模糊PID 技術(shù)在控制鍋爐汽包水位的初探

張鑫，舒凌峰，呂坤

(江西贛南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司 生產(chǎn)設(shè)備部，江西 贛州 341000)

0 引言

控制系統(tǒng)方案設(shè)計將鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)作為主要研究內(nèi)容，汽包水位是鍋爐運行中的一個重要參數(shù)，它體現(xiàn)出鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量和給水量之間的動態(tài)平衡關(guān)系，是鍋爐安全運行的重要條件。汽包水位高會使過熱器的受熱面結(jié)垢而被燒壞;而汽包水位過低則會破壞汽水循環(huán)，造成水冷壁管供水不足而被燒毀，甚至引起鍋爐爆炸。鍋爐水位自動控制的任務(wù)就是控制給水流量，使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。將模糊控制算法引入該系統(tǒng)，利用模糊控制易于實現(xiàn)對復(fù)雜對象控制的特點，將有經(jīng)驗的操作人員和專家的控制經(jīng)驗應(yīng)用于控制過程，根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定PID 參數(shù)的輸出值，與傳統(tǒng)的PID 控制相結(jié)合，根據(jù)鍋爐汽包水位運行過程中出現(xiàn)的不同狀態(tài)和擾動，在線實時的對PID 參數(shù)整定，使系統(tǒng)運行中保持合適的瞬態(tài)參數(shù)，易于維持汽包水位在設(shè)定值。針對鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)特點，將蒸汽流量作前饋信號和給水流量作控制信號，設(shè)計了三沖量控制系統(tǒng)。

1 鍋爐及其控制系統(tǒng)的組成、工作過程與特性［1-2］

1.1 鍋爐的工作過程簡介

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的動力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供能源，而且還可以作為風(fēng)機、壓縮機、泵類驅(qū)動透平的動力源。鍋爐是有“鍋”和“爐”兩部分組成的。

1)“鍋”就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如圖1 所示。由給水總管、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包、過熱器、蒸汽總管、上升管、及下降管組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包 頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱，，升溫達到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽總管。

圖1 鍋爐的汽水系統(tǒng)

2)“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機送入，通過空氣預(yù)熱器吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽總管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和送風(fēng)機的空氣，最后經(jīng)過煙囪排入大氣。

1.2 鍋爐設(shè)備的調(diào)節(jié)任務(wù)

鍋爐作為重要動力設(shè)備，為了保證提供合格的蒸汽，必須使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應(yīng)負荷設(shè)備的需要量。為此，生產(chǎn)過程的各個參數(shù)，特別是新汽的壓力和溫度，必須嚴格控制。

a)控制汽包水位

鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對現(xiàn)代工業(yè)來說尤其重要。因為現(xiàn)代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或是缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。

b)控制蒸汽溫度

過熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝確定的重要參數(shù)，蒸汽溫度過高會燒壞過熱器水管，對負荷設(shè)備的安全運行帶來不利因素。因為現(xiàn)代的蒸汽鍋爐，金屬強度的安全系數(shù)設(shè)計得都比較小，超溫嚴重會使汽機或其他負荷設(shè)備膨脹過大，使汽機的軸向推力增大而發(fā)生事故。汽溫過低直接影響負荷設(shè)備的使用，對汽機來說會影響效率，進汽溫度每降低5 ℃，效率約降低1%。因此從安全生產(chǎn)和技術(shù)經(jīng)濟指標上看，必須保持整定溫度在額定值范圍之內(nèi)。

c)控制蒸汽壓力

蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標，是新汽的重要工藝參數(shù)。蒸汽給定壓力過高或過低，對于金屬導(dǎo)管和負荷 設(shè)備都是不利的:壓力太高，會加速金屬的蠕變，壓力太低就不可能提供各負荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。在運行過程中，蒸汽壓力降低，表明蒸汽消耗量大于鍋爐發(fā)汽量;反之，蒸汽壓力升高，說明蒸汽消耗量小于鍋爐發(fā)汽量。因此嚴格控制蒸汽壓力，是確保安全生產(chǎn)的需要，也是維持正常生產(chǎn)符合的需要。

d)維持經(jīng)濟燃燒

使空氣和燃料維持適當(dāng)比例，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經(jīng)濟性的關(guān)鍵措施。將過?？諝饨档偷浇诶硐胨蕉植怀霈F(xiàn)一氧化碳和冒黑煙，這就需要快速而精確的燃燒過程的自動調(diào)節(jié)，最佳的空氣、燃料配比。如果離開最適宜的空燃比，勢必增加熱量損失，降低經(jīng)濟技術(shù)指標，并造成對周圍環(huán)境的污染。

