工业锅炉汽包水位模糊自适应PID控制研究
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2004年月12月 沈阳工业学院学报Vol .23No .4第23卷第4期JOURNAL OF SHENYANG INST IT UTE OF TECHNOLOGYDec.24文章编号:1003-1251(2004)04-0071-04工业锅炉汽包水位模糊自适应PID 控制研究王有朋,周浚哲,秦素梅(沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110168)摘 要:针对汽包锅炉给水过程的特点,采用了一种模糊自适应PID 控制器,将该控制器应用于锅炉汽包水位三冲量控制系统,以期望达到水位的静特性.MATLAB 仿真结果表明,与传统PID 控制器相比,该控制器取得了良好的动静态性能和鲁棒性能.关键词:模糊控制;PID;自适应;汽包水位;三冲量中图分类号:TP181 文献标识码:A汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标[1].水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢,影响传热效率,严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管.高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,液位的时间常数很小.大容量锅炉若给水不及时,数十秒之内就可能达到危险水位.所以锅炉水位控制显得非常重要.对于液位定值控制,常用的控制方式是单回路PID 控制,其优点是系统结构简单,易于实现,但对于汽包运行中出现的 虚假液位 现象却无能为力.本文针对汽包锅炉给水过程的特点,应用一种带有参数在线自校正模糊PID 控制器的三冲量控制系统,实现工业锅炉汽包水位的定值控制.1 控制系统结构设计锅炉运行中,负荷突然增大,汽包供汽量上升,致使汽包压力下降,从而加速了汽包内水的汽化过程,水中出现大量汽泡,引起汽包水位上升.这时,汽包中的水量非但没有增加,反而因供汽量上升而下降.这种因汽包负荷增大引起的水量减少,水位上升现象称之为 虚假液位 .若采用单回路PID 控制方式控制汽包水位,而不采取一定措施,则在出现 虚假液位 时,控制系统将会减少汽包进水流量,致使汽包中水量进一步减少.显然,单回路PID 控制方式是难以适应汽包水位控制的.为了克服 虚假液位 现象,将模糊控制算法应用于三冲量控制系统中,三冲量模糊控制系统的方框图如图1[2].图1 三冲量模糊控制系统原理框图收稿日期:2004-07-02作者简介:王有朋(1979 ),男,山东淄博人,硕士研究生所谓三冲量,是引入了三个测量信号:汽包水位、给水流量和蒸汽流量.整个控制系统形成两个闭合回路.其一是给水流量测量装置、调节算法、给水调节阀构成的回路,称为水流量回路,也称内回路,其作用是消除给水侧的扰动,稳定给水流量,在水位控制中起辅助作用;其二是由水位变送器、调节算法、整个内回路及对象控制通道所构成的回路,称水位回路,也称外回路,其作用是消除各种扰动对水位的影响,维持汽包水位接近给定值.蒸汽流量信号是前馈信号.在回路中只形成开环,不影响上面两个闭环的稳定性.它在系统中的作用有两个:其一是改善蒸汽量干扰下对水位的控制品质,克服虚假水位所引起的调节算法的误动作操作输出;其二是与给水流量信号配合,达到希望的水位静特性.2 PID 参数自适应模糊控制器的设计2.1 参数自适应模糊控制器结构参数自适应模糊PID 控制器结构如图2所示.图2 参数自适应模糊控制器结构以汽包水位的误差e 和误差变化量ec 作为模糊控制器的输入量,以满足不同e 和ec 对控制器参数的不同要求,根据模糊合成推理设计PID 参数的模糊矩阵表,查出修正参数代入下式计算:k p =k *p + k p k i =k *i + k i k d =k *d +k d 式中,k p 、k i 、k d 为PID 三个控制参数的取值,k *p 、k *i 、k *d 为PID 参数基准值, k p 、 k i 、 k d 为PID 参数校正值.PID 调节器的输出值u 到锅炉给水流量调节器.2.2 各变量隶属度函数的确定取汽包水位误差e 和误差变化量ec,将其模糊化到相应论域.模糊化过程是通过比例变换因子将采样获得的具体值论域变换到模糊语言变量论域,设误差e 的基本论域为[-e p ,e p ],误差ec 的基本论域为[-ec q ,ec q ],各自的模糊语言变量论域为[-n ,n ]和[-m ,m ],则量化因子为k e =ne p,k ec =me cq.取输入语言变量e 和ec 的论域均为e,ec ={-6,-4,-2,0,2,4,6},其模糊子集为e,ec =N B,NM ,N S ,ZO,PS ,PM ,PB.