去年底，航天工業總公司在遼寧省鐵法市召開技術鑒定會，對由哈爾濱工業大學開發的應用于鐵法礦務局低熱值燃煤熱電廠2號鍋爐(130t／h)上的HIC—1000分散控制系統進行了技術鑒定。

　　HIC—1000分散控制系統配置結構如圖1所示。該系統采用國產"893"智能數據測控前端，I／O站根據需要可直接布置在現場，實現了系統的物理分散。

　　該系統zui大特點是廣泛將模糊控制等先進控制技術，注入DCS系統，成功應用于燃用低熱值煤鍋爐和母管制系統中的一些大延遲、非線性、控制參數耦合等復雜控制系統中。現將控制系統簡要在這里作一介紹，供讀者參考。

　　一、控制器

　　HIC—1000分布式控制系統中采用了PID和FUZZY(模糊)兩種控制器。針對不同的過程對象，采用不同的控制器。

　　(1)PID控制器

　　PID控制器是線性控制器，適合于線性、定常、非耦合(弱耦合)系統。計算公式如下：

　　Ud＝a·(Ud(n—1)+b·(e(n)—e(n—1)))

　　a＝Td／(Kd·TK+Td)，b＝KP·Kd

　　△Up(n)＝Kp·(e(n)—e(n—1))

　　△Ud＝Ud(n)—Ud(n—1)

　　△Ui＝KP·TK·e(n)／Ti

　　△Un＝△UP(n)+△Ui(n)+AUd(n)

　　U(n)＝U(n—1)+△U(n)

　　式中：

　　KP：比例放大系數

　　Ti：積分時間常數

　　Td：微分時間常數

　　K2：積分分離系數

　　TK：控制周期

　　Step：步長限制

　　Sc：死區

　　Kd：微分放大系數

　　e：采樣周期內偏差

　　e—1：前一步采樣周期內偏差

　　Ud—1：前一步控制周期內微分值

　　(2)模糊控制器(FUZZYCONTROLER)

　　模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思維邏輯，對被控對象的運行規律(往往沒有確切的數學模型)進行總結、抽象、推理、量化，實施有效的控制。模糊控制的基礎是模糊數學，利用模糊數學的推理理論，離線建立隸屬函數數據庫，將各種復雜的過程對象簡單化。該過程要求設計人員對被控對象充分的了解，是直接的操作者，具有豐富的經驗，才能總結規律，建立隸屬函數數據庫。當在線運行時，利用計算機的高速、大容量性能，通過推理、量化運算得到具體的控制量。模糊控制是一種非線性控制器，適合于時變、非線性、強耦合系統。Fuzzy控制器框圖如下：

　　圖中：

　　k1，k2：尺度變換(模糊量化)的比例因子

　　k3：尺度變換(清晰化)的比例因子

　　r：參考輸入

　　e：實際輸入與參考輸入的偏差

　　e'：偏差的變化量

　　u：經過清晰化的控制量

　　FUZZY控制器主要由四部分組成：

　　(1)模糊化

　　這部分的作用是將輸入的量進行處理變成模糊控制器要求的輸入量。對處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍，然后進行模糊處理，并用相應的模糊集合表示。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統的輸出或狀態。

　　(2)知識庫

　　知識庫通常由數據庫和模糊控制規則庫兩部分組成。數據庫包括各語言變量的隸屬度函數，尺度變換因子以及模糊空間的分級數等。規則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規則。它們反映了實際控制的經驗和知識。

　　(3)模糊推理

　　模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理過程是基于模糊邏輯中的蘊涵關系及推理規則來進行。

　　(4)清晰化

　　清晰化的作用是將模糊的控制量經清晰化變換變成表示在論域范圍的清晰量，zui后將清晰量經尺度變化成實際的控制量。

　　二、給水控制回路

　　給水控制回路可控制汽包水位，也可控制給水流量，通過控制主給水門或副給水門來實現，且都采用典型的雙環PID控制，內環控制給水流量，外環控制泡包水位，控制框圖如圖3所示，因此共有四組PID控制器參數，主給水位和主給水門兩組用于主給水門的自動控制；副給水位和副給水門兩組用于副給水門的自動控制。另外設有PID校正參數，與PID控制器配合實現各種控制狀態的轉換及控制策略的調整。

