鍋爐汽包水位智能控制系統仿真研究

馮茜 郭衛國 袁景輝 李笑縉 魏龍

摘要：針對在傳統鍋爐汽包水位控制過程中出現的抗干擾性能差、液位調節浮動大等問題，本文采用串級PID控制、自適應模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制等智能控制方法，對汽包水位控制系統進行控制。通過仿真對比發現，仿人智能模糊控制的最大超調量最小、調整時間最短，其綜合控制效果較好。

關鍵詞：汽包水位控制;串級PID控制;自適應模糊PID控制;仿人智能控制;仿人智能模糊控制

一、引言

鍋爐設備是工業生產過程中重要的動力設備，鍋爐汽包水位系統輸入輸出多，變量之間相互影響較大，擾動因素較多，同時，鍋爐在負荷突變或燃燒不穩時，非常容易產生“虛假水位”現象[1]，此時，操作不當極易引發鍋爐燒壞甚至爆炸。傳統PID算法對汽包水位系統的控制效果并不理想，智能控制算法具有抗干擾能力強、對模型依賴少、魯棒性強，并且適用于非線性、滯后系統的特點，隨著智能控制算法的不斷發展，將智能控制應用于鍋爐汽包水位系統進行控制，具有實際意義。

本文針對鍋爐汽包液位的動態特性，研究串級PID控制、自適應模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制在鍋爐汽包水位系統中的應用。

二、鍋爐汽包水位系統數學模型

本文選用三沖量控制系統，通過調節蒸汽負荷、給水量、汽包水位來實現鍋爐汽包水位的控制。三沖量控制系統是一個帶有前饋信號的串級控制系統。主控制器是水位控制器，副控制器是流量控制器，二者共同構成串級控制系統。給水擾動作用于副控制回路能夠快速消除擾動，通過對蒸汽流量和給水流量的調節，協助主控制器進行水位控制。鍋爐汽包水位三沖量系統原理：

給水量改變單位流量時水位的變化速度m/s，水位的時間常數s。

給水量改變單位流量時水位的變化速度m/s，水位的時間常數s，水位變化放大倍數。

執行機構和閥門的特性系數分別為：，。給水流量及蒸汽流量信號的分流系數為0.25，蒸汽流量、給水流量測量變送器的傳遞系數為：0.083，汽包水位測量變送器的傳遞系數分別為：0.033。

三、控制算法仿真研究

（一）基于串級PID控制的鍋爐汽包水位三沖量控制系統仿真

1.串級PID控制算法。串級PID是將兩個PID控制器串聯，外環水位控制器的輸出作為內環副控制器的設定值，由副控制器的輸出調節給水閥，從而對外環水位控制具有更好的控制效果。

2.仿真結果及其分析。主控制器的PID參數為：，，。副控制器的PID參數為：。在仿真時間T=2000s時，同時加入蒸汽擾動和給水擾動，仿真結果中

（二）基于自適應模糊PID控制的鍋爐汽包水位控制系統仿真

1.自適應模糊PID控制算法。模糊控制[2]是一種應用模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理知識，模擬人的模糊思維方法，對復雜系統實行控制的一種智能控制系統，具有系統響應快、超調小、過渡過程時間短等優點。

2.自適應模糊PID控制系統設計

（1）輸入變量與輸出變量。模糊模塊輸入量是偏差e和偏差的變化ec，輸出量則是PID三個參數的變化量△Kp、△Ki、△Kd。

（2）量化因子、模糊論域、模糊語言、隸屬函數、比例因子。e，ec，△Kp、△Ki、△Kd的模糊論域都取[–5，5]，根據仿真情況：e的量化因子取2.5，ec的量化因子取10，△Kp、△Ki、△Kd的量化因子取0.05。

模糊語言取[負大，負中，負小，零，正小，正中，正大]，隸屬函數則都取梯形隸屬函數。

（3）模糊規則的制定。系統啟動時，e最大，為了提高響應速度，應取較大的Kp，較小的Kd和較大的Ki;在生產過程中，e很小，為了控制超調量和響應速度，應取較小的Kp，較大的Kd和較小的Ki。

