汽包水位模糊控制研究

胡 昊，顾 波，王 明

(华北水利水电大学，河南 郑州450045)

汽包水位间接地反映了锅炉内物质平衡状况，它是表征锅炉安全运行的重要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的重要条件之一.汽包水位过高、过低都会影响机组的正常运行，因此必须维持汽包水位在规定范围内.但是随着大容量高参数电站锅炉的广泛投运，锅炉容量越来越大，造成汽包的容水量相对变小，允许波动的蓄水量就更少，这对汽包水位控制提出了更高的要求.因此，用先进控制策略研究汽包水位的控制有着重要意义［1］.

目前，汽包水位控制有单冲量、双冲量和三冲量3 种基本控制方式［2］，均难以满足现场控制要求.为了更好地解决汽包水位的时变性、非线性和虚假水位问题，神经网络控制［3］、自抗扰控制［4］和模糊控制等先进控制方法得到了广泛研究. 文中基于模糊控制理论建立了汽包水位模糊自整定PID 控制系统，并将其与传统PID 控制系统进行了对比研究，在动态响应速度、超调量、虚假水位控制等方面取得了较好的效果.

1 模型和仿真

汽包水位是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映，主要的扰动为给水流量、蒸汽流量、汽包压力、炉膛热负荷等，但对水位的影响系数各不相同.其中给水流量和蒸汽流量的影响系数最大，前者称为内扰，后者称为外扰.由于内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，外扰时存在“虚假水位”现象，因此为了满足生产对控制品质的要求，电站汽包锅炉普遍采用三冲量给水自动控制系统，包括单级三冲量和串级三冲量.串级三冲量给水控制系统与单级三冲量相比，给水控制的任务由两个调节器来完成:主调节器采用比例积分控制规律，以保证水位无静态偏差;副调节器采用比例调节器，以保证副回路的快速性［5］.因此串级系统工作更合理，控制品质更好一些.

给水流量扰动下，汽包水位动态数学模型为

式中:ε 为响应速度，(mm·s－1)/(t·h－1)，表示给水流量改变一个单位流量时的水位变化速度;τ 为延迟时间，s.

主蒸汽流量扰动下，汽包水位的动态特性可用下面近似传递函数来描述:

式中:T2为H2曲线的时间常数;K2为H2曲线的放大系数.

1.1 基于传统PID 控制的汽包水位控制系统

对系统分析和整定，组成的串级三冲量给水控制系统组态如图1所示. 其中需要整定的参数有Kp，Kp2和Ti.对参数取值、优化可得到如图2所示的最优化曲线.

图1 串级三冲量给水控制系统组态图

图2 最优化曲线

最佳整定参数为:Kp=1.919 9，Kp2=1.406 8，Ti=99.821 2.图2表明:该系统可以及时消除蒸汽量变化和给水流量波动的干扰，具有较高的调节质量和调节精度，可以维持汽包水位，保障机组的安全、稳定运行.

1.2 基于模糊自整定PID 控制的汽包水位控制系统

由于传统PID 控制系统的参数是固定不变的，而汽包水位具有非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等主要动态特性，因此在稳定工况下一般可以自动运行，但在系统运行动态大幅度变化情况下，系统不能自适应调整，造成系统不稳定，甚至失控.模糊自整定PID 控制器以误差e 和误差变化率ec 为输入量，可以满足不同时刻的e 和ec对PID 参数自整定的要求［6］.利用模糊控制规则在线对PID 参数进行修改，可使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于实现.

采用二维模糊控制器结构形式，取锅炉汽包水位的偏差e 和偏差变化率ec 为其输入量，将其变化范围定义为模糊集上的论域.基本论域e =［－0.1，0.1］，ec =［－0.02，0.02］;量化论域e，ec =［－3，3］;模糊子集为:{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}. 设其模糊语言变量分别为E，EC. 输出量为PID 控制器参数的Kp，Ki，Kd，将Kp，Kd量化到区域(－3，3)内;Ki量化到区域(－0.6，0.6)内.设e，ec 和Kp，Ki，Kd均服从高斯分布，采用加权平均法进行模糊判决，可得到Kp，Ki，Kd的模糊控制推理输出曲面，如图3—5 所示.

图3 Kp 模糊控制推理输出曲面图

基于前述锅炉汽包水位串级三冲量控制系统，建立模糊自整定PID 控制方式的控制系统仿真模型，如图6所示.

2 结果比较

在前述各参数都不改变的前提下，给系统只加入蒸汽流量外扰信号(step =1)，动态响应曲线如图7所示.

图4 Ki 模糊控制推理输出曲面图

图5 Kd 模糊控制推理输出曲面图

图6 汽包水位模糊自整定PID 控制系统

图7 外扰时的曲线

只加入给水内扰信号(step =1)，动态响应曲线如图8所示.

只加入汽包水位扰动信号(step =1)，动态响应曲线如图9所示.

分别单一给定流量扰动信号、给水扰动信号、汽包水位扰动信号，通过对比输出曲线可以发现，模糊自整定PID 控制调节时间比较短，超调量比较小.

蒸汽流量扰动信号(step =1)、给水扰动信号(step=1)和汽包水位扰动信号(step =1)同时加入时，动态响应曲线如图10 所示.

图8 给水扰动时的曲线

图9 汽包水位扰动时的曲线

图10 3 种扰动同时加入时的曲线

对比分析图7—10 可以发现:①模糊自整定PID 控制系统的超调量比较小;②模糊自整定PID控制系统的调节时间小，振荡周期短;③用模糊自整定PID 控制方式，系统的静态特性和动态特性都较好，取得了良好的控制效果，说明该系统自适应能力强.

3 结 语

通过对基于传统PID 控制和模糊自整定PID 控制的汽包水位控制结果进行仿真对比研究，可以得出以下结论:基于模糊控制设计的二输入、三输出模糊自整定PID 控制器，能够对锅炉汽包水位进行控制，实现了PID 参数的自整定.模糊自整定PID 控制系统可以使串级三冲量给水控制系统性能得到很好的改善，达到了动态响应快，超调小、稳态误差小，同时对虚假水位有着较好的控制效果.

［1］刘洪波，李少远. 火电机组先进智能控制及其应用［M］.北京:科学出版社，2005.

［2］边立秀，周俊霞，赵俊松，等.热工控制系统［M］.北京:中国电力出版社，2001.

［3］李仙. 基于模糊神经网络的锅炉汽包水位控制研究［D］.重庆:重庆大学，2007.

［4］卫才望.基于无模型自适应的汽包水位控制研究［D］.太原:太原科技大学，2010.

［5］刘吉臻.协调控制与给水全程控制［M］. 北京:中国电力出版社，1995.

［6］张国良.模糊控制及其MATLAB 应用［M］.西安:西安交通大学出版，2003.