e)控制爐膛壓力

鍋爐在正常運行中，爐膛壓力也必須保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。如果是負壓操作，則負壓偏正，局部地區(qū)容易噴火，不利于安全生產(chǎn)，不利于環(huán)境衛(wèi)生，負壓過大，漏風(fēng)嚴重，總風(fēng)量增加，煙氣熱損失增大，不利于經(jīng)濟燃燒。由于燃燒室的空間很大，加之介質(zhì)密度差生產(chǎn)的自升引力，使沿著爐膛向上負壓越來越大，所以保持高度上的負壓是必要的，可行的。

f)控制一次風(fēng)量

粉煤直吹鍋爐。為了安全地、經(jīng)濟地將粉煤輸入爐膛，保證良好的燃燒條件，一次風(fēng)量也需要自動調(diào)節(jié)。對于高壓鍋爐，有時還需自動調(diào)節(jié)鍋爐的連續(xù)排污量以保證鍋爐水中含鹽量為額定值。

1.3 鍋爐設(shè)備控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對實現(xiàn)上述調(diào)節(jié)任務(wù)，鍋爐設(shè)備控制劃分為如下幾個調(diào)節(jié)系統(tǒng):

1)鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng):即鍋爐汽包水位的控制。其被調(diào)參數(shù)為汽包水位，調(diào)節(jié)手段為給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)，是鍋爐汽包內(nèi)部重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2)蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)是蒸汽總管壓力，在孤立運行鍋爐中，為蒸汽壓力，主要考慮鍋爐內(nèi)部的熱量平衡，其通道很長，包括鍋爐燃燒系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，它是整臺鍋爐設(shè)備自動調(diào)節(jié)當(dāng)中的核心。

3)經(jīng)濟燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)隨著測試方式的不同而異，主要考慮燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟燃燒問題，通道也比較長，包括燃燒系統(tǒng)和煙道。

4)爐膛負壓調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)為爐膛負壓，主要考慮燃燒過程的物料平衡，調(diào)節(jié)通道包括爐膛和煙道。

5)蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)為過熱器出口過熱蒸汽的溫度，主要考慮過熱器的熱量平衡問題。

2 設(shè)計方案

1)鍋爐汽包水位的三沖量控制方式:汽包水位采用三沖量控制，將蒸汽流量作為前饋信號，把給水流量作為控制信號，組成汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)［3］。

2)系統(tǒng)硬件配置:控制器主要由PLC 構(gòu)成，采用西門子300 PLC 為開發(fā)平臺，通過輸入輸出模塊將現(xiàn)場采集的信號送入到PLC 控制器。

3)模糊PID 控制器設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)工作原理［4］

在分析汽包水位控制的要求和特點的基礎(chǔ)上，針對性地設(shè)計“雙輸入－單輸出”汽包水位模糊控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖2 所示。

圖2 汽包水位模糊控制系統(tǒng)框圖

水位偏差和蒸汽流量偏差作為輸入:模糊推理結(jié)果經(jīng)解模糊后得到的μ 作為輸出，控制汽包進水閥門開度;規(guī)則庫存儲由專家的知識和經(jīng)驗歸納總結(jié)得到的控制規(guī)則。

工作時，水位偏差el和蒸汽流量偏差ef通過量化因子Kf和El轉(zhuǎn)換成［－6，+6］之間的等級值Ef和El(Ef和El是與ef和el對應(yīng)的語言變量);再經(jīng)模糊化，轉(zhuǎn)換成模糊型變量Ef和El送入推理機推理，得到推理結(jié)論u(迷糊集型變量);然后解模糊，轉(zhuǎn)換成［－6，+6］間的等級值，再經(jīng)比例因子Ku 轉(zhuǎn)換成精確的控制量u，用于控制汽包進水閥的開度，進水閥選用線性流量特性。當(dāng)汽包負荷突然變大，f 上升，因“虛假液位”使l 上升時，由模糊控制規(guī)則確?？刂屏窟m當(dāng)上升，從而克服蒸汽流量變化的干擾，若蒸汽流量保持正常，在水位發(fā)生變化時同樣由模糊控制量做出適當(dāng)變化，改進進水閥開度，使水位回到正常位置。

2.2 輸入變量的模糊化及推理結(jié)果的解模糊

輸入變量(精確量)ef由下式轉(zhuǎn)換成［－6，+6］間的等級值Ef:

Ef={Kf〔ef－(efmax－efmin)/2〕}式中:(efmax，efmin)為實際流量偏差取值范圍;{}表示按四舍五入取整;Kf=12/(efmax－efmin)。

