1、基于模糊PID 的工業(yè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真研究*唐令波雷玉勇邴龍健蔡黎明（西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都610039）Simulation of control of water level in industrial boiler drum based on fuzzy-PIDTANG Ling-bo ，LEI Yu-yong ，BING Long-jian ，CAI Li-ming（School of Mechanical Engineering &Automation ，Xihua University ，Chengdu 610039，China ）文章編號(hào)：1001-

2、3997（2009）11-0110-03【摘要】目前，汽包水位的控制大多采用常規(guī)PID 控制方式，由于其控制參數(shù)是固定不變的，其控制效果往往難以滿(mǎn)足要求，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至失控。在對(duì)MATLAB 軟件及其工具箱進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，通過(guò)SIMULINK 對(duì)汽包水位的模糊PID 控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。研究表明，基于模糊控制策略鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較短，超調(diào)量小，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，能很好地克服蒸汽流量擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響，從而改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能，控制效果優(yōu)于常規(guī)的PID 控制。具有很好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：工業(yè)鍋爐；汽包水位；模糊控制；PID 控制；仿真；SIMULINK【Ab

3、stract 】Currently conventional PID control method is often used to control the water level in boiler drum and it is difficult to meet the demands. Consequently the system are unstable or even out of control. Based on SIMULINK package in MATLAB software ，the simulation of Fuzzy-PID contro1system for

4、control of water level in industrial boiler drum were carried out.The results show that based on Fuzzy-PID contro1，the system transient time is much shorter ，oscillation is small and anti-interference is stronger. Therefore the performance of fuzzy-PID contro1system is much better than conventional

5、PID . It has good promising in industrial application.Key words ：Industrial boiler ；Water level of steam drum ；Fuzzy control ；PID control ；Simula tion ；SIMULINK中圖分類(lèi)號(hào)：TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A來(lái)稿日期：2009-01-23基金項(xiàng)目：西華大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（SBZD0703-1）1引言工業(yè)鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的目的是保持鍋爐的正常水位，即控制給水泵的啟停或給水閥的開(kāi)度，從而控制給水量，使鍋爐的給水量與鍋爐的蒸發(fā)量相當(dāng)，以適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的

6、變化。汽包水位控制的要求較高，一般采用常規(guī)PID 進(jìn)行控制，但在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中，常規(guī)PID 控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差2。針對(duì)這些問(wèn)題，人們一直在尋求PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求2。隨著現(xiàn)代控制理論研究和應(yīng)用，出現(xiàn)了許多新型PID 控制器，其中模糊PID （Fuzzy-PID ）控制器就是其中之一3。應(yīng)用機(jī)理建模的方法，得到工業(yè)鍋爐汽包水位數(shù)學(xué)模型，然后利用該數(shù)學(xué)模型，對(duì)鍋爐給水系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)分別采用常規(guī)PID 和Fuzzy-PID 兩種控制器，用MATLAB 進(jìn)行仿真研究，得出兩種控制方法的動(dòng)態(tài)性能。2鍋爐汽包水位數(shù)學(xué)

7、模型鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，如圖1所示。引起汽包水位變化的主要擾動(dòng)是給水流量的變化和蒸氣流量的變化。如果只考慮主要擾動(dòng)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可表示為4：T 1T 2d 2h +T 1dh =（T w du w +Kw u w ）-（T D du D +KD u d ）（1）式中：h 汽包水位的高度，m ；T w 給水流量的時(shí)間常數(shù)；T D 蒸汽流量的時(shí)間常數(shù)；K w 給水流量的放大系數(shù)；K D 蒸氣流量的放大系數(shù)；T 1，T 2時(shí)間，s ；u d =D max蒸氣流量變化量相對(duì)于最大蒸氣流量的標(biāo)定值；u w =W max給水流量變化量相對(duì)于最大蒸氣流量的標(biāo)定值。圖1工業(yè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)示意圖1

8、. 給水母管2. 調(diào)節(jié)閥3. 給水預(yù)熱器4. 汽包5. 下降管6. 下聯(lián)箱7. 上升管8. 蒸汽母管（1）如果蒸氣流量不變，僅給水流量發(fā)生變化時(shí)，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：T 1T 2d 2h 2+T 1dh =T w du +Kw u w（2）式中符號(hào)意義同上。對(duì)于中壓以下（蒸氣壓力<2.0MPa），水量項(xiàng)的時(shí)間長(zhǎng)常數(shù)較小，可以忽略不計(jì)。對(duì)式（2）進(jìn)行拉氏變換，簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為：G w （S）=H （S ）w =K w12（3）式中：K w 給水流量的放大系數(shù)。Machinery Design Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第11期2009年11月110蒸氣流量不變

