Содержание к диссертации
Введение
1 Котлоагрегат барабанного типа как многосвязный объект управления 9
1.1 Общая характеристика и принцип действия котлоагрегата 9
1.2 Анализ взаимных влияний параметров регулирования в котлоагрегате 22
1.3 Особенности регулирования процессов горения и парообразования в котлоагрегате 28
1.4 Выводы по первому разделу 34
2 Обзор существующих систем управления котлоагрегатом барабанного типа 36
2.1 Исследование системы управления котлоагрегатом на основе ПИД-регуляторе 36
2.2 Исследование системы управления котлоагрегатом на основе предиктора Смита 50
2.3 Исследование системы управления котлоагрегатом с контролем состава дымовых газов на основе оптико-абсорбционного инфракрасного метода 54
2.4 Исследование системы управления технологическими параметрами котлоагрегата в нечеткой среде 64
2.5 Выводы по второму разделу 69
3 Разработка автоматической системы управления котлом на основе нечеткого регулятора с адаптацией ПИД-регулятора 71
3.1 Математическая модель объекта автоматизации и анализ графиков изменения входных и выходных параметров 71
3.2 Структурная схема регулирования объектом с нечеткой адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов, использующая четкие терм-множества 76
3.3 Алгоритм функционирования контуров регулирования объектом с нечеткой адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов 84
3.4 Выводы по третьему разделу 86
4 Программная реализация нечеткого регулятора с адаптацией ПИД-регулятора на основе четких терм-множеств 88
4.1 Особенности реализации нечеткого регулятора с адаптацией пид-регулятора в инструментальной среде 88
4.2 Программная реализация нечеткого регулятора в среде fuzzyTech 90
4.3 Показатели качества и энергоэфективности автоматического управления котлом с нечеткой адаптацией ПИД-регулятора. 99
4.4 Выводы по четвертому разделу 104
Заключение 105
Список использованных источников 106
Приложения 116
- Особенности регулирования процессов горения и парообразования в котлоагрегате
- Исследование системы управления котлоагрегатом с контролем состава дымовых газов на основе оптико-абсорбционного инфракрасного метода
- Структурная схема регулирования объектом с нечеткой адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов, использующая четкие терм-множества
- Программная реализация нечеткого регулятора в среде fuzzyTech
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) имеют место потери энергии в больших объемах, связанные с низким качеством регулирования соотношения воздуха и угольного топлива. Основными причинами такого положения являются: неравномерная подача топлива и воздуха в камеру сгорания котла, неравномерность подачи угля в мельницы, приводящая к работе холостого хода электроприводов размалывающих установок. Все это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) ТЭС.
На ТЭС используются классические ПИД–регуляторы. Из-за того, что регулируемые параметры в барабанных котлах являются нелинейными с широким диапазоном регулирования, применение упомянутых регуляторов в данном случае малоэффективно, а в некоторых случаях вообще являются некорректным. При использование классических ПИД–регуляторов из-за сложного взаимного влияния контуров регулирования в барабанном паровом котлоагрегате точная компенсация этого влияния принципиально невозможна. Применяемые в настоящее время автоматические схемы регулирования экономичности процесса горения паровых барабанных котлов ТЭС не соответствуют требованиям энергосбережения. Существующие схемы регулирования не позволяют настроить технологический процесс на устойчивую работу с необходимой точностью в связи с использованием классических ПИД– регуляторов и типовых нечетких регуляторов.
Многомерная система парового котла характеризуется значительным взаимным влиянием контуров регулирования при поддержании значений технологических параметров в требуемом диапазоне. Из сказанного, очевидно, что при разработке многомерных регуляторов основной проблемой является перекрестные связи, а, следовательно, компенсация взаимного влияния за счет введения компенсирующих связей – главная задача синтеза многомерной системы.
Известно, что существующие многомерные нечеткие и дискретно-логические регуляторы имеют большую погрешность и низкое быстродействие и не способны с приемлемой точностью устранить взаимное влияние контуров регулирования. Это изложено в работах В.И. Васильева, А.П. Верёвкина, Н.П. Деменкова, Л.А. Заде, Ш. Зильберштейна, Б.Г. Ильясова, А.И. Каяшева, В.В. Круглова, А.В. Леоненкова, А.Г. Лютова, Е.А. Мамдани, Р.А. Мунасыпова, А.А. Ускова и др.