　　符號說明：

　　sp_h：汽包水位給定值；

　　h：汽包水位；

　　sp_Dgs：內環給水流量給定；

　　Dgs：給水流量；

　　Dq：主汽流量；

　　fb0：給水流量前饋系數；

　　fbl：穩態時，fbl：Dgs—Dq；

　　P11：主調節器；

　　PI2：副調節器；

　　Gl：給水門特性函數；

　　G2：汽包特性函數；

　　三、減溫水控制回路

　　(1)工藝流程圖

　　一、二級過熱汽溫控制系統各環節工藝流程有如圖4：其中：

　　θ0：減溫器前溫度。

　　θ2：減溫器后溫度。

　　θ1：過熱器后溫度。

　　DJWS：減溫水流量。

　　(2)控制框圖

　　減溫水控制可控制減溫器出口汽溫，也可控制導前溫度，采用雙環PID控制，控制框圖

　　符號說明：

　　sp_θ1：過熱器出口溫度給定值。

　　e1：主調節器編差。

　　θl：過熱器出口汽溫。

　　PI1：主調節器。

　　u1：主調節器控制輸出，作為內環給定，

　　TK1：主調節器控制周期。

　　G1(S)：主回路傳遞函數。

　　sp_θ2：過熱器入口溫度給定值。

　　e2：PI2調節器編差。

　　θ2：過熱器入口汽溫。

　　PI2：調節器。

　　u2：PI2調節器控制輸出。

　　TK2：PI2調節器控制周期，TK2=3—4TK1。

　　G2(S)：減溫器傳遞函數。

　　(3)控制方案

　　減溫水控制包括一級冷段甲集汽聯箱出口溫度、一級冷段乙集汽聯箱出口溫度和主汽溫度等共計三個控制回路，每個回路分別控制一個減溫水門(分別為一級減溫門甲、一級減溫門乙和二級減溫門)。都采用雙閉環PID控制方案。內環快速調節：外環消除穩態誤差，控制過熱汽溫。

　　針對升降負荷對主汽溫度的影響，引入“負荷變化”對主汽溫度的前饋，直接作用于內環調節器出口，前饋系數取為多段值，與外擾的不同類型相對應。該技術的采用，對于調峰機組(鍋爐)的過熱汽溫控制效果會更好。

　　四、吸風控制回路

　　(1)控制方案

　　負壓控制的難點在于以下兩方面：

　　(a)穩態時，煤質變化、擋板特性變化以及其它外擾引起的系統不穩定，隨著時間的推移，系統的特性函數會產生大的變化(尤其在大修之后)引風控制系統容易產生震蕩，造成爐膛負壓不穩定。

　　(b)鍋爐漏風系數隨時間的推移逐漸加大，造成煙氣含氧量增大。若負壓不穩定(送風門開度不變)則引起煙氣含氧量變化，從而導致送引風控制系統的正反饋作用，系統發散，不穩定。

　　(c)制粉系統的啟停及系統的“倒風”操作，可能造成爐膛負壓大擾動，該過程需要快速跟蹤調節。

　　因此，HIC—1000分散控制系統中爐膛負壓采用PID與FUZZY相結合的控制方式。

　　符號說明

　　SP_Ps：爐膛負壓給定值。

　　e：主調節器偏差。

　　Ps：爐膛負壓。

　　控制器：根據控制策略選擇對應的控制器。

　　u：主調節器控制輸出。

　　u∑：總控制量輸出至引風執行器。

　　Tk：主調節器控制周期，Tkl=1～2秒。

　　G(s):主回路傳遞函數。

　　fb：前饋增量。

　　fbl：排粉機出口壓力前饋系數

　　fb2：送風門開度前饋系數：

　　△Ppfj：排粉機出口壓力增量。

　　△Msfm：送風門開度增量。

　　(3)Fuzzy控制參數表：

　　為節約內存，對Fuzzy,表采取對稱存貯的方法，即偏差分域正、負對稱設置，將負偏差部分的子矩陣與正偏差部分的子矩陣實行轉置對稱變換，存貯于同一個單元，可將由Fuzzy表的數據量減少一半，有利于提高運行速度。對于快速及過阻尼Fuzzy控制方案，改變加權因子及Fuzzy控制周期即可，兩種控制方式共用同一矩陣表。