9、而給水流量發(fā)生變化時(shí)，汽包水位變化，如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開(kāi)始不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，后階段近于等速變化。這是因?yàn)樵诮o水量增加的初始階段，溫度較低的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，使原來(lái)的水溫降低，從而使汽水混合中汽包的體積減少，導(dǎo)致汽包水位的下降。圖2蒸氣流量不變，給水流量變化時(shí)汽包水位動(dòng)態(tài)特性K W =0.02；T 1=1；T 2=10（2）如果給水流量不變，蒸氣流量發(fā)生變化時(shí)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性微分方程可以表示為：T 1T 2d 2h +T 1dh =-（T D du D +KD u d ）（4）式（3）簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為：G w （S）=H （S

10、）w =-1a +K 2（5）其中，K 2D T 2-T D 1T a=T 1D給水流量不變而蒸氣流量發(fā)生變化時(shí)，汽包水位變化如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)蒸氣流量突然加大后，其響應(yīng)曲線(xiàn)是先上升再下降，這是由于隨著負(fù)荷的增加，汽包壓力減少，沸騰突然加劇，蒸發(fā)受熱面下的汽包體積急劇增加，導(dǎo)致響應(yīng)曲線(xiàn)與實(shí)際水位出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“虛假水位”。當(dāng)汽包容積與負(fù)荷相適應(yīng)時(shí)，反映出給水和蒸氣流量的不平衡。圖3給水流量不變，蒸氣流量變化時(shí)汽包水位動(dòng)態(tài)特性K 2=0.022；T a =50；T 2=103鍋爐汽包水位Fuzzy-PID 控制系統(tǒng)3.1單沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)該系統(tǒng)以鍋爐汽包水位為唯一的調(diào)

11、節(jié)信號(hào)，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測(cè)量值與給定值的偏差控制給水閥調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在正常的范圍內(nèi)。3.2雙沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)該系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位為主調(diào)節(jié)信號(hào)，以蒸汽流量作為前饋信號(hào)構(gòu)成的鍋爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷即蒸汽流量發(fā)生變化時(shí)，控制器先計(jì)算出蒸汽流量的變化量，再根據(jù)這個(gè)變化量，在水位變化之前使執(zhí)行器有一個(gè)相應(yīng)的動(dòng)作，即當(dāng)負(fù)荷增加，開(kāi)大給水閥；負(fù)荷減少，關(guān)小給水閥。等負(fù)荷穩(wěn)定后，主控制回路根據(jù)水位的偏差信號(hào)將給水閥控制在平衡點(diǎn)。3.3三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)該系統(tǒng)以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號(hào)，以給水流量和蒸汽流量為補(bǔ)充信號(hào)；其實(shí)質(zhì)是以給水流量和蒸汽流量的差值為前饋信號(hào)，只有當(dāng)給水流量和蒸汽

12、流量達(dá)到某一特定的平衡，這一前饋信號(hào)才為零。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID 參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了Fuzzy-PID 復(fù)合控制方式。該控制把古典的PID 控制與模糊控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。Fuzzy-PID 控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，并以智能的方式利用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)控制器，它能發(fā)揮模糊控制魯棒性很強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)時(shí)間小的特點(diǎn)，又具有PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。鍋爐汽包水位的PID 控制系統(tǒng)引入模糊控制器，于是可以得到Fuzzy-PID

13、 控制系統(tǒng)，如圖4所示。圖4鍋爐給水系統(tǒng)三沖量Fuzzy-PID 控制模型4鍋爐汽包水位Fuzzy-PID 控制系統(tǒng)4.1模糊控制器的設(shè)計(jì)（1）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量對(duì)于鍋爐汽包水位的模糊控制系統(tǒng)，采用常見(jiàn)的二維模糊控制器，即它的輸入變量是給定水位和實(shí)際水位的偏差及偏差的變化，即：e （k ）=y1（k ）-y （k ）（6）ec （k ）=e（k ）-e （k -1）（7）式（6）表示水位的偏差，其中代表給定水位。當(dāng)水位y （k ）高于y 1（k ）時(shí)，即實(shí)際水位高于給定水位，偏差為“負(fù)”，水位高得越多，則偏差負(fù)得越大。相反，y （k ）低于y 1（k ）時(shí)，即實(shí)際水位低于給定水

14、位，偏差為“正”，水位低得越多，則偏差正得越大。式（7）表示水位偏差的變化。當(dāng)k 時(shí)刻的水位偏差高于（k -1）時(shí)刻的水位偏差，說(shuō)明水量變化在增大，即實(shí)際水位有上漲趨勢(shì)，偏差變化為“負(fù)”。相反，當(dāng)k 時(shí)刻的水位偏差低于k -1時(shí)刻的水位偏差，偏差變化為“正”。模糊控制器的輸出量是閥門(mén)開(kāi)度u （k ）的變化，它直接影響水位y （k ）的變化。輸出控制量對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度變化，閥門(mén)開(kāi)大為“正”，表明注水量加大；反之，則閥門(mén)關(guān)閉為“負(fù)”。（2）輸入變量及輸出變量的模糊化：進(jìn)行模糊控制，要將上述輸入變量及輸出變量用模糊語(yǔ)言變量的模糊子集表示。設(shè)輸入偏差用模糊語(yǔ)言變量的模糊集E 表示，即：E=HB ，HM ，

