基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制研究_20100108_2116

作者简介：李益华(1964－)，女，湖南华容人，教授，硕士生导师，从事智能控制、智能检测的研究；王国伟(1984－)，男，河南林州人，硕士生，从事智能控制、过程控制的研究.文章编号：基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制研究李益华，王国伟，李源（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410114）摘要：针对工业锅炉汽包水位的反向特性，设计了一种基于模糊自适应PID控制策略的锅炉汽包水位的三冲量控制系统，该控制系统内环可以快速消除通道的给水扰动，外环能克服蒸汽流量变化产生的扰动.理论分析和仿真结果都表明，此方案对解决锅炉汽包水位的内外扰动具有显著效果,且有快速的适应性和较强的鲁棒性.关键词：汽包水位；三冲量；模糊自适应PID控制；鲁棒性中图分类号：TP273文献标识码：AStudyofFuzzyPIDControlRegulationforWaterLevelofBoilerDrumLIYi-hua,WANGGuo-wei，LIYuan（CollegeofElectricalandInformationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China.Correspondent:WANGGuo-wei,E-mail:[e-mail]）Abstract：Consideringthereversecharacteristicsofwaterlevelofindustrialboilerdrum,thispaperdesignsathreeimpulsescontrolsystemofwaterlevelofboilerdrumbasedonfuzzyself-adaptivePIDcontrolstrategy,thecontrolsystemcanrapidlyovercomewatersupplyingdisturbanceofcontrolpathininnerloopandattenuatethedisturbancebecauseofchangingofsteamflowrateinouterloop.Boththeoreticalanalysisandsimulationresultsshowthatsignificantcontrolperformanceisacquiredineliminatingtheinternalandexternaldisturbance.Moreover,theschemeisadaptableandrobusttotheparameters’variationanduncertainties.Keywords：Waterlevelofboilerdrum;Threeimpulses;Fuzzyself-adaptivePIDControl;Robustness1引言锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中不可或缺的重要动力设备.维持其汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标[1].实际上，汽包水位控制的难点主要在于“虚假水位”现象,使得传统的控制策略参数整定比较困难,难以适应所有工况.传统的锅炉汽包水位控制策略采用三冲量控制[2].本文针对实际模型[3]进行分析，获得描述锅炉汽包水位的动态数学模型,综合考虑算法简单和控制有效这两方面的要求，基于常规PID控制策略的结构，采用模糊自适应控制[4-9]方法，对PID控制器的参数进行在线整定，仿真结果表明该控制方案能够获得较好的控制效果，鲁棒性强.2锅炉汽包水位的动态特性影响锅炉汽包水位的因素有给水流量作用下的控制通道特性和蒸汽负荷[1]变化作用下的扰动特性.传统的三冲量控制系统如图1所示：LC蒸汽汽包给水FC图1三冲量控制系统由图可知，该系统为前馈控制和串级控制组成的复合控制系统[10-12].通常可把汽包和给水看作单容无自衡过程，根据物料平衡和热平衡关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化为：21212aWDDdhdhdWdDTTTTKWTKDdtdtdtdt(1)式中：h为汽包水位的高度；Ta为给水流量时间常数；KW为给水流量放大倍数；TD为蒸汽流量时间常数；KD为蒸汽流量放大倍数.T1、T2为水位时间常数.其中，给水流量W和蒸汽流量D的表达式如下：MAXWWDMAXDDD(2)2.1给水流量作用下的动态特性在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程可表示为：21212aWdhdhdWTTTTKWdtdtdt(3)对上式两边取拉氏变换，结合工程上对于中压以下的锅炉可忽略较小的Ta，令11WKT，并假设汽包水位在长时间内不随给水流量的增加而增加，可以得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下：112()(1)HSGsWSsTs(4)式中：ε1为在给水流量作用下，汽包水位变化的飞升速度.T2为水位滞后时间常数，和给水温度有关，给水温度越低，滞后时间越大.2.2蒸汽流量扰动下的动态特性同理，可以得到在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：21212DDdhdhdDTTTTKDdtdtdt(5)令21DDSKTTKT，21DKT，得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下：222()1SHSKGsDSTss(6)式中：ε2为蒸汽流量单位变化时汽包水位的变化速度，KS为只考虑水面下汽包容积变化所引起的水位变化的放大倍数.