輸入變量el用同樣的方法轉(zhuǎn)換，得到El。

由于執(zhí)行機構(gòu)只能接受一個確定的控制量，推理機輸出的推理結(jié)論應(yīng)經(jīng)解模糊和轉(zhuǎn)換過程得到相應(yīng)的精確控制量u。在此，采用最大隸屬度判決法解模糊［5］得到的等級值U:

式中:Umax是輸出量模糊子集隸屬度最大所對應(yīng)的控制元素。得到U 后再由下式轉(zhuǎn)換得到控制量的精確值:

式中:(umax，umin)為控制量變化范圍;{}表示按四舍五入取整;

與等級值Ef，El和U 分別對應(yīng)的模糊集Ef，El和U 均取7 個模糊子集，其語言值分別為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大﹜簡記為{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB﹜.表1～表3 分別給出相應(yīng)等級值與模糊子集的隸屬度函數(shù)賦值表。

表1 語言變量Ef隸屬度函數(shù)賦值表

表2 語言變量Ei隸屬度函數(shù)賦值表

表3 語言變量U 隸屬度函數(shù)賦值表

2.3 建立模糊控制規(guī)則表及模糊關(guān)系

詳細分析鍋爐汽包實際運行情況，全面總結(jié)歸納專家的汽包水位控制經(jīng)驗和知識，可以得到一套控制規(guī)則，由這些控制規(guī)則可構(gòu)造出控制規(guī)則表(表4)。

表4 控制規(guī)則表

根據(jù)每一條控制規(guī)則表，可以分別求出對應(yīng)的模糊關(guān)系Rij:

式中:* 表示模糊序列的直積;i 表示控制表的第i 列;j 表示控制表的j 行;i，j，k=﹛1，2…，7 ﹜。

整個系統(tǒng)總控制規(guī)則所對應(yīng)的模糊關(guān)系為

求出R 后，就可以進行模糊推理，得到相應(yīng)控制量的變化U，齊推理機制如下:

式中:El* Ef為推理小前提，R 為推理大前提;U 為推理結(jié)論;o 為模糊矩陣的合成運算。

2.4 模糊PID 控制算法在PLC 中編程實現(xiàn)

模糊PID 控制算法在西門子300 PLC 上采用語句表編程方式編程實現(xiàn)。采集誤差信號和誤差變化量信號，將其模糊化到語言變量的論域，采用離線計算的方式將模糊規(guī)則制成模糊查詢表(表5)，通過在線的方式查詢模糊控制量輸出，最后將PID 參數(shù)校正值與基準值相加，獲得PID參數(shù)瞬時值，最后進行PID 運算，計算得控制量到控制對象執(zhí)行器。在PLC 中，使用FB 功能塊和DB 數(shù)據(jù)塊來實現(xiàn)模糊控制算法。首先離線計算好模糊關(guān)系查詢表，把比例因子值、誤差的上下限值和模糊關(guān)系查詢表R 送到DB數(shù)據(jù)塊中存儲起來。在DB 數(shù)據(jù)塊中，模糊關(guān)系R 要按傾序排放，即按順序先輸入第一列，再輸入第二列，第三列，然后在FB 功能塊中完成計算查詢表功能。接著，由模糊化子集和模糊關(guān)系風(fēng)求出模糊決策。在程序里，這部分使用比較指令和循環(huán)嵌套來完成。最后，用最大隸屬度法，再進行PID 增量式運算得輸出控制量［6］。

表5 控制查詢表

3 結(jié)語

根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)的特點，分析了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及控制目標，針對工業(yè)過程中出現(xiàn)的非線性、大滯后、強耦合、難于控制的工業(yè)鍋爐控制對象的特點，在傳統(tǒng)PID 控制器難以達到理想控制效果的前提下，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展比較迅速的模糊控制理論，使用模糊控制理論和PID 相結(jié)合的控制器來改造原有的ID 控制方式，結(jié)合PID 控制中穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點，設(shè)計了模糊PID 控制器，使系統(tǒng)保持最優(yōu)的瞬態(tài)參數(shù)，使模糊控制與PID 控制有機的結(jié)合起來，易于達到滿意的控制效果。

［1］孫優(yōu)賢，孫紅.鍋爐設(shè)備的自動化調(diào)節(jié)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1982.

［2］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算［M］.3 版.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］李玲玲，等.工業(yè)鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)的改進［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000(12).

［4］徐承宇.模糊控制與實踐［M］.北京:地震出版社，1998.

［5］潘祥亮，羅利文.模糊PID 控制在工業(yè)鍋爐控制中的應(yīng)用［J］.2004(5).

［6］西門子(中國)有限公司，西門子S7-300/400PLC 編程軟件使用手冊.