15、HS ，NO ，LS ，LM ，LB 便（8）其中，H （high ）表示實(shí)際水位高于給定水位，L （1ow ）表示實(shí)際水位低于給定水位，HB 表示很高，HM 表示水位高，HS 表示水位知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)則庫(kù)設(shè)定輸入-模糊化接口推理機(jī)模糊判決接口PID 控制器控制對(duì)象輸出Fuzzy-PID控制器第11期唐令波等：基于模糊PID 的工業(yè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真研究111有點(diǎn)高。同理，可以知道LS ，LM ，LB ，NO 。則輸入偏差對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篍=-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7，+8（9）設(shè)輸入偏差的變化用模糊語(yǔ)言變量的模糊集EC

16、 表示，即：EC=NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB （10）對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篍C=-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7，+8（11）設(shè)控制量的變化用模糊語(yǔ)言變量的模糊集表示，即：U=CF ，CM ，CS ，F(xiàn)reez ，OS ，OM ，OF （12）式中：C 水閥關(guān)閉；CF 關(guān)得快（close fast ）；O 水閥開(kāi)；Freez 水閥保持常開(kāi)度。對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篣=-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7，+8（13）（3）確定語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)：選擇輸入變量的

17、隸屬度函數(shù)為三角型函數(shù)，輸出變量的隸屬度函數(shù)也為三角型函數(shù)，輸入模糊變量通過(guò)模糊規(guī)則與輸出模糊變量建立關(guān)系口。（4）模糊控制規(guī)則的語(yǔ)言描述：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則可用模糊條件語(yǔ)句表示如下：if E=HBand EC=NB，then U=CFif E=HMand EC=NS，then U=CMif E=HSand EC=PM，then U=OSif E=NOand EC=ZO，then U=Freeee e e e e e e e e e e ez（14）（5）模糊控制狀態(tài)表：在考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意

18、防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。因此，當(dāng)EC 為負(fù)時(shí)水位有上漲趨勢(shì)，如果此時(shí)水位高，則應(yīng)當(dāng)關(guān)閉水閥以減小入水量，使水位降下來(lái)；反之，開(kāi)大水閥。由此，可以得到模糊控制狀態(tài)表，如表1所示。表1模糊器控制狀態(tài)表4.2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真在MATLAB 環(huán)境下進(jìn)入模糊邏輯工具箱，通過(guò)模糊推理編輯器和隸屬度函數(shù)編輯器設(shè)計(jì)輸入、輸出變量的論域，及各語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)形狀的參數(shù)。在SIMULINK 環(huán)境下，結(jié)合系統(tǒng)提供的其他功能模塊設(shè)計(jì)完成了模糊控制系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)中同時(shí)包含了PID 控制器。其中，主程序由Simulink 模塊實(shí)現(xiàn)，控制器由M 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。常規(guī)PID 控制系統(tǒng)水位變化曲線(xiàn)和F

19、uzzy-PID 控制系統(tǒng)水位變化曲線(xiàn)，如圖6所示。從圖中可以很明顯看出Fuzzy-PID 控制具有更好的動(dòng)態(tài)特性。相對(duì)常規(guī)PID 控制器，F(xiàn)uzzy-PID 控制器減小了被控對(duì)象的超調(diào)量，縮短了控制時(shí)間。圖5汽包水位模糊控制系統(tǒng)仿真圖6鍋爐給水控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)5結(jié)論利用MATLAB 提供的良好的人機(jī)交互界面和功能完備的模糊邏輯設(shè)計(jì)工具，結(jié)合SIMULINK 開(kāi)放式的、動(dòng)態(tài)的圖形化仿真環(huán)境，使復(fù)雜的模糊控制系統(tǒng)的仿真過(guò)程大大簡(jiǎn)化，縮短了開(kāi)發(fā)周期，為廣大模糊控制研制人員的設(shè)計(jì)提供了一種高效的方法。通過(guò)仿真曲線(xiàn)圖，看到基于模糊控制理論的模糊控制策略用以控制鍋爐汽包水位系統(tǒng)的方法，能夠取得很好的控制效果。具體表現(xiàn)為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較短，超調(diào)量小，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，能很好地克服蒸汽流量擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響，充分體現(xiàn)了模糊控制的特點(diǎn)，雖然在運(yùn)行中仍存在穩(wěn)態(tài)誤差、水位小幅波動(dòng)等問(wèn)題，但這一問(wèn)題完全可以通過(guò)進(jìn)一步增加輸入和輸出量的模糊子集數(shù)量、修改