基于Matlab/Simulink的鍋爐汽包水位控制建模仿真

金 璐, 陳 勇

(1.南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 江蘇 南京 210042; 2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

基于Matlab/Simulink的鍋爐汽包水位控制建模仿真

金 璐1, 陳 勇2

(1.南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 江蘇 南京 210042; 2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

設(shè)計(jì)了一種新型的鍋爐汽包水位模糊PID控制器,分析了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)、工作原理和作用,并運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)模糊PID控制器和常規(guī)控制器分別在鍋爐汽包水位控制中進(jìn)行仿真. 結(jié)果表明,模糊PID控制器設(shè)計(jì)合理,控制效果良好,具有更好的控制特性．

Matlab; 模糊PID; 汽包水位

0 引言

鍋爐是化工、石油、電力等工業(yè)部門的重要熱源、能源動(dòng)力設(shè)備[1],鍋爐控制系統(tǒng)的水平已經(jīng)成為衡量鍋爐性能的一個(gè)重要因素．鍋爐控制是一個(gè)比較復(fù)雜的控制過(guò)程,各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制,而汽包水位控制系統(tǒng)是鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié),汽包水位是鍋爐正常運(yùn)行的重要參數(shù),維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化,是鍋爐水位控制的重要任務(wù)之一．隨著鍋爐汽包水位的控制應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,要求控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易、成本低廉、控制算法合理、開發(fā)周期短,建立鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真模型,可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性,人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化,以便考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動(dòng)態(tài)特性[2]．本文在分析鍋爐汽包水位控制數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對(duì)通常的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了改進(jìn),并借助于Matlab/Simulink強(qiáng)大的仿真建模能力,建立了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型．

1 系統(tǒng)基本原理

鍋爐汽包中儲(chǔ)水量的變化是由汽包水位決定的[3],在水位下汽泡容積的變化過(guò)程趨于平衡時(shí),水位的逐漸上升反映了汽包中儲(chǔ)水量的增加,因?yàn)榻o水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低,當(dāng)給水流量增加后,原有飽和水中的部分熱量就被吸收,所以水位下汽泡容積有所減少．鍋爐的給水流量實(shí)際反映了給水控制系統(tǒng)的操縱變量,可以把汽包水位看作單容量無(wú)自衡過(guò)程．

用傳遞函數(shù)G1表示鍋爐汽包水位H與給水流量W之間關(guān)系,如果給水量為階躍變化時(shí),汽包水位在起始狀態(tài)不會(huì)迅速增加,而是呈現(xiàn)出起始慣性段,此過(guò)程可近似于積分環(huán)節(jié)與時(shí)滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)系統(tǒng)特性,G1可表示為:

(1)

式中,S為拉普拉斯算子,T1為時(shí)間常數(shù),k1為給水單位流量改變時(shí)鍋爐水位變化速度．

用傳遞函數(shù)G2表示“虛假水位”時(shí)水位H與蒸汽流量D之間關(guān)系,所謂“虛假水位”,即蒸汽流量突然增加時(shí),水位先上升,然后再下降,而不是當(dāng)蒸汽流量D大于給水量W時(shí),水位應(yīng)下降,這是因?yàn)檎羝昧吭黾?瞬間導(dǎo)致汽包壓力下降的緣故．(反之,蒸汽流量突然減少時(shí),則水位先下降,然后再上升),G2可表示為:

(2)

式中,S為拉普拉斯算子,T2為時(shí)間常數(shù),k2為放大系數(shù),kf為蒸汽單位流量改變時(shí)水位變化速度．

2 模糊PID控制器的數(shù)學(xué)模型

模糊PID參數(shù)自整定的設(shè)計(jì)思想是先找出PID三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系[4],為使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,在系統(tǒng)控制過(guò)程中,通過(guò)不斷檢測(cè)偏差e和偏差變化率ec,在線校正參數(shù)Kp、Ki和Kd,從而滿足不同偏差e和偏差變化率ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求．模糊PID控制器通過(guò)偏差e和偏差變化率ec作為輸入,在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正,從而可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻偏差和偏差變化率對(duì)PID參數(shù)自整定的要求．

