液位控制

微型锅炉液位模糊PID控制
李兰君1,2，喻寿益1，高嵩2，秦业3
（1.湖南长沙中南大学信息科学与工程学院410083；2.湖南衡阳南华大学电气工程学院421001; 3.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院100083）
摘要：本文研究基于Profibus现场总线和以太网两级网络的过程控制系统实验装置，被控对象是模拟电热锅炉。

重点介绍了模糊PID控制算法在锅炉液位控制实验系统中的应用，说明了实验原理和实验教学应用软件设计开发过程。

实验结果表明，在Fuzzy-PID控制下，系统的动、静态性能均优于传统的PID控制器。

关键词：模糊PID控制，鲁棒性，微型电热锅炉，过程控制网络
中图分类号 TP273 文献标识码 B
Fuzzy-PID Control of Micro-size Boiler’s Level
LI Lanjun1,2, YU Shouyi1, GAO Song2,QIN Ye3
(1. College of Information Science and Engineering, Central South University,
Changsha, Hunan, 410083; 2. School of Electrical Engineering, Nanhua University, Hengyang, Hunan, 421001; 3.School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronautics & Astronautics, Beijing, 100083)
Abstract: A process control system based on two-level networks—Profibus and Ethernet for experimental equipment is studied in this paper. The controlled object is a process imitating the electrothermal boiler. The application of fuzzy-PID control to the boiler’s level control experiment is emphasized by exhibiting the experiment principle，the design and development process of the experimental teaching application software. The field test shows that with Fuzzy-PID control the system’s dynamic and stationary performances are better than with classical PID control.
KEY WORDS：Fuzzy-PID control; Robustness; Micro-size electrothermal boiler; Process control network
1、引言
电热锅炉是一种将电能转换成热能，生产蒸汽或热水的装置[1]。

可以满足高层建筑、商业、小型工矿企业、车、船舶工业等领域的需要。

电热锅炉同其它燃料锅炉相比，主要的特点有：热效率高；体积小，结构紧凑，不需燃料及燃烧废渣堆放场地；可实现无人值守的全自动控制；控制迅速灵活，操作简单方便，负荷调节性能佳；维修简单方便；安全性能好，使用寿命长。

目前，在我国的工业过程生产中，电热锅炉已经得到了广泛的应用。

基于以上电热锅炉的特点，我们开发出了微型电热锅炉控制系统实验装置，该装置是一个微型的锅炉加热、给排水系统，它模拟实际的工业现场应用的电热锅炉，具有真实性和直观性。

该实验装置控制系统底层选用S7系列PLC，利用Profibus现场总线连接I/O过程站，上层采用4台PC作为工程师站和操作员站，和PLC用以太网连接，供学生做实验进行操作，这样构成的控制系统具有多种类型的输入输出信号，便于模拟生产过程各种运行状态，系统结构和控制方式具有多样性和典型性。

本文以锅炉液位控制为例来研究实际生产过程的控制。

2、液位控制系统实验
液位控制系统由锅炉，电磁阀VD1/VD2、电动阀VC1/VC2、液位变送器LT3，水泵等组成。

系统被调参数是锅炉的液位，调节参数是流入锅炉的水流量。

另外可选择电磁阀VD1/VD2的通断为系统的扰动量，模拟实际生产过程中的用水量的变化和冲击负荷的扰动。

其系统框图如图1所示。

一个锅炉要正常运行,锅炉液位是一个很重要的参数，锅炉液位过低会影响蒸汽产生量, 也容易烧干而发生严重事故; 液位过高则又使蒸汽夹带着水并有溢出之危险[2]。

因此,操作人员就必须严格的控制锅炉液位的高低以保证其正常运行。

传统的液位控制多采用经典的PID 或PI 控制[3]。

他们对于液位变化不明显、系统不受干扰或干扰不频繁、幅度不强的情形是有效的；然而，实际工业生产过程中的液位系统通常是时变的，并且具有滞后特性，这时常规的PID 或PI 控制很难保证控制精度，而且参数调整也比较麻烦。

