汽包水位模糊控制研究

胡 昊，顧 波，王 明

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045)

汽包水位間接地反映了鍋爐內(nèi)物質(zhì)平衡狀況，它是表征鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一，也是保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一.汽包水位過高、過低都會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，因此必須維持汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi).但是隨著大容量高參數(shù)電站鍋爐的廣泛投運(yùn)，鍋爐容量越來越大，造成汽包的容水量相對(duì)變小，允許波動(dòng)的蓄水量就更少，這對(duì)汽包水位控制提出了更高的要求.因此，用先進(jìn)控制策略研究汽包水位的控制有著重要意義［1］.

目前，汽包水位控制有單沖量、雙沖量和三沖量3 種基本控制方式［2］，均難以滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求.為了更好地解決汽包水位的時(shí)變性、非線性和虛假水位問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［3］、自抗擾控制［4］和模糊控制等先進(jìn)控制方法得到了廣泛研究. 文中基于模糊控制理論建立了汽包水位模糊自整定PID 控制系統(tǒng)，并將其與傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、超調(diào)量、虛假水位控制等方面取得了較好的效果.

1 模型和仿真

汽包水位是汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽包容積的綜合反映，主要的擾動(dòng)為給水流量、蒸汽流量、汽包壓力、爐膛熱負(fù)荷等，但對(duì)水位的影響系數(shù)各不相同.其中給水流量和蒸汽流量的影響系數(shù)最大，前者稱為內(nèi)擾，后者稱為外擾.由于內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，外擾時(shí)存在“虛假水位”現(xiàn)象，因此為了滿足生產(chǎn)對(duì)控制品質(zhì)的要求，電站汽包鍋爐普遍采用三沖量給水自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括單級(jí)三沖量和串級(jí)三沖量.串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)與單級(jí)三沖量相比，給水控制的任務(wù)由兩個(gè)調(diào)節(jié)器來完成:主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制規(guī)律，以保證水位無靜態(tài)偏差;副調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，以保證副回路的快速性［5］.因此串級(jí)系統(tǒng)工作更合理，控制品質(zhì)更好一些.

給水流量擾動(dòng)下，汽包水位動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為

式中:ε 為響應(yīng)速度，(mm·s－1)/(t·h－1)，表示給水流量改變一個(gè)單位流量時(shí)的水位變化速度;τ 為延遲時(shí)間，s.

主蒸汽流量擾動(dòng)下，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可用下面近似傳遞函數(shù)來描述:

式中:T2為H2曲線的時(shí)間常數(shù);K2為H2曲線的放大系數(shù).

1.1 基于傳統(tǒng)PID 控制的汽包水位控制系統(tǒng)

對(duì)系統(tǒng)分析和整定，組成的串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)組態(tài)如圖1所示. 其中需要整定的參數(shù)有Kp，Kp2和Ti.對(duì)參數(shù)取值、優(yōu)化可得到如圖2所示的最優(yōu)化曲線.

圖1 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)組態(tài)圖

圖2 最優(yōu)化曲線

最佳整定參數(shù)為:Kp=1.919 9，Kp2=1.406 8，Ti=99.821 2.圖2表明:該系統(tǒng)可以及時(shí)消除蒸汽量變化和給水流量波動(dòng)的干擾，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，可以維持汽包水位，保障機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行.

1.2 基于模糊自整定PID 控制的汽包水位控制系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定不變的，而汽包水位具有非線性、不確定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等主要?jiǎng)討B(tài)特性，因此在穩(wěn)定工況下一般可以自動(dòng)運(yùn)行，但在系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)大幅度變化情況下，系統(tǒng)不能自適應(yīng)調(diào)整，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至失控.模糊自整定PID 控制器以誤差e 和誤差變化率ec 為輸入量，可以滿足不同時(shí)刻的e 和ec對(duì)PID 參數(shù)自整定的要求［6］.利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行修改，可使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn).

采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式，取鍋爐汽包水位的偏差e 和偏差變化率ec 為其輸入量，將其變化范圍定義為模糊集上的論域.基本論域e =［－0.1，0.1］，ec =［－0.02，0.02］;量化論域e，ec =［－3，3］;模糊子集為:{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}. 設(shè)其模糊語言變量分別為E，EC. 輸出量為PID 控制器參數(shù)的Kp，Ki，Kd，將Kp，Kd量化到區(qū)域(－3，3)內(nèi);Ki量化到區(qū)域(－0.6，0.6)內(nèi).設(shè)e，ec 和Kp，Ki，Kd均服從高斯分布，采用加權(quán)平均法進(jìn)行模糊判決，可得到Kp，Ki，Kd的模糊控制推理輸出曲面，如圖3—5 所示.

圖3 Kp 模糊控制推理輸出曲面圖

基于前述鍋爐汽包水位串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)，建立模糊自整定PID 控制方式的控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示.

2 結(jié)果比較

在前述各參數(shù)都不改變的前提下，給系統(tǒng)只加入蒸汽流量外擾信號(hào)(step =1)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖7所示.

圖4 Ki 模糊控制推理輸出曲面圖

圖5 Kd 模糊控制推理輸出曲面圖

圖6 汽包水位模糊自整定PID 控制系統(tǒng)

圖7 外擾時(shí)的曲線

只加入給水內(nèi)擾信號(hào)(step =1)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖8所示.

只加入汽包水位擾動(dòng)信號(hào)(step =1)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示.

分別單一給定流量擾動(dòng)信號(hào)、給水?dāng)_動(dòng)信號(hào)、汽包水位擾動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)比輸出曲線可以發(fā)現(xiàn)，模糊自整定PID 控制調(diào)節(jié)時(shí)間比較短，超調(diào)量比較小.

蒸汽流量擾動(dòng)信號(hào)(step =1)、給水?dāng)_動(dòng)信號(hào)(step=1)和汽包水位擾動(dòng)信號(hào)(step =1)同時(shí)加入時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖10 所示.

圖8 給水?dāng)_動(dòng)時(shí)的曲線

圖9 汽包水位擾動(dòng)時(shí)的曲線

圖10 3 種擾動(dòng)同時(shí)加入時(shí)的曲線

對(duì)比分析圖7—10 可以發(fā)現(xiàn):①模糊自整定PID 控制系統(tǒng)的超調(diào)量比較小;②模糊自整定PID控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間小，振蕩周期短;③用模糊自整定PID 控制方式，系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都較好，取得了良好的控制效果，說明該系統(tǒng)自適應(yīng)能力強(qiáng).

3 結(jié) 語

通過對(duì)基于傳統(tǒng)PID 控制和模糊自整定PID 控制的汽包水位控制結(jié)果進(jìn)行仿真對(duì)比研究，可以得出以下結(jié)論:基于模糊控制設(shè)計(jì)的二輸入、三輸出模糊自整定PID 控制器，能夠?qū)﹀仩t汽包水位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了PID 參數(shù)的自整定.模糊自整定PID 控制系統(tǒng)可以使串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)性能得到很好的改善，達(dá)到了動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小，同時(shí)對(duì)虛假水位有著較好的控制效果.

［1］劉洪波，李少遠(yuǎn). 火電機(jī)組先進(jìn)智能控制及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］邊立秀，周俊霞，趙俊松，等.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2001.

［3］李仙. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐汽包水位控制研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［4］衛(wèi)才望.基于無模型自適應(yīng)的汽包水位控制研究［D］.太原:太原科技大學(xué)，2010.

［5］劉吉臻.協(xié)調(diào)控制與給水全程控制［M］. 北京:中國電力出版社，1995.

［6］張國良.模糊控制及其MATLAB 應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版，2003.