模糊PID 技术在控制锅炉汽包水位的初探

张鑫，舒凌峰，吕坤

(江西赣南烟叶复烤有限责任公司 生产设备部，江西 赣州 341000)

0 引言

控制系统方案设计将锅炉汽包水位控制系统作为主要研究内容，汽包水位是锅炉运行中的一个重要参数，它体现出锅炉产生的蒸汽量和给水量之间的动态平衡关系，是锅炉安全运行的重要条件。汽包水位高会使过热器的受热面结垢而被烧坏;而汽包水位过低则会破坏汽水循环，造成水冷壁管供水不足而被烧毁，甚至引起锅炉爆炸。锅炉水位自动控制的任务就是控制给水流量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。将模糊控制算法引入该系统，利用模糊控制易于实现对复杂对象控制的特点，将有经验的操作人员和专家的控制经验应用于控制过程，根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定PID 参数的输出值，与传统的PID 控制相结合，根据锅炉汽包水位运行过程中出现的不同状态和扰动，在线实时的对PID 参数整定，使系统运行中保持合适的瞬态参数，易于维持汽包水位在设定值。针对锅炉汽包水位控制系统特点，将蒸汽流量作前馈信号和给水流量作控制信号，设计了三冲量控制系统。

1 锅炉及其控制系统的组成、工作过程与特性［1-2］

1.1 锅炉的工作过程简介

锅炉是工业生产过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供能源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是有“锅”和“炉”两部分组成的。

1)“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1 所示。由给水总管、给水调节阀、省煤器、汽包、过热器、蒸汽总管、上升管、及下降管组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包 顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热，，升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽总管。

图1 锅炉的汽水系统

2)“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽总管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供给设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和送风机的空气，最后经过烟囱排入大气。

1.2 锅炉设备的调节任务

锅炉作为重要动力设备，为了保证提供合格的蒸汽，必须使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量。为此，生产过程的各个参数，特别是新汽的压力和温度，必须严格控制。

a)控制汽包水位

锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业来说尤其重要。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或是缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。

b)控制蒸汽温度

过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数，蒸汽温度过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行带来不利因素。因为现代的蒸汽锅炉，金属强度的安全系数设计得都比较小，超温严重会使汽机或其他负荷设备膨胀过大，使汽机的轴向推力增大而发生事故。汽温过低直接影响负荷设备的使用，对汽机来说会影响效率，进汽温度每降低5 ℃，效率约降低1%。因此从安全生产和技术经济指标上看，必须保持整定温度在额定值范围之内。

c)控制蒸汽压力

蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是新汽的重要工艺参数。蒸汽给定压力过高或过低，对于金属导管和负荷 设备都是不利的:压力太高，会加速金属的蠕变，压力太低就不可能提供各负荷设备符合质量的蒸汽。在运行过程中，蒸汽压力降低，表明蒸汽消耗量大于锅炉发汽量;反之，蒸汽压力升高，说明蒸汽消耗量小于锅炉发汽量。因此严格控制蒸汽压力，是确保安全生产的需要，也是维持正常生产符合的需要。

d)维持经济燃烧

使空气和燃料维持适当比例，是燃烧过程的最佳操作条件，是提高锅炉效率和经济性的关键措施。将过剩空气降低到近于理想水平而又不出现一氧化碳和冒黑烟，这就需要快速而精确的燃烧过程的自动调节，最佳的空气、燃料配比。如果离开最适宜的空燃比，势必增加热量损失，降低经济技术指标，并造成对周围环境的污染。

e)控制炉膛压力

锅炉在正常运行中，炉膛压力也必须保持在规定的范围之内。如果是负压操作，则负压偏正，局部地区容易喷火，不利于安全生产，不利于环境卫生，负压过大，漏风严重，总风量增加，烟气热损失增大，不利于经济燃烧。由于燃烧室的空间很大，加之介质密度差生产的自升引力，使沿着炉膛向上负压越来越大，所以保持高度上的负压是必要的，可行的。

f)控制一次风量

粉煤直吹锅炉。为了安全地、经济地将粉煤输入炉膛，保证良好的燃烧条件，一次风量也需要自动调节。对于高压锅炉，有时还需自动调节锅炉的连续排污量以保证锅炉水中含盐量为额定值。

1.3 锅炉设备控制调节系统

对实现上述调节任务，锅炉设备控制划分为如下几个调节系统:

1)锅炉给水调节系统:即锅炉汽包水位的控制。其被调参数为汽包水位，调节手段为给水流量，它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内，是锅炉汽包内部重要的调节系统。

2)蒸汽压力调节系统:被调参数是蒸汽总管压力，在孤立运行锅炉中，为蒸汽压力，主要考虑锅炉内部的热量平衡，其通道很长，包括锅炉燃烧系统和蒸汽发生系统，它是整台锅炉设备自动调节当中的核心。

