直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊－PID控制装置及控制方法

摘要

本发明提供的是直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊－PID控制装置及协调控制方法。模糊－PID控制器是其核心部分，其包含模糊控制器和PID控制器，采用模糊切换来保证两种控制的平稳过渡。利用PID控制器具有很好的稳定性，而模糊控制器具有很好的快速性，即当偏差较大时，利用模糊控制的仿人智能特性迅速给出适当的作用量以快速且平稳地抑制干扰，保证系统动态响应的快速性和鲁棒性；当偏差较小时，常规PID起主要作用，以保证良好的稳态性能。本发明适用于直流蒸汽发生器这样具有严重的非线性、时变性的系统，控制精度高，鲁棒性好。可实际应用于直流蒸汽发生器控制系统设计中，能提高系统的控制品质。

说明书

技术领域

本发明涉及直流蒸汽发生器蒸汽压力的控制装置，本发明也涉及直流蒸汽发生器蒸汽压力的控制方法，具体地说是一种基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制装置及控制方法。

背景技术

蒸汽发生器是压水堆的关键设备，其给反应堆提供冷却作用并且产生蒸汽以供汽轮机做功。在目前的设计中多采用直流蒸汽发生器。它不需要装设汽水分离器，结构简单；静态特性好，机动性能也好；由于产生的是过热蒸汽，在汽轮机高低缸之间可不装去湿装置，简化了系统，并可提高装置的热效率；其功率重量比高。

自从E.H.Mamdani首次将模糊控制技术应用于锅炉和蒸汽机的控制，模糊控制在工业过程控制中获得了广泛应用。模糊控制的特点是在偏离工作点较远的区域可明显改善控制的动态性能，并且对控制对象特性的变化比PID控制器具有更强的鲁棒性，然而由于模糊控制本质上属于非线性控制方法，因此缺乏通用的系统化设计方法，控制器的稳定性难以保证，控制精度不够高，并且在工作点附近容易产生极限环振荡。基于PID控制器和模糊控制器的上述特点，提出一种模糊-PID切换控制器的设计方法，通过使PID控制器和模糊控制器并行结合，在偏离工作点较远的区域以模糊控制为主，在工作点附近则主要实施PID控制，并采用模糊推理完成切换时保证两种控制的平稳过渡，实现了两种控制器的优势互补和控制性能的明显改进。

在对现有的技术文献检索发现，目前的直流蒸汽发生器控制方法研究有张桂凤的直流蒸汽发生器滑模模糊控制，主要选择二回路出口压力偏差随着二回路入口流量变化的非线性曲线作为变结构控制的切换曲线，在实际过程中，这条曲线很难得到，从而会影响其控制效果。因此，引入基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制方法将有助于进一步改善直流蒸汽发生器的控制品质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以使直流蒸汽发生器控制精度提高，鲁棒性更好的基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID的控制装置及协调控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的一种基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制装置，包括：测量系统1、模拟/数字转换器2，数字滤波器3、控制器4、数字/模拟转换器5、执行机构6，其特征在于：测量系统1的输出端连接到模拟/数字转换器2的输入端，模拟/数字转换器2的输出端连接到数字滤波器3的输入端，数字滤波器3与控制器4相连接，控制器4的输出经过数字/模拟转换器(5)，连接到执行机构6。

本发明的基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制装置，还可以包括：

所述的测量系统是流量计和压力传感器。

本发明的一种基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制方法为：

(1)利用测量系统给出直流蒸汽发生器的状态参数信息；

(2)通过模拟/数字转换器将得到的状态参数转换成数字信号，送给模糊-PID控制器；

(3)模糊-PID控制器中包含模糊控制器和PID控制器，采用模糊切换来保证两种控制的平稳过渡。利用PID控制器具有很好的稳定性，而模糊控制器具有很好的快速性，即当偏差较大时，利用模糊控制的仿人智能特性迅速给出适当的作用量以快速且平稳地抑制干扰，保证系统动态响应的快速性和鲁棒性；当偏差较小时，常规PID起主要作用，以保证良好的稳态性能。