Приведенные доводы позволяют считать автоматическое управление технологическим процессом, протекающим в барабанном паровом котлеагрегате, на основе нечеткой адаптации коэффициентов ПИД–регуляторов, использующей четкие терм-множества – актуальной научной задачей, решение которой позволит повысить качество управления барабанным паровым котлом, а, соответственно, увеличит КПД технологического процесса. Нечеткие логические регуляторы, благодаря близости идеологии логического управления с четкими термами к человеческому мышлению и естественному языку, позволяют построить алгоритм управления, адекватный реальному техно-
логическому процессу протекающий в барабанном паровом котле.
Цель исследования – снижение энергозатрат в барабанном паровом котле за счет внедрения автоматической системы управления, реализованной на основе нечеткой адаптации коэффициентов ПИД-регуляторов, использующей четкие терм-множества.
Задачи исследования:
-
анализ существующих систем управления котлоагрегатом барабанного типа;
-
построение концептуальной модели барабанного парового котлоагре-гата как многосвязного объекта управления;
-
разработка структурной схемы управления объектом, в которой, помимо регулирования значений технологических параметров, производится компенсация взаимного влияния контуров регулирования;
4) разработка системы продукционных правил нечеткого регулятора с
адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов, использующей четкие терм-мно
жества;
5) разработка алгоритма интерпретации непрерывных физических величин
эквивалентной совокупностью аргументов двузначной логики (STEP- TIME) с
целью увеличения быстродействия процессов фаззификации в нечетком регуля
торе;
6) программная реализация нечеткого регулятора с адаптацией ПИД-
регулятора на основе четких терм-множеств в инструментальной среде
FuzzyTech.
Объект исследования – управление технологическими процессами в котлоагрегате теплоэлектроцентрали, как многосвязным объектом на основе нечеткого регулятора с адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов четкими терм-множествами.
Предмет исследования – синтез логических моделей и алгоритмов, обеспечивающих при управлении технологическими процессами в котлоагрегате теплоэлектроцентрали снижение энергозатрат.
Методология и методы исследования. В работе использованы основные положения теории интеллектуальных систем управления на основе многомерных нечетких регуляторов, автоматического регулирования, методы экспериментальных исследований, а также теория и пакеты инструментальных средств программирования (MATLAB, FuzzyTech).
Научная новизна работы:
-
новизна алгоритмов управления технологическими параметрами котлоагрегата заключается в снижении энергозатрат вследствие оптимального процесса горения и парообразования;
-
новизна структуры системы продукционных правил нечеткого регулятора с адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов заключается в использовании четких терм-множеств;
3) новизна структурной схемы управления объектом, в которой, помимо
регулирования значений технологических параметров, заключается в
осуществлении полной компенсации взаимного влияния всех контуров
регулирования;
4) новизна алгоритма интерпретации непрерывных физических величин заключается в использовании эквивалентной совокупности аргументов двузначной логики (STEP-TIME) с целью увеличения быстродействия процессов фаззификации в нечетком регуляторе.
Практическую значимость имеют:
– алгоритмы управления технологическими параметрами котлоагрегата, а также нечеткий регулятор с адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов, использующей четкие терм-множества, позволили повысить точность регулирования в среднем на 23 %;
- программная реализация нечеткого регулятора в управлении
котлоагрегатом теплоэлектроцентрали с оптимизацией технологических
параметров и минимизацией энергоресурсов с помощью нечеткой адаптацией
коэффициентов ПИД-регуляторов на основе четких терм-множеств, внедренная
в учебный процесс Кумертауского филиала ОГУ.
Результаты, выносимые на защиту:
-
алгоритмы управления основными технологическими параметрами кот-лоагрегата (количество воздуха, количество топлива, давление пара, расход питательной воды и др.), снижающие энергозатраты вследствие поддержания соотношения давления топлива и воздуха в соответствии с режимной картой котлоагрегата (оптимальный технологический процесс горения и парообразования в паровом котле);
-
системы продукционных правил нечеткого регулятора, используемого как надстройка над классическим ПИД-регулятором для расширенного диапазона регулирования технологических параметров, изменяющихся в широких пределах по нелинейному закону;
-
структурная схема управления объектом для регулирования значений технологических параметров, в которой система развязана по сигналам задающих переменных, компенсируя при этом взаимное влияние контуров.