3)经济燃烧调节系统:被调参数随着测试方式的不同而异，主要考虑燃烧系统的经济燃烧问题，通道也比较长，包括燃烧系统和烟道。

4)炉膛负压调节系统:被调参数为炉膛负压，主要考虑燃烧过程的物料平衡，调节通道包括炉膛和烟道。

5)蒸汽温度调节系统:被调参数为过热器出口过热蒸汽的温度，主要考虑过热器的热量平衡问题。

2 设计方案

1)锅炉汽包水位的三冲量控制方式:汽包水位采用三冲量控制，将蒸汽流量作为前馈信号，把给水流量作为控制信号，组成汽包水位的三冲量控制系统［3］。

2)系统硬件配置:控制器主要由PLC 构成，采用西门子300 PLC 为开发平台，通过输入输出模块将现场采集的信号送入到PLC 控制器。

3)模糊PID 控制器设计。

2.1 系统工作原理［4］

在分析汽包水位控制的要求和特点的基础上，针对性地设计“双输入－单输出”汽包水位模糊控制系统，其原理框图如图2 所示。

图2 汽包水位模糊控制系统框图

水位偏差和蒸汽流量偏差作为输入:模糊推理结果经解模糊后得到的μ 作为输出，控制汽包进水阀门开度;规则库存储由专家的知识和经验归纳总结得到的控制规则。

工作时，水位偏差el和蒸汽流量偏差ef通过量化因子Kf和El转换成［－6，+6］之间的等级值Ef和El(Ef和El是与ef和el对应的语言变量);再经模糊化，转换成模糊型变量Ef和El送入推理机推理，得到推理结论u(迷糊集型变量);然后解模糊，转换成［－6，+6］间的等级值，再经比例因子Ku 转换成精确的控制量u，用于控制汽包进水阀的开度，进水阀选用线性流量特性。当汽包负荷突然变大，f 上升，因“虚假液位”使l 上升时，由模糊控制规则确保控制量适当上升，从而克服蒸汽流量变化的干扰，若蒸汽流量保持正常，在水位发生变化时同样由模糊控制量做出适当变化，改进进水阀开度，使水位回到正常位置。

2.2 输入变量的模糊化及推理结果的解模糊

输入变量(精确量)ef由下式转换成［－6，+6］间的等级值Ef:

Ef={Kf〔ef－(efmax－efmin)/2〕}式中:(efmax，efmin)为实际流量偏差取值范围;{}表示按四舍五入取整;Kf=12/(efmax－efmin)。

输入变量el用同样的方法转换，得到El。

由于执行机构只能接受一个确定的控制量，推理机输出的推理结论应经解模糊和转换过程得到相应的精确控制量u。在此，采用最大隶属度判决法解模糊［5］得到的等级值U:

式中:Umax是输出量模糊子集隶属度最大所对应的控制元素。得到U 后再由下式转换得到控制量的精确值:

式中:(umax，umin)为控制量变化范围;{}表示按四舍五入取整;

与等级值Ef，El和U 分别对应的模糊集Ef，El和U 均取7 个模糊子集，其语言值分别为{正大，正中，正小，零，负小，负中，负大﹜简记为{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB﹜.表1～表3 分别给出相应等级值与模糊子集的隶属度函数赋值表。

表1 语言变量Ef隶属度函数赋值表

表2 语言变量Ei隶属度函数赋值表

表3 语言变量U 隶属度函数赋值表

2.3 建立模糊控制规则表及模糊关系

详细分析锅炉汽包实际运行情况，全面总结归纳专家的汽包水位控制经验和知识，可以得到一套控制规则，由这些控制规则可构造出控制规则表(表4)。

表4 控制规则表

根据每一条控制规则表，可以分别求出对应的模糊关系Rij:

式中:* 表示模糊序列的直积;i 表示控制表的第i 列;j 表示控制表的j 行;i，j，k=﹛1，2…，7 ﹜。

整个系统总控制规则所对应的模糊关系为

求出R 后，就可以进行模糊推理，得到相应控制量的变化U，齐推理机制如下:

式中:El* Ef为推理小前提，R 为推理大前提;U 为推理结论;o 为模糊矩阵的合成运算。

2.4 模糊PID 控制算法在PLC 中编程实现

模糊PID 控制算法在西门子300 PLC 上采用语句表编程方式编程实现。采集误差信号和误差变化量信号，将其模糊化到语言变量的论域，采用离线计算的方式将模糊规则制成模糊查询表(表5)，通过在线的方式查询模糊控制量输出，最后将PID 参数校正值与基准值相加，获得PID参数瞬时值，最后进行PID 运算，计算得控制量到控制对象执行器。在PLC 中，使用FB 功能块和DB 数据块来实现模糊控制算法。首先离线计算好模糊关系查询表，把比例因子值、误差的上下限值和模糊关系查询表R 送到DB数据块中存储起来。在DB 数据块中，模糊关系R 要按倾序排放，即按顺序先输入第一列，再输入第二列，第三列，然后在FB 功能块中完成计算查询表功能。接着，由模糊化子集和模糊关系风求出模糊决策。在程序里，这部分使用比较指令和循环嵌套来完成。最后，用最大隶属度法，再进行PID 增量式运算得输出控制量［6］。

表5 控制查询表

3 结语

根据锅炉控制系统的特点，分析了锅炉汽包水位控制系统的控制任务及控制目标，针对工业过程中出现的非线性、大滞后、强耦合、难于控制的工业锅炉控制对象的特点，在传统PID 控制器难以达到理想控制效果的前提下，结合当前发展比较迅速的模糊控制理论，使用模糊控制理论和PID 相结合的控制器来改造原有的ID 控制方式，结合PID 控制中稳态精度高的优点，设计了模糊PID 控制器，使系统保持最优的瞬态参数，使模糊控制与PID 控制有机的结合起来，易于达到满意的控制效果。

［1］孙优贤，孙红.锅炉设备的自动化调节［M］.北京:化学工业出版社，1982.

［2］冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算［M］.3 版.北京:科学出版社，2003.

［3］李玲玲，等.工业锅炉水位三冲量控制系统的改进［J］.河北工业大学学报，2000(12).

［4］徐承宇.模糊控制与实践［M］.北京:地震出版社，1998.

［5］潘祥亮，罗利文.模糊PID 控制在工业锅炉控制中的应用［J］.2004(5).

［6］西门子(中国)有限公司，西门子S7-300/400PLC 编程软件使用手册.