PID智能模糊自整定控制器在SG水位控制中的應用

魯建梁，張廣福

（海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢430033）

蒸汽發生器（SG）的“假水位”現象使SG的水位控制變得復雜，常規PID控制難以取得滿意的控制效果。而模糊控制可以將人的經驗、智慧總結提煉成模糊規則，模仿人的控制經驗而不依賴對象的模型進行直接推理［1］，因此，它的控制效果優于常規PID。以SG水位為控制對象設計SG水位模糊自適應PID控制器。結果表明，系統具有穩態精度高，響應快，超調小等特點。

1 傳統蒸汽發生器PID控制

在蒸汽發生器水位控制中，早期采用三沖量單PID控制方法。三個沖量分別是水位反饋信號、給水流量反饋信號和蒸汽流量前饋信號。三沖量信號經相應的比例變換后，其差值e＝K（ZQ-GS）-H+H0（ZQ為蒸汽流量，GS為給水流量，H0為水位給定值，H 為水位測量值）作用到PI調節器而輸出一個給水流量的控制信號，從而改變給水調節閥開度，使給水流量發生變化，以達到控制水位的目的，控制結構見圖1。

圖1 蒸汽發生器三沖量水位控制系統框圖

另一種方法是雙PID串級控制，見圖2。

圖2 蒸汽發生器水位串級控制系統框圖

其原理是：內環采用一個流量PID控制器，外環采用一個水位PID控制器。在變負荷時，不考慮水位信號的作用，而通過流量PID環節使蒸汽流量與給水流量快速達到基本平衡，使系統基本穩定，從而避開“假水位”對系統控制的影響。當“假水位”過程結束，系統基本穩定后，水位信號再重新參與控制，由水位PID調節器進行調節。

但是，由于在對蒸汽發生器水位進行實際控制的過程中存在慣性、非線性以及測量誤差等問題，且不同工況下水位特性參數變化范圍廣，因此PID的參數很難整定，難以滿足全工況的要求，且難以同時兼顧良好的動態特性和良好的靜態特性。

2 PID智能模糊自整定控制

2.1 模糊PID控制器的設計思想

常規數字增量式PID控制器形式如下［2］：

式中：Kp，Ti，Td——比例、積分、微分作用參數；

T——采樣時間。

針對不同對象和工況，Kp，Ti，Td的參數需要及時調整，文中參數的調整由模糊推理器來自動完成。為了滿足PID控制器中Kp，Ti，Td參數能隨對象和工況自動調整，使控制達到滿意的效果，設計了一個模糊推理器，根據偏差E和偏差變化率Ec實時調整Kp，Ti，Td這3個參數。

2.2 模糊自適應PID控制器結構

模糊自適應PID控制系統主要由參數可調整PID控制器和模糊推理系統兩部分組成。模糊自適應PID控制器是在常規PID控制器的基礎上以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，采用模糊推理方法實現參數Kp，Ti，Td調整，以滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對PID參數自調整的要求。利用模糊控制規則對PID參數進行自動調整便構成了模糊自適應PID系統［1］，結構見圖3。

圖3 模糊自適應PID控制系統結構

2.3 PID參數模糊自調整規則表

模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表。根據對已有控制系統設計經驗的總結，可以得出PID參數Kp，Ti，Td的自整定規則見表1～3。

表1 Kp的模糊規則表

表2 Ti的模糊規則表

表3 Td的模糊規則表

2.4 Kp，Ti，Td 的自適應校正

將誤差E和誤差變化率Ec變化范圍定義為模糊集上的論域。E，Ec＝｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。其模糊子集為E，Ec＝｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。設E，Ec和Kp，Ti，Td均服從正態分布，可得各模糊子集的隸屬度，見圖4。

圖4 E，EC，Kp，Ti，Td 的隸屬函數

根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入下式計算：

在線運算過程中，控制系統通過對模糊控制規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線自校正。工作流程見圖5。

圖5 在線自校正工作流程圖

2.5 模糊自整定PID控制及仿真

蒸汽發生器水位模糊自整定PID控制系統的具體結構見圖6。

圖6 模糊自整定PID控制

模糊自整定PID控制和傳統PID控制進行比較。在仿真實驗中，蒸汽發生器水位的給定值不變（0mm），而負荷按照典型工況變化（蒸汽發生器負荷從100%降到30% ；穩定后，再按每分鐘10%的負荷快速升到100%）。圖7為仿真實驗結果，其中實線為傳統PID控制的響應曲線，虛線為模糊自整定PID控制的響應曲線。由仿真實驗結果可以看出，模糊自適應PID控制方案具有響應快，超調量小，振蕩少等優良特性［2］。

圖7 蒸汽發生器水位響應曲線

3 結束語

實驗結果表明，模糊自適應PID控制能夠實時調整Kp，Ti，Td3個參數，因此系統超調量小，調節時間短，振蕩少，使系統調節更為精細。與傳統PID控制相比，模糊自適應PID控制器各項性能指標明顯優于傳統PID控制器，在蒸汽發生器水位控制中取得了滿意的效果。

［1］莊利鋒，楊慧中.模糊控制器在高階水位控制中的設計及應用［J］.東 南 大 學 學 報，2004，34：166～168.

［2］王正林，郭陽寬.過程控制與Simulink應用［M］.北京：電子工業出版社，2006.