4) логическая схема, реализующая STEP-TIME алгоритм фаззификации
непрерывных физических величин, увеличивающая быстродействие процессов
в нечетком регуляторе за счет снижения количества операций сравнения;
5) программная реализация нечеткого регулятора в управлении
котлоагрегатом теплоэлектроцентрали с оптимизацией технологических
параметров и минимизацией энергоресурсов с помощью нечеткой адаптацией
коэффициентов ПИД-регуляторов на основе четких терм-множеств.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических и практических исследований внедрены в:
- учебный процесс Кумертауского филиала ОГУ;
- систему управления технологическим процессом котлоагрегата типа
E-220/100К Кумертауской ТЭЦ (ОАО «Свердловская энергогазовая
компания»).
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах: IX международный симпозиум «Интеллектуальные
системы» (INTELS'2010) (Владимир, 2010 г.), Х Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Управление большими системами» (Уфа, 2013 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2012, 2014 гг.), XVIII международная заочная научно-практическая конференция «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2013 г.), Всероссийская научно-практическая интернет-конференция (Уфа, 2014 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 в журналах, включенных в «Перечень …» ВАК, и 1 свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 121 странице машинописного текста, и включает в себя введение, четыре раздела основного материала, заключение, 62 рисунка, 9 таблиц, библиографический список из 106 наименований и приложения.
Особенности регулирования процессов горения и парообразования в котлоагрегате
В каждый момент времени в топке котла должно сгорать столько топлива, чтобы количество пара, вырабатываемого котельным агрегатом, соответствовало количеству потребляемого пара, т. е. внешней нагрузке котельного агрегата. Показателем такого соответствия является давление пара при выходе из котла.
Если при сгорании топлива выделяется больше тепла, чем это необходимо для производства потребляемого количества пара, то излишнее тепло аккумулируется в котле, что приводит к росту давления. Наоборот, если топливо подается в недостаточном количестве, то потребность в паре покрывается частично за счет тепла, аккумулированного в котловой воде, а давление пара при этом падает. Таким образом, подача топлива должна производится так, чтобы обеспечить постоянное давление пара при выходе из котла.
Подача воздуха в топку должна обеспечить наиболее экономичный режим горения топлива. Для этого требуется поддерживать соответствие между количеством и качеством подаваемого топлива, с одной стороны, и количеством воздуха, необходимого для горения, с другой. Показателем этого соответствия является коэффициент избытка воздуха в топке т, который контролируется по данным газового анализа.
Оптимальное значение избытка воздуха зависит от вида топлива, способа его сжигания, конструкции топочного устройства, нагрузки котельного агрегата. В конкретных условиях оптимальное значение т при различных нагрузках определяется на основании испытаний котельного агрегата.
Значение т можно оценить по содержанию свободного кислорода О2 в дымовых газах, покидающих топочную камеру. Содержание О2 определяют в поворотной камере газохода за пароперегревателем в %. Оптимальное значение О2 при номинальной нагрузке при сжигании пылевидного топлива – 3-5 %, при сжигании мазута и газа – 0,2-2 %, при этом т =1,2 – 1,3.
Значительное увеличение избытка воздуха против оптимального приводит к росту потерь тепла с уходящими газами q2, а чрезмерное снижение избытка воздуха увеличивает потери с химической неполнотой сгорания q3.
Регулирование тяги должно обеспечивать полное удаление продуктов сгорания.
В статических (равновесных) режимах производительность дымососов должна в каждый момент времени соответствовать производительности дутьевых вентиляторов. Показателем этого соответствия служит разрежение в топочной камере.
Допускать в топке котельного агрегата избыточное давление нельзя, за исключением котлоагрегатов, работающих под наддувом, т. к. это вызывает выбивание газов и пламени из топки.
С другой стороны, при значительном разрежении в топке возрастают присосы воздуха, снижающие экономичность работы котла за счет потерь с уходящими газами – q2 и увеличения расхода электроэнергии на работу дымососов.
