基于模糊控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的研究

韓玉敏,王希鳳

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

基于模糊控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的研究

韓玉敏,王希鳳

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

針對鍋爐汽包水位動態(tài)特性的不確定性，建立鍋爐汽包水位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計以誤差和誤差變化率為輸入，以PID控制器的3個參數(shù)為輸出的汽包水位模糊自適應(yīng)PID控制器。通過Matlab中的Simulink工具箱對系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真實驗和分析，結(jié)果表明：該系統(tǒng)在汽包水位控制的響應(yīng)速度和控制精度等方面都有較好的效果。

模糊自適應(yīng)；PID控制；鍋爐汽包水位

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中非常重要的動力設(shè)備，運行正常的鍋爐會根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要提供一定數(shù)量和規(guī)格的蒸汽。為確保生產(chǎn)的安全，對鍋爐的自動控制要求十分嚴(yán)格。鍋爐在燃燒過程中有許多控制變量，如被控量(水位、蒸汽壓力)和控制變量(給水流量)，這些變量大都具有非線性和時滯大等特點，它們互相之間又有緊密的聯(lián)系，因此，對其建立一個精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。在鍋爐的幾個主要控制對象中,汽包水位又是一個尤其重要的被控變量[1]。因為水位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱器管內(nèi)結(jié)垢,影響傳熱功能，嚴(yán)重的甚至?xí)疬^熱器爆管；水位過低又會破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。所以，要采取有效的控制策略來改善控制指標(biāo)和有效地調(diào)節(jié)控制參數(shù)，保證鍋爐水位控制在要求的范圍內(nèi)，減少設(shè)備運行損耗。

1 鍋爐汽包水位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

汽包水位的調(diào)節(jié)具有延遲和慣性特點，即當(dāng)蒸汽流量和給水流量發(fā)生階躍變化時，水位不能隨輸入作線性變化，尤其是當(dāng)蒸汽流量發(fā)生階躍變化時，會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。本文采用前饋-串級三沖量形式的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，控制器部分選用模糊PID控制器[2-3]，其控制系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 前饋-串級三沖汽包水位模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽包水位在給水流量作用下，近似于一個積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的無自衡系統(tǒng)。系統(tǒng)特性可表示為[4]

(1)

當(dāng)蒸汽流量變化，存在“虛假水位”現(xiàn)象。系統(tǒng)特性可表示為[4]

(2)

2 模糊PID水位控制器系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 模糊PID水位控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

水位控制系統(tǒng)中所采用的模糊控制器如圖2所示，以水位的誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，以Kp,Ki,Kd作為輸出變量。在運行中通過模糊控制算法對PID的3個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以適應(yīng)控制器的不同變化，進(jìn)而使被控對象滿足控制指標(biāo)的要求。

圖2 汽包水位模糊PID控制器系統(tǒng)原理

2.2 輸入輸出量的模糊化

取輸入語言變量e，ec，ΔKp，ΔKi，ΔKd的論域均為e，ec，ΔKp,ΔKi,ΔKd={-6, -4, -2 , 0, 2, 4, 6},其模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},語言變量e,ec,ΔKp, ΔKi, ΔKd均采用三角形形式的隸屬度函數(shù)，如圖3和圖4所示。

圖3 ΔKp和ΔKd的隸屬度函數(shù)

圖4 ΔKi的隸屬度函數(shù)

2.3 kp，ki，kd的模糊控制規(guī)則表

在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，根據(jù)PID參數(shù)變化制定控制規(guī)則，針對不同的e和ec以及kp，ki，kd的整定原則[5-6]，制定模糊規(guī)則如表1～表3所示。

表1 ΔKp的模糊控制規(guī)則

表2 ΔKi的模糊控制規(guī)則

表3 ΔKd的模糊控制規(guī)則

2.4 ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊控制查詢表

對于e,ec的每種可能取值，經(jīng)過模糊化、推理和逆模糊化后,可得到模糊控制ΔKp,ΔKi,ΔKd查詢表如表4～表6所示。

表4 ΔKp的模糊控制查詢

表5 ΔKi的模糊控制查詢

表6 ΔKd的模糊控制查詢

2.5 輸出預(yù)覽

通過選擇FIS編輯器窗體主菜單中的viewsurface，可以得到3個變量的三維坐標(biāo)圖，每個坐標(biāo)軸代表一個模糊變量，坐標(biāo)范圍就是該模糊變量的論域[7]，不同的變量可以任意選用不同的坐標(biāo)軸，ΔKp，ΔKi,ΔKd的輸出曲面如圖5～圖7所示。

圖5 ΔKp的輸出曲面

圖6 ΔKi的輸出曲面

圖7 ΔKd的輸出曲面

3 系統(tǒng)仿真

在鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)的仿真實驗中，被控對象的系統(tǒng)模型選用蒸發(fā)量為120 t/h的鍋爐汽包[8-11]，其傳遞函數(shù)為

(3)

而蒸汽流量D與水位H的傳遞函數(shù)為

(4)

根據(jù)控制方案給出控制系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中，aD，aW，aH分別為蒸汽流量變送器、給水流量變送器、差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。通過在Matlab中建立Simulink模型(見圖9)觀察仿真結(jié)果，對模糊PID控制與常規(guī)PID控制的圖像進(jìn)行比較分析，圖10和圖11分別給出有無蒸汽擾動下模糊PID控制與常規(guī)PID控制響應(yīng)曲線比較。

圖8 控制系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

圖9 控制系統(tǒng)Simulink模型

從仿真結(jié)果計算得出：模糊PID系統(tǒng)的超調(diào)量約為27%，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為650 s，而常規(guī)PID控制的超調(diào)量為59%，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為1 400 s。從仿真結(jié)果來看，模糊PID控制方法具有自適應(yīng)的功能，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變或加入擾動時也能自動地進(jìn)行調(diào)整，滿足控制要求，增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性。此外，仿真結(jié)果也證明模糊控制算法具有精度高且響應(yīng)速度快的優(yōu)點，有效地改善了系統(tǒng)的響應(yīng)特性，使控制效果更加明顯。對虛假水位的控制有較好的效果。

4 結(jié)束語

通過對比鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)兩種PID控制，能夠看出模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量和上升時間幾個指標(biāo)方面比傳統(tǒng)PID具有明顯的優(yōu)勢。此模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)不僅

圖10 無蒸汽擾動下的模糊PID控制與常規(guī)PID控制響應(yīng)曲線比較

圖11 加入蒸汽擾動的模糊PID仿真曲線

適用于工業(yè)鍋爐這類復(fù)雜的工業(yè)對象,也為提高汽包水位的控制效果提供參考。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

A study of boiler drum water level control system based on fuzzy control

HAB Yumin,WANG Xifeng

(College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150001,China)

As to the uncertainty of dynamic characteristics for the boiler drum water level, the mathematical model of the boiler drum water level system is established. Fuzzy adaptive PID controller is designed, which concludes two inputs (error and error change rate) and three outputs. The simulation experiment of the system is carried out by using the Simulink toolbox of Matlab. The results show that the scheme has fast response and high precision, and at the same time, it has better control effect on the false water level.

fuzzy adaptive; PID control; boiler drum water level

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.06.005

2016-07-07

哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(RC2014QN009012)

韓玉敏(1963-)，女，教授，研究方向：計算機技術(shù)；智能控制.

TH137.52

A

1671-4679(2016)06-0020-04