基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制研究_20100108_2116

1、 文章编号：基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制研究李益华，王国伟，李源（长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114）摘 要：针对工业锅炉汽包水位的反向特性，设计了一种基于模糊自适应PID控制策略的锅炉汽包水位的三冲量控制系统，该控制系统内环可以快速消除通道的给水扰动，外环能克服蒸汽流量变化产生的扰动. 理论分析和仿真结果都表明，此方案对解决锅炉汽包水位的内外扰动具有显著效果, 且有快速的适应性和较强的鲁棒性.关键词：汽包水位；三冲量；模糊自适应PID控制；鲁棒性中图分类号：TP273 文献标识码：AStudy of Fuzzy PID Control Regulation

2、for Water Level of Boiler DrumLI Yi-hua, WANG Guo-wei，LI Yuan（College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China. Correspondent: WANG Guo-wei, E-mail: dj1321）Abstract：Considering the reverse characteristics of water level of indus

3、trial boiler drum, this paper designs a three impulses control system of water level of boiler drum based on fuzzy self-adaptive PID control strategy, the control system can rapidly overcome water supplying disturbance of control path in inner loop and attenuate the disturbance because of changing o

4、f steam flow rate in outer loop. Both theoretical analysis and simulation results show that significant control performance is acquired in eliminating the internal and external disturbance. Moreover, the scheme is adaptable and robust to the parameters variation and uncertainties. Key words：Water le

5、vel of boiler drum; Three impulses; Fuzzy self-adaptive PID Control; Robustness作者简介：李益华(1964)，女，湖南华容人，教授，硕士生导师，从事智能控制、智能检测的研究；王国伟(1984)，男，河南林州人，硕士生，从事智能控制、过程控制的研究.1 引 言锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中不可或缺的重要动力设备. 维持其汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标1. 实际上，汽包水位控制的难点主要在于“虚假水位”现象,使得传统的控制策略参数整定比较困难,难以适应所有工况.传统

6、的锅炉汽包水位控制策略采用三冲量控制2. 本文针对实际模型3进行分析，获得描述锅炉汽包水位的动态数学模型,综合考虑算法简单和控制有效这两方面的要求，基于常规PID控制策略的结构，采用模糊自适应控制4-9方法，对PID控制器的参数进行在线整定，仿真结果表明该控制方案能够获得较好的控制效果，鲁棒性强.2 锅炉汽包水位的动态特性影响锅炉汽包水位的因素有给水流量作用下的控制通道特性和蒸汽负荷1变化作用下的扰动特性.传统的三冲量控制系统如图1所示：图1 三冲量控制系统由图可知，该系统为前馈控制和串级控制组成的复合控制系统10-12.通常可把汽包和给水看作单容无自衡过程，根据物料平衡和热平衡关系，锅炉汽包

7、水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化为： (1)式中：h为汽包水位的高度；Ta为给水流量时间常数；KW为给水流量放大倍数；TD为蒸汽流量时间常数；KD为蒸汽流量放大倍数. T1、T2为水位时间常数.其中，给水流量W和蒸汽流量D的表达式如下： (2)2.1 给水流量作用下的动态特性在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程可表示为： (3)对上式两边取拉氏变换，结合工程上对于中压以下的锅炉可忽略较小的Ta，令，并假设汽包水位在长时间内不随给水流量的增加而增加，可以得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下： (4)式中：1为在给水流量作用下，汽包水位变化的飞升速度.T2为水位滞后时

8、间常数，和给水温度有关，给水温度越低，滞后时间越大.2.2 蒸汽流量扰动下的动态特性同理，可以得到在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位调节对象的动态特性方程为： (5)令，得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下： (6)式中：2为蒸汽流量单位变化时汽包水位的变化速度，KS为只考虑水面下汽包容积变化所引起的水位变化的放大倍数.综上可知：引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（外扰动）和给水流量（内扰动）.3 系统结构控制汽包水位的方法是操纵给水, 依此构成的单回路控制系统对锅炉的虚假水位现象会发出相反的补偿动作, 严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故. 如果根据蒸汽流量来给出校正动

9、作,就可以纠正虚假水位引起的误动作, 从而减少水位的波动,改善控制品质.同时为了对控制阀的工作特性进行静态补偿,引入给水流量信号,构成图2所示的模糊自适应PID控制结构.图2 模糊PID控制结构图该系统采用三冲量带前馈的串级控制模式.其中 G1(s)，G2(s)分别为给水流量通道和蒸汽流量通道的传递函数；GMD(s)为蒸汽流量变送器的传递函数；D，W，H分别为蒸汽流量、给水流量和汽包水位测量变送器的传递系数；D，W 分别为蒸汽流量和给水流量的分压系数；KZ，KP分别为执行机构和阀门的特性系数；内回路控制器Gc(s)一般采用常规PID控制以快速消除给水扰动，其实际控制器输出表达式为：其中，k为采

