锅炉汽包水位自整定模糊PID控制

锅炉汽包水位自整定模糊PID控制

第２６卷第３期

２００８年７月沈阳师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｚＰｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖ０１．２６．Ｎｏ．３Ｊｕｌ．２００８文章编号：１６７３—５８６２（２００８）０３—０２９４—０３

锅炉汽包水位自整定模糊ＰＩＤ控制

于洪泽１，２

（１．沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０１６８；２．辽东学院机电学院，辽宁丹东１１８００３）

摘要：锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统．在建立锅炉汽包水位调

节系统的基础上，运用自整定模糊ＰＩＤ控制对汽包水位进行控制．并对控制器的设计进行仿真分

析，结果表明自整定模糊ＰＩＤ控制改善了汽包水位控制系统的静、动态特性，从而实现了对锅炉汽

包水位的最佳实时控制．

关键词：锅炉；汽包水位；模糊控制；模糊自整定ＰＩＤ控制；仿真

中图分类号：ＴＫ２２３．１＋３文献标识码：Ａ

在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数．若水位过高，则会影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸．同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要．锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化．

１三冲量汽包水位控制系统原理

三冲量控制系统是在流量反馈控制基础上，引入蒸汽流量前馈冲量而构成的汽包水位控制系统．这种系统以汽包水位、蒸汽流量和给水流量为冲量来

调节给水调节阀的开度，维持水位的稳定．通过对给

水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，如

图１所示．变化在允许范围之内，锅炉汽包水位对蒸

气流量和给水流量变化的响应呈积极特性．但是在

负荷（蒸气流量）急剧增加时，表现却为“逆响应特

性”，即所谓的“虚假水位”．如何克服“虚假水位”现

象是汽包水位调节的关键．

由于在不同阶段，汽包水位动态特性不断变化，卜——旦Ｆ，Ｔ（流量变送器）：煤器赫节父嚣。一渊省煤器／，。、、—姜２¨孤亘望述衙７气关阀ｖ图１锅炉汽包液位的三冲量调节系统

使得采用单一结构和参数的三冲量控制方法达不到满意的控制效果．采用自整定模糊ＰＩＤ控制方法来控制锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自控，获得了良好的控制效果．

２自整定模糊ＰＩＤ控制系统

运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作

用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评

价指标、初始工参数等）作为知识存入计算机知识库中，然

后计算机根据控制系统的实际响应情况（即专家系统的输

自整定模糊ＰＩＤ控制器结构如图２所示．

１）自整定模糊ＰＩＤ控制器结构设计

收稿日期：２００７—０３．１１作者简介：于洪泽（１９６７一），女（满族），辽宁风城人，沈阳理工大学硕士研究生，辽东学院副教授．图２参数自适应模糊控制器结构人条件），运用模糊推理，即可自动实现对参数的最佳调整，这就是模糊自整定ＰＩＤ控制．

锅炉汽包水位自整定模糊PID控制

第３期于洪泽：锅炉汽包水位自整定模糊ＰＩＤ控制

在锅炉汽包水位控制系统中，输入变量选择为汽包水位输入输出

。的偏差值Ｐ和偏差值的变化量盱，输出变量选择为ＰＩＤ参数Ａ巧

∞Ａ丘

的校正值，即△Ｋｐ，ＡＫｆ和△Ｋｄ．在模糊自整定Ｐ１Ｄ控制器中，ＡＪ乙采用的是二维模糊控制器（如图３所示）．图３模糊控制器结构

２）精确量的模糊化

取输入语言变量ｅ和ｅｃ的论域均为ｅ，∞＝｛一６，一４，一２，０，２，４，６｝，其模糊子集为ｅ，∞＝ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ．

