模糊PID在鍋爐汽包水位控制系統中的應用

孟亞男，周雪陽，姬慶寬，孫 銘，高思航

（1.吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.長垣盾安節能熱力有限公司，河南 長垣 453400）

引言

汽包水位作為鍋爐參數之一，在工業生產中有著重要影響。由于鍋爐汽包水位控制動態響應緩慢、滯后大，以及運行狀態下水位會隨時間不斷上下波動，帶來了不確定因素，也給控制增加了難度。

主要有單沖量、雙沖量和三沖量方法來控制汽包水位。目前工廠上采用的較多是三沖量控制方法，它不僅能克服“虛假液位”現象引起閥的誤動作，還能及時解決給水流量對汽包的擾動問題[1]。本文將模糊算法與PID控制相結合，設計模糊PID控制器，作用于鍋爐汽包液位三沖量控制系統中，使該系統保持較高的控制精度、快速的響應速度與較強的穩定性，從而對鍋爐汽包液位進行優化控制。

1 鍋爐汽包水位三沖量控制系統設計

1.1 三沖量控制方案的提出

針對汽包壓力驟降產生的“虛假液位”現象[2]，是鍋爐控制過程需要特別注意的問題，也是鍋爐控制方案選擇時需要特殊考慮的問題。就單沖量、雙沖量、三沖量來說，單沖量適合負荷變化不大的小型鍋爐，雙沖量成本較高，它作用于給水壓力穩定條件下，但由于給水控制系統存在較嚴重的滯后情況。綜上分析，本文選用了三沖量控制方法。

1.2 三沖量汽包水位控制系統

三沖量水位控制系統在結構上就是一個前饋-串級的復合控制系統[3]。液位控制器LC與流量控制器FC構成串級控制系統。前饋的作用主要克服蒸汽負荷的變化，串級的副回路能對給水擾動進行及時的克服。

2 模糊PID控制器的設計

圖1 三沖量控制系統方框圖

本文設計了一個“二輸入三輸出”的模糊控制器，結合模糊優化與PID控制兩種策略，二輸入包括液位偏差e和液位偏差變化速率ec，三輸出包括整定后的ΔKp、ΔKi、ΔKd，用模糊語言總結程一條條控制規則，在線整定后組成模糊PID優化控制系統，可以解決一些傳統控制不容易解決的控制問題。

2.1 輸入輸出量的模糊化

模糊控制器無法對實際語言值進行處理，需要將其離散化。語言變量e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd離散化處理得到全新的模糊集合均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，本文中e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd={-6，-4，-2，0，2，-4，-6}，三角形函數圖形簡單，反應靈敏，因此本文模糊變量的隸屬度函數均采用三角形函數。

2.2 模糊規則表的建立

在鍋爐汽包水位系統中，模糊規則表是根據PID參數變化來制定的，存在于控制器的內部，針對不同模糊變量的整定原則，制定的模糊規則如表1～下頁表3所示[4]。

表1 ΔKp的模糊規則

表3 ΔKd的模糊規則

表2 ΔKi的模糊規則

3 仿真與結果分析

為了對比控制效果，將本文的模糊PID三沖量控制方法與常規的前饋-串級PID控制進行了比較。利用MATLAB軟件進行仿真，規定汽包水位設定值為100 cm，在t=200 s時，加入蒸汽負荷干擾；在t=400 s時，加入給水流量干擾。仿真波形如圖2所示。

由圖2可知，未加擾動時，模糊PID的超調量為8.0%，達到穩定的時間為82.0 s，傳統PID的超調量為48.0%，達到穩定的時間為82.1 s；加入擾動后，模糊PID達到穩定時間傳統PID短，系統超調量也更小。因此與傳統PID相比，模糊PID能過夠在更短的時間內達到穩定，系統超調量也更小，能夠保證系統的穩定性，滿足實際工況要求。

圖2 兩種控制方式的仿真曲線

4 結論

針對鍋爐汽包水位控制系統具有動態響應緩慢、時滯性、擾動大等問題，本文提出了模糊PID三沖量控制方法，用Simulink對該方法進行了仿真。結果表明，在超調量和調節時間指標上，模糊PID要優于傳統PID，模糊PID控制結合了模糊控制靈活性強和傳統PID控制穩態精度高的特點，不僅適用于工業鍋爐這類復雜的工業對象，也為提高汽包水位的控制效果提供了參考。