模糊控制在鍋爐汽包水位中的應用

【摘要】鍋爐是工業(yè)生產的重要動力設備[1]。近年來模糊控制的發(fā)展取得了突出的成就，如自適應模糊控制、基于神經元的模糊控制等[2]。本文通過MSIMULINK軟件對鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)進行仿真，并將傳統(tǒng)的PID和模糊控制進行對比，結果顯示模糊控制能滿足較高的控制要求，是理想的控制方案。

【關鍵詞】鍋爐汽包；MATLAB；模糊控制；PID

1.引言

汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，在鍋爐蒸汽產量、安全生產等方面意義重大。目前，大多采用常規(guī)PID控制方式來控制汽包水位，但是由于常規(guī)PID參數是固定不變的，系統(tǒng)很難適應，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至失控。對于鍋爐汽包水位這種難以建立準確數學模型，本文將采用模糊控制，使得控制效果明顯改善。因此對于鍋爐汽包水位系統(tǒng)而言，模糊控制有較好的應用前景。

2.鍋爐汽包水位的特性

2.1 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性

引起水位變化的主要擾動是給水流量和蒸汽流量的變化。根據物料平衡與否的關系，給水流量變化時，汽包水位的運動方程式為：

2.2 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性

假定給水量不變的情況下，鍋爐汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性：

3.汽包水位模糊控制器設計

模糊控制是一種非線性控制，是以模糊語言變量、模糊理論、和模糊邏輯推理為基礎的控制方法[3]。本文針對汽包水位模糊的控制，選用“雙輸入-單輸出”的控制系統(tǒng)。汽包實際水位與給定水位值的差E、誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入語言變量，控制給水閥門開度的控制量U作為輸出語言變量。在本文中誤差E和誤差變化率EC和控制量U的論域均取為：[-6，6]。輸入變量E、EC，輸出變量U均用模糊語言變量表示為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。這幾個模糊語言變量的狀態(tài)分別表示為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。在本文中，兩個輸入均有7個模糊語言變量，因此生成了49條模糊控制規(guī)則。如表1所示：

設計汽包水位模糊控制器最常用的方法是Mamdani方法。1974年Mamdani成功的將模糊控制應用于鍋爐控制[4]，在MATLAB命令窗口輸入fuzzy。進入到鍋爐汽包水位模糊推理系統(tǒng)編輯器。輸入輸出變量通過打開Edit菜單編輯器窗口，并選擇Add input或Add output來添加輸入輸出語言變量的個數。單機輸入輸出來改變變量名，然后保存到工作空間。雙擊輸入輸出變量，來設置Range和Display。從Edit菜單中選擇Remove All MFs，通過選擇Add MFS來創(chuàng)建變量的隸屬度函數。輸入輸出變量的隸屬函數選擇三角形的隸屬度函數[5]。利用規(guī)則編輯器按照表1構造出規(guī)則語句。最后可以將建立好的模糊推理系統(tǒng)導入到工作空間[6]。

4.模糊控制系統(tǒng)設計及仿真

為了驗證模糊控制有較好的控制特性，本文對圖1，圖2采用MATLAB[7]來仿真，研究模糊控制的結果。仿真圖如圖3所示[8]：

仿真曲線如圖3所示：結果表明模糊控制超調量較小，穩(wěn)態(tài)誤差較小，響應速度較快。由于模糊控制采用了仿人的推理手段，所以，將這種方法在實際工程中可以應用于核電站的水位控制，發(fā)電廠的鍋爐控制系統(tǒng)、船舶業(yè)都將有很好的應用前景，另外將智能算法與模糊控制結合融入控制系統(tǒng)也將在工程中取得較大的收益。

5.結論

本文鍋爐汽包水位采用模糊控制原理，將操作人員和專家的控制意見應用于控制過程，根據模糊控制規(guī)則組織控制決策表，可以使系統(tǒng)運行中保持合適的瞬態(tài)參數，但PID控制器參數不可調整，從仿真結果來看，模糊控制比傳統(tǒng)PID控制性能更好。改善了被控過程的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了很大的改善。達到了優(yōu)化PID控制的目的，因此模糊控制具有更好地應用價值。

參考文獻

[1]馬艷梅.基于DSP的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的控制策略的研究[D].安徽理工大學，2009.

[2]劉向杰.模糊控制器的算法結構分析及其在電廠鍋爐控制中的應用研究[D].東北大學博士研究生學位論文，1997.

[3]褚靜.模糊控制原理論與應用[M].機械工業(yè)出版社， 2000.

[4]Mamdani E H，Applications of fuzzy algorithms for control of simple dynamic plant，Proc IEE，1974（121）：1585-1588.

[5]湯兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理論與應用技術[M].北京：清華大學出版社，2002，9.

[6]A Visioli.Tuning of PID controllers with fuzzy logic[J].IEEE Procontrol Theory，2001，148（1）：1-8.

[7]魏克新.MATLAB控制系統(tǒng)設計[M].北京機械工業(yè)出版社，1997.

[8]吳介一.提高模糊控制器精度的研究[J].控制理論與應用，1996（2）：264-267.

作者簡介：楊月（1987—），女，安徽蚌埠人，中北大學機械工程與自動化學院碩士研究生在讀，主要研究方向：模式識別與智能系統(tǒng)。