吳鵬彬，李斌，柏勇，秦婷

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉831100）

裝備運(yùn)行管理

鍋爐汽包液位模糊PID控制的應(yīng)用研究

吳鵬彬，李斌，柏勇，秦婷

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉831100）

通過(guò)分析鍋爐汽包液位的擾動(dòng)成因，在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上，引入模糊推理機(jī)制。借助仿真軟件搭建控制系統(tǒng)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況推理整定出PID控制參數(shù)并運(yùn)算得出控制仿真曲線。結(jié)果表明各動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)有所提高，控制品質(zhì)得到提升。結(jié)論對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

汽包液位；模糊PID；仿真；參數(shù)優(yōu)化

鍋爐在火電、化工、冶金等生產(chǎn)行業(yè)是主要的熱能和動(dòng)力設(shè)備。在鍋爐的水汽回路中，如果汽包液位控制不及時(shí)，會(huì)造成停車，影響到安全生產(chǎn)。因此汽包液位的控制品質(zhì)在鍋爐安全穩(wěn)定的運(yùn)行中至關(guān)重要[1-2]。工程中常采用便于整定的常規(guī)PID作為主控制器[3]，然而汽包液位具有非線性、大滯后、容量滯后等特性，并且存在虛假水位等測(cè)量控制難點(diǎn)[4]，實(shí)際工況中，由于負(fù)荷、汽泡等干擾，PID控制器容易脫離其工作點(diǎn)影響到控制指標(biāo)，有時(shí)還會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作[5]。若借助模糊推理針對(duì)不同的偏差匹配出合適的PID參數(shù)，則可提高PID的工作性能，擴(kuò)大其有效工作區(qū)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，提高控制品質(zhì)。

1 汽包液位控制特性分析

汽包的正常液位一般為汽包中心線下50~200 mm之間，水位偏差范圍要求在[-50，50]mm.在汽包發(fā)生蒸汽過(guò)程中會(huì)受到多種干擾，包括給水流量干擾，汽包內(nèi)的氣泡破裂引起的檢測(cè)量變化的干擾，汽機(jī)負(fù)荷變化引起的蒸汽轉(zhuǎn)化的干擾，這些干擾會(huì)導(dǎo)致液位波動(dòng)變化較大。當(dāng)液位產(chǎn)生偏差大需要盡快恢復(fù)恒定時(shí)，控制器應(yīng)有較大輸出使電動(dòng)閥開(kāi)度增加，PID調(diào)節(jié)參數(shù)比例增益KP整定的就要大一點(diǎn)，液位偏差較小時(shí)，較大的KP又會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)。所以單純一組PID參數(shù)的控制器，一旦偏離工作點(diǎn)，則控制效果明顯下降。如果利用模糊規(guī)則推理出PID控制器不同工作點(diǎn)的PID參數(shù)增量，依據(jù)不同的偏差區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的PID參數(shù)，控制器最終輸出值也會(huì)對(duì)應(yīng)不同偏差，從而使得系統(tǒng)能跟隨液位波動(dòng)實(shí)現(xiàn)分段化精準(zhǔn)控制。

汽包液位與給水流量的動(dòng)態(tài)關(guān)系可以用相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)組合的傳遞函數(shù)來(lái)描述，對(duì)新疆某企業(yè)自備電廠調(diào)試參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，作圖可得增益和慣性時(shí)間。傳遞函數(shù)見(jiàn)仿真結(jié)構(gòu)圖。

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

鍋爐汽包液位系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，給水流量、蒸汽流量均可測(cè)定。負(fù)荷側(cè)蒸汽流量不可控，其干擾可通過(guò)前饋器減小，給水流量干擾經(jīng)副調(diào)節(jié)器也可減小，所以主要在主調(diào)節(jié)器進(jìn)行模糊PID控制。

模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上利用模糊推理整定參數(shù)。先將PID的三個(gè)參數(shù)與偏差e、偏差變化率ec建立一種模糊關(guān)系。系統(tǒng)在控制過(guò)程中，不斷檢測(cè)偏差e和偏差變化率ec，按照設(shè)定好的模糊邏輯推理出KP、Ki、Kd以適應(yīng)不同的偏差區(qū)間和變化速率的PID.

