運(yùn)用免疫尋優(yōu)算法優(yōu)化鍋爐水位PID控制器的仿真研究

馮嚴(yán)冰

摘 要：本文在鍋爐水位動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用參數(shù)免疫尋優(yōu)算法優(yōu)化鍋爐水位控制系統(tǒng)，通過(guò)軟件仿真對(duì)比免疫優(yōu)化后的PID控制器與普通水位控制器的控制效果，驗(yàn)證了參數(shù)免疫優(yōu)化的控制效果優(yōu)于常規(guī)控制方法的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：免疫尋優(yōu)；鍋爐；水位控制器；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.059

1 鍋爐水位的動(dòng)態(tài)特性分析

鍋爐內(nèi)部汽包水位是其安全高效運(yùn)行的主要指標(biāo)和參數(shù)，必須將汽包水位維持在合理的范圍內(nèi)。鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位（H），給水調(diào)解閥調(diào)節(jié)量是給水流量（W）。汽包內(nèi)部容積可劃分三個(gè)部分：蒸發(fā)面以上蒸汽容積，蒸發(fā)面下蒸汽容積和水容積。可用汽包壓力和汽包水位的動(dòng)態(tài)特性表示蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。有四個(gè)因素影響水位調(diào)節(jié)對(duì)象的擾動(dòng)參數(shù)：給水流量的擾動(dòng)，包括給水壓力變化和減溫器調(diào)節(jié)閥開合變化；蒸汽負(fù)荷變化，包括管路阻力的變化和負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥開合變化；影響燃料發(fā)熱量的各因素；汽包壓力及水位變化，從熱負(fù)荷的變化或蒸汽負(fù)荷變化兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。 鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動(dòng)主要來(lái)自三個(gè)方面：爐膛負(fù)荷擾動(dòng)、蒸汽流量擾動(dòng)和給水流量擾動(dòng)。爐膛負(fù)荷擾動(dòng)影響緩慢具滯后，并可通過(guò)燃料自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)器消除。所以，干擾水位的主要因素就是蒸汽流量擾動(dòng)與給水流量擾動(dòng)兩個(gè)。

2 鍋爐水位控制系統(tǒng)的組成

鍋爐水位控制系統(tǒng)是前饋與反饋相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，其主控信號(hào)為汽包水位，前饋信號(hào)為蒸汽流量，反饋信號(hào)為給水流量。該控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是內(nèi)部的兩個(gè)閉合回路，一個(gè)是由給水流量、調(diào)節(jié)閥、給水分流器、調(diào)節(jié)器組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由內(nèi)回路和汽包水位控制器構(gòu)成的外回路。為了改善控制質(zhì)量又不影響閉合回路的穩(wěn)定性，在閉合回路之外設(shè)計(jì)蒸汽流量及其蒸汽分流器。

3 參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器仿真建模

為了進(jìn)行比較，本文分別采用普通PID控制器、參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器對(duì)水位控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行仿真分析。

（1）普通PID控制器參數(shù)設(shè)置。普通PID控制器對(duì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的各參數(shù)分別設(shè)置為：，，；根據(jù)參考文獻(xiàn)，將增益設(shè)置為：=0.0667，=3，=1，=0.2。

（2）參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器參數(shù)設(shè)置。該控制器用免疫優(yōu)化算法對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以獲得更好的動(dòng)態(tài)特性，在程序中加入了懲罰措施，將超調(diào)量作為一項(xiàng)最優(yōu)指標(biāo)以減小其影響。仿真中各參數(shù)取值為：=0.998，=0.002，=2，=99。用實(shí)數(shù)編碼免疫算法優(yōu)化，種群大小設(shè)為50，經(jīng)150代的進(jìn)化，30%的活化比例，6倍的克隆倍數(shù)，6：1的免疫補(bǔ)充比例，10%的變異率。通過(guò)MATlAB軟件仿真得到目標(biāo)函數(shù)下降曲線。觀察曲線可知，在28代附近最優(yōu)，優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)值下降了16%，有顯著的優(yōu)化效果。整定后免疫PID控制器參數(shù)為：，，，，。增益設(shè)置為：=0.0666，=2，=0.9，=0.3。

4 兩種水位控制系統(tǒng)仿真對(duì)比及分析

本文在考慮到兩種最重要的影響因素情況下，利用MATLAB軟件對(duì)鍋爐水位控制系統(tǒng)的兩種控制器性能進(jìn)行仿真分析。

（1）蒸汽流量擾動(dòng)30%的響應(yīng)。在0.01s時(shí)蒸汽流量發(fā)生30%的擾動(dòng)，兩種PID控制器響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖1所示。從仿真結(jié)果中可以看出，普通PID控制器的水位波動(dòng)最大幅度為0.36，波動(dòng)較大；參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的波動(dòng)最大幅度0.15，波動(dòng)較小。這表明在克服蒸汽擾動(dòng)方面參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的控制效果明顯優(yōu)于普通控制器。

（2）給水?dāng)_動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)。在0.01s時(shí)加入給水?dāng)_動(dòng)信號(hào)，兩種PID控制器響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖2所示。從仿真結(jié)果中可以看出，給水流量擾動(dòng)對(duì)水位控制系統(tǒng)的影響比蒸汽流量擾動(dòng)的影響小，但兩種控制器的仿真數(shù)值對(duì)比還是比較明顯的：普通PID控制器的水位波動(dòng)最大幅度0.008，參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的水位波動(dòng)最大幅度0.0036。這表明在克服給水?dāng)_動(dòng)方面，參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的控制效果比普通控制器的要更好。

5 總結(jié)

本文根據(jù)工業(yè)鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)水位控制器進(jìn)行了參數(shù)免疫優(yōu)化，為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，利用MATlAB仿真軟件對(duì)鍋爐的汽包水位控制系統(tǒng)的普通PID控制器和參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器進(jìn)行了建模仿真，仿真結(jié)果證明參數(shù)免疫尋優(yōu)后的PID控制器擁有更好的控制品質(zhì)，這種優(yōu)化方法具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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