基于一种模糊控制的锅炉“虚假水位”对策研究

崔俊峰 厉善亨 上海海事大学商船学院

基于一种模糊控制的锅炉“虚假水位”对策研究

崔俊峰 厉善亨 上海海事大学商船学院

锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要标志，本文讨论了锅炉虚假水位的形成因素，并提出相应地应对策略，同时验证了PID控制与模糊控制在水位调节中的应用的可能性及特性。

锅炉水位;PID;模糊控制

锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要标志。水位过低时，如果负荷（蒸汽用量）较大，水的汽化速度又快，使锅筒内的水量变化速度较快，一旦锅筒内的水全部汽化，会导致锅炉烧坏，甚至爆炸；水位过高，影响锅筒的汽水分离，产生蒸汽带液现象，是过热器关闭结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度下降，容易损坏汽轮机叶片，影响机组运行的安全和经济性。因此，必须严格控制锅筒水位的高低。

1 锅炉汽包的数学模型

1.1 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1所示。

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：

式中，kp、ki、kd为PID三个控制参数的取值，kp*、ki*、kd*为PID参数基准值，△kp、△ki、△kd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。

1.2 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[-ep，ep]，误差ec的基本论域为[-ecq，ecq]，各自的模糊语言变量论域为[-n，n]和[-m，m]，则量化因子为ke= n/ep，kec=m/eeq。 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=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。输出语言变量Δkp和Δkd的论域均为Δkp，Δkd= {-6，-4，-2，0，2，4，6}，Δki的论域为Δki={-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}，模糊子集为Δkp，Δki，Δkd=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB.e、ec、Δkp、Δki、Δkd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、Δkd、Δkd 隶属度函数如图2，语言变量Δki 的隶属度函数如图3。

1.3 建立控制规则

通常，PID控制器的控制算式为：

针对不同的e和ec，人们总结出了一套kp、ki、kd的整定原则：

(1)当e较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的kp与较小的kd，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ki=0。

(2)当e和ec中等大小时，为使系统具有较小的超调， 应取得小些。在这种情况下，kp的取值对系统的影响较大，应取得小一些，kd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，kp与ki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kd可取得小些；ec较小时kd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。

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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Δkp、Δki、Δ k，将其与PID基准值 kdd*、kd*、kd*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。

2.仿真研究

仿真模型采用蒸发量为670t／h的锅炉汽包对象，给水流量W与水位L的传递函数为

PID参数基准值为 kp*=1.611，ki*=0.014，kd*=4.841。

假定汽包水位给定值为0.3m，用MATLAB对控制系统仿真，仿真结果如图4所示。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kp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kp、ki增大，kd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4 仿真曲线

结论

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法是可行的。

[1]王有朋,周浚哲,秦素梅.工业锅炉汽包水位模糊自适应PID控制研究[J].沈阳工业学院学报.2004,(4).

[2]周佳,曹小玲,刘永文.锅炉汽包水位控制策略的现状分析[J].锅炉技术.2005, (3).

[3]楚德全,王俊峰.锅炉汽包液位的三冲量调节[J].煤矿机电.2008,(5).

[4]邵文福,.锅炉液位控制技术之我见[J].黑龙江科技信息.2007,(21).

[5]高改会,于红星,胡瑞玲.基于单片机的锅炉液位自动控制系统的设计[J].机械工程师.2008,(9).

[6]潘祥亮,罗利文.模糊PID控制在工业锅炉控制系统中的应用[J].微计算机信息.2004,(7).

[7]马帅旗,鲍存会,刘沛.锅炉液位控制系统设计[J].仪表技术与传感器.2005,(9).

[8]王卓,林澄.锅炉汽包液位动态前馈控制的研究[J].微计算机信息.2004,(12).

[9]李兰君,喻寿益,高嵩,秦业,.微型锅炉液位模糊PID控制[J].微计算机信息.2007,(31).

[10]马琴,马玉玲,孙元帅,王晓云,.锅炉汽包液位检测与控制[J].自动化技术与应用.2008,(11).

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.057

厉善亨（1953-）上海海事大学，商船学院，副教授，轮机自动化;崔俊峰（1985-）上海海事大学，商船学院，硕士生，轮机自动化。

Abstractthe drum is to guarantee the safe operation of boilers, this article discusses the formation of false water level of boilers, and propose strategies accordingly, verify that the PID and fuzzy control in the application of water-level regulation of possibilities and features.

Key wordswater level；PID and fuzzy logic control