鍋爐汽包水位智能控制系統(tǒng)仿真研究

馮茜 郭衛(wèi)國 袁景輝 李笑縉 魏龍

摘要：針對在傳統(tǒng)鍋爐汽包水位控制過程中出現(xiàn)的抗干擾性能差、液位調(diào)節(jié)浮動(dòng)大等問題，本文采用串級PID控制、自適應(yīng)模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制等智能控制方法，對汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過仿真對比發(fā)現(xiàn)，仿人智能模糊控制的最大超調(diào)量最小、調(diào)整時(shí)間最短，其綜合控制效果較好。

關(guān)鍵詞：汽包水位控制;串級PID控制;自適應(yīng)模糊PID控制;仿人智能控制;仿人智能模糊控制

一、引言

鍋爐設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐汽包水位系統(tǒng)輸入輸出多，變量之間相互影響較大，擾動(dòng)因素較多，同時(shí)，鍋爐在負(fù)荷突變或燃燒不穩(wěn)時(shí)，非常容易產(chǎn)生“虛假水位”現(xiàn)象[1]，此時(shí)，操作不當(dāng)極易引發(fā)鍋爐燒壞甚至爆炸。傳統(tǒng)PID算法對汽包水位系統(tǒng)的控制效果并不理想，智能控制算法具有抗干擾能力強(qiáng)、對模型依賴少、魯棒性強(qiáng)，并且適用于非線性、滯后系統(tǒng)的特點(diǎn)，隨著智能控制算法的不斷發(fā)展，將智能控制應(yīng)用于鍋爐汽包水位系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有實(shí)際意義。

本文針對鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性，研究串級PID控制、自適應(yīng)模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制在鍋爐汽包水位系統(tǒng)中的應(yīng)用。

二、鍋爐汽包水位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文選用三沖量控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)蒸汽負(fù)荷、給水量、汽包水位來實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位的控制。三沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)帶有前饋信號的串級控制系統(tǒng)。主控制器是水位控制器，副控制器是流量控制器，二者共同構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。給水?dāng)_動(dòng)作用于副控制回路能夠快速消除擾動(dòng)，通過對蒸汽流量和給水流量的調(diào)節(jié)，協(xié)助主控制器進(jìn)行水位控制。鍋爐汽包水位三沖量系統(tǒng)原理：

給水量改變單位流量時(shí)水位的變化速度m/s，水位的時(shí)間常數(shù)s。

給水量改變單位流量時(shí)水位的變化速度m/s，水位的時(shí)間常數(shù)s，水位變化放大倍數(shù)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門的特性系數(shù)分別為：，。給水流量及蒸汽流量信號的分流系數(shù)為0.25，蒸汽流量、給水流量測量變送器的傳遞系數(shù)為：0.083，汽包水位測量變送器的傳遞系數(shù)分別為：0.033。

三、控制算法仿真研究

（一）基于串級PID控制的鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)仿真

1.串級PID控制算法。串級PID是將兩個(gè)PID控制器串聯(lián)，外環(huán)水位控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出調(diào)節(jié)給水閥，從而對外環(huán)水位控制具有更好的控制效果。

2.仿真結(jié)果及其分析。主控制器的PID參數(shù)為：，，。副控制器的PID參數(shù)為：。在仿真時(shí)間T=2000s時(shí)，同時(shí)加入蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)，仿真結(jié)果中

（二）基于自適應(yīng)模糊PID控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真

1.自適應(yīng)模糊PID控制算法。模糊控制[2]是一種應(yīng)用模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理知識，模擬人的模糊思維方法，對復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)行控制的一種智能控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

2.自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）輸入變量與輸出變量。模糊模塊輸入量是偏差e和偏差的變化ec，輸出量則是PID三個(gè)參數(shù)的變化量△Kp、△Ki、△Kd。

（2）量化因子、模糊論域、模糊語言、隸屬函數(shù)、比例因子。e，ec，△Kp、△Ki、△Kd的模糊論域都取[–5，5]，根據(jù)仿真情況：e的量化因子取2.5，ec的量化因子取10，△Kp、△Ki、△Kd的量化因子取0.05。

模糊語言取[負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大]，隸屬函數(shù)則都取梯形隸屬函數(shù)。

（3）模糊規(guī)則的制定。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，e最大，為了提高響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp，較小的Kd和較大的Ki;在生產(chǎn)過程中，e很小，為了控制超調(diào)量和響應(yīng)速度，應(yīng)取較小的Kp，較大的Kd和較小的Ki。

