專利名稱：：直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-pid控制裝置及控制方法
技術領域：
：本發明涉及直流蒸汽發生器蒸汽壓力的控制裝置，本發明也涉及直流蒸汽發生器蒸汽壓力的控制方法，具體地說是一種基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置及控制方法。技術背景蒸汽發生器是壓水堆的關鍵設備，其給反應堆提供冷卻作用并且產生蒸汽以供汽輪機做功。在目前的設計中多采用直流蒸汽發生器。它不需要裝設汽水分離器，結構簡單；靜態特性好，機動性能也好；由于產生的是過熱蒸汽，在汽輪機高低缸之間可不裝去濕裝置，簡化了系統，并可提高裝置的熱效率；其功率重量比高。自從E.H.Mamdani首次將模糊控制技術應用于鍋爐和蒸汽機的控制，模糊控制在工業過程控制中獲得了廣泛應用。模糊控制的特點是在偏離工作點較遠的區域可明顯改善控制的動態性能，并且對控制對象特性的變化比PID控制器具有更強的魯棒性，然而由于模糊控制本質上屬于非線性控制方法，因此缺乏通用的系統化設計方法，控制器的穩定性難以保證，控制精度不夠高，并且在工作點附近容易產生極限環振蕩。基于PID控制器和模糊控制器的上述特點，提出一種模糊-PID切換控制器的設計方法，通過使PID控制器和模糊控制器并行結合，在偏離工作點較遠的區域以模糊控制為主，在工作點附近則主要實施PID控制，并采用模糊推理完成切換時保證兩種控制的平穩過渡，實現了兩種控制器的優勢互補和控制性能的明顯改進。在對現有的技術文獻檢索發現，目前的直流蒸汽發生器控制方法研究有張桂鳳的直流蒸汽發生器滑模模糊控制，主要選擇二回路出口壓力偏差隨著二回路入口流量變化的非線性曲線作為變結構控制的切換曲線，在實際過程中，這條曲線很難得到，從而會影響其控制效果。因此，引入基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法將有助于進一步改善直流蒸汽發生器的控制品質。
發明內容本發明的目的在于提供一種可以使直流蒸汽發生器控制精度提高，魯棒性更好的基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID的控制裝置及協調控制方法。本發明的目的是這樣實現的本發明的一種基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置，包括測量系統1、模擬/數字轉換器2，數字濾波器3、控制器4、數字/模擬轉換器5、執行機構6，其特征在于測量系統1的輸出端連接到模擬/數字轉換器2的輸入端，模擬/數字轉換器2的輸出端連接到數字濾波器3的輸入端，數字濾波器3與控制器4相連接，控制器4的輸出經過數字/模擬轉換器(5)，連接到執行機構6。本發明的基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置，還可以包括-所述的測量系統是流量計和壓力傳感器。本發明的一種基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法為(1)利用測量系統給出直流蒸汽發生器的狀態參數信息；(2)通過模擬/數字轉換器將得到的狀態參數轉換成數字信號，送給模糊-PID控制器；(3)模糊-PID控制器中包含模糊控制器和PID控制器，釆用模糊切換來保證兩種控制的平穩過渡。利用PID控制器具有很好的穩定性，而模糊控制器具有很好的快速性，即當偏差較大時，利用模糊控制的仿人智能特性迅速給出適當的作用量以快速且平穩地抑制干擾，保證系統動態響應的快速性和魯棒性；當偏差較小時，常規PID起主要作用，以保證良好的穩態性能。(4)控制器所產生的輸出信號經過數字/模擬轉換器產生模擬信號并經過信號放大器增強后輸出給執行機構；(5)執行機構按指令執行，將直流蒸汽發生器壓力穩定在指定的工況下。本發明的模糊-PID控制方法還可以包括1、所述的模糊控制器對接受的精確信息模糊化，得到輸入量的模糊值，根據輸入量的模糊值，按模糊控制規則調節參數，通過模糊推理計算控制量的模糊值，最后通過解模糊計算獲得精確的控制量，編制成表格，通過査表實現模糊控制。2、所述的直流蒸汽發生器的狀態參數信息包括蒸汽發生器出口蒸汽壓力、二回路給水流量和蒸汽發生器出口蒸汽流量。3、所述的控制器所產生的輸出信號是給水閥門開度。4、所述的模糊推理是指選定的推理方法，從輸入量和控制規則推理得出輸出量值。5、所述的解模糊計算是指從輸出控制量的模糊值中找出一個最能代表模糊解耦作用可能分布的精確量。本發明的工作原理是本發明的核心部分是基于模糊切換的模糊-PID控制器的設計。采用的模糊-PID切換控制器由模糊控制器和PID控制器并行構成，兩種控制器的控制作用信號/7，和",(/zzy根據模糊切換隸屬函數C^、CA￡和模糊切換控制規則平穩地進行切換，產生復合控制器的控制作用。為了避免常規方法實現兩個控制器切換引起的不希望擾動，采用模糊切換來保證兩種控制的平穩過渡。