2.1 模糊PID控制器的組成

圖1 汽包水位模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊PID鍋爐汽包水位控制是運(yùn)用模糊控制理論及傳統(tǒng)PID控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制的裝置[5],其基本組成如圖1所示．

圖1中H0為汽包水位的給定值，H為汽包水位的實(shí)際值．汽包水位模糊控制器采用雙入單出結(jié)構(gòu)．兩個(gè)輸入變量分別為:水位的偏差e和水位偏差的變化量ec．輸出控制量U控制汽包水位調(diào)節(jié)閥的開度．

2.2 參數(shù)PID模糊控制規(guī)則

模糊PID控制器輸入變量為e(系統(tǒng)給定值H0與實(shí)際輸出值H之間的偏差)和(偏差變化率),經(jīng)模糊控制器后輸出語(yǔ)言變量E,偏差變化率Ec,不斷校正PID參數(shù)KP,Ki和Kd．可以選取PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB作為偏差語(yǔ)言變量E,偏差e的離散論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3},偏差E的隸屬函數(shù)選用三角函數(shù)．選取PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB作為偏差變化率語(yǔ)言變量Ec,偏差變化率ec的離散論域?yàn)閧-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3},偏差變化率的隸屬函數(shù)也選三角形函數(shù)．根據(jù)PID控制的基本原理,比例系數(shù)KP的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度;積分系數(shù)Ki的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;微分系數(shù)Kd的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性．根據(jù)以上控制規(guī)則設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制回路的PID參數(shù)模糊控制規(guī)則表,如表1-表3所示．

表1 KP的模糊控制表

表2 Ki的模糊控制表

表3 Kd的模糊控制表

采用加權(quán)平均法進(jìn)行反模糊化[4],將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值．本文中通過(guò)模糊PID控制器,得到模糊控制量所對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)KP,Ki和Kd的控制增量ΔKP,ΔKi,ΔKd．最后,采用增量式的PID控制算法計(jì)算控制系統(tǒng)當(dāng)前控制增量ΔUi,將ΔUi附加在前一時(shí)刻的控制量ΔUi-1上,即可得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出控制量Ui．

3 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink中根據(jù)上文PID參數(shù)模糊控制規(guī)則對(duì)鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖3所示,為了方便比較對(duì)常規(guī)PID控制系統(tǒng)也進(jìn)行了仿真,仿真曲線如圖2所示,比較結(jié)果表明模糊PID控制器的超調(diào)量較小,穩(wěn)態(tài)誤差較小,響應(yīng)速度快．

圖2 常規(guī)PID控制曲線

圖3 模糊PID控制曲線

4 結(jié)論

本文鍋爐汽包水位控制采用模糊PID控制原理,在線地對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整．模糊PID控制器采用二維輸入量,即偏差e和偏差變化ec,從仿真結(jié)果看,具有較好的控制性能,既達(dá)到了較快的響應(yīng)速度,又抑制了超調(diào)量,達(dá)到了優(yōu)化PID控制器和模糊控制器的目的,為鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值．

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[責(zé)任編輯：蔣海龍]

ModelingandSimulationforBoilerDrumLevelControlBasedonMatlab/Simulink

JIN Lu1, CHEN Yong2

(1.School of Electrical and Automation Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 214006, China)(2.School of Physical and Electronic Electrical Engineering, HuaiYin Normal University, Huanan Jiangsu 223300, China)

A new type of boiler drum water level fuzzy PID controller is designed in this paper, which analysed the mathematical model of the boiler drum water level control system, the constructure of the fuzzy PID controller and working principle and effect. The water level controlling of fuzzy PID controller and the common controller is simulated respectively by applying Matlab/simulink. The result shows that the fuzzy PID controller design is reasonable and controllable.

matlab; fuzzy-PID; drum level

TP272

A

1671-6876(2012)02-0150-04

2012-04-26

金璐(1990-), 女, 江蘇淮安人, 研究方向?yàn)殡姎馀c自動(dòng)化工程．