模糊建模与控制及其在电厂热工自动控制中的应用

【摘 要】随着科学技术和生产力的不断发展，实际受控对象越来越复杂。以电厂的热工自动控制系统为例，由于系统本身是强耦合的多输入多输出非线性系统，其动态特性随着运行工况的变化而大幅度变化，且各环节的动态特性差异很大，一些环节还具有惯性、滞后、非线性和时变等特性，难以建立精确的数学模型，从而使得传统控制理论很难给出一个较好的控制效果，甚至不能控制。近年来，越来越多的学者已意识到在传统控制中加入逻辑、推理和启发式知识的重要性，把传统控制理论与人工智能技术相结合，充分利用人的控制知识对复杂系统进行智能化控制，逐渐形成了智能控制的理论体系。模糊控制就是这一体系中最具有代表性的研究成果之一。基于此，本文主要探讨了模糊建模与控制及其在电厂热工自动控制中的应用。

【关键词】模糊建模与控制 电厂热工自动控制 应用

基于T-S模型的模糊控制系统稳定性分析和控制器设计是模糊理论研究的一个基本问题。利用T-S模型具有比较丰富局部结构的特点，可以把线性控制理论中的稳定性分析和综合方法应用于模糊系统，对模糊控制系统稳定性、控制性能等方面给出严格的数学证明，这样模糊控制器就不再是依赖于经验的简单智能控制器，而是具有完整理论支撑的非线性控制器。近年来，虽然这方面的理论研究已经取得了很多成果，但如何将这方面理论应用到具体控制系统还有许多问题有待进一步研究。

1 T-S模型建模的研究现状及问题

T-S模型是1985年日本科学家为了解决多维模糊推理中推理规则过于庞大的问题而提出的一种新的模糊推理模型，随着我国科学技术的发展，T-S模型得到了很大的改善和發展，并在生产中得到了广泛的应用。相较于传统的模糊模型，T-S模型可用少量的模糊规则生成较复杂的非线性函数，这在处理多变量系统时能有效地减少模糊规则个数，因而产生巨大的优势。

大量的工程实践证明，对于某些具有高度非线性、不确定性、强耦合的复杂系统采用传统的机理建模方法几乎无法得到其数学模型，即使勉强建立起来，也是一个高阶非线性时变的微分方程组，并且假设了诸多前提条件，忽略了很多因素，使得此模型失去初始的建模意义。此时，采用传统的系统辨识方法也往往不能获得令人满意的模型。为此，近年来许多研究者开展了复杂非线性系统的智能学习建模，如基于模糊系统、人工神经网络和支持向量机等方法的研究。在这些方法中，模糊系统具有可把数学函数逼近器与过程信息结合起来、采用规则库以有助于人们了解系统、规则库中的语言变量可以看作是信息的量化等一系列特点，得到了人们的广泛重视。与其它非线性建模方法相比，模糊建模具有如下的优点：

（1）能够有效地辨识复杂甚至病态结构的系统；

（2）能够有效地辨识大时延、时变、多变量、非线性系统；

（3）模型结构中集成了数字和符号表示，易于处理定量与定性知识；

（4）模型以模糊规则的表示形式，可以用于分析系统的行为特性；

（5）模型形式的多样性，可以用于系统分析、仿真等不同的建模目的。

2模糊PID控制的研究现状及问题

模糊控制理论的雏形出现于1965年，由美国科学家提出，而模糊控制在生产中的应用则是在1974年，一位英国科学家首先利用模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制方面的研究，并且获得成功，从此模糊控制的研究和在实际生产中的应用的一直十分活跃。模糊PID控制器具有结构简单、控制效果好及参数物理意义明确等优点，因而被广泛应用于工业生产中。然而，目前模型控制器始终存在一些参数调整紊乱、各模糊集的隶属度函数和模糊规则的调整方法不当、控制系统复杂及缺乏系统化设计方法等问题，这些问题对工业生产的发展带来了一定的负面影响。

3 模糊建模与控制在电厂热工自动控制中的应用

内蒙古位于我国北部，干燥寒冷的气候导致了其发电方式略显单一，相较于近几年兴盛起来的风力发电，传统电厂热力发电的方式更稳定，在日常发电中的应用也更加广泛。模糊控制因其集体控制的特性，是电厂热力发电中不可缺少的因素。做好模糊控制在电厂热工控制中的应用，可以降低电厂热力发电的成本，提高电厂热工控制的工作效率。

3.1 模糊建模在机炉协调控制系统中的应用

从电灯泡这一伟大发明流入中国开始，中国便结束了漫长的煤油灯时代，迎来了电力时代。传统热力发电厂随之开始迅速的发展，机炉作为热力发电厂的主机，其协调主要是通过DCS系统进行控制，DCS的控制能实现锅炉能量与汽轮机能量的协调一致，保持蒸汽压力、发电负荷的稳定。然而，随着电力的进一步改革，机炉的操作功能也愈加复杂且精细，目前常用的机炉协调控制系统已经不能满足全工况最优控制的要求。T-S模型作为最早发明的模糊模型，可以通过一些模糊规则给出非线性系统的局部线性表示，从而把线性控制理论中的稳定性分析和综合方法应用于模糊系统。基于T-S模型的这种特性，制作出来的非线性控制器简单易操作，具有完整的理论支撑，其在业界人士内受到广泛关注的同时，如何将基于T-S模型的模糊控制理论应用到机炉协调控制系统中，并设计出系统化的使用方法成为了人们热议的话题。相信在不久的将来，通过科学家们共同努力的研究，这些问题会得到有效的解决。

3.2模糊控制在母管蒸汽压力系统中的应用

蒸汽母管的基本组成单位是锅炉，锅炉在生产过程中需要不断输出蒸汽，因此对水的需求量很大，通过给水泵加压可以源源不断的将水注入锅炉。在实际生产过程中，电厂为了节约成本，通常会用水母管将几台水泵的出口并联出来，将水进行集体输运；与此同时，为了方便控制，也会用蒸汽母管将几台小容量锅炉输出的蒸汽集体送到需要用的区域。

参考文献：

[1]胡包钢，应浩.模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题[J].自动化学报，2011，27（4）：567-584.

[2]袁平，王福利，毛志忠.基于T-S模糊系统的软测量混合建模研究[J].信息与控制，2010，34（2）：137-141.

[3]王宏伟，马广福，王子才.模糊辨识理论与应用研究[J].系统仿真学报，2010，12（08）：56-59.

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