语言变量Ｐ，掰，ＡＫｐ，ＡＫｉ，ＡＫｄ语言变量的隶属度函数均采用三角形隶属度函数如图４所示，语言变量ＡＫ；的隶属度函数如图５所示．

ＮＢＮＭＮＳＺＯＰＳＰＭＰＢＮＢＮＭＮＳＺＯＰＳＰＭＰＢ

一６—４—２Ｏ２４６－０．６一ｏ．４－０．２００．２０．４０．６

图４ｅ，ｅｃ，／ＸＫｐ、△Ｋ『、△『（ｄ隶属度函数图５△Ｋ，的隶属度函数

３）建立模糊控制规则

Ｉｆｅａｎｄ贸ｔｈｅｎ△Ｋ☆

ＩｆｅａｎｄｅｃｔｈｅｎＡＫ：

Ｉｆｅａｎｄ∞ｔｈｅｎＡ心

根据以上规则可得参数模糊规则表如表１～表３所示．

表ｌ△‰的控制规则表表２厶Ｋ的控制规则表

∞

８１画—而ｒ可ｒ■ｉ—两—ｉ而

№Ｍ

ｌ宝冱路Ⅳ阳腿星吕Ⅲ蹦黔路冱飓甩蹦Ｍ黔砸厦蹦ⅢＭ黔匝№ＭＭ蹦路砸№№Ｍ黔黔孤№！宝Ⅲｍ冱亚№ⅢⅢＭ隅孤№№ＭⅢ№№

４）基于控制规则库的模糊推理

在模糊控制中采用易于实现的数据驱动的正向

推理，并采用ＭＡＸ－ＭＩＮ推理合成算法，即

Ｃ７＝（Ａ７ａｎｄＢ７）。Ｒ

２ｌ

Ｒ＝ＵＲ１

Ｒｆ＝（Ａ７ａｎｄＢ７）一Ｇ

式中，模糊集合Ｃ７表示输出模糊量Ｕ；Ｒｉ代表每一

条模糊规则．

５）输出量的去模糊化

在汽包水位实时控制中，根据汽包水位的误差ｅ和误差变化量ｅｃ，直接查找模糊控制表得出校正量，分别乘以比例因子求得最终结果△Ｋｐ，ＡＫｆ，△Ｋｄ．在锅炉汽包水位实时控制系统中，在求得模糊控制器输出量ＡＫｐ，ＡＫｉ，ＡＫａ后，将其与ＰＩＤ基准值相加，到整定的瞬态ＰＩＤ参数．

仿真实现

在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的模糊自调整ＰＩＤ控制系统如图６所示．

　３

锅炉汽包水位自整定模糊PID控制

沈阳师范大学学报（自然科学版）第２６卷

图６模糊自调整ＰｌＤ控制系统模型

从仿真结果分析，采用模糊控制方法对ＰＩＤ参数进行

在线调整，是在偏差较大时使Ｋ。增大，提高了系统的响应

时间，在中间过程抑制了系统响应出现超调，在接近稳态时

Ｋ。，Ｋ；增大，心减小，使系统缩短了稳态时间，抑制了振

荡，控制精度高，动态性能好，鲁棒性强．

锅炉汽包水位控制系统的阶跃响应曲线可以看出，采

用模糊自调整的ＰＩＤ控制系统的效果要好于传统的Ｐ１Ｄ

控制系统和纯模糊的控制系统，具体体现在：

１）自整定模糊ＰＩＤ控制系统的调节时间短；

２）自整定模糊ＰＩＤ控制的超调量较小；

３）自整定模糊ＰＩＤ控制上升时间和稳态时间较短．

模糊自调整的ＰＩＤ控制系统结合了传统ＰＩＤ控制稳态精度高和模糊控制灵活性强的优点，适用于像工业锅炉这类复杂的工业对象，使控制系统具有良好的动静态性能指标．

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ＳｅｌｆＲｅｇｕｌａｔｉｏｎＦｕｚｚｙＰＩＤＣｏｎｔｒｏｌｏｆＢｏｉｌｅｒＳｔｅａｍＤｒｕｍ

ＹＵＨｏｎｇ－ｚｅｌ ２

（１．ＣｏｌｌｅｇｅＷａｔｅｒＬｅｂｅｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１６８，Ｃｈｉｎａ；

２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｅｒｖｉｃｅｓ，ＥａｓｔｅｒｎＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｍｄｏｎｇ１１８００３，Ｃｈｉｎａ）

ｏｎｅｋｉｎｄｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｌａｒｇｅｔｉｍｅｖａｒｙｉｎｇａｎｄｃｌｏｓｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｕｌｔｉ．ｖａｒｉａｂｌｅ

ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｈａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｂｏｉｌｅｒｓｔｅａｍｄｒｕｍｗａｔｅｒ－ｌｅｖｅｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｄｎ’ｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｄｅｃｉｄｅｄｆｕｚｚｙＰＩＤｕｓｉｎｇｔｈｅｓｅｌｆｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｔＯｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｔｅａｍｄｒｕｍｗａｔｅｒｌ印ｄ．ＩｔｃａｒｒｉｅｓｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｔＯｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓｄｅｓｉｇｎ．ｆｉｎａｌｌｙｉｎｄｉｃａｔｅｄＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｂｏｉｌｅｒｓｔｅａｍｄｒｕｍｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｉｓｔｈａｔｔｈｅｓｅｌｆｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｅａｍｄｎｍａｗａｔｅｒｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍ’ｓｓｔａｔｉｃ

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