船用蒸汽发生器水位的模糊自适应PID控制

张永生，赵淑琴

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

蒸汽发生器作为船用核动力装置的重要设备，其水位控制十分重要，直接关系到系统的安全稳定运行。目前，无论是在陆上核电厂还是舰船核动力装置中，蒸汽发生器的水位控制一般采用常规三冲量PID控制，智能控制的应用尚不多见［1］。但因蒸汽发生器是一个非线性、时变、大滞后的系统，而常规PID控制器的参数整定又存在局限性，因而控制效果并不理想。基于模糊控制理论的模糊自适应PID控制器是模糊控制与常规PID控制的结合，它能根据模糊控制规则对PID水位控制器的参数进行在线调整，可改善控制系统的控制效果。文献［2-4］对锅炉汽包水位的模糊自适应PID控制进行了研究，实现了PID参数的在线整定，其仿真结果表明了模糊自适应PID控制的有效性。

本文将把模糊自适应PID控制应用到船用蒸汽发生器的水位控制中，以提高水位控制器的动态性能和舰船的机动性；将采用集总参数化模型［5］，设计一种基于模糊控制理论的蒸汽发生器的模糊自适应PID水位控制器，并通过仿真试验来验证这种水位控制器的有效性。

1 模糊控制系统设计

1.1 模糊自适应控制原理

基于模糊控制的基本原理，本文研究设计了一种蒸汽发生器的模糊自适应PID水位控制器，图1所示为控制原理图。其中，水位控制器为模糊自适应PID控制器，流量控制器采用常规的PI控制器。模糊控制器是以水位的偏差E和偏差变化率EC为输入量，输出量为PID参数的修正量Kp，Ki和 Kd。蒸汽发生器的模糊自适应PID控制器就是根据当前的水位偏差E和偏差变化率EC，通过模糊推理不断地调整PID的参数来实现PID控制器参数的在线整定。图中，L0为水位设定值；L为水位测量值；Qs为蒸汽流量；Qfw为给水流量；α1为蒸汽流量传感器；α2为给水流量传感器；α3为水位传感器。

图1 模糊自适应PID控制原理图Fig.1 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID control

1.2 模糊控制器的设计

模糊控制器的控制精度随模糊控制器维数的增加而提高，但模糊控制规则却更加复杂，控制算法更加难以实现。因此，本文采用二维模糊控制规则设计蒸汽发生器的模糊自适应PID水位控制器，模糊控制器的各语言变量：E为水位误差，EC为误差变化率，Kp，Ki和Kd为控制量，它们的论域均为［-6，6］。模糊子集为NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中）和PB（正大），E，EC，Kp，Ki，Kd的隶属度函数如图2所示。

1.3 模糊控制规则表设计

模糊控制器根据模糊控制规则进行模糊推理对PID参数进行在线整定。模糊控制规则是设备操作经验的总结，其中包含了现场可能出现的各种情况的操作经验［6-8］。对于不同的E和EC，Kp，Ki和Kd的整定原则如下：

图2 隶属度函数Fig.2 Membership function

1）当E较小时，为了调高系统的稳定性，Kp与Ki均应取得较大。同时，为了避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性，当EC较大时，Kd可取得较小；而当EC较小时，Kd可取得较大。

2）当E中等大小时，为了减小系统的超调量，Kp应取得较小。此时，Kd的取值对系统的影响较大，应取得较小，而Ki的取值则要适当。

3）当E较大时，为了提高系统的跟踪性，Kp应取得较大，Kd应取得较小。同时，为了减小系统的超调量，应限制积分项的作用，通常取Ki=0。

模糊自适应PID控制器的参数Kp，Ki和Kd的模糊控制规则［9-10］如表1～表3所示。

表1 Kp的模糊控制规则表Tab.1 Fuzzy control rule table ofKp

表2 Ki的模糊控制规则表Tab.2 Fuzzy control rule table ofKi

表3 Kd的模糊控制规则表Tab.3 Fuzzy control rule table ofKd

2 仿真结果分析

为了验证所提模糊规则的有效性，运用Matlab/Simulink仿真平台，建立蒸汽发生器的集总参数化数学模型，将反应堆简化为一个热源，考虑了一回路向二回路传递热量时的延时特性（即热惯性）。设计并实现了蒸汽发生器的模糊自适应PID水位控制器，控制规则表（以Kp为例）的三维外观图如图3所示。

图3 控制规则表的三维外观图Fig.3 Three-dimensional diagram of fuzzy control rule

对蒸汽发生器的变负荷工况进行了仿真试验：200 s之前蒸汽发生器100%负荷运行，200 s时蒸汽负荷阶跃下降30%。图4所示为上述工况下蒸汽发生器水位的动态变化趋势，其中，图的纵坐标数据作了无量纲化处理，为额定值与实际值的比值。

为便于分析比较，本文根据模糊自适应PID控制与常规三冲量PID控制，分别设计了相应的蒸汽发生器水位控制器。在常规三冲量PID控制的主控制器中，Kp=21，Ki=0.46，Kd=0。模糊自适应PID控制的主控制器的初始参数为Kp0=15，Ki0=0.1，Kd0=0，模糊控制器的输入量E和EC的量化因子分别为1和0.5，输出量 Kp，Ki，Kd的比例因子分别为0.1，0.1，0。由图4可看出，在变负荷工况过程中，与常规三冲量PID控制相比，模糊自适应PID控制的蒸汽发生器水位的超调量减小了约35%，调节时间缩短了约50%。它能使给水阀的动作更加平稳，减小了水位的波动，且对“虚假水位”也有一定的抑制作用。

图4 水位的动态变化趋势Fig.4 Dynamic trend of water level

3 结 语

由上述仿真结果可以看出，蒸汽发生器的模糊自适应PID控制器是通过模糊推理，在线整定PID控制器的参数来对水位进行控制的，其与常规PID控制器相比，超调量减小了约35%，调节时间缩短了约50%。模糊自适应PID控制器不仅减少了蒸汽发生器水位的波动，而且对“虚假水位”也有一定的抑制作用，改善了水位控制系统的控制效果。

［1］张永生，马运义，高伟，等.核动力蒸汽发生器水位的前馈反馈控制［J］.船海工程，2010，39（4）：132-134.ZHANG Yongsheng，MA Yunyi，GAO Wei，et.al.Feedforward-feedback control of water level for the nuclear powered steam generator［J］.Ship and Ocean Engineering，2010，39（4）：132-134.

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