发电厂循环水泵变频调速自整定PID模糊控制

第26卷第14期Vol.26 No. 142002年7月25日July 25, 2002发电厂循环水泵变频调速自整定PID模糊控制张承慧!，程兆林(1.山东大学控制科学与工程学院，山东省济南市250061; 2. 山东大学数学与系统科学学院，山东省济南市250100)摘要:在火力发电厂中,目前常用的恒速泵手动操作方式控制粗糙,不能保证冷凝器工作在最佳真空值,而且水泵电耗严重。研制了-种循环水泵变频调速自整定PID模糊控制系统,它采用自整定PID控制器自动选择调节规律,确定最佳运行参数,从而克服了大扰动对系统的影响;利用模糊控制理论设计合理的切泵逻辑,实现了平稳切换。该系统不仅适用于火力发电厂循环水泵的控制,而且也可用于各类供水泵站的控制。文中详细介绍了该系统的控制算法及硬件结构等,最后给出了应用效果。关键词:火力发电厂;模糊控制;循环水泵;变频调速; PID控制中图分类号: TM621. 7; TP2730引言一种工况,而实际自控系统的被控对象或过程一船汽轮机是火力发电厂的核心设备,而凝汽设备都具有非线性特性和不确定性,因此,仅采用常规的运行的好坏对汽轮机的安全性与经济性有很大影PID调节往往不能满足控制要求。要想达到理想的响,一般可以从是否能达到并保持最有利的真空、凝控制效果,必须根据系统的状态实时整定PID参结水过冷度的大小以及凝结水品质是否合格等3个数,以满足系统稳定性的要求[2]。方面来衡量。此外,循环水泵耗电量约占机组总发电过热蒸汽汽轮机量的1.5%~3.5%,因此,循环水泵的经济运行对日-萧汽器排着风机一0-送风机热电厂节能降耗亦有重要意义凹。冷却塔]除氧器高压加热器由于历史、技术等方面的原因,长期以来,循环(循环水柔聚纂5L给水菜一水泵的控制不被人们重视，普遍采用增加或减少并联水泵运行台数的人工控制方法。这种方法不但劳图1循环水泵 在火力发电厂中的位置动强度大,而且随机性大,一方面影响冷凝器真空度Fig. 1 Circulation pumps in the steam power plant的控制精度,另一方面导致了严重的电能浪费。虽然常规PID调节器自整定方法有两类:Z- -N的临循环水泵PID控制变频调速系统近几年发展较快，界比例度法和Astrom的理想继电特性法。这两种取得了一定的效果,但仍存在运行参数不能在线调方法都是基于Nyquist曲线上的临界点的信息知识节、鲁棒性差、切泵频繁抖动等不容忽视的问题。本文设计了基于80C196KC和PLC的自整定来整定参数的,都有其固有的缺点。这里设计的自整PID模糊控制策略,实现了一类非线性、大惯性及大定PID控制器采用一种只基于给定相位裕度的算滞后过程的高质量闭环控制。该系统已用于某火力法PM法,这是一种先进的自整定算法,其突出发电厂循环水泵冷却控制,取得了良好的应用效果。优点是低超调、快响应。PM法的系统框图如图2所1自整定PID控制器设计厂PID循环水泵在火力发电厂中的位置如图1所示。中国煤化工_ )r I受差对象常规PID控制器在使用过程中面临最棘手的MHCNMH G问题就是控制器参数的整定问题。由于对某一特定L的控制系统所整定的某-组控制器参数仅适用于某图2PM算法的系统框图Fig.2 System block diagram of PM algorithm收稿日期: 2002-02-11;修回日期: 2002-03-21。山东省自然科学基金资助项目(Y2001G01)。2滞环继电器特性的描述函数的负倒数为:|OQ| = |G(jw)|=√x2 + sin2 %m(1)|PQ|os 9m- x一N(A)=-4A-ε-4|QR|= ToQ1Fx=-(4)- 1/(N(A))是平行于负实轴的一- 条直线,如Vx2 + sin2 9m图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的整定公式为:) 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。选取TI的整定公式为:图3 - 1/(N(A))和Nyquist曲线T1= aTp(8)Fig.3 Curve of一1/(N(A)) and Nyquist式中:a为给定系数。选择不同的ε和d值,可以确定出给定虛部的将式(8)代入式(7),得到:Nyquist曲线上的某一点Q。通过分别改变PID算wcT+ βTp---= 0式中Kp,K:和Kp值,可以分别使Q点在G(jo)，wcaG(jw)/(jw)和jwG(jw)方向.上移动,如图4所示。因求解上述方程,即可得到Tp的整定公式为:此.