(4)控制器所产生的输出信号经过数字/模拟转换器产生模拟信号并经过信号放大器增强后输出给执行机构；

(5)执行机构按指令执行，将直流蒸汽发生器压力稳定在指定的工况下。

本发明的模糊-PID控制方法还可以包括：

1、所述的模糊控制器对接受的精确信息模糊化，得到输入量的模糊值，根据输入量的模糊值，按模糊控制规则调节参数，通过模糊推理计算控制量的模糊值，最后通过解模糊计算获得精确的控制量，编制成表格，通过查表实现模糊控制。

2、所述的直流蒸汽发生器的状态参数信息包括：蒸汽发生器出口蒸汽压力、二回路给水流量和蒸汽发生器出口蒸汽流量。

3、所述的控制器所产生的输出信号是给水阀门开度。

4、所述的模糊推理是指选定的推理方法，从输入量和控制规则推理得出输出量值。

5、所述的解模糊计算是指从输出控制量的模糊值中找出一个最能代表模糊解耦作用可能分布的精确量。

本发明的工作原理是：本发明的核心部分是基于模糊切换的模糊-PID控制器的设计。

采用的模糊-PID切换控制器由模糊控制器和PID控制器并行构成，两种控制器的控制作用信号U_PID和U_FUZZY根据模糊切换隶属函数CE、CΔE和模糊切换控制规则平稳地进行切换，产生复合控制器的控制作用。

为了避免常规方法实现两个控制器切换引起的不希望扰动，采用模糊切换来保证两种控制的平稳过渡。用于完成模糊控制器和PID控制器平稳切换的模糊推理规则为：

If e(k)is CE and Δe(k)is CΔE then“output”U_PID，else“output”is U_FUZZY.

模糊推理规则中U_PID是PID控制器输出，U_FUZZY是模糊控制器的输出。CE和CΔE分别是模糊变量E和ΔE的模糊切换隶属函数，模糊切换的执行区域可通过设定E和ΔE的模糊切换隶属函数的形状参数S_e和S_Δe加以确定，其中S_e和S_Δe统一用表示。

因为PID控制器具有很好的稳定性，而模糊控制器具有很好的快速性，即当偏差较大时，利用模糊控制的仿人智能特性迅速给出适当的作用量以快速且平稳地抑制干扰，保证系统动态响应的快速性和鲁棒性；当偏差较小时，常规PID起主要作用，以保证良好的稳态性能。由上述给出的模糊切换控制规则，对k时刻的清晰输入量e(k)和Δe(k)按规定的隶属函数进行模糊化，采用代数积求出前提部分强度

${\mu }_{\mathrm{PID}}={\mu }_{S_e}\left(e\left(k\right)\right)·{\mu }_{S_{\mathrm{\Delta e}}}\left(\mathrm{\Delta e}\left(k\right)\right)---\left(1\right)$

μ_FUZZY＝1-μ_PID    (2)

则k时刻模糊-PID切换控制系统的输出为：

U_C＝μ_PID·U_PID+μ_FUZZY·U_FUZZY    (3)

模糊控制器主要由模糊化接口，解模糊接口及控制查询表等组成，其中控制查询表包括数据库和规则库。

模糊控制器的设计实际上就是建立模糊控制表，取直流蒸汽发生器出口蒸汽压力误差e_p和出口蒸汽压力误差变化ec_p为模糊控制器的输入信息，给水阀开度Δθ作为模糊控制器的输出信息。

首先，设输出控制量为给水阀开度Δθ的语言变量由C_p表示，其模糊子集：

C_p＝{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}

式中PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大的模糊概念。

出口蒸汽压力误差e_p的语言变量由A_p表示，其模糊子集为

A_p＝{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}

式中PB、PM、PS、O、NS、NM及NB分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中及负大。

出口蒸汽压力误差变化ec_p的语言变量用B_p表示，其模糊子集为

B_p＝{PB，PS，O，NS，NB}

然后，模糊控制器在模糊集中给每一个变量赋于一个置信度。每一个模糊集的置信度函数都是以零点为中心，正负两边成对称分布。每个变量的置信度函数曲线均为对称的单波峰形状。正零点处的置信度比其它各点都要小。