综上可知：引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（外扰动）和给水流量（内扰动）.3系统结构控制汽包水位的方法是操纵给水,依此构成的单回路控制系统对锅炉的虚假水位现象会发出相反的补偿动作,严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故.如果根据蒸汽流量来给出校正动作,就可以纠正虚假水位引起的误动作,从而减少水位的波动,改善控制品质.同时为了对控制阀的工作特性进行静态补偿,引入给水流量信号,构成图2所示的模糊自适应PID控制结构.FuzzyPIDcGsZKPK1GsMDGsDDww给水扰动蒸汽扰动HA模块B模块2Gs图2模糊PID控制结构图该系统采用三冲量带前馈的串级控制模式.其中G1(s)，G2(s)分别为给水流量通道和蒸汽流量通道的传递函数；GMD(s)为蒸汽流量变送器的传递函数；γD，γW，γH分别为蒸汽流量、给水流量和汽包水位测量变送器的传递系数；αD，αW分别为蒸汽流量和给水流量的分压系数；KZ，KP分别为执行机构和阀门的特性系数；内回路控制器Gc(s)一般采用常规PID控制以快速消除给水扰动，其实际控制器输出表达式为：11kpidiekTekTukTkekTkeiTTkT其中，k为采样序号，T为采样周期.4模糊自适应PID控制器4.1控制器结构及推理过程模糊自适应PID控制器构成如图3所示.其中ke、kec分别为偏差及偏差变化的量化因子.去求和器数据库规则库推理机解模糊接口模糊化接口知识库PID控制Σ偏差e偏差变化ec偏差eekeck图3模糊自适应PID控制器构成模糊推理过程如图4所示：ekrkyk1eckekek1ekek,ekeck模糊化取当前采样值入口,,pidkkk模糊整定,,pidkkk计算当前PID控制器输出返回图4模糊自适应PID工作流程图4.2模糊控制器隶属函数及规则库模糊控制器选用二维输入和三维输出，输入变量偏差e、偏差变化ec，输出变量kp、ki、kd，其模糊语言变量集合均采用7个模糊子集，即正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB），和Z-三角-S型隶属函数，其中e、ec和控制输出u的离散论域均设定为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，kp、ki、kd的隶属函数如图5所示：-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.2500.20.40.60.81kpDegreeofmembershipNBNMNSZPSPMPB(a)kp的隶属函数-0.06-0.04-0.0200.020.040.0600.20.40.60.81kiDegreeofmembershipNBNMNSZPSPMPB(b)ki的隶属函数-3-2-1012300.20.40.60.81kdDegreeofmembershipNBNMNSZPSPMPB(c)kd的隶属函数图5kp、ki、kd的隶属函数本文在多方求证模糊控制专家、总结工程技术人员的技术知识和实际操作经验基础上，初步建立了锅炉汽包水位高度控制的控制规则，在模拟控制仿真基础上，调整、确定了根据水位偏差e和偏差变化率ec值的不同时PID的参数整定原则，并整理成模糊控制规则库如表1～表3所示.表1Δkp模糊控制规则库eceNBNMNSZOPSPMPSNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表2Δki模糊控制规则库eceNBNMNSZOPSPMPSNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3Δkd模糊控制规则库eceNBNMNSZOPSPMPSNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZONSZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB4.3解模糊策略该模糊控制器输出变量的解模糊采用重心法.模糊自适应PID控制器参数初值设为kp=200，ki=2，kd=1000；经过如图4所示模糊推理，当未加干扰时可以得到如图6所示的在控制过程阶跃响应的上升阶段kp、ki、kd的自适应变化曲线，稳态值分别为：kp=200.01，ki=2.00，kd=999.31.0100200300400500600199.93199.94199.95199.96199.97199.98199.99200200.01200.02200.03time(ms)kpkp自适应x1x1：kp自适应曲线(a)kp自适应曲线01002003004005006001.99522.0052.012.0152.02time(ms)kiki自适应x2x2：ki自适应曲线(b)ki自适应曲线0100200300400500600998.6998.8999999.2999.4999.6999.81000time(ms)kdkd自适应x3x3：kd自适应曲线(c)kd自适应曲线图6kp、ki、kd自适应曲线5仿真结果及鲁棒性验证利用MATLAB中Simulink建立进行仿真，其中的模糊控制器可利用模糊工具箱进行编辑，仿真结构如图7所示.由多次仿真结果选定模型参数为：ε1=ε2=0.037，T1=30，KS=3.6，T2=15，αD=αW=0.083，γD=γW=0.21，γH=0.033，KZ=10，KP=2，内回路控制器取纯比例控制Gc(s)=0.95.当500s时加入10%的给水扰动，当1000s时加入10%的蒸汽扰动.图7仿真模型结构图其仿真结果如图8所示，图中都给出了常规PID控制器的控制效果（虚线x1为常规PID控制效果，实线x2为模糊自适应PID控制效果）.图8（a）为名义模型下仿真结果比较.可以得到，模糊自适应PID控制的汽包水位输出超调量δ%=0，在蒸汽流量扰动作用下，水位波动范围和幅度（hMAX=10.5