模糊PID在锅炉汽包水位控制系统中的应用

孟亚男，周雪阳，姬庆宽，孙 铭，高思航

（1.吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.长垣盾安节能热力有限公司，河南 长垣 453400）

引言

汽包水位作为锅炉参数之一，在工业生产中有着重要影响。由于锅炉汽包水位控制动态响应缓慢、滞后大，以及运行状态下水位会随时间不断上下波动，带来了不确定因素，也给控制增加了难度。

主要有单冲量、双冲量和三冲量方法来控制汽包水位。目前工厂上采用的较多是三冲量控制方法，它不仅能克服“虚假液位”现象引起阀的误动作，还能及时解决给水流量对汽包的扰动问题[1]。本文将模糊算法与PID控制相结合，设计模糊PID控制器，作用于锅炉汽包液位三冲量控制系统中，使该系统保持较高的控制精度、快速的响应速度与较强的稳定性，从而对锅炉汽包液位进行优化控制。

1 锅炉汽包水位三冲量控制系统设计

1.1 三冲量控制方案的提出

针对汽包压力骤降产生的“虚假液位”现象[2]，是锅炉控制过程需要特别注意的问题，也是锅炉控制方案选择时需要特殊考虑的问题。就单冲量、双冲量、三冲量来说，单冲量适合负荷变化不大的小型锅炉，双冲量成本较高，它作用于给水压力稳定条件下，但由于给水控制系统存在较严重的滞后情况。综上分析，本文选用了三冲量控制方法。

1.2 三冲量汽包水位控制系统

三冲量水位控制系统在结构上就是一个前馈-串级的复合控制系统[3]。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级控制系统。前馈的作用主要克服蒸汽负荷的变化，串级的副回路能对给水扰动进行及时的克服。

2 模糊PID控制器的设计

图1 三冲量控制系统方框图

本文设计了一个“二输入三输出”的模糊控制器，结合模糊优化与PID控制两种策略，二输入包括液位偏差e和液位偏差变化速率ec，三输出包括整定后的ΔKp、ΔKi、ΔKd，用模糊语言总结程一条条控制规则，在线整定后组成模糊PID优化控制系统，可以解决一些传统控制不容易解决的控制问题。

2.1 输入输出量的模糊化

模糊控制器无法对实际语言值进行处理，需要将其离散化。语言变量e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd离散化处理得到全新的模糊集合均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，本文中e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd={-6，-4，-2，0，2，-4，-6}，三角形函数图形简单，反应灵敏，因此本文模糊变量的隶属度函数均采用三角形函数。

2.2 模糊规则表的建立

在锅炉汽包水位系统中，模糊规则表是根据PID参数变化来制定的，存在于控制器的内部，针对不同模糊变量的整定原则，制定的模糊规则如表1～下页表3所示[4]。

表1 ΔKp的模糊规则

表3 ΔKd的模糊规则

表2 ΔKi的模糊规则

3 仿真与结果分析

为了对比控制效果，将本文的模糊PID三冲量控制方法与常规的前馈-串级PID控制进行了比较。利用MATLAB软件进行仿真，规定汽包水位设定值为100 cm，在t=200 s时，加入蒸汽负荷干扰；在t=400 s时，加入给水流量干扰。仿真波形如图2所示。

由图2可知，未加扰动时，模糊PID的超调量为8.0%，达到稳定的时间为82.0 s，传统PID的超调量为48.0%，达到稳定的时间为82.1 s；加入扰动后，模糊PID达到稳定时间传统PID短，系统超调量也更小。因此与传统PID相比，模糊PID能过够在更短的时间内达到稳定，系统超调量也更小，能够保证系统的稳定性，满足实际工况要求。

图2 两种控制方式的仿真曲线

4 结论

针对锅炉汽包水位控制系统具有动态响应缓慢、时滞性、扰动大等问题，本文提出了模糊PID三冲量控制方法，用Simulink对该方法进行了仿真。结果表明，在超调量和调节时间指标上，模糊PID要优于传统PID，模糊PID控制结合了模糊控制灵活性强和传统PID控制稳态精度高的特点，不仅适用于工业锅炉这类复杂的工业对象，也为提高汽包水位的控制效果提供了参考。