船用蒸汽發生器水位的模糊自適應PID控制

張永生，趙淑琴

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

蒸汽發生器作為船用核動力裝置的重要設備，其水位控制十分重要，直接關系到系統的安全穩定運行。目前，無論是在陸上核電廠還是艦船核動力裝置中，蒸汽發生器的水位控制一般采用常規三沖量PID控制，智能控制的應用尚不多見［1］。但因蒸汽發生器是一個非線性、時變、大滯后的系統，而常規PID控制器的參數整定又存在局限性，因而控制效果并不理想?；谀：刂评碚摰哪：赃m應PID控制器是模糊控制與常規PID控制的結合，它能根據模糊控制規則對PID水位控制器的參數進行在線調整，可改善控制系統的控制效果。文獻［2-4］對鍋爐汽包水位的模糊自適應PID控制進行了研究，實現了PID參數的在線整定，其仿真結果表明了模糊自適應PID控制的有效性。

本文將把模糊自適應PID控制應用到船用蒸汽發生器的水位控制中，以提高水位控制器的動態性能和艦船的機動性；將采用集總參數化模型［5］，設計一種基于模糊控制理論的蒸汽發生器的模糊自適應PID水位控制器，并通過仿真試驗來驗證這種水位控制器的有效性。

1 模糊控制系統設計

1.1 模糊自適應控制原理

基于模糊控制的基本原理，本文研究設計了一種蒸汽發生器的模糊自適應PID水位控制器，圖1所示為控制原理圖。其中，水位控制器為模糊自適應PID控制器，流量控制器采用常規的PI控制器。模糊控制器是以水位的偏差E和偏差變化率EC為輸入量，輸出量為PID參數的修正量Kp，Ki和 Kd。蒸汽發生器的模糊自適應PID控制器就是根據當前的水位偏差E和偏差變化率EC，通過模糊推理不斷地調整PID的參數來實現PID控制器參數的在線整定。圖中，L0為水位設定值；L為水位測量值；Qs為蒸汽流量；Qfw為給水流量；α1為蒸汽流量傳感器；α2為給水流量傳感器；α3為水位傳感器。

圖1 模糊自適應PID控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID control

1.2 模糊控制器的設計

模糊控制器的控制精度隨模糊控制器維數的增加而提高，但模糊控制規則卻更加復雜，控制算法更加難以實現。因此，本文采用二維模糊控制規則設計蒸汽發生器的模糊自適應PID水位控制器，模糊控制器的各語言變量：E為水位誤差，EC為誤差變化率，Kp，Ki和Kd為控制量，它們的論域均為［-6，6］。模糊子集為NB（負大），NM（負中），NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中）和PB（正大），E，EC，Kp，Ki，Kd的隸屬度函數如圖2所示。

1.3 模糊控制規則表設計

模糊控制器根據模糊控制規則進行模糊推理對PID參數進行在線整定。模糊控制規則是設備操作經驗的總結，其中包含了現場可能出現的各種情況的操作經驗［6-8］。對于不同的E和EC，Kp，Ki和Kd的整定原則如下：

圖2 隸屬度函數Fig.2 Membership function

1）當E較小時，為了調高系統的穩定性，Kp與Ki均應取得較大。同時，為了避免系統在設定值附近出現振蕩，并考慮系統的抗干擾性，當EC較大時，Kd可取得較?。欢擡C較小時，Kd可取得較大。

2）當E中等大小時，為了減小系統的超調量，Kp應取得較小。此時，Kd的取值對系統的影響較大，應取得較小，而Ki的取值則要適當。

3）當E較大時，為了提高系統的跟蹤性，Kp應取得較大，Kd應取得較小。同時，為了減小系統的超調量，應限制積分項的作用，通常取Ki=0。

模糊自適應PID控制器的參數Kp，Ki和Kd的模糊控制規則［9-10］如表1～表3所示。

表1 Kp的模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rule table ofKp

表2 Ki的模糊控制規則表Tab.2 Fuzzy control rule table ofKi

表3 Kd的模糊控制規則表Tab.3 Fuzzy control rule table ofKd

2 仿真結果分析

為了驗證所提模糊規則的有效性，運用Matlab/Simulink仿真平臺，建立蒸汽發生器的集總參數化數學模型，將反應堆簡化為一個熱源，考慮了一回路向二回路傳遞熱量時的延時特性（即熱慣性）。設計并實現了蒸汽發生器的模糊自適應PID水位控制器，控制規則表（以Kp為例）的三維外觀圖如圖3所示。

圖3 控制規則表的三維外觀圖Fig.3 Three-dimensional diagram of fuzzy control rule

對蒸汽發生器的變負荷工況進行了仿真試驗：200 s之前蒸汽發生器100%負荷運行，200 s時蒸汽負荷階躍下降30%。圖4所示為上述工況下蒸汽發生器水位的動態變化趨勢，其中，圖的縱坐標數據作了無量綱化處理，為額定值與實際值的比值。

為便于分析比較，本文根據模糊自適應PID控制與常規三沖量PID控制，分別設計了相應的蒸汽發生器水位控制器。在常規三沖量PID控制的主控制器中，Kp=21，Ki=0.46，Kd=0。模糊自適應PID控制的主控制器的初始參數為Kp0=15，Ki0=0.1，Kd0=0，模糊控制器的輸入量E和EC的量化因子分別為1和0.5，輸出量 Kp，Ki，Kd的比例因子分別為0.1，0.1，0。由圖4可看出，在變負荷工況過程中，與常規三沖量PID控制相比，模糊自適應PID控制的蒸汽發生器水位的超調量減小了約35%，調節時間縮短了約50%。它能使給水閥的動作更加平穩，減小了水位的波動，且對“虛假水位”也有一定的抑制作用。

圖4 水位的動態變化趨勢Fig.4 Dynamic trend of water level

3 結 語

由上述仿真結果可以看出，蒸汽發生器的模糊自適應PID控制器是通過模糊推理，在線整定PID控制器的參數來對水位進行控制的，其與常規PID控制器相比，超調量減小了約35%，調節時間縮短了約50%。模糊自適應PID控制器不僅減少了蒸汽發生器水位的波動，而且對“虛假水位”也有一定的抑制作用，改善了水位控制系統的控制效果。

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