基于遗传算法优化的汽包水位模糊控制算法研究

孙娜

摘要：本文通过在线调节比例、积分和微分三个系数，实现水位的自动控制。其次，针对三冲量控制中的前馈调节，设置前馈系数可调。最后通过遗传算法优化模糊PID控制器的参数初始值及模糊控制比例量化因子，以获得更好的水位控制效果。Simulink仿真实验表明，所设计的控制方案在超调量和稳定时间方面等具有良好的控制效果。

关键词：机理模型；模糊PID；汽包水位；串级三冲量

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0131-02

汽包水位是锅炉是否安全运行的重要指标之一，它体现了锅炉负荷和给水流量之间的平衡。学者们对此进行了大量的研究。陈鸿伟[1]等人对影响汽包水位的因素及其如何影响做了全面的分析；刘鑫屏[2]等人在模型中引入实际锅炉运行数据，验证了虚假水位主要是受锅炉燃烧状态及汽包压力变化影响的结论；引入蒸汽流量的三冲量也常用于解决虚假水位的问题。对于控制滞后性及模型的非线性问题，研究者们提出了预测控制，神经网络，模糊PID控制及灰色处理等先进控制策略，用于汽包模型的建立及控制器参数的调节。本文以串级三冲量控制策略为基础，针对汽包水位调节的滞后性及虚假水位问题，提出了一种基于遗传算法参数优化的汽包水位模糊PID控制方法，以改进在锅炉大负荷工况变化时汽包水位的控制效果，保证锅炉的安全稳定运行。

1 锅炉蒸发系统模型及分析

本文采用四阶的自然循环锅炉汽水系统模型作为控制对象，该模型用汽包压力和液态水的体积；描述上升管中的蒸汽质量百分比和描述汽包液面下蒸汽体积的来描述锅炉蒸发系统的动态特性。引入汽包压力和汽包液面下体积两个状态量能够很好的反映汽包水位存在的“虚假水位”特性。

锅炉作为船舶动力的主要提供装置，它需要能够适应船舶工况的变化来及时调整产汽量，而汽包水位是其蒸汽供给是否平衡的一个体现。汽包水位在负荷减少时，水位先降低，后上升。水位下降是由虚假水位的体现，并且通过对比不同下降幅度时的变化情况可知，负荷下降的幅度越大，汽包虚假水位也越严重。水位上升是由于给水流量不变，蒸汽流量需求降低，系统的输入输出的不平衡导致。

2 汽包水位控制器设计

2.1 串级三冲量设计

汽包水位的单冲量控制难以满足水位控制的需求，因此引入蒸汽流量前馈信号和给水流量串级信号构成汽包水位调节的三冲量控制。

蒸汽负荷扰动带来的汽包压力变化是导致虚假水位產生的直接原因。本文对常用的三冲量控制进行改进，采用自适应的前馈通道的系数，该方式可以根据负荷变化的大小自动调整前馈系数，达到增强或者减弱前馈作用的目的。在此基础之上将给水流量信号作为控制的副调节信号，可以有效克服给水二次扰动，保证汽包水位的稳定。

2.2 模糊PID控制器设计

模糊控制是一种对过程的控制，即使控制模型不够精确也能获得良好的控制效果。

模糊控制器的设计主要分为3个步骤：

2.2.1 确定输入输出量

本文设计的模糊PID控制器为双输入三输出构，输入为误差和误差的变化量，输出为、和三个PID系数。输入加入误差的变化量来判断过程中误差的变化方向，以加快控制过程，提高系统的快速性。

2.2.2 确定模糊规则

定义输出量的模糊集合分别为、和，模糊PID控制器的整定规则如下：（1）当误差偏差很大时，无论误差变化率EC如何变化，为了尽快的消除系统偏差，应该取较大的和。如果此时误差和误差变化率的符号相同，表示误差将继续增大，此时应选取较大的，反之则选取较小。（2）当误差偏差适中时，为了使系统的超调量减少同时保证一定的响应速度，应该取得小一点，和的大小应取得适当。（3）当误差偏差较小，即系统趋于稳定状态时，为了使系统具有良好的稳态性能，缩短系统的调节时间，取适当的和较小的。注意此时的不应取得过大，否则系统对扰动敏感加剧，系统产生震荡。

