基于模糊自適應(yīng)PID的鍋爐汽包水位控制研究_20100108_2116

1、 文章編號：基于模糊自適應(yīng)PID的鍋爐汽包水位控制研究李益華，王國偉，李源（長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）摘 要：針對工業(yè)鍋爐汽包水位的反向特性，設(shè)計了一種基于模糊自適應(yīng)PID控制策略的鍋爐汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)可以快速消除通道的給水?dāng)_動，外環(huán)能克服蒸汽流量變化產(chǎn)生的擾動. 理論分析和仿真結(jié)果都表明，此方案對解決鍋爐汽包水位的內(nèi)外擾動具有顯著效果, 且有快速的適應(yīng)性和較強的魯棒性.關(guān)鍵詞：汽包水位；三沖量；模糊自適應(yīng)PID控制；魯棒性中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：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作者簡介：李益華(1964)，女，湖南華容人，教授，碩士生導(dǎo)師，從事智能控制、智能檢測的研究；王國偉(1984)，男，河南林州人，碩士生，從事智能控制、過程控制的研究.1 引 言鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的重要動力設(shè)備. 維持其汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的重要指標(biāo)1. 實際上，汽包水位控制的難點主要在于“虛假水位”現(xiàn)象,使得傳統(tǒng)的控制策略參數(shù)整定比較困難,難以適應(yīng)所有工況.傳統(tǒng)

6、的鍋爐汽包水位控制策略采用三沖量控制2. 本文針對實際模型3進行分析，獲得描述鍋爐汽包水位的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,綜合考慮算法簡單和控制有效這兩方面的要求，基于常規(guī)PID控制策略的結(jié)構(gòu)，采用模糊自適應(yīng)控制4-9方法，對PID控制器的參數(shù)進行在線整定，仿真結(jié)果表明該控制方案能夠獲得較好的控制效果，魯棒性強.2 鍋爐汽包水位的動態(tài)特性影響鍋爐汽包水位的因素有給水流量作用下的控制通道特性和蒸汽負荷1變化作用下的擾動特性.傳統(tǒng)的三沖量控制系統(tǒng)如圖1所示：圖1 三沖量控制系統(tǒng)由圖可知，該系統(tǒng)為前饋控制和串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)10-12.通?？砂哑徒o水看作單容無自衡過程，根據(jù)物料平衡和熱平衡關(guān)系，鍋爐汽包

7、水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程經(jīng)推導(dǎo)，可簡化為： (1)式中：h為汽包水位的高度；Ta為給水流量時間常數(shù)；KW為給水流量放大倍數(shù)；TD為蒸汽流量時間常數(shù)；KD為蒸汽流量放大倍數(shù). T1、T2為水位時間常數(shù).其中，給水流量W和蒸汽流量D的表達式如下： (2)2.1 給水流量作用下的動態(tài)特性在給水流量作用下的汽包水位調(diào)節(jié)對象的運動方程可表示為： (3)對上式兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程上對于中壓以下的鍋爐可忽略較小的Ta，令，并假設(shè)汽包水位在長時間內(nèi)不隨給水流量的增加而增加，可以得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： (4)式中：1為在給水流量作用下，汽包水位變化的飛升速度.T2為水位滯后時

8、間常數(shù)，和給水溫度有關(guān)，給水溫度越低，滯后時間越大.2.2 蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性同理，可以得到在蒸汽流量擾動作用下，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程為： (5)令，得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： (6)式中：2為蒸汽流量單位變化時汽包水位的變化速度，KS為只考慮水面下汽包容積變化所引起的水位變化的放大倍數(shù).綜上可知：引起汽包水位變化的擾動主要是蒸汽流量（外擾動）和給水流量（內(nèi)擾動）.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制汽包水位的方法是操縱給水, 依此構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)對鍋爐的虛假水位現(xiàn)象會發(fā)出相反的補償動作, 嚴(yán)重時甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度以致發(fā)生事故. 如果根據(jù)蒸汽流量來給出校正動

9、作,就可以糾正虛假水位引起的誤動作, 從而減少水位的波動,改善控制品質(zhì).同時為了對控制閥的工作特性進行靜態(tài)補償,引入給水流量信號,構(gòu)成圖2所示的模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu).圖2 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)采用三沖量帶前饋的串級控制模式.其中 G1(s)，G2(s)分別為給水流量通道和蒸汽流量通道的傳遞函數(shù)；GMD(s)為蒸汽流量變送器的傳遞函數(shù)；D，W，H分別為蒸汽流量、給水流量和汽包水位測量變送器的傳遞系數(shù)；D，W 分別為蒸汽流量和給水流量的分壓系數(shù)；KZ，KP分別為執(zhí)行機構(gòu)和閥門的特性系數(shù)；內(nèi)回路控制器Gc(s)一般采用常規(guī)PID控制以快速消除給水?dāng)_動，其實際控制器輸出表達式為：其中，k為采