模糊控制器是通过模糊控制规则把模糊输入集和输出集联系起来，模糊控制规则才用if-then语句。其采用经验归纳法，即根据专家的控制经验，经过进一步加工、整理、提炼后构成控制规则。实际上是将操作者的手动控制策略加以总结而得到的若干条模糊条件语句的集合，通常可简写为一个表，称之为模糊控制规则表。规则表如下：

将模糊控制器与PID控制器结合，构成基于模糊切换的直流蒸汽发生器模糊-PID控制系统。

本发明的优点在于适用于直流蒸汽发生器这样具有严重的非线性、时变性的系统，控制精度高，鲁棒性好，尤其在大幅度变化负荷时。

附图说明

图1为本发明总体结构图；

图2为模糊-PID切换控制系统结构图；

图3为E和ΔE模糊切换隶属函数；

图4为出口蒸汽压力变化曲线；

图5为出口蒸汽温度变化曲线

图6为流量变化曲线

图7为语言变量A的赋值表；

图8为语言变量B的赋值表

图9为语言变量C的赋值表；

图10为模糊控制规则表；

图11为模糊控制查询表。

具体实施方式

本实施例的测量系统采用压力传感器、流量计，单片机含有基于模糊切换的直流蒸汽发生器模糊-PID控制软件，执行机构为给水阀。

结合图1，基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制装置，包括：测量系统1、模拟/数字转换器2，数字滤波器3、控制器4、数字/模拟转换器5、执行机构6。测量系统1的输出端连接到模拟/数字转换器2的输入端，模拟/数字转换器2的输出端连接到数字滤波器3的输入端，数字滤波器3与控制器4相连接，控制器4的输出经过数字/模拟转换器5，连接到执行机构6。所述的测量系统是流量计和压力传感器。

直流蒸汽发生器的模糊-PID控制系统包括以下几个步骤：

(1)通过压力传感器、流量计测量直流蒸汽发生器的状态参数信息，包括蒸汽发生器出口蒸汽压力、二回路给水流量、蒸汽发生器出口蒸汽流量；

(2)状态参数信息通过信号线输入单片机。单片机控制模拟/数字转换器定时采集状态参数信息；

(3)模糊-PID控制器中包含模糊控制器和PID控制器，采用模糊切换来保证两种控制的平稳过渡。模糊-PID控制器结构图见图2，模糊变量E和ΔE模糊切换隶属函数见图3。

模糊控制器取直流蒸汽发生器出口蒸汽压力误差e_p和出口蒸汽压力误差变化ec_p为模糊控制器的输入信息，给水阀开度Δθ作为模糊控制器的输出信息。

给水阀开度Δθ的语言变量C_p的论域规定为：

C_p＝{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}

C_p的隶属度赋值见图9中的表。

出口蒸汽压力误差e_p的语言变量由A_p表示，

A_p的论域规定为：

A_p＝{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}

A_p的隶属度赋值见图7中的表。

出口蒸汽压力误差变化ec_p的语言变量由B_p表示，

B_p的论域规定为：

B_p＝{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}

B_p的隶属度赋值见图8中的表。

根据模糊控制规则(见图10中的表)得出模糊解耦控制规则表，见图11中的表。

(4)将控制系统产生的控制信号作为执行机构的控制量，执行机构按指令动作，将直流蒸汽发生器压力稳定在指定的工况下。

对本发明提供的基于模糊切换的直流蒸汽发生器蒸汽压力模糊-PID控制系统进行了模拟试验。模拟直流蒸汽发生器出口蒸汽流量从100％阶跃变化至80％各参数变化情况。试验结果见附图4-6，其分别给出了未解耦协调控制和模糊解耦协调控制情况下的堆芯平均温度、出口蒸汽压力以及汽轮机功率变化曲线(实线为未解耦协调控制，虚线为解耦协调控制)。从中可以看出，应用模糊解耦策略后，出口蒸汽压力的超调量减小，堆芯平均温度以及汽轮机功率稳定时间缩短，控制效果得到改善。

本发明的优点在于，当直流蒸汽发生器进行大幅度负荷变化时，整个系统的控制精度高，鲁棒性好。可实际应用于直流蒸汽发生器控制系统设计中，进行核电开发等。