鍋爐汽包水位的仿人邏輯控制策略

張永生，馬運義

（中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

0 引言

鍋爐汽包的水位必須控制在合理的范圍內(nèi)，水位過高會導致蒸汽帶水進入過熱器，容易在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴重時會導致過熱管因局部過熱而破裂;水位過低則會破壞水冷壁的水循環(huán)，導致水冷壁因局部過熱而破裂。傳統(tǒng)的串級三沖量PID控制，由于將蒸汽流量信號作為前饋信號引入，使得給水調(diào)節(jié)閥動作及時，在一定程度上減少了鍋爐汽包所特有的“虛假水位”現(xiàn)象的影響，改善了控制系統(tǒng)的控制效果［1－3］。但是，由于鍋爐汽包水位具有多變量、大滯后、強耦合等非線性特點，采用基于經(jīng)典控制理論的串級三沖量PID控制策略，已不能滿足越來越高的控制要求。而模糊控制對解決這類非線性問題特別有效，它不需要知道被控對象的精確數(shù)學模型，只需要積累對設(shè)備進行控制的操作經(jīng)驗，對過程參數(shù)的變化也不敏感，具有很強的魯棒性［3－10］。雖然模糊控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，但其穩(wěn)態(tài)性能較差。

本文結(jié)合串級三沖量PID控制與模糊控制各自的優(yōu)點，提出了一種鍋爐汽包水位的仿人邏輯控制策略，并對鍋爐正常升負荷工況與突然甩負荷工況進行了仿真計算。

1 數(shù)學模型

鍋爐汽包給水系統(tǒng)如圖1所示。圖中，Gs為蒸汽流量，Gfw為給水流量，L為汽包水位。鍋爐汽包水位的擾動主要有被調(diào)節(jié)量Gfw以及外部干擾Gs。若僅從質(zhì)量平衡的角度看，蒸汽流量Gs與給水流量Gfw對水位L的傳遞函數(shù)近似于1個積分環(huán)節(jié)，但由于“虛假水位”現(xiàn)象的存在，汽包水位還表現(xiàn)出“逆動力學”特性。以某型鍋爐為研究對象，鍋爐汽包水位在給水流量與蒸汽流量作用下的傳遞函數(shù)分別為:

圖1 鍋爐汽包給水系統(tǒng)Fig.1The Sketch map of boiler drum feedwater system

2 控制策略

隨著鍋爐汽包水位控制指標的提高，串級三沖量控制已不能滿足越來越高的控制要求。因此，模糊控制便因其良好的動態(tài)控制性能成為研究的焦點。但模糊控制本身存在難以克服的缺陷，即穩(wěn)態(tài)性能較差。本文在分析對比串級三沖量控制與模糊控制優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了鍋爐汽包水位的仿人邏輯控制策略。

2.1 串級三沖量水位控制

圖2為串級三沖量水位控制原理。其中，主控制器為PID水位調(diào)節(jié)器，副控制器為PI給水流量調(diào)節(jié)器;L0為水位設(shè)定值;L為水位測量值;Qs為蒸汽流量;Qfw為給水流量;α1，α2，α3分別為蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器以及水位傳感器。串級三沖量控制是通過引入蒸汽流量信號作為前饋信號，使得給水流量調(diào)節(jié)器能及時動作，使給水流量與蒸汽流量相匹配。因此，這種控制方式能減少水位的波動，在一定程度上降低“虛假水位”的影響。

圖2 串級三沖量水位控制原理Fig.2Three-element controlling principle of water level

2.2 模糊邏輯水位控制

圖3為模糊邏輯水位控制原理。其中，水位調(diào)節(jié)器以模糊控制器代替串級三沖量控制中的PID控制器，其他部分不變。模糊控制器的輸入為水位的誤差E以及誤差變化率EC，輸出為空置量U，即為閥門開度信號。模糊控制是一種建立在模糊推理基礎(chǔ)上的非線性控制策略，通過模糊語言表達人們的操作經(jīng)驗和推理規(guī)則。因此，模糊控制特別適用于鍋爐類非線性系統(tǒng)，能獲得良好的動態(tài)控制性能。

圖3 模糊邏輯水位控制原理Fig.3Fuzzy logic controlling principle of water level

2.3 仿人邏輯水位控制

圖4為仿人邏輯水位控制原理。其中，主控制器為仿人邏輯控制器，由PID水位控制器和模糊水位控制器2個通道構(gòu)成，控制邏輯開關(guān)根據(jù)水位誤差信號絕對值的大小，選擇使用PID水位控制器還是模糊水位控制器。而且，任意時刻只有1個控制器處于工作狀態(tài)。邏輯開關(guān)閥值的確定，要根據(jù)實際情況確定。仿人邏輯控制器的控制策略為:當誤差超過閥值時，選擇串級三沖量水位控制器;當誤差小于等于閥值時，選擇模糊水位控制器。

圖4 仿人邏輯水位控制原理Fig.4Apery logic controlling principle of water level

3 結(jié)果分析

為驗證上述仿人邏輯水位控制策略的有效性，運用Matlab/Simulink軟件實現(xiàn)了鍋爐汽包的水位控制模型，并設(shè)計了汽包水位的串級三沖量PID控制器、模糊邏輯水位控制器以及仿人邏輯水位控制器。然后，對正常升負荷工況（鍋爐負荷變化:80%～100%）與突然甩負荷工況（鍋爐負荷變化:100%～20%）進行了仿真計算。圖5和圖6中縱坐標的數(shù)據(jù)作了無量綱化處理，是額定值與實際值的比值。

圖5為正常升負荷工況下，鍋爐汽包水位的動態(tài)變化趨勢。可以看出，在蒸汽負荷變化幅度不大的情況下，模糊控制與仿人邏輯控制的控制效果是一樣的。與串級三沖量PID控制相比，模糊控制與仿人邏輯控制均減少了水位的超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了水位控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖6為突然甩負荷工況下，鍋爐汽包水位的動態(tài)變化趨勢。可以看出，在蒸汽負荷變化幅度較大的情況下，模糊控制器的輸出使得水位偏離了設(shè)定值，這恰恰說明了模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差的致命缺陷。一旦模糊控制器的模糊推理系統(tǒng)出錯，模糊控制器便無法正常工作。然而，結(jié)合了串級三沖量PID控制與模糊邏輯控制優(yōu)點的仿人邏輯控制器，仍然能很好地工作，在大幅甩負荷工況下，其動態(tài)性能依然良好。這說明仿人邏輯控制器不僅具有良好的動態(tài)性能，而且穩(wěn)態(tài)性能可靠。

4 結(jié)語

通過上述對比分析可知，本文所提出的鍋爐汽包水位的仿人邏輯控制策略，既具有串級三沖量PID控制的良好穩(wěn)態(tài)性能，又具有模糊邏輯控制的良好動態(tài)性能。鍋爐汽包水位的仿人邏輯控制策略，具有全工況的穩(wěn)定控制性能，是一種具有良好應(yīng)用前景的控制策略。

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