3.仿真結(jié)果和分析。在仿真時(shí)間T=1000s時(shí)，同時(shí)加入蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)（單位階躍信號），采用PID控制和自適應(yīng)模糊PID控制進(jìn)行對比，仿真結(jié)果從仿真結(jié)果圖可以看出，自適應(yīng)模糊PID控制在響應(yīng)速度方面比傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)速度快，同時(shí)超調(diào)量比傳統(tǒng)PID控制小，改進(jìn)后的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)較之傳統(tǒng)PID控制效果更好。

（a） 自適應(yīng)模糊PID;（b）仿人智能控制; （c）仿人智能模糊控制

（三）基于仿人智能控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真

1.仿人智能控制算法。仿人、仿智是仿人智能控制的基本思想。在控制過程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程所提供的特征信息進(jìn)行啟發(fā)和直覺推理[3]，從而實(shí)現(xiàn)對缺乏精確模型的對象進(jìn)行有效的控制。

2.仿人智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？紤]情況：且時(shí)，采用PID控制;或時(shí)，若采用PD控制，若采用P控制。

3.仿真結(jié)果和分析。在仿真時(shí)間T=1000s時(shí)，同時(shí)加入蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)（單位階躍信號），三個(gè)控制器交替運(yùn)行，采用PID控制和仿人智能控制進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖2（b），其中紅色曲線1為仿人智能控制，藍(lán)色曲線2為PID控制。

從仿真結(jié)果圖可以看出，系統(tǒng)采用仿人智能控制的最大超調(diào)量比傳統(tǒng)PID小很多，仿人智能控制較之傳統(tǒng)PID控制效果更好。

（四）基于仿人智能模糊控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真

1.仿人智能模糊控制算法。仿人智能模糊控制[4]是力圖用智能算子來仿效或近似模擬人的控制行為，設(shè)計(jì)出智能控制器?；舅枷胧钱?dāng)誤差及誤差變化率往絕對值變大的方向變化時(shí)，控制器加以閉環(huán)控制;當(dāng)誤差及誤差變化率往絕對值變小的方向變化時(shí)，控制器加以開環(huán)控制。

2.仿人智能模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。考慮情況：且時(shí)，采用PID控制;或時(shí)，若采用PD控制，若采用P控制。

將仿人智能模糊控制與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行對比，搭建出系統(tǒng)整體控制模型。其中e的量化因子取2，ec的量化因子取30，△U的量化因子取0.2。

3.仿真結(jié)果和分析。在仿真時(shí)間T=1000s時(shí)，同時(shí)加入蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)（單位階躍信號），三個(gè)控制器交替運(yùn)行，采用PID控制和仿人智能模糊控制進(jìn)行對比，仿真結(jié)果，其中紅色曲線2為仿人智能模糊控制，藍(lán)色曲線1為PID控制。

從仿真結(jié)果圖可以看出，仿人智能模糊控制的最大超調(diào)量比傳統(tǒng)PID控制小，同時(shí)調(diào)整時(shí)間比傳統(tǒng)PID控制短，但是上升時(shí)間比傳統(tǒng)PID控制略慢。因此，仿人智能模糊控制控制系統(tǒng)較之傳統(tǒng)PID控制效果更好。

四、結(jié)論

本文主要探討了應(yīng)用多種智能控制方法，進(jìn)行鍋爐汽包水位控制的方案。應(yīng)用機(jī)理建模法建立三沖量鍋爐汽包水位系統(tǒng)模型，分別采用串級PID控制、自適應(yīng)模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制等控制方法來設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了對比仿真研究。仿真研究結(jié)果表明：

（1）自適應(yīng)模糊PID從本質(zhì)上來說仍然屬于PID控制，只不過PID參數(shù)能夠不斷在線調(diào)整，以期達(dá)到更好的控制效果。

（2）仿人智能控制根據(jù)偏差種組合，不斷調(diào)整控制方案，雖然控制方案是簡單的P、PI、PD、PID等方式，但是較之傳統(tǒng)的PID控制效果更好;

（3）仿人智能模糊控制根據(jù)偏差、偏差變化情況，將模糊控制引入控制過程中，與仿人智能控制相結(jié)合，表現(xiàn)出超調(diào)量小，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，調(diào)整速度快的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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