用于完成模糊控制器和PID控制器平穩切換的模糊推理規則為Ife(k)isC￡and△e(k)isCA￡then"output"f/WD，else"output"is"H/zzy.模糊推理規則中t/，是PID控制器輸出，^/,.1^是模糊控制器的輸出。CE和CM分別是模糊變量E和A^的模糊切換隸屬函數，模糊切換的執行區域可通過設定￡和A￡的模糊切換隸屬函數的形狀參數&和加以確定，其中&和SAt,統一用p表示。因為PID控制器具有很好的穩定性，而模糊控制器具有很好的快速性，即當偏差較大時，利用模糊控制的仿人智能特性迅速給出適當的作用量以快速且平穩地抑制干擾，保證系統動態響應的快速性和魯棒性；當偏差較小時，常規PID起主要作用，以保證良好的穩態性能。由上述給出的模糊切換控制規則，對/t時刻的清晰輸入量e(Q和Ae("按規定的隸屬函數進行模糊化，采用代數積求出前提部分強度=/f、(e(")'~(Ae(")(1)/^'(/zzr-l_A(2)則A時刻模糊-PID切換控制系統的輸出為模糊控制器主要由模糊化接口，解模糊接口及控制査詢表等組成，其中控制查詢表包括數據庫和規則庫。模糊控制器的設計實際上就是建立模糊控制表，取直流蒸汽發生器出口蒸汽壓力誤差^和出口蒸汽壓力誤差變化^p為模糊控制器的輸入信息，給水閥開度AP作為模糊控制器的輸出信息。首先，設輸出控制量為給水閥開度A^的語言變量由Cp表示，其模糊子集-Cp={PB，PM，PS，ZO,NS，NM，NB}式中PB,PM,PS，ZO,NS,NM,NB分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中、負大的模糊概念。出口蒸汽壓力誤差^的語言變量由^表示，其模糊子集為J,{PB,PM,PS,0,NS,雨,NB}式中PB、PM、PS、O、NS、NM及NB分別表示正大、正中、正小、零、負小、負中及負大。出口蒸汽壓力誤差變化"p的語言變量用^表示，其模糊子集為5p={PB,PS,O，NS，NB}然后，模糊控制器在模糊集中給每一個變量賦于一個置信度。每一個模糊集的置信度函數都是以零點為中心，正負兩邊成對稱分布。每個變量的置信度函數曲線均為對稱的單波峰形狀。正零點處的置信度比其它各點都要小。模糊控制器是通過模糊控制規則把模糊輸入集和輸出集聯系起來，模糊控制規則才用if-then語句。其采用經驗歸納法，即根據專家的控制經驗，經過進一步加工、整理、提煉后構成控制規則。實際上是將操作者的手動控制策略加以總結而得到的若干條模糊條件語句的集合，通常可簡寫為一個表，稱之為模糊控制規<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>將模糊控制器與PID控制器結合，構成基于模糊切換的直流蒸汽發生器模糊-PID控制系統。本發明的優點在于適用于直流蒸汽發生器這樣具有嚴重的非線性、時變性的系統，控制精度高，魯棒性好，尤其在大幅度變化負荷時。圖1為本發明總體結構圖；圖2為模糊-PID切換控制系統結構圖；圖3為五和A^模糊切換隸屬函數；圖4為出口蒸汽壓力變化曲線；圖5為出口蒸汽溫度變化曲線圖6為流量變化曲線圖7為語言變量A的賦值表；圖8為語言變量B的賦值表圖9為語言變量C的賦值表；圖10為模糊控制規則表；圖ll為模糊控制査詢表。具體實施方式本實施例的測量系統采用壓力傳感器、流量計，單片機含有基于模糊切換的直流蒸汽發生器模糊-PID控制軟件，執行機構為給水閥。結合圖1，基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置，包括測量系統l、模擬/數字轉換器2，數字濾波器3、控制器4、數字/模擬轉換器5、執行機構6。測量系統l的輸出端連接到模擬/數字轉換器2的輸入端，模擬/數字轉換器2的輸出端連接到數字濾波器3的輸入端，數字濾波器3與控制器4相連接，控制器4的輸出經過數字/模擬轉換器5，連接到執行機構6。所述的測量系統是流量計和壓力傳感器。直流蒸汽發生器的模糊-PID控制系統包括以下幾個步驟(1)通過壓力傳感器、流量計測量直流蒸汽發生器的狀態參數信息，包括蒸汽發生器出口蒸汽壓力、二回路給水流量、蒸汽發生器出口蒸汽流量；(2)狀態參數信息通過信號線輸入單片機。單片機控制模擬/數字轉換器定時采集狀態參數信息；(3)模糊-PID控制器中包含模糊控制器和PID控制器，采用模糊切換來保證兩種控制的平穩過渡。模糊-PID控制器結構圖見圖2，模糊變量五和M模糊切換隸屬函數見圖3。模糊控制器取直流蒸汽發生器出口蒸汽壓力誤差ep和出口蒸汽壓力誤差變化"p為模糊控制器的輸入信息，給水閥開度AP作為模糊控制器的輸出信息。給水閥開度AS的語言變量C^的論域規定為Cp={-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}Cp的隸屬度賦值見圖9中的表。出口蒸汽壓力誤差^的語言變量由^表示，^的論域規定為Jp={-0.6,-0.4，-0.2，0，0.2,0.4，0.6}疋的隸屬度賦值見圖7中的表。