10、樣序號，T為采樣周期.4 模糊自適應(yīng)PID控制器4.1 控制器結(jié)構(gòu)及推理過程模糊自適應(yīng)PID控制器構(gòu)成如圖3所示.其中ke、kec分別為偏差及偏差變化的量化因子.圖3 模糊自適應(yīng)PID控制器構(gòu)成模糊推理過程如圖4所示：圖4 模糊自適應(yīng)PID工作流程圖4.2 模糊控制器隸屬函數(shù)及規(guī)則庫模糊控制器選用二維輸入和三維輸出，輸入變量偏差e、偏差變化ec，輸出變量kp、 ki、 kd ，其模糊語言變量集合均采用7個模糊子集，即正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負?。∟S）、負中（NM）、負大（NB），和Z-三角-S型隸屬函數(shù)，其中e、ec和控制輸出u的離散論域均設(shè)定為-3，-2，-1

11、，0，1，2，3，kp、 ki、 kd的隸屬函數(shù)如圖5所示：(a) kp的隸屬函數(shù)(b) ki的隸屬函數(shù)(c) kd的隸屬函數(shù)圖5 kp、 ki、 kd的隸屬函數(shù)本文在多方求證模糊控制專家、總結(jié)工程技術(shù)人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗基礎(chǔ)上，初步建立了鍋爐汽包水位高度控制的控制規(guī)則，在模擬控制仿真基礎(chǔ)上，調(diào)整、確定了根據(jù)水位偏差e和偏差變化率ec值的不同時PID的參數(shù)整定原則，并整理成模糊控制規(guī)則庫如表1表3所示.表1 kp模糊控制規(guī)則庫NBNMNSZOPSPMPSNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSP

12、SPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表2 ki模糊控制規(guī)則庫NBNMNSZOPSPMPSNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3 kd模糊控制規(guī)則庫NBNMNSZOPSPMPSNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZONSZOZOZOPMPBNSPSPSP

13、SPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB4.3 解模糊策略該模糊控制器輸出變量的解模糊采用重心法.模糊自適應(yīng)PID控制器參數(shù)初值設(shè)為kp=200，ki=2，kd=1000；經(jīng)過如圖4所示模糊推理，當(dāng)未加干擾時可以得到如圖6所示的在控制過程階躍響應(yīng)的上升階段kp、 ki、 kd的自適應(yīng)變化曲線，穩(wěn)態(tài)值分別為：kp=200.01，ki=2.00，kd=999.31.(a) kp自適應(yīng)曲線(b) ki自適應(yīng)曲線(c) kd自適應(yīng)曲線圖6 kp、 ki、 kd自適應(yīng)曲線5 仿真結(jié)果及魯棒性驗證利用MATLAB中Simulink建立進行仿真，其中的模糊控制器可利用模糊工具箱進行編輯，仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示

14、.由多次仿真結(jié)果選定模型參數(shù)為：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，內(nèi)回路控制器取純比例控制Gc(s)=0.95.當(dāng)500s時加入10%的給水?dāng)_動，當(dāng)1000s時加入10%的蒸汽擾動.圖7 仿真模型結(jié)構(gòu)圖其仿真結(jié)果如圖8所示，圖中都給出了常規(guī)PID控制器的控制效果（虛線x1為常規(guī)PID控制效果，實線x2為模糊自適應(yīng)PID控制效果）.圖8（a）為名義模型下仿真結(jié)果比較.可以得到，模糊自適應(yīng)PID控制的汽包水位輸出超調(diào)量%=0，在蒸汽流量擾動作用下，水位波動范圍和幅度（hMAX=10.5582）明顯減

15、小，表明抑制虛假水位的效果更佳.圖8（b）給出了放大倍數(shù)1、2和KS失配33%的仿真比較結(jié)果.圖8（c）為水位時間常數(shù)T1和T2失配33%的仿真比較結(jié)果.圖8（d）為放大倍數(shù)1、2、KS和水位時間常數(shù)T1、T2同時失配33%時的仿真結(jié)果比較.(a) 名義模型下仿真結(jié)果比較(b) 放大倍數(shù)失配33%時結(jié)果比較(c) 水位時間常數(shù)失配33%時結(jié)果比較(d) 放大倍數(shù)和水位時間常數(shù)都失配33%時結(jié)果比較圖8 仿真結(jié)果比較及魯棒性驗證6 結(jié) 論基于模糊自適應(yīng)PID控制策略和復(fù)合控制方法，構(gòu)建了一種鍋爐汽包水位的三沖量控制系統(tǒng). 通過調(diào)整控制量的模糊劃分實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)（控制過程階躍響應(yīng)上升階段

16、）和穩(wěn)定性（穩(wěn)態(tài)調(diào)整階段），易于應(yīng)用在實際鍋爐汽包水位控制過程中.工況變化時，控制方案完全依靠控制器自適應(yīng).控制結(jié)果表明，所設(shè)計控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，能有效抑制參數(shù)攝動和內(nèi)外擾動的影響.參考文獻 (References)1王樹青、戴連奎、祝和云等.工業(yè)過程控制工程M. 北京: 化學(xué)工業(yè)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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