糊控制的发展及研究现状

模糊控制又叫做模糊逻辑控制，它是一种新的计算机数字控制手段，主要的理论基础包括模糊集理论、模糊变量以及模糊推理等。美国著名学者L.A.Zadeh 教授在1965 年首次创立了模糊集理论，而其首次应用于实际系统的控制则是由英国的 E.H.Mamdani 教授在1974 年实现的，这也成为了模糊控制论- 4-诞生的标志。1980 年，Fukami 和Mizumorod 等提出模糊条件推理，成功用于废水处理

过程。1984国际模糊系统协会成立（IFSA成立国际fuzzysystemassociation），1985在西班牙的第一个美国会议。我们在模糊理论的研究起步比较早，国内学者在模糊理论取得了巨大的成就。吴伟志研究公理化的粗糙近似算子，王国俊在模糊逻辑的问题，取得了显著成就李洪兴zushu等人，李。在模糊控制技术与应用的优秀成果，特别是李教授红星2002年8月11日北京师范大学，采用“变论域自适应模糊控制理论得到了世界上第一个“四级倒立摆控制系统”。2005，是模糊数学中出世40周年的第十一州的会议在中国举行，在全世界包括Zadeh教授近100位著名学者，聚集在北京，讨论了模糊数学的发展计划。许多科学家继续在模糊理论的发展和各种新技术、新理论和算法方面的交叉融合。虽然模糊理论被提出只有四十年，但其发展速度非常惊人。模糊控制已经应用到相机，如模糊洗衣机，电梯控制，水质净化等领域。智能模糊控制系统越来越受到人们的重视基于模糊理论，也使得快速发展。第2章电厂锅炉燃烧控制系统

2.1 电厂锅炉简介

火力发电厂燃料的化学能量转换为电力企业的主要设备，锅炉，汽轮机和发电机。电站锅炉是火力发电厂的三大主机，也被称为蒸汽发生器，燃料这里在化学能量为热能转换。一般来说，电站锅炉用于发电厂。电站锅炉主要有两种类型：煤粉炉和循环流化床锅炉，本文主要研究对象为煤粉锅炉。

给煤机2 将原煤斗1 中储存的煤源源不断的送入磨煤机3 中，在磨煤机中制成的煤粉通过热空气进行干燥并送入燃烧器中进行燃烧。冷空气在送风机20的作用下经空气预热器17 预热后变为热空气，一部分热空气进入磨煤机中对煤粉进行加热和干燥，另一部分直接进入