　　五、送風控制回路

　　(1)控制策略

　　送風控制難點如下：

　　(a)國產鍋爐的漏風系數隨時間的推移越來越嚴重，尤其是中小機組。漏風造成送門開度對煙氣氧量的變化量呈嚴重非線性關系，甚至出現逆關系曲線，時變特性嚴重。負壓變化導致漏風量變化，zui終導致煙氣氧量變化。

　　(b)國產氧化鎬不穩定，壽命僅半年，氧量測量誤差大，不能真實反映鍋爐的燃燒效率。因此靠氧量方法控制送風．不能達到zui佳經濟燃燒效果，往往導致送引風控制系統振蕩發散，燃燒不夠。

　　(c)機翼測風裝置誤差大，影響控制的準確性。

　　綜上所述，屏棄“依據氧量控制送風”的傳統控制策略，采用“風／煤比β自尋優”控制方案，根據鍋爐負荷及燃燒狀況，采用模糊推理邏輯在線搜索zui佳送風壓力值，通過控制送風壓力間接達到控制送風量的目的，實現zui佳經濟燃燒。

　　(2)風／煤比在線自尋優控制方案

　　zui佳送風壓力值計算過程如圖8所示

　　其中定值計算公式：

　　f(Dq)={（psfH－psfL）/（DqH－DqL）}(Dq—DqL)+psfL

　　式中：

　　psfH,psfL：送風壓力上、下限，

　　DqH，DqL：鍋爐負荷上、下限，

　　△Psf：偏移量，司爐可通過OPU進行決定

　　風／煤比β在線自尋優的基本原理是在負荷相對穩定的情況下，使給粉機轉速不變，吸風投入自動，根據本步采樣周期的送風壓力，控制送風門開度有一個改變量，在以下若干個采樣周期內計算

　　DQ＝Dq+Co*dPb(t)／dt

　　其中DQ是用蒸發量表示單位鍋爐給水容積吸熱量，單位是T／h；Dq為蒸汽流量，單位是T／h；Co是汽包的蓄熱系數。若△DQ>0，則表示當前搜索方向是正確的，可繼續沿此方向搜索，否則應反向搜索，搜索步長的確定由模糊矩陣給定。β自尋優過程如圖9所示。模糊自尋優探索的起始點由f(Dq)+△Psf開始(送風壓力定值計算公式)。

　　其中A1，A2，…，Ai，…，A。為導優過程搜索點，人為zui后收斂點，亦為zui優風煤比點，Stepi為第i步時的搜索步長。在導優搜索過程中若發現蒸汽流量波動較大，則停止搜索，轉入保持送風壓力定值計算控制，同時給粉也轉入自動控制。β自導優搜索周期為2小時。搜索時間為10---15min。

　　送風壓力定值計算控制是一種近似zui優控制，其送風壓力控制曲線Sp_Psfy1＝f1(Dq)B呈線性函數；而自尋優風／煤比控制的送風壓力曲線Sp—psfy1＝f2(Dq)是一種非線性函數，是zui佳的控制方式。在控制方式中引入主蒸汽流量微分作為前饋量，以實現送風控制對負荷的快速跟蹤。

　　(3)控制框圖

　　圖中：

　　e：送風壓力偏差

　　u：FUZZY控制器的控制輸出，閥門開度

　　G(s)：送風壓力一送風門的傳遞函數

　　fb：主氣流量對送風控制的前饋系數

　　Dq(t)：主氣流量微分

　　UΣ：送風門控制開度輸出

　　psfy1：送風壓力測量值

　　Sp_Psfy1：送風壓給定值，它是鍋爐負荷、煤質的函數，隨鍋爐負荷、燃料的不同而改變；同時還與漏風有關，它可表述為

　　Sp_Psfy1＝f(Dq(t)，γ，σ)