Разрежение в различных зонах топочного пространства котельного агрегата по высоте топочной камеры неодинаково. Вследствие явления самотяги разрежение в верхней части топки бывает обычно примерно на 0,1 кПа больше, чем в нижней. Поэтому поддерживают необходимое минимальное разрежение в верхней части топочной камеры.
В связи с большим конструктивным разнообразием топочных устройств и систем подачи топлива для котлов, работающих на разных видах топлива, существенно различаются и схемы регулирования процесса горения, обеспечивающие заданную тепловую нагрузку котельного агрегата.
Наиболее распространенными являются системы регулирования процесса горения для котлов с пылепитателями, шахтно-мельничными топками и для котлов, работающих на жидком и газообразном топливе.
В первых простейших схемах регулирования процесса горения в качестве критерия тепловой нагрузки было использовано положение органа, регулирующего подачу топлива, hТ (рисунок 1.12,а).
Этот импульс являлся обратной связью для регулятора топлива, к которому поступал задающий сигнал от регулятора давления при выходе из котла или от главного (корректирующего) регулятора, действующего по давлению в магистрали, при параллельной работе нескольких котлов на общий паропровод. Сигнал по положению регулировочного органа подачи топлива, в качестве задающего, подавался на регулятор воздуха, к которому поступал также сигнал обратной связи по расходу воздуха (V). Разрежение в топке (SТ ) поддерживалось независимым регулятором тяги. Такая схема регулирования процесса горения, когда расход воздуха приводится в соответствие с расходом топлива, носит название «топливо-воздух».
Недостатком описанной выше схемы регулирования процесса горения в первую очередь является непредставительность принятого метода оценки фактической тепловой нагрузки котла, в первую очередь для котлов, сжигающих твердое топливо, из-за возможного изменения качества топлива, нестабильности характеристик пылепитателей и т.д. Эти факторы приводили к резкому нарушению экономичности топочного процесса и отклонению действительной нагрузки от заданной. Недостатки схемы привели к отказу от схемы «топливо-воздух» с использованием сигнала по положению регулировочного органа подачи топлива для котлов, сжигающих угольную пыль [51].
Схему «топливо-воздух» сменила схема, организованная по принципу «пар-воздух» (рисунок 1.12,б), где задающим сигналом регулятору воздуха служит расход пара при выходе из котла (Dп) [11, 51].
При постоянстве температуры питательной воды, теплосодержания пара, КПД котлоагрегата и при сжигании одно сортного топлива расход пара в статике практически однозначно задает теоретически необходимый для горения расход воздуха. Поэтому при установившихся режимах схема «пар-воздух» обеспечивает удовлетворительную точность поддержания заданного коэффициента избытка воздуха, определяющего фактора экономичности топочного процесса.
Однако в переходных режимах, связанных с изменением аккумулированного в котле тепла, расход пара не согласуется с фактической тепловой нагрузкой котла, и оптимальное соотношение между подачами топлива и воздуха нарушается.
Полезным усовершенствованием схемы «пар-воздух» является использование динамической связи (исчезающего импульса) от регулятора топлива к регулятору воздуха (рисунок 1.12,в). Динамическая связь действует только в переходных режимах и не оказывает остаточного воздействия на измерительную схему регулятора воздуха [51].
Общей проблемой создания оптимальной схемы регулирования горения для котлов, работающих на твердом топливе, является измерение расхода топлива. Неоднородность состава твердого топлива делает возможным изменение тепловыделения при постоянной подаче топлива. Поэтому для котлоагрегатов, работающих на твердом топливе, в схемах регулирования процесса горения целесообразно использовать сигнал, связанный с тепловыделением в топке. Таким сигналом является сигнал по «теплу» - тепловой нагрузке.
