運用免疫尋優算法優化鍋爐水位PID控制器的仿真研究

馮嚴冰

摘 要：本文在鍋爐水位動態特性分析的基礎上，運用參數免疫尋優算法優化鍋爐水位控制系統，通過軟件仿真對比免疫優化后的PID控制器與普通水位控制器的控制效果，驗證了參數免疫優化的控制效果優于常規控制方法的結論。

關鍵詞：免疫尋優；鍋爐；水位控制器；仿真

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

1 鍋爐水位的動態特性分析

鍋爐內部汽包水位是其安全高效運行的主要指標和參數，必須將汽包水位維持在合理的范圍內。鍋爐給水自動調節的控制回路中被調參數是汽包水位（H），給水調解閥調節量是給水流量（W）。汽包內部容積可劃分三個部分：蒸發面以上蒸汽容積，蒸發面下蒸汽容積和水容積。可用汽包壓力和汽包水位的動態特性表示蒸汽發生系統的動態特性。有四個因素影響水位調節對象的擾動參數：給水流量的擾動，包括給水壓力變化和減溫器調節閥開合變化；蒸汽負荷變化，包括管路阻力的變化和負荷設備調節閥開合變化；影響燃料發熱量的各因素；汽包壓力及水位變化，從熱負荷的變化或蒸汽負荷變化兩個方面進行考慮。 鍋爐水位調節系統的擾動主要來自三個方面：爐膛負荷擾動、蒸汽流量擾動和給水流量擾動。爐膛負荷擾動影響緩慢具滯后，并可通過燃料自動調節系統中的熱負荷調節器消除。所以，干擾水位的主要因素就是蒸汽流量擾動與給水流量擾動兩個。

2 鍋爐水位控制系統的組成

鍋爐水位控制系統是前饋與反饋相結合的復合控制系統，其主控信號為汽包水位，前饋信號為蒸汽流量，反饋信號為給水流量。該控制系統的實質是內部的兩個閉合回路，一個是由給水流量、調節閥、給水分流器、調節器組成的內回路；另一個是由內回路和汽包水位控制器構成的外回路。為了改善控制質量又不影響閉合回路的穩定性，在閉合回路之外設計蒸汽流量及其蒸汽分流器。

3 參數免疫尋優PID控制器仿真建模

為了進行比較，本文分別采用普通PID控制器、參數免疫尋優PID控制器對水位控制系統的控制效果進行仿真分析。

（1）普通PID控制器參數設置。普通PID控制器對鍋爐汽包水位控制系統的各參數分別設置為：，，；根據參考文獻，將增益設置為：=0.0667，=3，=1，=0.2。

（2）參數免疫尋優PID控制器參數設置。該控制器用免疫優化算法對PID控制器的參數進行調整以獲得更好的動態特性，在程序中加入了懲罰措施，將超調量作為一項最優指標以減小其影響。仿真中各參數取值為：=0.998，=0.002，=2，=99。用實數編碼免疫算法優化，種群大小設為50，經150代的進化，30%的活化比例，6倍的克隆倍數，6：1的免疫補充比例，10%的變異率。通過MATlAB軟件仿真得到目標函數下降曲線。觀察曲線可知，在28代附近最優，優化后目標函數值下降了16%，有顯著的優化效果。整定后免疫PID控制器參數為：，，，，。增益設置為：=0.0666，=2，=0.9，=0.3。

4 兩種水位控制系統仿真對比及分析

本文在考慮到兩種最重要的影響因素情況下，利用MATLAB軟件對鍋爐水位控制系統的兩種控制器性能進行仿真分析。

（1）蒸汽流量擾動30%的響應。在0.01s時蒸汽流量發生30%的擾動，兩種PID控制器響應的仿真結果如圖1所示。從仿真結果中可以看出，普通PID控制器的水位波動最大幅度為0.36，波動較大；參數免疫尋優PID控制器的波動最大幅度0.15，波動較小。這表明在克服蒸汽擾動方面參數免疫尋優PID控制器的控制效果明顯優于普通控制器。

（2）給水擾動系統響應。在0.01s時加入給水擾動信號，兩種PID控制器響應的仿真結果如圖2所示。從仿真結果中可以看出，給水流量擾動對水位控制系統的影響比蒸汽流量擾動的影響小，但兩種控制器的仿真數值對比還是比較明顯的：普通PID控制器的水位波動最大幅度0.008，參數免疫尋優PID控制器的水位波動最大幅度0.0036。這表明在克服給水擾動方面，參數免疫尋優PID控制器的控制效果比普通控制器的要更好。

5 總結

本文根據工業鍋爐汽包水位的動態特性，對水位控制器進行了參數免疫優化，為驗證優化結果，利用MATlAB仿真軟件對鍋爐的汽包水位控制系統的普通PID控制器和參數免疫尋優PID控制器進行了建模仿真，仿真結果證明參數免疫尋優后的PID控制器擁有更好的控制品質，這種優化方法具有較好的應用前景和推廣價值。

參考文獻：

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