输出语言变量 k p 和 k d 的论域均为 k p , k d ={-6,-4,-2,0,2,4,6}, k i 的论域为 k i ={-0 6,-0 4,-0 2,0,0 2,0 4,0 6},模糊子集为 k p , k i , k d =N B,NM ,N S ,ZO,PS ,PM ,PB.e 、ec 、 k p 、 k i 、 k d 语言变量的隶属度函数均采用三角形隶属度函数.语言变量e 、ec 、 k p 、 k d 隶属度函数如图3,语言变量 k i 的隶属度函数如图4.图3 e 、ec 、 k p 、 k d隶属度函数图4 k i 隶属度函数2.3 建立控制规则通常,PID 控制器的控制算式为[1]:u (t)=k *p e(t)+k i !e(t )d t +k *d d e(t)/d t针对不同的e 和ec,人们总结出了一套k p 、k i 、k d 的整定原则[3]:(1)当e 较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,应取较大的k p 与较小的k d ,同时为了避免系统响应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取k i =0.(2)当e 和ec 中等大小时,为使系统具有较小的超调,k p 应取得小些.在这种情况下,k d 的取值∀72∀沈阳工业学院学报 2004年对系统的影响较大,应取得小一些,k i 的取值要适当.(3)当e 较小时,为使系统具有较好的稳定性能,k p 与k i 均应取得大些,同时为避免系统在设定值出现振荡,并考虑系统抗干扰性能,当ec 较大时k d 可取得小些;ec 较小时k d 可取大一些.根据以上规则可得参数模糊规则表如表1、表2、表3所示[4].表1 k p 的模糊控制规则e ecNB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PBZOZONMNMNMNBNB表2 k I 的模糊控制规则e ecNB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS ZO N M NM NS ZO PS PM PM PS N M NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PBZOZOPSPMPMPBPB表3 k d 的模糊控制规则e ecNB NM NS ZO PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS ZO NS ZO NS NM NM NS NS ZO ZO ZO NS NS NS NS NS ZO PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO PM PB NS PS PS PS PS PB PBPBPMPMPMPSPSPB在汽包水位实时控制中,根据汽包水位的误差e 和误差变化量ec,直接查找模糊控制规则表得出校正量,用重心法将其去模糊转化为清晰量,分别乘以量化因子求得最终结果 k p 、 k i 、 k d ,将其与PID 基准值k *p 、k *i 、k *d 分别相加得到最佳的瞬态PID 参数,然后按照常规的PID 运算计算控制器输出量到给水流量调节器.3 仿真研究仿真模型采用蒸发量为670t/h 的锅炉汽包对象[5],给水流量W 与水位L 的传递函数为L (s)W (s )=0 0529s (8 5s +1);蒸汽流量D 与水位L 的传递函数为L (s)D (s)=2 613(6 7s +1)2-0 0747s;执行器传递函数为G (s )=4 50 3895s +1;给水流量变送器传递函数为G W (s )=0 050 3s +1;汽包水位变送器传递函数为G l (s)=1 050 36s +1;动态前馈补偿器传递函数为D f (s)=0 050 36s +1,PID 参数基准值为k *p =1 611,k *i =0 014,k *d =4 841.假定汽包水位给定值为0 3m,用MAT LAB 对控制系统仿真,仿真结果如图5所示[6].由于采用了模糊控制的方法对PID 参数进行调整,使在偏差较大时使k p 增大,提高了系统的响应时间,在中间过程抑制了系统响应出现的超调,在接近稳态时k p 、k i 增大,k d 减小,使系统缩短了稳态时间,抑制了振荡.与传统的PID 控制器相比,用模糊自适应PID 控制器控制汽包水位,控制精度高,动态性能好,鲁棒性强.图5 仿真曲线1 传统PID 控制曲线;2 模糊参数自适应PID 控制曲线4 结束语本文针对锅炉汽包水位控制中经常出现的 虚假液位 现象,采用三冲量控制方式,并且将模糊自适应控制算法应用于该系统,利用模糊控制易于实现对复杂对象控制的特点,将操作人员和专家的控制经验应用于控制过程,根据人工控制规则组织控制决策表,由该表决定PID 参数的输出值,在线实时的对PID 参数整定,使系统运行中保持合适的瞬态参数,克服了传统PID 控制器参数不可改变的缺点,提高了系统的控制品质,仿真结果表明这种方∀73∀第4期 王有朋等:工业锅炉汽包水位模糊自适应PID 控制研究法是可行的.