火电机组主汽温的模糊控制系统设计(附件)【字数：15859】
摘 要摘 要火力发电机组的主蒸汽温度关乎该电厂能否安全运行，也决定了经济收益的高低，是电厂运行的重要参数之一，现有的火电机组多采用经典PID串级控制系统。但传统比例微分积分控制对于主汽温这样的时变特性复杂系统效果并不理想。基于模糊数学的基本原理以及现代控制理论，本文提出了一种模糊控制系统并在MATLAB的Simulink环境下进行了仿真实验。结果表明，本文提出的复合模糊控制系统性能在超调量和调节时间等方面要领先于传统PID控制。本文主要完成了以下几方面的工作（1）基于国内外主汽温控制系统的发展现状以及模糊控制理论的研究现状，对主汽温系统进行了分析，建立了主汽温控制系统的模型并且分析了其动态特性；（2）在模糊控制理论的数学基础上结合工业现场的控制经验，完成了一种用于火电机组主汽温控制的模糊控制器设计；（3）使用MATLAB7.0软件构建了传统PID串级控制系统以及模糊控制系统的模型，并且在simulink环境下进行了对比仿真实验。结果表明本文设计的模糊控制系统相对于比例微分积分的控制在超调量和调节时间方面都有改善，控制性能良好。关键词主蒸汽温度控制；模糊控制；PID控制；MATLAB仿真
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 主汽温控制的研究现状 2
1.2.2 模糊控制理论的发展与现状 4
1.2.3 基于模糊控制理论的主汽温控制研究发展与现状 6
1.3 本文研究的主要内容 6
第二章 主蒸汽温度系统模型建立与分析 7
2.1概述 7
2.2 蒸汽温度对象的模型建立及动态特性分析 7
2.2.1 锅炉蒸汽负荷变化时过热器的动态特性 9
2.2.2 烟气传热量扰动下主汽温的动态特性 10
2.2.3 减温水量扰动下的主汽温动态特性 11
2.3 对影响蒸汽温度的变量的分析 12
第三章 模糊控制设计 15
3.1 模糊控制理论 15
3.1.1 模糊控制的概述 15
3.1.2 模糊控制系统的组成 15
3.2 模糊数学 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
概述 16
3.3 模糊控制器的设计 16
3.3.1 模糊控制的特点及组成 16
3.3.2 模糊控制器的设计 18
第四章 主汽温系统的模糊控制及仿真 21
4.1 火电机组主汽温控制系统 21
4.2 仿真研究 21
4.2.1 仿真简介 21
4.2.2火电机组主汽温PID串级控制系统仿真 25
4.2.3 火电机组主汽温模糊控制系统仿真 26
4.3 仿真结果 27
4.4 分析与小结 28
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
随着工业化进程的推进，火力发电机组的发电量占我国电力生产总量的比例越来越大，在能源领域的地位越发重要，是牵引经济发展的火车头。大型火力发电机组的效费比高、耗煤量低、污染物以及温室气体排放少、更有利于集中控制；一般分为锅炉，汽轮机，发电机三大设备且另有诸多辅助设施；工艺流程步骤多而繁杂，在不同厂房分布着诸多设备并且彼此之间由复杂的管线网络连接，这些过程和设备以及上面的参数都需要设置采样点进行监控操作。因此，先进的自动化设备与自控系统对于主力发电机组来说是必不可少的。电力生产关乎国家经济活动命脉，对社会稳定有重要的意义，火电机组，尤其是身为地区电网核心的大型机组的安全性，经济性等指标要求非常严格。因此，大型火电机组需要先进的自动化仪器仪表以及性能指标良好的自动化设备。