　　其中丁為煤的燃燒值，口為鍋爐的漏風系數。

　　Sp_Psfy1是個時變、非線性、非定常的系數，由它引起的送風、引風控制子系統是一個時變、非線性、非定常系統。

　　六、給粉控制回路

　　(1)控制策略及框圖

　　單爐運行時，控制主汽壓力，當有兩臺及以上鍋爐并列運行時，可控制單爐主汽壓力，也可控制母管壓力，控制框圖如圖11。

　　符號說明：

　　控制器1：母管壓力調節器，控制母管壓力。其輸出為并列運行在同一母管上的所有鍋爐總負荷給定值即SP_Dq：該值反映了平衡母管壓力所必須的負荷量。

　　控制器2：各臺鍋爐負荷調節器，控制對應的鍋爐出力。其輸出為對應鍋爐的給粉機轉速。該值反映了平衡鍋爐負荷給定所必須的給粉機轉速。

　　a1、a2、a3：1#—3#鍋爐負荷分配系數?？刂葡到y利用a1、a2、a3將總負荷給定值SP_Dq分配給各臺鍋爐。各臺爐按照自己的負荷給定控制自身出力，負荷分配系數滿足：

　　∑ai=1i=1，2…num_bolier

　　SP2：各臺鍋爐負荷給定。SP2(i)=SP_Dq·a(i)。

　　Dq：鍋爐主汽流量。

　　fbpb：汽包壓力前饋系數

　　fbdq：主汽流量前饋系數

　　△pb：汽包壓力增量。

　　△Dq：主汽流量增量。

　　Pm：母管壓力。

　　TK：控制周期。

　　G1(S)：熱力系統傳遞函數。

　　G2(S)：鍋爐燃燒系統傳遞函數。

　　(2)控制程序框圖

　　為達到穩態、動態指標均佳，控制過程中要注意區分燃燒系統所處的狀態——穩態和暫態。內部擾動和外部擾動引起的動態分別選用不同的控制器見圖12。當母管壓力／主汽壓力偏差大時，系統處于動態過程，采用快速PI控制器；反之，采用阻尼較大的PI控制器。內環相對外環是一個隨動系統。

　　(3)負荷大擾動情況下的特殊處理

　　對于中小型機組，由于汽機不上“電調”裝置，汽機與鍋爐無法實現協調控制。而現場的實際運行卻要求鍋爐的負荷快速跟蹤汽機負荷與母管中外網負荷的需求，這就導致給予粉機轉達速大范圍的變化，速度較快。當汽機因故障等原因快速甩負荷時，調節系統難以跟上，為此，特采取了給粉機自動投切控制技術，其基本思路是：當汽機快速甩負荷，外網負荷突然下降時，調節系統根據負荷變化的大小、主汽壓力上升的速度，急停1—2臺給粉機，使燃料量迅速下降，同時又穩定了其它給粉機的轉達速，不致因所有給粉機轉速快速下降而造成滅火。給粉機的投切邏輯在控制程序中自動完成。

　　給粉機自動投切技術的使用，使鍋爐負荷自動調節范圍可達到60％一110％，真正通過燃燒系統“72h”連續自動運行的考核指標。

　　七、磨煤機控制

　　磨煤機控制內容包括磨煤機入口負壓和磨煤機出口溫度。兩臺磨煤機分別獨立控制。磨煤機人口負壓采用FUZZY控制器，并引入磨煤機出口溫度調節門開度(磨煤機人口熱風門開度)作為其。人口負壓調節門的前饋；磨煤機出口溫度采用PID控制器，為簡單的單閉環控制系統。磨煤機控制框圖如圖13、14所示。

　　八、排粉機控制

　　排粉機控制內容包括排粉機出口壓力和排粉機出口溫度。兩臺排粉機分別獨立控制。排粉機出口壓力采用FUZZY控制器，并引入制粉系統乏氣門開度、再循環門開度、排粉機出口溫度調節門(排粉機人口冷風門)開度作為其出口壓力調節門(排粉機人口溫風門)的前饋；排粉機出口溫度采用PID控制器，為簡單的單閉環控制系統。排粉機控制框圖如圖15、16所示。