出口蒸汽壓力誤差變化e^的語言變量由^表示，:的論域規定為^^={-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}i^的隸屬度賦值見圖8中的表。根據模糊控制規則(見圖10中的表)得出模糊解耦控制規則表，見圖11中的表。(4)將控制系統產生的控制信號作為執行機構的控制量，執行機構按指令動作，將直流蒸汽發生器壓力穩定在指定的工況下。對本發明提供的基于模糊切換的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制系統進行了模擬試驗。模擬直流蒸汽發生器出口蒸汽流量從100%階躍變化至80%各參數變化情況。試驗結果見附圖4-6，其分別給出了未解耦協調控制和模糊解耦協調控制情況下的堆芯平均溫度、出口蒸汽壓力以及汽輪機功率變化曲線(實線為未解耦協調控制，虛線為解耦協調控制)。從中可以看出，應用模糊解耦策略后，出口蒸汽壓力的超調量減小，堆芯平均溫度以及汽輪機功率穩定時間縮短，控制效果得到改善。本發明的優點在于，當直流蒸汽發生器進行大幅度負荷變化時，整個系統的控制精度高，魯棒性好。可實際應用于直流蒸汽發生器控制系統設計中，進行核電開發等。權利要求1.一種直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置，包括測量系統(1)、模擬/數字轉換器(2)，數字濾波器(3)、控制器(4)、數字/模擬轉換器(5)、執行機構(6)，其特征在于測量系統(1)的輸出端連接到模擬/數字轉換器(2)的輸入端，模擬/數字轉換器(2)的輸出端連接到數字濾波器(3)的輸入端，數字濾波器(3)與控制器(4)相連接，控制器(4)的輸出經過數字/模擬轉換器(5)，連接到執行機構(6)。2、根據權利要求1所述的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置，其特征是所述的測量系統(1)是流量計和壓力傳感器。3、一種直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法，其特征是(1)利用測量系統測出直流蒸汽發生器的狀態參數信息；(2)通過模擬/數字轉換器將得到的狀態參數轉換成數字信號，送給模糊-PID控制器；(3)模糊-PID控制器中包含模糊控制器和PID控制器，當偏差較大時，模糊控制器迅速給出適當的作用量、快速平穩地抑制干擾；當偏差較小時，常規PID起主要作用；(4)控制器所產生的輸出信號經過數字/模擬轉換器產生模擬信號并經過信號放大器增強后輸出給執行機構；(5)執行機構按指令執行，將直流蒸汽發生器壓力穩定在指定的工況下。4、根據權利要求3所述的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法，其特征是所述的模糊控制器對接受的精確信息模糊化，得到輸入量的模糊值，根據輸入量的模糊值，按模糊控制規則調節參數，通過模糊推理計算控制量的模糊值，最后通過解模糊計算獲得精確的控制量，編制成表格，通過査表實現模糊控制。5、根據權利要求4所述的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法，其特征是所述的直流蒸汽發生器的狀態參數信息包括蒸汽發生器出口蒸汽壓力、二回路給水流量和蒸汽發生器出口蒸汽流量。6、根據權利要求5所述的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法，其特征是所述的控制器所產生的輸出信號是給水閥門開度。7、根據權利要求6所述的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法，其特征是所述的模糊推理是指選定的推理方法，從輸入量和控制規則推理得出輸出量值。8、根據權利要求3所述的直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制方法，其特征是所述的解模糊計算是指從輸出控制量的模糊值中找出一個最能代表模糊解顆作用可能分布的精確量。全文摘要本發明提供的是直流蒸汽發生器蒸汽壓力模糊-PID控制裝置及協調控制方法。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，采用模糊切換來保證兩種控制的平穩過渡。利用PID控制器具有很好的穩定性，而模糊控制器具有很好的快速性，即當偏差較大時，利用模糊控制的仿人智能特性迅速給出適當的作用量以快速且平穩地抑制干擾，保證系統動態響應的快速性和魯棒性；當偏差較小時，常規PID起主要作用，以保證良好的穩態性能。本發明適用于直流蒸汽發生器這樣具有嚴重的非線性、時變性的系統，控制精度高，魯棒性好。可實際應用于直流蒸汽發生器控制系統設計中，能提高系統的控制品質。文檔編號G05B13/02GK101261007SQ200810064208公開日2008年9月10日申請日期2008年3月31日優先權日2008年3月31日發明者嚴浙平,夏國清,偉張,施小成,楊本坤,王元慧,邊信黔申請人:哈爾濱工程大學