3.仿真結果和分析。在仿真時間T=1000s時，同時加入蒸汽擾動和給水擾動（單位階躍信號），采用PID控制和自適應模糊PID控制進行對比，仿真結果從仿真結果圖可以看出，自適應模糊PID控制在響應速度方面比傳統PID控制響應速度快，同時超調量比傳統PID控制小，改進后的自適應模糊PID控制系統較之傳統PID控制效果更好。

（a） 自適應模糊PID;（b）仿人智能控制; （c）仿人智能模糊控制

（三）基于仿人智能控制的鍋爐汽包水位控制系統仿真

1.仿人智能控制算法。仿人、仿智是仿人智能控制的基本思想。在控制過程中利用計算機模擬人的控制行為功能，最大限度地識別和利用控制系統動態過程所提供的特征信息進行啟發和直覺推理[3]，從而實現對缺乏精確模型的對象進行有效的控制。

2.仿人智能控制系統設計?？紤]情況：且時，采用PID控制;或時，若采用PD控制，若采用P控制。

3.仿真結果和分析。在仿真時間T=1000s時，同時加入蒸汽擾動和給水擾動（單位階躍信號），三個控制器交替運行，采用PID控制和仿人智能控制進行對比，仿真結果如圖2（b），其中紅色曲線1為仿人智能控制，藍色曲線2為PID控制。

從仿真結果圖可以看出，系統采用仿人智能控制的最大超調量比傳統PID小很多，仿人智能控制較之傳統PID控制效果更好。

（四）基于仿人智能模糊控制的鍋爐汽包水位控制系統仿真

1.仿人智能模糊控制算法。仿人智能模糊控制[4]是力圖用智能算子來仿效或近似模擬人的控制行為，設計出智能控制器?；舅枷胧钱斦`差及誤差變化率往絕對值變大的方向變化時，控制器加以閉環控制;當誤差及誤差變化率往絕對值變小的方向變化時，控制器加以開環控制。

2.仿人智能模糊控制系統設計?？紤]情況：且時，采用PID控制;或時，若采用PD控制，若采用P控制。

將仿人智能模糊控制與傳統PID控制進行對比，搭建出系統整體控制模型。其中e的量化因子取2，ec的量化因子取30，△U的量化因子取0.2。

3.仿真結果和分析。在仿真時間T=1000s時，同時加入蒸汽擾動和給水擾動（單位階躍信號），三個控制器交替運行，采用PID控制和仿人智能模糊控制進行對比，仿真結果，其中紅色曲線2為仿人智能模糊控制，藍色曲線1為PID控制。

從仿真結果圖可以看出，仿人智能模糊控制的最大超調量比傳統PID控制小，同時調整時間比傳統PID控制短，但是上升時間比傳統PID控制略慢。因此，仿人智能模糊控制控制系統較之傳統PID控制效果更好。

四、結論

本文主要探討了應用多種智能控制方法，進行鍋爐汽包水位控制的方案。應用機理建模法建立三沖量鍋爐汽包水位系統模型，分別采用串級PID控制、自適應模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制等控制方法來設計鍋爐汽包水位控制系統，并進行了對比仿真研究。仿真研究結果表明：

（1）自適應模糊PID從本質上來說仍然屬于PID控制，只不過PID參數能夠不斷在線調整，以期達到更好的控制效果。

（2）仿人智能控制根據偏差種組合，不斷調整控制方案，雖然控制方案是簡單的P、PI、PD、PID等方式，但是較之傳統的PID控制效果更好;

（3）仿人智能模糊控制根據偏差、偏差變化情況，將模糊控制引入控制過程中，與仿人智能控制相結合，表現出超調量小，抗擾動能力強，調整速度快的優勢。

參考文獻

張益農，蕭德云. CFB鍋爐汽包水位自校正PID模糊控制研軟件[J].計算機應用與軟件，2004，21（12），23（8）：34–36，62.

海山.鍋爐汽包水位的智能控制研究[D].內蒙古大學電子信息工程學院，2008.

李巖.模糊PID控制在液位控制中的應用[D].合肥工業大學.2008.

張貫宇.基于模糊神經網絡參數整定的熱軋帶鋼厚度仿人智能控制[D].太原理工大學.2009.