主蒸汽温度，即过热蒸汽出口温度如果控制不当，会导致过热器损坏或者严重的锅炉事故，是锅炉运行过程的重要指标之一[5]。过热器内部是高温高压的环境管道温度必须保持在可以承受的极限范围内，否则会发生危险，过热器出口蒸汽温度能够直观的反映过热器内部情况，因此控制过热器出口蒸汽温度以保护过热器就显得尤为重要。过热器出口温度不但会影响过热器本身的安全运行，还会影响汽轮机等其他设备以及火电厂的经济效益。在蒸汽温度过高时，大型火电机组的过热器管道承受的温度和压力超出极限会有破损危险，同时汽轮机内部环境恶化过度膨胀，有可能导致机组损坏；而蒸汽温度过低时，火电厂的热效率低于正常水平，而热效率低时每发一度电会消耗更多的煤，导致发电的经济效率大大下降。此外温度过低时汽轮机内部虽然不超温超压，但是湿度过高，会造成叶片损坏。根据工业现场的经验汽温每下降5度将导致发电总量下降约1%，对于大型火电机组来说，经费损耗是相当可怕的。因此主汽温对整个系统的安全运行和生产效率有着十分重要的意义，一般要求与要求输出值的偏差不大于5℃[6]。
主蒸汽温度在自动控制系统的设计中是公认的难控对象，原因可归纳如下：
（1）经典比例微分积分控制的反应时间比较长，获得预设的指标也需要一定的时间。而主汽温控制系统的系统延迟比较大，在装机容量大的机组中延迟更加大，经典比例积分微分系统的效果不好。
（2）因为运行的流程长而杂，所以主汽温系统的运行规律在每个火电厂间差异较大，即使是同一个机组，控制对象的模型也会随着时间变化和运行负荷的改变而发生变化，因此对于主蒸汽温度控制系统而言获取其准确的数学模型是很困难的。
（3）主蒸汽温度会受到机组负载变化、锅炉输出热气流状况扰动、燃料质量冷却水阀门开度、燃烧方式变化以及冷却水温度等因素的影响。此外，一些其他因素比如煤粒的粗细差别以及鼓风机的输入量也会影响过热器出口温度。
（4）由于流经过热器的主蒸汽具有高温、高压的特点，过热器内部管道时时刻刻处于较为极限的工作环境下，管壁的安全系数冗余比较小。因此，现在的大型火电机组对主蒸汽温度自动控制系统的性能要求很高，正常情况下不能与要求的数值差距超过5℃。
总而言之，在火电机组的运行过程中，主蒸汽温度这一数据是要求专门安排操作员进行实时监视控制以保持稳定的。主汽温控制系统呈现出非线性的特性因此受到非常多的因素影响因此主汽温控制系统是很难设计的。过热器管道内部以及过热器出口处的过热气体是整个电厂中温度最高的地方，安全冗余系数也是最小的，为了保证安全性和经济性，主蒸汽温度控制系统是非常重要的[7]。
1.2 国内外研究现状
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 主汽温控制的研究现状 2
1.2.2 模糊控制理论的发展与现状 4
1.2.3 基于模糊控制理论的主汽温控制研究发展与现状 6
1.3 本文研究的主要内容 6
第二章 主蒸汽温度系统模型建立与分析 7
2.1概述 7
2.2 蒸汽温度对象的模型建立及动态特性分析 7
2.2.1 锅炉蒸汽负荷变化时过热器的动态特性 9
2.2.2 烟气传热量扰动下主汽温的动态特性 10
2.2.3 减温水量扰动下的主汽温动态特性 11
2.3 对影响蒸汽温度的变量的分析 12
第三章 模糊控制设计 15
3.1 模糊控制理论 15
3.1.1 模糊控制的概述 15
3.1.2 模糊控制系统的组成 15
3.2 模糊数学 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
概述 16
3.3 模糊控制器的设计 16
3.3.1 模糊控制的特点及组成 16
3.3.2 模糊控制器的设计 18
第四章 主汽温系统的模糊控制及仿真 21
4.1 火电机组主汽温控制系统 21
4.2 仿真研究 21
4.2.1 仿真简介 21
4.2.2火电机组主汽温PID串级控制系统仿真 25