10、样序号，T为采样周期.4 模糊自适应PID控制器4.1 控制器结构及推理过程模糊自适应PID控制器构成如图3所示.其中ke、kec分别为偏差及偏差变化的量化因子.图3 模糊自适应PID控制器构成模糊推理过程如图4所示：图4 模糊自适应PID工作流程图4.2 模糊控制器隶属函数及规则库模糊控制器选用二维输入和三维输出，输入变量偏差e、偏差变化ec，输出变量kp、 ki、 kd ，其模糊语言变量集合均采用7个模糊子集，即正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB），和Z-三角-S型隶属函数，其中e、ec和控制输出u的离散论域均设定为-3，-2，-1

11、，0，1，2，3，kp、 ki、 kd的隶属函数如图5所示：(a) kp的隶属函数(b) ki的隶属函数(c) kd的隶属函数图5 kp、 ki、 kd的隶属函数本文在多方求证模糊控制专家、总结工程技术人员的技术知识和实际操作经验基础上，初步建立了锅炉汽包水位高度控制的控制规则，在模拟控制仿真基础上，调整、确定了根据水位偏差e和偏差变化率ec值的不同时PID的参数整定原则，并整理成模糊控制规则库如表1表3所示.表1 kp模糊控制规则库NBNMNSZOPSPMPSNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSP

12、SPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表2 ki模糊控制规则库NBNMNSZOPSPMPSNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3 kd模糊控制规则库NBNMNSZOPSPMPSNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZONSZOZOZOPMPBNSPSPSP

13、SPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB4.3 解模糊策略该模糊控制器输出变量的解模糊采用重心法.模糊自适应PID控制器参数初值设为kp=200，ki=2，kd=1000；经过如图4所示模糊推理，当未加干扰时可以得到如图6所示的在控制过程阶跃响应的上升阶段kp、 ki、 kd的自适应变化曲线，稳态值分别为：kp=200.01，ki=2.00，kd=999.31.(a) kp自适应曲线(b) ki自适应曲线(c) kd自适应曲线图6 kp、 ki、 kd自适应曲线5 仿真结果及鲁棒性验证利用MATLAB中Simulink建立进行仿真，其中的模糊控制器可利用模糊工具箱进行编辑，仿真结构如图7所示

14、.由多次仿真结果选定模型参数为：1=2=0.037，T1=30，KS=3.6，T2=15，D=W=0.083，D=W=0.21，H=0.033，KZ=10，KP=2，内回路控制器取纯比例控制Gc(s)=0.95.当500s时加入10%的给水扰动，当1000s时加入10%的蒸汽扰动.图7 仿真模型结构图其仿真结果如图8所示，图中都给出了常规PID控制器的控制效果（虚线x1为常规PID控制效果，实线x2为模糊自适应PID控制效果）.图8（a）为名义模型下仿真结果比较.可以得到，模糊自适应PID控制的汽包水位输出超调量%=0，在蒸汽流量扰动作用下，水位波动范围和幅度（hMAX=10.5582）明显减

15、小，表明抑制虚假水位的效果更佳.图8（b）给出了放大倍数1、2和KS失配33%的仿真比较结果.图8（c）为水位时间常数T1和T2失配33%的仿真比较结果.图8（d）为放大倍数1、2、KS和水位时间常数T1、T2同时失配33%时的仿真结果比较.(a) 名义模型下仿真结果比较(b) 放大倍数失配33%时结果比较(c) 水位时间常数失配33%时结果比较(d) 放大倍数和水位时间常数都失配33%时结果比较图8 仿真结果比较及鲁棒性验证6 结 论基于模糊自适应PID控制策略和复合控制方法，构建了一种锅炉汽包水位的三冲量控制系统. 通过调整控制量的模糊划分实现模糊控制系统动态品质（控制过程阶跃响应上升阶段

16、）和稳定性（稳态调整阶段），易于应用在实际锅炉汽包水位控制过程中.工况变化时，控制方案完全依靠控制器自适应.控制结果表明，所设计控制系统具有良好的动态和稳态性能，能有效抑制参数摄动和内外扰动的影响.参考文献 (References)1王树青、戴连奎、祝和云等.工业过程控制工程M. 北京: 化学工业出版社,2005. (WANG S Q, DAI L K, ZHU H Y, et al. The engineering of industrial process controlM. Beijing: Chemical Industry Press, 2002.)2Yu Nanhua，Ma Wen

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