参考文献:[1]孙秀权,唐健,于秀银,等.锅炉和工业炉窑实用计算机控制技术[M ].北京:国防工业出版社,1993.[2]胡伟,王福忠,于发山,等.工业锅炉汽包水位模糊PID 控制策略的研究[J].焦作工学院学报,2001,20(4):273-277.[3]刘金琨.先进PID 控制及其M AT LAB 仿真[M ].北京:电子工业出版社,2003.[4]李卓,萧德云,何世忠.基于Fuzzy 推理的自调整PID 控制器[J].控制理论与应用,1997,14(2):238 243.[5]王红旗,余发山,郝加臣.锅炉水位的优化因子模糊控制[J].焦作工学院学报,2003,22(3):224 227.[6]薛定宇,陈阳泉.基于M ATLAB/S imuli nk 的系统仿真技术与应用[M ].北京:清华大学出版社,2003.A Study of Application of Fuzzy Adaptive PID C ontrolfor Industrial Boiler #s Drum Water Level WANG You peng,ZHOU Jun zhe,QIN Su mei(S henyang Ligong University,Shenyang 110168,China)Abstract:A kind of fuzzy adaptative PID controller is described and this controller is used in boiler s drum w ater level three im pulses control system in order to get the static perform ance of w ater level,aiming at the par ticularity of drum boiler w ater supply.The results of MATLAB sim ulation show that this controller is more excellent than conventional PID controller because this controller possesses good dynamic,static and robust performance.Key words:fuzzy control;PID;adaptation;drum w atereve;three impulses(上接第66页)4 系统实现使用这种知识建模的好处之一就是可以方便转换成不同的数据存储形式.如SQL -Server 、XML 、ORACLE 等.已经实现了以VC ++.NET 作前台,用SQL Server 作后台数据库的原型系统的开发,使用此原型系统可以进行故障诊断和知识维护.目前实现的原型系统还有不足之处,比如扩展知识模型、提高知识准确性、进一步提高推理速度和效率等,需要不断完善.参考文献:[1]刘洪刚,吴建军,陈启智.基于定性推理与定量仿真集成的故障诊断推理[J].系统仿真学报,2003,15(5):689 692.[2]GuusSchreber.知识工程和知识管理[M ].史忠植等译.北京:机械工业出版社,2003.Design of Knowledge System of a Communication Equipment Fault DiagnosisGAO Yan feng ,LIU Yong ,PAN Cheng sheng(Shenyang Li gong University,Shenyang,110168,C hi na)Abstract:After analyzing the fault characteristics of military electronic communication equipments carefully,a diagnosis model suitable for the fault features of communication equipments is studied.And for the conve nience of expanding,maintaining and reusing know ledge,the knowledge modeling for the fault diag nosis model is introduced.Key words:model of fault diagnosis ;know ledg e system;know ledge modeling∀74∀沈阳工业学院学报 2004年。