Сигнал по тепловой нагрузке предложен З.Я. Бейрахом и В.М. Добкинным в ЦКТИ (г. Ленинград, 1953г). Тепловой нагрузкой котла называют расход пара, который был бы получен, если бы воспринятое поверхностями нагрева котельного агрегата тепло было израсходовано на парообразование, а не аккумулировалось частично водой, паром и металлом парообразующей части котла. Вследствие тепловой и материальной аккумуляции давление пара в какой-либо точке пароводяного тракта изменяется не мгновенно, а со скоростью, определяемой соотношением
Исследование системы управления котлоагрегатом с контролем состава дымовых газов на основе оптико-абсорбционного инфракрасного метода
В существующих системах автоматического управления котельной установкой (КУ) регуляции соотношения "топливо – воздух" осуществляется по таким параметрам: давление (расход) топлива и давление воздуха на горелках без корректировки по составу отходящих газов.
Количество воздуха определяется значением разжижения в топке котла. Регуляция этих параметров осуществляется с помощью задвижек, то есть увеличением аэродинамического сопротивления газовоздушного тракта при работе двигателей вентилятора и дымососа на полную мощность. Это приводит к перерасходам электроэнергии.
Использование частотных регуляторов (ЧР) позволяет решать задачу согласования режимных параметров и энергопотребления КУ с изменяемым характером нагрузки котлов.
Актуальность проблемы экономии энергии привела к тому, что ЧР играет важную роль в энергетическом балансе, а динамика соотношения стоимости ЧР и тарифы на электроэнергию расширяют экономический предел их приложения. Использование ЧР для КУ позволяет выдержать нужное соотношение "топливо – воздух" с высокой точностью и автоматизировать разжигание горелки, сократив время до минимально необходимого, при этом уменьшаются также расходы газа и выбросы двуокиси углерода в атмосферу.
Для поддержки оптимального соотношения "топливо – воздух", с одной стороны, нужно в зависимости от количества горючего, которое поступает, подать необходимое количество воздуха в топку котла, с другой стороны – с заданной интенсивностью удалять из нее продукты сгорания. Данная регуляция с высокой точностью осуществляется с помощью системы автоматического управления КУ (с контролем содержимого кислорода в исходных газах). Функциональная схема системы регуляции приводами переменной скорости представлена на рисунке 2.14 [53].
Контроль продуктов сгорания котельных установок предлагаем вести с помощью газо аналитической системы на основе оптико-абсорбционного инфракрасного (ОАИК) метода. Физический принцип действия такой системы заключается в том, что измеряется поглощение оптического излучения газа, который исследуется на том участке спектра, где он имеет интенсивную полосу поглощения, которое не совпадает с полосами поглощения других газов, которые могут находиться в анализируемой газовой смеси. Физическое представление поглощения заключается в том, что при прохождении оптического излучения через газовую кювету молекулы, газа, поглощая кванты излучения, соответствующие определенным частотам, возбуждаются, то есть увеличивают запас своей энергии. Если поглощается ультрафиолетовое и видимое излучение или излучение коротковолновой части инфракрасного спектра, то повышается запас энергии электронов, энергии, соответствующей колебанию ядер атомов, и энергии вращения молекулы вокруг центра тяжести. Если поглощаются кванты, которые соответствуют более длинноволновой области спектра оптического излучения (от нескольких микрометров до сотен микрометров), то возбуждаются колебательно-вращательные и, соответственно, чисто вращательные степени свободы. В результате этого процесса спектры поглощения молекул состоят из ряда полос, которые имеют сложную структуру. В зависимости от природы дымового газа инфракрасные спектры поглощения молекул газовой смеси имеют индивидуальный характер, который в дальнейшем позволяет идентифицировать конкретный газ. На рисунке 2.15 показан инфракрасный (ИК) спектр поглощения дымовых газов котельных установок (хорошо видно полосы колебательно-вращательного спектра поглощения дымового газа).
Как видно из рисунка 2.15, в ИК диапазоне спектра есть специфические особенности регистрации поглощения газа, который анализируется благодаря наличию колебательно-вращательных полос поглощения. Величина потока излучения, который прошел через измерительную кювету с газом, может быть определена по закону Ламберта - Бэра:
Вид зависимости, которая отображает функцию (2.7) для постоянной длины оптического тракта (l = const), представлена на рисунке 2.16.
Инфракрасную радиацию поглощают все газы, за исключением О2, N2, H2O, Cl2 и одноатомных газов. Спектр поглощения одноатомных газов или паров металлов отличается от инфракрасных спектров поглощения молекул своей относительной простотой и состоит не из полос, а из отдельных линий, во многих случаях, расположенных только в ультрафиолетовой области спектра.
