模糊PID在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孟亞男，周雪陽(yáng)，姬慶寬，孫 銘，高思航

（1.吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.長(zhǎng)垣盾安節(jié)能熱力有限公司，河南 長(zhǎng)垣 453400）

引言

汽包水位作為鍋爐參數(shù)之一，在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要影響。由于鍋爐汽包水位控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢、滯后大，以及運(yùn)行狀態(tài)下水位會(huì)隨時(shí)間不斷上下波動(dòng)，帶來了不確定因素，也給控制增加了難度。

主要有單沖量、雙沖量和三沖量方法來控制汽包水位。目前工廠上采用的較多是三沖量控制方法，它不僅能克服“虛假液位”現(xiàn)象引起閥的誤動(dòng)作，還能及時(shí)解決給水流量對(duì)汽包的擾動(dòng)問題[1]。本文將模糊算法與PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)模糊PID控制器，作用于鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)保持較高的控制精度、快速的響應(yīng)速度與較強(qiáng)的穩(wěn)定性，從而對(duì)鍋爐汽包液位進(jìn)行優(yōu)化控制。

1 鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 三沖量控制方案的提出

針對(duì)汽包壓力驟降產(chǎn)生的“虛假液位”現(xiàn)象[2]，是鍋爐控制過程需要特別注意的問題，也是鍋爐控制方案選擇時(shí)需要特殊考慮的問題。就單沖量、雙沖量、三沖量來說，單沖量適合負(fù)荷變化不大的小型鍋爐，雙沖量成本較高，它作用于給水壓力穩(wěn)定條件下，但由于給水控制系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的滯后情況。綜上分析，本文選用了三沖量控制方法。

1.2 三沖量汽包水位控制系統(tǒng)

三沖量水位控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上就是一個(gè)前饋-串級(jí)的復(fù)合控制系統(tǒng)[3]。液位控制器LC與流量控制器FC構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。前饋的作用主要克服蒸汽負(fù)荷的變化，串級(jí)的副回路能對(duì)給水?dāng)_動(dòng)進(jìn)行及時(shí)的克服。

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

圖1 三沖量控制系統(tǒng)方框圖

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)“二輸入三輸出”的模糊控制器，結(jié)合模糊優(yōu)化與PID控制兩種策略，二輸入包括液位偏差e和液位偏差變化速率ec，三輸出包括整定后的ΔKp、ΔKi、ΔKd，用模糊語(yǔ)言總結(jié)程一條條控制規(guī)則，在線整定后組成模糊PID優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以解決一些傳統(tǒng)控制不容易解決的控制問題。

2.1 輸入輸出量的模糊化

模糊控制器無法對(duì)實(shí)際語(yǔ)言值進(jìn)行處理，需要將其離散化。語(yǔ)言變量e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd離散化處理得到全新的模糊集合均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，本文中e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd={-6，-4，-2，0，2，-4，-6}，三角形函數(shù)圖形簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，因此本文模糊變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)。

2.2 模糊規(guī)則表的建立

在鍋爐汽包水位系統(tǒng)中，模糊規(guī)則表是根據(jù)PID參數(shù)變化來制定的，存在于控制器的內(nèi)部，針對(duì)不同模糊變量的整定原則，制定的模糊規(guī)則如表1～下頁(yè)表3所示[4]。

表1 ΔKp的模糊規(guī)則

表3 ΔKd的模糊規(guī)則

表2 ΔKi的模糊規(guī)則

3 仿真與結(jié)果分析

為了對(duì)比控制效果，將本文的模糊PID三沖量控制方法與常規(guī)的前饋-串級(jí)PID控制進(jìn)行了比較。利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，規(guī)定汽包水位設(shè)定值為100 cm，在t=200 s時(shí)，加入蒸汽負(fù)荷干擾；在t=400 s時(shí)，加入給水流量干擾。仿真波形如圖2所示。

由圖2可知，未加擾動(dòng)時(shí)，模糊PID的超調(diào)量為8.0%，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為82.0 s，傳統(tǒng)PID的超調(diào)量為48.0%，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為82.1 s；加入擾動(dòng)后，模糊PID達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間傳統(tǒng)PID短，系統(tǒng)超調(diào)量也更小。因此與傳統(tǒng)PID相比，模糊PID能過夠在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)超調(diào)量也更小，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足實(shí)際工況要求。

圖2 兩種控制方式的仿真曲線

4 結(jié)論

針對(duì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢、時(shí)滯性、擾動(dòng)大等問題，本文提出了模糊PID三沖量控制方法，用Simulink對(duì)該方法進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間指標(biāo)上，模糊PID要優(yōu)于傳統(tǒng)PID，模糊PID控制結(jié)合了模糊控制靈活性強(qiáng)和傳統(tǒng)PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，不僅適用于工業(yè)鍋爐這類復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象，也為提高汽包水位的控制效果提供了參考。