4.2.3 火电机组主汽温模糊控制系统仿真 26
4.3 仿真结果 27
4.4 分析与小结 28
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
随着工业化进程的推进，火力发电机组的发电量占我国电力生产总量的比例越来越大，在能源领域的地位越发重要，是牵引经济发展的火车头。大型火力发电机组的效费比高、耗煤量低、污染物以及温室气体排放少、更有利于集中控制；一般分为锅炉，汽轮机，发电机三大设备且另有诸多辅助设施；工艺流程步骤多而繁杂，在不同厂房分布着诸多设备并且彼此之间由复杂的管线网络连接，这些过程和设备以及上面的参数都需要设置采样点进行监控操作。因此，先进的自动化设备与自控系统对于主力发电机组来说是必不可少的。电力生产关乎国家经济活动命脉，对社会稳定有重要的意义，火电机组，尤其是身为地区电网核心的大型机组的安全性，经济性等指标要求非常严格。因此，大型火电机组需要先进的自动化仪器仪表以及性能指标良好的自动化设备。
主蒸汽温度，即过热蒸汽出口温度如果控制不当，会导致过热器损坏或者严重的锅炉事故，是锅炉运行过程的重要指标之一[5]。过热器内部是高温高压的环境管道温度必须保持在可以承受的极限范围内，否则会发生危险，过热器出口蒸汽温度能够直观的反映过热器内部情况，因此控制过热器出口蒸汽温度以保护过热器就显得尤为重要。过热器出口温度不但会影响过热器本身的安全运行，还会影响汽轮机等其他设备以及火电厂的经济效益。在蒸汽温度过高时，大型火电机组的过热器管道承受的温度和压力超出极限会有破损危险，同时汽轮机内部环境恶化过度膨胀，有可能导致机组损坏；而蒸汽温度过低时，火电厂的热效率低于正常水平，而热效率低时每发一度电会消耗更多的煤，导致发电的经济效率大大下降。此外温度过低时汽轮机内部虽然不超温超压，但是湿度过高，会造成叶片损坏。根据工业现场的经验汽温每下降5度将导致发电总量下降约1%，对于大型火电机组来说，经费损耗是相当可怕的。因此主汽温对整个系统的安全运行和生产效率有着十分重要的意义，一般要求与要求输出值的偏差不大于5℃[6]。
主蒸汽温度在自动控制系统的设计中是公认的难控对象，原因可归纳如下：
（1）经典比例微分积分控制的反应时间比较长，获得预设的指标也需要一定的时间。而主汽温控制系统的系统延迟比较大，在装机容量大的机组中延迟更加大，经典比例积分微分系统的效果不好。
（2）因为运行的流程长而杂，所以主汽温系统的运行规律在每个火电厂间差异较大，即使是同一个机组，控制对象的模型也会随着时间变化和运行负荷的改变而发生变化，因此对于主蒸汽温度控制系统而言获取其准确的数学模型是很困难的。
（3）主蒸汽温度会受到机组负载变化、锅炉输出热气流状况扰动、燃料质量冷却水阀门开度、燃烧方式变化以及冷却水温度等因素的影响。此外，一些其他因素比如煤粒的粗细差别以及鼓风机的输入量也会影响过热器出口温度。
（4）由于流经过热器的主蒸汽具有高温、高压的特点，过热器内部管道时时刻刻处于较为极限的工作环境下，管壁的安全系数冗余比较小。因此，现在的大型火电机组对主蒸汽温度自动控制系统的性能要求很高，正常情况下不能与要求的数值差距超过5℃。
总而言之，在火电机组的运行过程中，主蒸汽温度这一数据是要求专门安排操作员进行实时监视控制以保持稳定的。主汽温控制系统呈现出非线性的特性因此受到非常多的因素影响因此主汽温控制系统是很难设计的。过热器管道内部以及过热器出口处的过热气体是整个电厂中温度最高的地方，安全冗余系数也是最小的，为了保证安全性和经济性，主蒸汽温度控制系统是非常重要的[7]。
1.2 国内外研究现状
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