Перед применением ОАИК метода предлагаем стабилизировать газ по таким параметрам: температура, влажность, давление, пыльность (очистка пробы газа от атмосферной пыли).
Если применять ОАИК метод без стабилизации данных параметров, то это приведет к тому, что идентификация и определение концентрации компонентов газовой смеси будет неточной. В структуре дымового газа можно выделить такие основные компоненты: кислород, диоксид углерода, оксид углерода, диоксид азота, вода (пар) и атмосферная пыль (после стабилизации пробы газа содержимым воды и атмосферной пыли можно пренебречь). Общее содержимое этих газов и компонентов представляет 99,9%. Остальные компоненты дымовых газов есть на уровне микроконцентраций и практически не влияют на определение потерь тепла. То есть можно воспользоваться выражением (до стабилизации пробы газа):
(O2) +(СО2)+(СО)+(Н2О)+(Сl2)+сажа=100% , (2.8)
где x – массовая концентрация газовой смеси в процентах.
Оптимизацию процесса сжигания предлагается вести по компоненту – О2. Это дает возможность максимально точно корректировать соотношение топливо – воздух на входе объекта. Но физически кислород не поглощается ИК излучением (это видно из рисунка 2.15, где линий поглощения кислорода вообще нет), поэтому предлагается определять СО, СО2, NO2 практически, а О2– аналитически (после стабилизации пробы):
(O2) =100% (СО2)+(СО)+(Н2О)+(Сl2). (2.9)
Структура состава дымовых газов котельных установок представленная на рисунке 2.17 в виде зависимости коэффициента избытка воздуха (КИВ) от концентрации дымовых газов котельных установок [25, 53].
Оптимальная зона – это такая концентрация компонентов, при которой обеспечивается сжигание топлива с низким КИВ. В работе для котла ДЕ-25-14 ГМ был установлен оптимальный КИВ, который равняется 1,25 (±0.01).
Увеличение оптимального КИВ приводит к повышению значения концентрации оксидов азота. При условии снижения оптимального КНП увеличивается концентрация оксидов углерода и, как следствие, увеличиваются потери с химической неполнотой сгорания. Главным параметром, который определяет корректирующее действие на величину избытка воздуха, является содержимое остаточного кислорода в дымовых газах. Недостаточное количество воздуха вызывает неполное сгорание продуктов в топке котла – и, как следствие, приводит к перерасходам топлива. Излишек воздуха также приводит к перерасходам топлива на нагрев лишнего воздуха в составе отходных дымовых газов.
Разработка функциональной схемы системы. Газоаналитическую систему (ГС) построим по принципу прямого действия – это система, в которой все превращения имеют одно направление: от входа к выходу. Систему построим по структурной схеме, которая имеет такие функциональные узлы: блок стабилизации входных параметров, измерительный преобразователь, устройство обработки информации, устройство отображения информации.
Структурная схема регулирования объектом с нечеткой адаптацией коэффициентов ПИД-регуляторов, использующая четкие терм-множества
Недостатки схем регулирования, описанных в предыдущих главах, на основе классических ПИД- и типовых нечетких регуляторах обусловили составить иную структурную схему регулирования основных параметров горения и парообразования, которая будет отвечать требованиям оптимального соотношения между подачами топлива и воздуха в связи с влиянием других динамически изменяющихся во времени параметров, а особенно в переходных режимах. В основу данной схемы положено представление физических величин в виде совокупности четких множеств [10, 40-43].
Рассмотрим основные участки технологического процесса котла. На рисунке 3.2 явно представлены перекрестные связи входных и выходных величин, характеризующие котел как динамический многомерный объект управления с широким диапазоном регулирования параметров. Следовательно, использование одномерных систем автоматического управления подобными параметрами с перекрестными связями некорректно. Необходимо исключить перекрестную связь, но при этом учитывать влияние управления одним параметром на другие параметры объекта управления.
Рассмотрим графики зависимости основных параметров технологического процесса горения и парообразования котла (рисунок 3.3, рисунок 3.4, рисунок 3.5).