通过改变Kp,K和Kp值,可使Q点移动到任意T。=一β土V3+4/a位置，例如移动到给定相位裕度为%的单位圆周上2wc的P点。这就是PM法的基本思想。x=q√A_ε(10)4cCja)式(6)~式(10)构成了PM法的自整定公式。当jo -9m,a给定后，即可整定K,T,Tp,亦即可整定Kp,K,Kp。R9m在30°~ 60°之间选取为宜,a在2~ 4之间.选取为宜。假定9m = 30°,a= 4,则有:j@Gja)K _ 0.25土0.87x(11)0.25+ x20.43 - 0. 5xβ=0.25十0.87x(12)T= 4T,图4分别改变Kp,K和Kp值,可使Q点在G(jw),r._一β土(3五G(jw)/(jc)和jwG( jw)方向上移动的情形(14)WcFig.4 Moving condition of Q with varing Kp,Kr.Kp indirection of G(jw) ,G(jw)/ (jw) ,jwG(jw)A°+e(15)中国煤化工为:当图2中开关K倒向b点时,开环传递函数MYHCN MH G法的一套简化的自整定Go(s) = K|1 + Tps + G(s) (2)按照PM算法的具体步骤,采用汇编语言编程,当K倒向a点时,系统在自整定状态下按继电控制实现了在线自整定PID运算。只用1片80C196KC芯片就完成了这种自整定算法以及后面的模糊控方式运行,自振角频率为oxc,有:制。具体控制框图如图5所示。●工程应用●张承慧等发电厂循环水泵变频调速自整定PID模糊控制3频器加减速时间。检别一开关[27C64]d.在a,b,c各段控制算法中,叠加以下用于切.ADAD167480C196KC+-[2817A换水泵时的模糊规则:①当ep(n) < 0且e.(n) < PzDAC1208-[驱动]-变類器且变频器频率已达50 Hz时,继续升频至51 Hz,然后关断频率输出信号,延时1 s,将该泵切换至工频真空度过商信号|发1P1.282C55真空度过低信号光P.3国示司梦森系运行;②ep(n)>0且e.(n) > 0且变频器频率升至真空度到达信号4P1.4上限信号P1.P3.0-增泵驱动-光精]-。20 Hz时,关掉一台运行于工频的水泵，同时,变频PLC切泵指示信号儿宗P1.6小-波泵努动-光稱]~ +器开始升频。这两条具有前馈性质的模糊规则,对抑P.1卜+报电路制水泵切换时真空度的突变并使之平滑过渡是很有效的。图580C196K自整定PID模糊控制器框图Fig.580C 196K based self-tuning PID- fuzzy controller2.2控制算法的实现a.在|ep(n)|> P1阶段,令变频器以最大允许2模糊控制器设计的加速时间升降频率,亦即积分常数固定,升降频率模糊控制器本质上是-种非线性控制器。对于采用比例控制。当ep(n)> Pr,e.(n) > cI时,采用开工作条件在大范围内变动、过程动态具有非线性的关量控制,切掉-台运行于工频的水泵。系统，模糊控制比传统控制方法更为有效。在冷凝器b.在PI≥lep(n)|≥P2阶段,采用双输入单输真空度控制过程中,系统模型相当复杂,系统参数受出模糊控制。以变频器加速时间为输出控制量。用水量大小、季节气温、泄露等随机因数影响较大模糊算法框图如图6所示。流量与水泵转速也是非线性关系,水泵供水具有于给定E(n)关状态,其相互间也有-定的影响。利用微机软件纸程灵活的特点,将过程分为几段,根据各段过程的特点,采用不同的控制算法,以期达到最佳控制性能[3]。2.1控制结构K主要输入变量如下:ep,(n)为真空度实际偏差模糊化模桐化e.(n) 为真空度变化率。Ep(n)E(m)修正因子(用户可调整)如下: K。为用于设定指模嬲关系矩阵RPIV变换制器对真空度偏差的灵敏度,其影响隶属函数;K为用于设定控制器对真空度变化率的灵敏度;K。为决策C周)设定输出控制量的强度。控制算法分为以下几段:精确量a. 当真空度偏差|ep(n)|>P]时,PI调节加于机)关量控制。由于实测真空度远离给定值,大幅度改翌流量对最终控制精度影响不大,但加快了系统响应对象速度。b.当PI≥lep(n)|≥P2时,采用双输入单输出.真空度模糊控制算法。此阶段的目的是降低真空度变化率，图6模糊算法框图减缓真空度升(降)势头，以使真空度平滑地接近给Fig.6 Block diagram of fuzzy control algorithm定值，减小超调量,为精确控制做准备。此阶段输出中国煤化工段，控制算法与P≥控制量选为变频器加减速时间。MHCNMH是输出控制量换成频率c.当|ep(n)|