基于單沖量鍋爐汽包水位的高性能制器設計

蘭 揚 陳雪華 / 重慶工商職業學院智能制造與汽車學院

基于單沖量鍋爐汽包水位的高性能制器設計

蘭 揚 陳雪華 / 重慶工商職業學院智能制造與汽車學院

針對小型的工業鍋爐汽包水位系統，設計改進的不完全微分結構與模糊PID結合的復合控制器。通過Matlab仿真：所設計的復合控制能很好抑制因擾動突變引起的振蕩，系統無超調，快速性更好，性能優于傳統的模糊PID控制。

汽包水位；不完全微分；模糊PID；仿真

工業鍋爐是現代工業的重要動力源，其廣泛應用于煉油、發電、化工、冶金、核工業等重要領域[1]，具有大滯后、非線性、多變量、強勢變等特點。鍋爐汽包水位是整個鍋爐系統的重要控制量之一，若水位過高，蒸汽中的含水量增加，蒸汽品質降低，不僅影響生產，還使過熱器管壁結垢，嚴重時會損壞設備；如果水位過低，當負荷急劇增大時，水汽化的速度加快，若不及時控制，很容易形成“干燒”甚至爆炸[2]。目前，國內外針對汽包水位主要采用的控制方式有PID控制、模糊PID控制、神經網絡控制、內模控制、預測控制等[3]。本文結合各種控制方法的優點，針對小型燃氣鍋爐水位控制系統，設計一種改進的不完全微分模型，并與模糊PID結合形成復合控制器，對鍋爐汽包水位實現精確快速控制。

1.控制對象模型構建

小型工業燃氣鍋爐汽包的“虛假水位”現象不明顯，因此采用單沖量控制系統對其進行控制即可，所謂單沖量控制系統是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經變送器送到水位調節器，調節器根據汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節閥，改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內，作為被控對象的鍋爐汽包水位的數學模型為G（S）=0.0125/S（11.5S+1）[4]。

2.控制系統的設計

2.1 設計思想

對于工業鍋爐汽包水位這樣一個非線性、大滯后、多擾動系統，傳統的PID控制效果不太理想，本文設計改進的不完全微分結構與模糊PID相結合，形成不完全微分-模糊PID復合控制。模糊PID控制利用模糊推理實現系統參數的自整定，不完全微分用于抑制擾動突變，提高控制品質，其結構原理圖如圖1 所示。形成的復合控制器無法對微分參數進行在線整定，因此本文設計如圖3所示的改進型不完全微分結構，這樣既可以抑制系統擾動，在與模糊PID形成復合控制器時，又能對Kp、Ki、Kd三個重要控制參數均實現在線自整定，相比圖2結構而言，還可以對系統誤差變化趨勢進行抑制，使系統的控制性能更優。

圖2 不完全微分常用結構

圖3 改進型不完全微分

2.3 模糊PID控制器的設計

設計模糊PID控制器的設計時，首先根據初始條件下誤差e和誤差變化率ec整定Kp、Ki、Kd三個參數；在實際控制過程中，誤差e和誤差變化率ec會不斷變化，始終用固定的參數進行控制不易得到滿意的結果，因此需要再設計一個模糊推理系統，根據e和ec不斷變化，得到P、I、D三個參數的變化量△Kp、△Ki、△Kd與初始整定參數疊加，從而實現了控制過程中參數的自調整，從而提高控制性能。

設計模糊推理系統時，控制器的輸入誤差E、誤差變化率EC、輸出控制量△Kp、△Ki、△Kd的語言變量值均取（負大、負中、負小、零、正小、正中、正大），用符號表示分別為（NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB），其論域均設定為[-6，6]，量化等級均取｛- 6 ，- 5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，- 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4， 5 ， 6 ｝ ，所有語言變量的各模糊子集的隸屬函數均取三角形隸屬函數，如圖4所示。根據專家經驗建立模糊控制則表[6]，如

2.2 不完全微分結構的設計

不完全微分其實質是在控制器的基礎上增加一個低通濾波器，即一階微分環節，從而抑制系統的突變。鍋爐汽包水位是一個多擾動系統，當各種擾動主要以突變的形式產生，因此引入不完全微分有助于抑制擾動引起的振蕩，提高控制品質。目前工程上常用的不完全微分結構形式如圖2所示[5]，長期的工程實踐表明，該結構對擾動突變有較好的抑制，但是此結與模糊PID控制結合

圖4 隸屬函數

表1所示，采用重心法進行解模糊，得到精確的參數變化量△Kp、△Ki、△Kd。

3.控制系統的仿真

表1 △Kp、△Ki、△Kd模糊控制規則表

本文采用SIMULINK對設計的控制系統進行仿真，首先采用工程上常用的臨界比例法整定Kp、Ki、Kd，根據經驗不完全微分環節的參數選取為：Tα=10，Tf=0.5。在單位階躍響應作用下，其響應曲線如圖5所示，仿真結果可知，改進的不完全微分-模糊PID復合控制器有效的抑制了因擾動而產生的超調，具有更好的快速性和穩定性。

圖5 系統階躍響應曲線

4.結論

本文針對小型工業燃氣鍋爐汽包水位系統， 設計了改進型不完全微分與模糊PID形成復合控制器，該控制器既能實現控制參數的實時整定，又能抑制汽包水位系統因擾動突變產生的振蕩和不穩定。仿真結果表明，復合控制器的控制幾乎無超調，快速性和穩定性更高，效果優于單純的模糊PID控制器。

[1]劉美,陳山羊,張翼誠.基于PCS7的鍋爐控制系統設計與實現[J]. 廣東石油化工學院學報,2015,25(6):50-53.

[2]王富強. 工業燃氣鍋爐控制系統的研究和設計[D].東華大學，2011.

[3]楊長亮.基于模糊 PID 控制的燃氣熱水鍋爐控制系統的研究[D]. 電子科技大學，2010.

[4]李祖欣. MATLAB 在模糊控制系統設計和仿真的應用[J].系統仿真學報,2003.15（1）:132-134.

[5]袁浪，周少林，劉偉偉. 不完全微分 PID 算法在線材活套控制中的分析與運用[J].電氣自動化，2014，36（2）：25-27,42.

[6]宋樂鵬，董志明，向李娟，等. 變量噴霧流量閥的變論域自適應模糊PID控制[J].農業工程學報，2010，26（11）：114-118.