圖1 汽包液位模糊PID控制結(jié)構(gòu)

2.1 確定輸入輸出變量

模糊邏輯處理的過(guò)程包括：輸入模糊化、模糊推理計(jì)算和輸出解模糊。偏差e和偏差變化率ec足以表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，故可設(shè)計(jì)二維模糊控制器如圖1所示，輸出為KP、Ki、Kd，則PID控制器的KP、Ki、Kd實(shí)際可表示為：KP=KP0+△KP，Ki=Ki0+△Ki，Kd=Kdo+△Kd，式中，KP0、Ki0、Kdo為PID的最小工作點(diǎn)初始參數(shù)，經(jīng)工程整定所得。

考慮到控制速度和精度的協(xié)調(diào)，將輸入e、ec劃分了7個(gè)模糊量，其子集為：{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，簡(jiǎn)記為：{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，論域邊界為：[-6，6]；輸出Kp、Ki、Kd劃分了3個(gè)模糊量，論域?yàn)椋篬-3，3]。量化因子和比例因子依據(jù)映射關(guān)系在仿真過(guò)程中調(diào)整。隸屬度關(guān)系選擇運(yùn)算簡(jiǎn)單的對(duì)稱三角型以提高響應(yīng)速度。輸出清晰化過(guò)程采用更平滑的重心法以提高響應(yīng)精度。

依據(jù)上述過(guò)程在Matlab中建立模糊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊推理結(jié)構(gòu)FIS

2.2 模糊規(guī)則建立

在偏差糾正偏差的反饋原理基礎(chǔ)上，依據(jù)PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制指標(biāo)的影響趨勢(shì)，結(jié)合汽包液位的動(dòng)態(tài)控制特性，并在總結(jié)工程技術(shù)人員技術(shù)知識(shí)和整定經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了49條△Tp、△Ti、△Td輸出模糊規(guī)則，表1給出了部分規(guī)則描述。

表1 ΔKp的模糊控制規(guī)則表

仿真運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐液位控制系統(tǒng)利用上述模塊控制規(guī)則完成對(duì)PID參數(shù)的在線自整定，不斷檢測(cè)偏差e和偏差變化率ec，以最快速度找出PID三個(gè)參數(shù)和e與ec的模糊關(guān)系。通過(guò)參數(shù)的在線調(diào)整使得模糊PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差都比單一的PID控制或模糊控制效果更好。

3 系統(tǒng)仿真及分析

3.1 系統(tǒng)仿真

在MATLAB的Simulink環(huán)境中調(diào)用Fuzzy、PID等元件完成系統(tǒng)連接并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，液位模型依據(jù)新疆某化工廠鍋爐汽水回路動(dòng)態(tài)參數(shù)建立。為便于調(diào)試和分析，將Fuzzy控制器輸出進(jìn)行封裝并將常規(guī)PID與模糊PID控制器輸出信號(hào)混合見(jiàn)圖3.

圖3 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述過(guò)程加入45單位的階躍定值側(cè)干擾，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定PID參數(shù)初始值Kp=50、Ki=0.1、Kd=25.系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真曲線圖

3.2 結(jié)論分析

不同控制算法下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 性能指標(biāo)

從兩種控制器的仿真曲線對(duì)比可以看出，模糊PID較之常規(guī)PID在鍋爐汽包液位控制中動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)明顯提升，表現(xiàn)在響應(yīng)迅速快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量比較小，使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)節(jié)性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

[1]鄭志明.鍋爐汽包水位儀表的應(yīng)用分析[J].儀表技術(shù)，2012（02）：46-47，53.

[2]李文濤，劉麗霞.模糊PID算法在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用[J].包鋼科技，2010（01）：50-53.

[3]石辛民，郝整清.模糊控制及其Matlab仿真[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]李晶.鍋爐汽包水位模糊自適應(yīng)控制及仿真[D].南京：南京理工大學(xué)，2015.

[5]王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011（01）：166-172.

Study on Application of Boiler Drum Water Level Control Based on Fuzzy PID

WU Peng-bin，LI Bin，BAI Yong，QIN Ting
（Department of Physics，Changji University，Changji Xinjiang 831100，China）

By analyzing the causes of disturbance of boiler liquid level，fuzzy inference mechanism is introduced on the basis of conventional PID control.With the help of simulation software，the control system is set up，and the PID control parameters are set up according to the working conditions of the field，and the control simulation curves are obtained.The results show that the dynamic and static indexes are improved，and the control quality is improved.Conclusion it has certain reference value for practical application.

boiler drum water；fuzzy PID；simulation；parameter optimization

TP273

A

1672-545X（2017）06-0202-03

2017-03-03

2016年新疆維吾爾自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201610997006）；昌吉學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：16jyyb005）

吳鵬彬（1994-），男，新疆伊犁人，本科，研究方向：能源與動(dòng)力工程；李斌（1982-），男，新疆昌吉人，碩士，實(shí)驗(yàn)員，主要從事自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及仿真教學(xué)和研究。