船用蒸汽發(fā)生器水位的模糊自適應(yīng)PID控制

張永生，趙淑琴

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

0 引 言

蒸汽發(fā)生器作為船用核動(dòng)力裝置的重要設(shè)備，其水位控制十分重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，無(wú)論是在陸上核電廠還是艦船核動(dòng)力裝置中，蒸汽發(fā)生器的水位控制一般采用常規(guī)三沖量PID控制，智能控制的應(yīng)用尚不多見(jiàn)［1］。但因蒸汽發(fā)生器是一個(gè)非線性、時(shí)變、大滯后的系統(tǒng)，而常規(guī)PID控制器的參數(shù)整定又存在局限性，因而控制效果并不理想。基于模糊控制理論的模糊自適應(yīng)PID控制器是模糊控制與常規(guī)PID控制的結(jié)合，它能根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)PID水位控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，可改善控制系統(tǒng)的控制效果。文獻(xiàn)［2-4］對(duì)鍋爐汽包水位的模糊自適應(yīng)PID控制進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的在線整定，其仿真結(jié)果表明了模糊自適應(yīng)PID控制的有效性。

本文將把模糊自適應(yīng)PID控制應(yīng)用到船用蒸汽發(fā)生器的水位控制中，以提高水位控制器的動(dòng)態(tài)性能和艦船的機(jī)動(dòng)性；將采用集總參數(shù)化模型［5］，設(shè)計(jì)一種基于模糊控制理論的蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，并通過(guò)仿真試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這種水位控制器的有效性。

1 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 模糊自適應(yīng)控制原理

基于模糊控制的基本原理，本文研究設(shè)計(jì)了一種蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，圖1所示為控制原理圖。其中，水位控制器為模糊自適應(yīng)PID控制器，流量控制器采用常規(guī)的PI控制器。模糊控制器是以水位的偏差E和偏差變化率EC為輸入量，輸出量為PID參數(shù)的修正量Kp，Ki和 Kd。蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID控制器就是根據(jù)當(dāng)前的水位偏差E和偏差變化率EC，通過(guò)模糊推理不斷地調(diào)整PID的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線整定。圖中，L0為水位設(shè)定值；L為水位測(cè)量值；Qs為蒸汽流量；Qfw為給水流量；α1為蒸汽流量傳感器；α2為給水流量傳感器；α3為水位傳感器。

圖1 模糊自適應(yīng)PID控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID control

1.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的控制精度隨模糊控制器維數(shù)的增加而提高，但模糊控制規(guī)則卻更加復(fù)雜，控制算法更加難以實(shí)現(xiàn)。因此，本文采用二維模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，模糊控制器的各語(yǔ)言變量：E為水位誤差，EC為誤差變化率，Kp，Ki和Kd為控制量，它們的論域均為［-6，6］。模糊子集為NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中）和PB（正大），E，EC，Kp，Ki，Kd的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

1.3 模糊控制規(guī)則表設(shè)計(jì)

模糊控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定。模糊控制規(guī)則是設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，其中包含了現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種情況的操作經(jīng)驗(yàn)［6-8］。對(duì)于不同的E和EC，Kp，Ki和Kd的整定原則如下：

圖2 隸屬度函數(shù)Fig.2 Membership function

1）當(dāng)E較小時(shí)，為了調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Kp與Ki均應(yīng)取得較大。同時(shí)，為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性，當(dāng)EC較大時(shí)，Kd可取得較??；而當(dāng)EC較小時(shí)，Kd可取得較大。

2）當(dāng)E中等大小時(shí)，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，Kp應(yīng)取得較小。此時(shí)，Kd的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得較小，而Ki的取值則要適當(dāng)。

3）當(dāng)E較大時(shí)，為了提高系統(tǒng)的跟蹤性，Kp應(yīng)取得較大，Kd應(yīng)取得較小。同時(shí)，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，應(yīng)限制積分項(xiàng)的作用，通常取Ki=0。

模糊自適應(yīng)PID控制器的參數(shù)Kp，Ki和Kd的模糊控制規(guī)則［9-10］如表1～表3所示。

表1 Kp的模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table ofKp

表2 Ki的模糊控制規(guī)則表Tab.2 Fuzzy control rule table ofKi

表3 Kd的模糊控制規(guī)則表Tab.3 Fuzzy control rule table ofKd

2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提模糊規(guī)則的有效性，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立蒸汽發(fā)生器的集總參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，將反應(yīng)堆簡(jiǎn)化為一個(gè)熱源，考慮了一回路向二回路傳遞熱量時(shí)的延時(shí)特性（即熱慣性）。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，控制規(guī)則表（以Kp為例）的三維外觀圖如圖3所示。

圖3 控制規(guī)則表的三維外觀圖Fig.3 Three-dimensional diagram of fuzzy control rule

對(duì)蒸汽發(fā)生器的變負(fù)荷工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)：200 s之前蒸汽發(fā)生器100%負(fù)荷運(yùn)行，200 s時(shí)蒸汽負(fù)荷階躍下降30%。圖4所示為上述工況下蒸汽發(fā)生器水位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，其中，圖的縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)作了無(wú)量綱化處理，為額定值與實(shí)際值的比值。

為便于分析比較，本文根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制與常規(guī)三沖量PID控制，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的蒸汽發(fā)生器水位控制器。在常規(guī)三沖量PID控制的主控制器中，Kp=21，Ki=0.46，Kd=0。模糊自適應(yīng)PID控制的主控制器的初始參數(shù)為Kp0=15，Ki0=0.1，Kd0=0，模糊控制器的輸入量E和EC的量化因子分別為1和0.5，輸出量 Kp，Ki，Kd的比例因子分別為0.1，0.1，0。由圖4可看出，在變負(fù)荷工況過(guò)程中，與常規(guī)三沖量PID控制相比，模糊自適應(yīng)PID控制的蒸汽發(fā)生器水位的超調(diào)量減小了約35%，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了約50%。它能使給水閥的動(dòng)作更加平穩(wěn)，減小了水位的波動(dòng)，且對(duì)“虛假水位”也有一定的抑制作用。

圖4 水位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)Fig.4 Dynamic trend of water level

3 結(jié) 語(yǔ)

由上述仿真結(jié)果可以看出，蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID控制器是通過(guò)模糊推理，在線整定PID控制器的參數(shù)來(lái)對(duì)水位進(jìn)行控制的，其與常規(guī)PID控制器相比，超調(diào)量減小了約35%，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了約50%。模糊自適應(yīng)PID控制器不僅減少了蒸汽發(fā)生器水位的波動(dòng)，而且對(duì)“虛假水位”也有一定的抑制作用，改善了水位控制系統(tǒng)的控制效果。

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