基于模糊控制的锅炉汽包水位控制系统的研究

韩玉敏,王希凤

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150050)

基于模糊控制的锅炉汽包水位控制系统的研究

韩玉敏,王希凤

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150050)

针对锅炉汽包水位动态特性的不确定性，建立锅炉汽包水位系统的数学模型，设计以误差和误差变化率为输入，以PID控制器的3个参数为输出的汽包水位模糊自适应PID控制器。通过Matlab中的Simulink工具箱对系统模型进行仿真实验和分析，结果表明：该系统在汽包水位控制的响应速度和控制精度等方面都有较好的效果。

模糊自适应；PID控制；锅炉汽包水位

锅炉是工业生产过程中非常重要的动力设备，运行正常的锅炉会根据生产负荷的需要提供一定数量和规格的蒸汽。为确保生产的安全，对锅炉的自动控制要求十分严格。锅炉在燃烧过程中有许多控制变量，如被控量(水位、蒸汽压力)和控制变量(给水流量)，这些变量大都具有非线性和时滞大等特点，它们互相之间又有紧密的联系，因此，对其建立一个精确的数学模型是非常困难的。在锅炉的几个主要控制对象中,汽包水位又是一个尤其重要的被控变量[1]。因为水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢,影响传热功能，严重的甚至会引起过热器爆管；水位过低又会破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。所以，要采取有效的控制策略来改善控制指标和有效地调节控制参数，保证锅炉水位控制在要求的范围内，减少设备运行损耗。

1 锅炉汽包水位系统的数学模型

汽包水位的调节具有延迟和惯性特点，即当蒸汽流量和给水流量发生阶跃变化时，水位不能随输入作线性变化，尤其是当蒸汽流量发生阶跃变化时，会出现虚假水位现象。本文采用前馈-串级三冲量形式的锅炉汽包水位控制系统，控制器部分选用模糊PID控制器[2-3]，其控制系统方案如图1所示。

图1 前馈-串级三冲汽包水位模糊控制系统结构

汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统。系统特性可表示为[4]

(1)

当蒸汽流量变化，存在“虚假水位”现象。系统特性可表示为[4]

(2)

2 模糊PID水位控制器系统的设计

2.1 模糊PID水位控制器结构设计

水位控制系统中所采用的模糊控制器如图2所示，以水位的误差e和误差变化率ec作为输入变量，以Kp,Ki,Kd作为输出变量。在运行中通过模糊控制算法对PID的3个参数进行在线调整，以适应控制器的不同变化，进而使被控对象满足控制指标的要求。

图2 汽包水位模糊PID控制器系统原理

2.2 输入输出量的模糊化

取输入语言变量e，ec，ΔKp，ΔKi，ΔKd的论域均为e，ec，ΔKp,ΔKi,ΔKd={-6, -4, -2 , 0, 2, 4, 6},其模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},语言变量e,ec,ΔKp, ΔKi, ΔKd均采用三角形形式的隶属度函数，如图3和图4所示。

图3 ΔKp和ΔKd的隶属度函数

图4 ΔKi的隶属度函数

2.3 kp，ki，kd的模糊控制规则表

在锅炉汽包水位控制系统中，根据PID参数变化制定控制规则，针对不同的e和ec以及kp，ki，kd的整定原则[5-6]，制定模糊规则如表1～表3所示。

表1 ΔKp的模糊控制规则

表2 ΔKi的模糊控制规则

表3 ΔKd的模糊控制规则

2.4 ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊控制查询表

对于e,ec的每种可能取值，经过模糊化、推理和逆模糊化后,可得到模糊控制ΔKp,ΔKi,ΔKd查询表如表4～表6所示。

表4 ΔKp的模糊控制查询

表5 ΔKi的模糊控制查询

表6 ΔKd的模糊控制查询

2.5 输出预览

通过选择FIS编辑器窗体主菜单中的viewsurface，可以得到3个变量的三维坐标图，每个坐标轴代表一个模糊变量，坐标范围就是该模糊变量的论域[7]，不同的变量可以任意选用不同的坐标轴，ΔKp，ΔKi,ΔKd的输出曲面如图5～图7所示。

图5 ΔKp的输出曲面

图6 ΔKi的输出曲面

图7 ΔKd的输出曲面

3 系统仿真

在锅炉汽包水位三冲量控制系统的仿真实验中，被控对象的系统模型选用蒸发量为120 t/h的锅炉汽包[8-11]，其传递函数为

(3)

而蒸汽流量D与水位H的传递函数为

(4)

根据控制方案给出控制系统仿真模型结构如图8所示，其中，aD，aW，aH分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送器的转换系数。通过在Matlab中建立Simulink模型(见图9)观察仿真结果，对模糊PID控制与常规PID控制的图像进行比较分析，图10和图11分别给出有无蒸汽扰动下模糊PID控制与常规PID控制响应曲线比较。

图8 控制系统仿真模型结构

图9 控制系统Simulink模型

从仿真结果计算得出：模糊PID系统的超调量约为27%，系统的调节时间为650 s，而常规PID控制的超调量为59%，系统的调节时间为1 400 s。从仿真结果来看，模糊PID控制方法具有自适应的功能，当系统参数发生改变或加入扰动时也能自动地进行调整，满足控制要求，增强了系统的适应性。此外，仿真结果也证明模糊控制算法具有精度高且响应速度快的优点，有效地改善了系统的响应特性，使控制效果更加明显。对虚假水位的控制有较好的效果。

4 结束语

通过对比锅炉汽包水位控制系统两种PID控制，能够看出模糊自适应PID控制系统在调节时间、超调量和上升时间几个指标方面比传统PID具有明显的优势。此模糊自适应PID控制系统不仅

图10 无蒸汽扰动下的模糊PID控制与常规PID控制响应曲线比较

图11 加入蒸汽扰动的模糊PID仿真曲线

适用于工业锅炉这类复杂的工业对象,也为提高汽包水位的控制效果提供参考。

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[责任编辑：郝丽英]

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

哈尔滨市科技局科技创新人才研究专项资金项目(RC2014QN009012)

韩玉敏(1963-)，女，教授，研究方向：计算机技术；智能控制.

TH137.52

A

1671-4679(2016)06-0020-04