运用免疫寻优算法优化锅炉水位PID控制器的仿真研究

冯严冰

摘 要：本文在锅炉水位动态特性分析的基础上，运用参数免疫寻优算法优化锅炉水位控制系统，通过软件仿真对比免疫优化后的PID控制器与普通水位控制器的控制效果，验证了参数免疫优化的控制效果优于常规控制方法的结论。

关键词：免疫寻优；锅炉；水位控制器；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.059

1 锅炉水位的动态特性分析

锅炉内部汽包水位是其安全高效运行的主要指标和参数，必须将汽包水位维持在合理的范围内。锅炉给水自动调节的控制回路中被调参数是汽包水位（H），给水调解阀调节量是给水流量（W）。汽包内部容积可划分三个部分：蒸发面以上蒸汽容积，蒸发面下蒸汽容积和水容积。可用汽包压力和汽包水位的动态特性表示蒸汽发生系统的动态特性。有四个因素影响水位调节对象的扰动参数：给水流量的扰动，包括给水压力变化和减温器调节阀开合变化；蒸汽负荷变化，包括管路阻力的变化和负荷设备调节阀开合变化；影响燃料发热量的各因素；汽包压力及水位变化，从热负荷的变化或蒸汽负荷变化两个方面进行考虑。 锅炉水位调节系统的扰动主要来自三个方面：炉膛负荷扰动、蒸汽流量扰动和给水流量扰动。炉膛负荷扰动影响缓慢具滞后，并可通过燃料自动调节系统中的热负荷调节器消除。所以，干扰水位的主要因素就是蒸汽流量扰动与给水流量扰动两个。

2 锅炉水位控制系统的组成

锅炉水位控制系统是前馈与反馈相结合的复合控制系统，其主控信号为汽包水位，前馈信号为蒸汽流量，反馈信号为给水流量。该控制系统的实质是内部的两个闭合回路，一个是由给水流量、调节阀、给水分流器、调节器组成的内回路；另一个是由内回路和汽包水位控制器构成的外回路。为了改善控制质量又不影响闭合回路的稳定性，在闭合回路之外设计蒸汽流量及其蒸汽分流器。

3 参数免疫寻优PID控制器仿真建模

为了进行比较，本文分别采用普通PID控制器、参数免疫寻优PID控制器对水位控制系统的控制效果进行仿真分析。

（1）普通PID控制器参数设置。普通PID控制器对锅炉汽包水位控制系统的各参数分别设置为：，，；根据参考文献，将增益设置为：=0.0667，=3，=1，=0.2。

（2）参数免疫寻优PID控制器参数设置。该控制器用免疫优化算法对PID控制器的参数进行调整以获得更好的动态特性，在程序中加入了惩罚措施，将超调量作为一项最优指标以减小其影响。仿真中各参数取值为：=0.998，=0.002，=2，=99。用实数编码免疫算法优化，种群大小设为50，经150代的进化，30%的活化比例，6倍的克隆倍数，6：1的免疫补充比例，10%的变异率。通过MATlAB软件仿真得到目标函数下降曲线。观察曲线可知，在28代附近最优，优化后目标函数值下降了16%，有显著的优化效果。整定后免疫PID控制器参数为：，，，，。增益设置为：=0.0666，=2，=0.9，=0.3。

4 两种水位控制系统仿真对比及分析

本文在考虑到两种最重要的影响因素情况下，利用MATLAB软件对锅炉水位控制系统的两种控制器性能进行仿真分析。

（1）蒸汽流量扰动30%的响应。在0.01s时蒸汽流量发生30%的扰动，两种PID控制器响应的仿真结果如图1所示。从仿真结果中可以看出，普通PID控制器的水位波动最大幅度为0.36，波動较大；参数免疫寻优PID控制器的波动最大幅度0.15，波动较小。这表明在克服蒸汽扰动方面参数免疫寻优PID控制器的控制效果明显优于普通控制器。

（2）给水扰动系统响应。在0.01s时加入给水扰动信号，两种PID控制器响应的仿真结果如图2所示。从仿真结果中可以看出，给水流量扰动对水位控制系统的影响比蒸汽流量扰动的影响小，但两种控制器的仿真数值对比还是比较明显的：普通PID控制器的水位波动最大幅度0.008，参数免疫寻优PID控制器的水位波动最大幅度0.0036。这表明在克服给水扰动方面，参数免疫寻优PID控制器的控制效果比普通控制器的要更好。

5 总结

本文根据工业锅炉汽包水位的动态特性，对水位控制器进行了参数免疫优化，为验证优化结果，利用MATlAB仿真软件对锅炉的汽包水位控制系统的普通PID控制器和参数免疫寻优PID控制器进行了建模仿真，仿真结果证明参数免疫寻优后的PID控制器拥有更好的控制品质，这种优化方法具有较好的应用前景和推广价值。

参考文献：

[1]王焱.模糊免疫PID控制器的设计和仿真[J].计算机仿真，2002，19（02）.

[2]刘向明等.锅炉汽包水位仿人智能控制的应用研究[J].佳木斯大学学报，2004.

[3]黎兵.汽包锅炉串级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真[J].东北电力技术，2006（06）.