На рисунке 3.5 выделены квазилинейные участки: &,2,&12,&12,&,2,&12,&12 .
Из опыта эксплуатации ТЭС наибольшей эффективностью паровой котел обладает при изменении О 2 в уходящих газах в диапазоне 1,404…1,406 %. Анализ кривой на рисунке 3.5 показывает, что зависимость О 2 от Qв носит внутри указанного диапазона существенно нелинейный характер. Именно поэтому применяемые в настоящее время ПИД-регуляторы с одинаковыми значениями коэффициентов настроек на всем диапазоне регулирования не обеспечивают должного качества управления, что приводит к повышению энергозатрат [10, 41]. Для решения обозначенной проблемы в работе предлагается зависимость 02=ЩВ) разделить на квазилинейные участки: ТхО2 +Т6О2 Для автоматического задания оптимальных значений коэффициентов передачи пропорциональной (КП), интегральной (КИ) и дифференциальной (КД) составляющих на упомянутых участках кривой целесообразно использовать нечеткий логический регулятор (НР) с интерпретацией регулируемых параметров совокупностью четких термов. Это позволит на всем диапазоне регулирования основных параметров процесса горения использовать оптимальные коэффициенты и таким образом обеспечить для всех участков качественное управление процессом. Структурная схема НР как надстройка над классическими ПИД-регулятором с переменными коэффициентами приведена на рисунке 3.6, в которой входной лингвистической переменной является величина О2, а выходными переменными – коэффициенты КП, КИ, КД.
В соответствии с рисунком 3.6 величина О2 преобразуются в совокупность термов Т1 О2 +Т6О2 без наложения смежных термов на универсальной числовой оси.
Поскольку нечеткие термы в процедуре фаззификации налагаются друг на друга и одно и тоже четкое значение физической величины представляется значениями нескольких лингвистических переменных, что противоречит здравому смыслу. Если регулируемый параметр находится внутри четкого терма, то он равен логической единице. Все остальные термы в данном терм-множестве равны логическому нулю [3,4]. Например, регулируемый параметр О2 представлен терм множеством из 6 четких термов: Т1 О2 +Т6О2. Их значения равны логической единице при следующих условиях
База правил для регулируемого параметра О2 НР с четким терм-множеством, построенная на основе опыта экспертов, представлена в таблице 3.2.
Регулирование остальных параметров производится аналогично. Разработана совместно с А.И. Каяшевым [8] структурная схема управления парового котла тепловой электростанции с нечеткими регуляторами (НР) как надстройка над классическими ПИД-регуляторами с переменными коэффициентами приведена на рисунке 3.6, в которой входными лингвистическими переменными являются величины PП, О2, Тпар, а выходными лингвистическими переменными – коэффициенты КП, КИ, КД. В соответствии с рисунками 3.3, 3.4, 3.5 величины PП, О2, Тпар преобразуются в одноименные лингвистические переменные величины со следующими термами (например рисунок 3.3): Т1 - давление перегретого пара Pп находится на участке 1; Т2- внутри участка 2; Т3 – расположен в пределах участка 3; Т4 – значение Pп в пределах участка 4; Т5 – в пределах участка 5.
На рисунке 3.7 представлена структурная схема управления парового котла тепловой электростанции в виде трех основных блоков (на рис.3.7 обведены пунктиром) на основе трех нечетких логических регуляторов (НР1, НР2 и НР3) как адаптивные элементы ПИД-регуляторов. Регулируемыми переменными данного объекта является давление пара Pпар , температура пара Тпар , концентрация свободного кислорода O2. Управляющими переменными являются расход топлива ВТ , расход воды Dпв , расход воздуха Qв [20].
Программная реализация нечеткого регулятора в среде fuzzyTech
Целью моделирования в инструментальной программной среде fuzzyTech является система управления технологическим процессом парового котла, которая использует четкие терм-множества для адаптации ПИД-регулятора.
Реализацию алгоритма работы системы фаззификаторов НР можно условно разбить на разработку совокупности алгоритмов отдельных его контуров регулирования. Основу алгоритма фаззификации входных и выходных переменных регулятора составляет stepime алгоритм фаззификации, который позволяет полностью охватить весь рабочий диапазон значений переменных ( Pпар , Тпар , O2, Т , Dпв , Qв ) НР. В
Входные переменные ( Dпв ,Qв , Т ) фаззификаторов НР представлены в виде
В совокупности 32-битовых чисел с плавающей точкой, что соответствует типу данных Real, который поддерживается практически всеми известными инструментальными системами разработки, в том числе и средой fuzzyTech.