2.2.3 输出解模糊

本文采用模糊控制箱中提供的面积平分法（bisector）进行解模糊。模糊论域到基本论域的变换由比例因子完成，比例因子由公式得出：，其中：为输出量基本论域范围。

2.3 遗传算法进行参数优化

遗传算法中，需要选择的参数主要有个体的长度l、种群的大小n、交叉概率Pc和变异概率Pn等，这些参数对GA的性能影响很大。

模糊PID控制器是在已知PID初始值上根据蒸汽负荷的变化对比例、积分和微分三个系数进行调整，使同一个控制器能够适应不同的工况。遗传算法的优化计算可以在限定的搜索空间中根据选择的性能指标找到最优参数值，极大的简化了PID参数的整定过程。运用遗传算法对汽包水位的PID参数初始值进行寻优。

设置种群大小为50，经过30代的进化后，获得最优的初始PID参数为Kp=261.98，Ki=1.14，Kd=11.59。

模糊控制中的量化因子和比例因子是实现基本论域与模糊论域之间转换的桥梁。以量化因子为例，在汽包水位的控制问题中，量化因子选择过大，会导致控制作用太强而使响应超调大甚至出现不稳定；量化因子过小则降低了控制规则的有效性，导致水位调节的快速性减慢。

3 仿真结果及其分析

假设锅炉满负荷启动（16kg/s），待达到稳定运行时，在1500s时减40%负荷，之后在3000s时再减30%负荷。汽包水位在经过GA算法参数优化的模糊PID控制和未经优化的模糊PID控制策略下的水位响应曲线和给水流量响应曲线如图1和2所示。

由曲线可知，负荷突然减少导致汽包压力突增，汽包液位出现短时下降，此时的水位不能真实反映负荷和给水流量之间的需求关系，锅炉实际的给水需求量应该是减少的。传统的PID控制单一以汽包水位作为冲量，水位降低从而增加进入汽包的给水流量，这造成之后汽包水位的超调量增大，调节时间延长。而加入了蒸汽流量前馈的串级三冲量控制则能够在负荷减少时判断真实给水流量需求，从而适当减小给水流量，保证汽包水位的稳定。

4 結语

本文采用机理建模的方式建立了锅炉蒸发系统的数学模型，相比简单的传递函数方式更能反映锅炉内部各个重要参数的动态特性。通过对锅炉减负荷时的水位仿真，得到了不同负荷变化幅度与虚假水位间的关系。之后，针对锅炉汽包水位调节存在的滞后性及虚假水位问题，设计了一种基于遗传算法优化的串级三冲量模糊PID控制方案，并且，将全局寻优的遗传算法运用于PID参数初始值的整定及模糊模糊控制中比例和量化因子的优化。改进的水位控制策略在锅炉大负荷工况变化下汽包水位的调节时间明显快于普通的模糊PID控制，同时减轻虚假水位对水位调节的影响，使其调节能够好的适应船舶复杂的工况变化。

参考文献

[1]陈鸿伟，许振宇，杨博，等.锅炉汽包水位影响因素分析[J].电站系统工程，2007，（02）：32-33.

[2]刘鑫屏，田亮，刘吉臻.锅炉汽包虚假水位特性研究[J].中国电机工程学报，2009，（32）：1-5.

Abstract：This paper achieves the automatic control of water level by adjusting the three factors of proportional， integral and differential on-line. Secondly， for feedforward regulation in three-impulse control， set the feedforward coefficient to be adjustable. Finally， the initial parameters of fuzzy PID controller and fuzzy control proportional quantification factor are optimized by genetic algorithm to obtain better water level control effect. Simulink simulation experiments show that the designed control scheme has good control effect in terms of overshoot and stabilization time.

Key words：mechanism model； fuzzy PID； drum water level； cascade triple impulse