崔俊峰 厲善亨 上海海事大學(xué)商船學(xué)院

基于一種模糊控制的鍋爐“虛假水位”對(duì)策研究

崔俊峰 厲善亨 上海海事大學(xué)商船學(xué)院

鍋筒水位是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要標(biāo)志，本文討論了鍋爐虛假水位的形成因素，并提出相應(yīng)地應(yīng)對(duì)策略，同時(shí)驗(yàn)證了PID控制與模糊控制在水位調(diào)節(jié)中的應(yīng)用的可能性及特性。

鍋爐水位;PID;模糊控制

鍋筒水位是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要標(biāo)志。水位過低時(shí)，如果負(fù)荷（蒸汽用量）較大，水的汽化速度又快，使鍋筒內(nèi)的水量變化速度較快，一旦鍋筒內(nèi)的水全部汽化，會(huì)導(dǎo)致鍋爐燒壞，甚至爆炸；水位過高，影響鍋筒的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，是過熱器關(guān)閉結(jié)垢導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)過熱蒸汽溫度下降，容易損壞汽輪機(jī)葉片，影響機(jī)組運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性。因此，必須嚴(yán)格控制鍋筒水位的高低。

1 鍋爐汽包的數(shù)學(xué)模型

1.1 參數(shù)自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)

參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

以汽包水位的誤差e和誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入量，以滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算：

式中，kp、ki、kd為PID三個(gè)控制參數(shù)的取值，kp*、ki*、kd*為PID參數(shù)基準(zhǔn)值，△kp、△ki、△kd為PID參數(shù)校正值。PID調(diào)節(jié)器的輸出值u到鍋爐給水流量調(diào)節(jié)器。

1.2 各變量隸屬度函數(shù)的確定

取汽包水位誤差e和誤差變化量ec，將其模糊化到相應(yīng)論域。模糊化過程是通過比例變換因子將采樣獲得的具體值論域變換到模糊語(yǔ)言變量論域，設(shè)誤差e的基本論域?yàn)閇-ep，ep]，誤差ec的基本論域?yàn)閇-ecq，ecq]，各自的模糊語(yǔ)言變量論域?yàn)閇-n，n]和[-m，m]，則量化因子為ke= n/ep，kec=m/eeq。 取輸入語(yǔ)言變量e和ec的論域均為e，ec={-6，-4，-2，0，2，4，6}，其模糊子集為e，ec=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。輸出語(yǔ)言變量Δkp和Δkd的論域均為Δkp，Δkd= {-6，-4，-2，0，2，4，6}，Δki的論域?yàn)棣i={-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}，模糊子集為Δkp，Δki，Δkd=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB.e、ec、Δkp、Δki、Δkd語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù).語(yǔ)言變量e、ec、Δkd、Δkd 隸屬度函數(shù)如圖2，語(yǔ)言變量Δki 的隸屬度函數(shù)如圖3。

1.3 建立控制規(guī)則

通常，PID控制器的控制算式為：

針對(duì)不同的e和ec，人們總結(jié)出了一套kp、ki、kd的整定原則：

(1)當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的kp與較小的kd，同時(shí)為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取ki=0。

(2)當(dāng)e和ec中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)， 應(yīng)取得小些。在這種情況下，kp的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得小一些，kd的取值要適當(dāng)。

(3)當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，kp與ki均應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng)ec較大時(shí)kd可取得小些；ec較小時(shí)kd可取大一些。

根據(jù)以上規(guī)則可得參數(shù)模糊規(guī)則表如表1、表2、表3所示。

?

?

?

在汽包水位實(shí)時(shí)控制中，根據(jù)汽包水位的誤差e和誤差變化量ec，直接查找模糊控制規(guī)則表得出校正量，用重心法將其去模糊轉(zhuǎn)化為清晰量，分別乘以量化因子求得最終結(jié)果Δkp、Δki、Δ k，將其與PID基準(zhǔn)值 kdd*、kd*、kd*分別相加得到最佳的瞬態(tài)PID參數(shù)，然后按照常規(guī)的PID運(yùn)算計(jì)算控制器輸出量到給水流量調(diào)節(jié)器。

2.仿真研究

仿真模型采用蒸發(fā)量為670t／h的鍋爐汽包對(duì)象，給水流量W與水位L的傳遞函數(shù)為

PID參數(shù)基準(zhǔn)值為 kp*=1.611，ki*=0.014，kd*=4.841。

假定汽包水位給定值為0.3m，用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。由于采用了模糊控制的方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使在偏差較大時(shí)使kp增大，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，在中間過程抑制了系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)的超調(diào)，在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)kp、ki增大，kd減小，使系統(tǒng)縮短了穩(wěn)態(tài)時(shí)間，抑制了振蕩。與傳統(tǒng)的PID控制器相比，用模糊自適應(yīng)PID控制器控制汽包水位，控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好，魯棒性強(qiáng)。

圖4 仿真曲線

結(jié)論

針對(duì)鍋爐汽包水位控制中經(jīng)常出現(xiàn)的“虛假液位”現(xiàn)象，采用三沖量控制方式，并且將模糊自適應(yīng)控制算法應(yīng)用于該系統(tǒng)，利用模糊控制易于實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制的特點(diǎn)，將操作人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于控制過程，根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，由該表決定PID參數(shù)的輸出值，在線實(shí)時(shí)的對(duì)PID參數(shù)整定，使系統(tǒng)運(yùn)行中保持合適的瞬態(tài)參數(shù)，克服了傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)不可改變的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，仿真結(jié)果表明這種方法是可行的。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.057

厲善亨（1953-）上海海事大學(xué)，商船學(xué)院，副教授，輪機(jī)自動(dòng)化;崔俊峰（1985-）上海海事大學(xué)，商船學(xué)院，碩士生，輪機(jī)自動(dòng)化。

Abstractthe drum is to guarantee the safe operation of boilers, this article discusses the formation of false water level of boilers, and propose strategies accordingly, verify that the PID and fuzzy control in the application of water-level regulation of possibilities and features.

Key wordswater level；PID and fuzzy logic control