Постоянные значения интервалов четких термов фаззификаторов НР представлены в виде совокупности одномерных массивов 32-битовых чисел с плавающей точкой, соответствующих типу данных Real. Выбор структуры данных типа «Массив» обусловлен, прежде всего, тем фактом, что массивы удобно использовать для хранения и обработки однородной по своей структуре информации, например, таблиц и списков.
Выходные переменные (Тпар , O2, Pпар ) фаззификаторов НР представлены в виде одномерного массива 16-битовых целых чисел, соответствующих типу INT, который также поддерживается средой fuzzyTech.
Система дефаззификаторов НР включает в себя совокупность блоков дефаззификации, каждый из которых имеет три основных параметра по аналогии с блоками фаззификации. Блоки дефаззификации НР также не связаны между собой ни логически, ни функционально внутри системы дефаззификаторов, что позволяет создавать новые и удалять имеющиеся блоки, изменять их основные параметры и значения интервалов четких термов.
Поэтому реализацию алгоритма работы системы дефаззификаторов НР с четкими термами также можно условно разбить на реализацию совокупности алгоритмов работы отдельных составляющих системы (блоков дефаззификации).
Программа fuzzyTech обладает встроенными средствами визуализации и графического представления результатов нечеткого вывода для разработанных проектов в форме кривых и поверхностей на плоскости и в 3-мерном пространстве. В процессе разработки и последующего анализа систем нечеткого вывода в интерактивном режиме могут быть использованы следующие специальные графические средства визуализации результатов нечеткого вывода, входящие в состав fuzzyTech: графическое окно просмотра поверхности нечеткого вывода на плоскости, графическое окно просмотра трехмерной поверхности нечеткого вывода, графическое окно просмотра временных графиков значений лингвистических переменных [54].
Процесс нечеткого моделирования в данной среде осуществляется в интерактивном режиме с помощью специальных графических средств, предназначенных для редактирования и визуализации компонентов систем нечеткого вывода. В дополнение к ним также могут быть использованы специальные средства или мастера вновь разрабатываемых или модифицируемых систем нечеткого вывода. Так, с помощью мастера нечеткого проекта, который предназначен для создания базовой структуры системы нечеткого вывода, позволило создать основные компоненты системы. На рисунке 4.1 представлено диалоговое окно с информацией о проекте «boiler».
В проект заложено три входных переменных ( Dпв ,Qв ,ВТ ), которые являются управляющими параметрами, и три выходных - (Тпар , O2, Pпар ), которые являются регулируемыми.
Для всех переменных в данной системе общее количество четких термов составляет 36, обозначенных ранее при анализе реальных изменений квазилинейных кривых в технологическом процессе парового котла ТЭЦ. Четкие термы обозначены в диапазоне «very low-very high», для каждой входной и выходной переменной – 6 четких термов: very low, low, medium low, medium high, high, very high. В диалоговом окне спецификации блоков правил общее количество блоков правил составляет один блок с 18 продукционными правилами. На рисунке 4.2 представлен общий вид графического интерфейса программы fuzzyTech для проекта «boiler» [54].
В данном проекте входные переменные: «water» - расход питательной воды Dпв , «air» - расход воздуха Qв , «fuel» - расход топлива ВТ . Выходные: «tempe» температура пара Тпар , «oxyg» - количество кислорода в уходящих газах O2, «press» - давление пара Pпар . С помощью графического редактора продукционных правил системы нечеткого вывода создан табличный вид нечетких продукций (рисунок 4.3).
Из рисунка 4.3 следует, что для реализации алгоритма фаззификации и дефаззификации (рисунка 3.8) входных и выходных переменных НР необходимо выполнить проверку условия «IF#in_N=TRUE», «IF#N then N».
Интерпретация входной и выходной величины НР представлена в редакторе программы в виде совокупности четких термов (рисунки 4.4, 4.5, 4.6).