因此，在过程控制实验系统的设计与开发也要可以实现多种控制算法，改变控制参数，互相比较控制效果，才能达到丰富实验教学内容的要求[4,
5]。

本系统既可以应用传统的数字PID 控制算法进行实验，也可以通过Fuzzy-PID 控制器进行实验。

2.1 模糊PID 控制
典型PID 只能利用一组固定参数进行控制,这些参数不能兼顾动态性能和静态性能之间的矛盾。

为此,控制系统引入模糊推理,在PID 控制参数初值基础上通过增加修正量进行整定,改善系统动态性能和稳态性能。

模糊PID 控制系统框图如图2所示,模糊控制器以偏差e 和偏差变化率ec 作为输入,修正参数kp ∆、ki ∆、kd ∆为输出,则PID 控制器的参数kp 、ki 、kd 为式(1)所示,其中
0kp 、0ki 、0kd 为PID 初值。

kp kp kp ∆+=0，ki ki ki ∆+=0，kd kd kd ∆+=0 (1)
本系统PID
))2()1(2)(()())1()(()1()(−+−−++−−+−=k e k e k e k k e k k e k e k k u k u d i p (2)
其中u(k)为当前时刻的控制量，u(k-1)为上一时刻的控制量，e(k)为当前时刻的给定量和检测量的偏差，e(k-1)为上一时刻的偏差，e(k-2)为两个时刻前的偏差。

在偏差论域E 、偏差变化论域EC 、比例系数修正参数论域kp ∆、积分系数修正参数论域ki ∆和微分系数修正参数论域kd ∆上分别定义模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，并简记为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，模糊语言变量采用正态分布函数)
(
(2
i
i b a
x e
−−。

从PID 控制特点知道：积分作用强，系统超调大，响应快；微分作用强，系统稳
定性好，超调小，抑制干扰能力下降。

依据人们通过对PID 控制理论的认识和长期人工操作经验的总结 [6,7]列出一组以模糊语句进行描述的参数调整规则, 针对不同的E 和EC 得到
kp ∆、ki ∆、kd ∆的模糊控制规则如表1所示，使用加权平均原则将kp ∆、ki ∆、kd
∆经
图1 液位控制系统结构框图
过清晰化转换后，代入式（1）得出的kp、ki、kd参数经过下位机的PID控制器模块计
图3 模糊PID流程图
2.2 模糊PID 控制程序
模糊PID 控制器在一个周期的控制程序框图如图3所示，修正参数kp ∆、ki ∆、kd ∆的计算是在上位机中完成，PID 控制输出u(k)的计算在下位机PLC 中完成。

3 实验结果分析
基于上述的模糊PID 控制原理，本系统在上位机用WinCC 开发了液位模糊控制实验平台。

先利用标准的PID 算法对电热锅炉水位控制系统进行实验，选取多组PID 参数进行实验，在实验中通过历史曲线归档得到不同的Kp 、T I 、T D 参数下PID 实时控制曲线。

设定锅炉水位的期望输出为50％，控制参数为Kp ＝5、 T I ＝1.5、 T D ＝1，响应曲线如图4a 所示，从控制曲线可以看出，在这组参数下，超调量较小，也没有出现明显的振荡，能满足控制效果，但是系统达到稳态的速度较慢。

取PID 参数的初值分别为Kp ＝5、 T I ＝1.5、 T D ＝1，在Fuzzy-PID 作用下液位变化曲线如图4b 所示, 从曲线中可以看出，与同组初始参数的经典PID 控制相比，加入Fuzzy-PID 控制后，实验系统响应较快，基本没有超调，控制效果比较理想 ,具有较好的动态性能和稳态性能。

在模糊PID 实验过程中，当锅炉水位达到稳定后，用进水电磁阀VD1对系统产生扰动，系统的液位输出如图5所示，可以看出在加入扰动后，系统能够快速的响应，并在一次振荡后迅速地再次达到稳态。

4 结论
模糊控制不依赖于对象的精确模型，能够很好的克服过程对象的惯性，滞后等影响。

本系统既可以应用传统的数字PID 控制算法进行实验，也可以通过Fuzzy-PID 平台采用模糊PID 控制器进行实验，实验结果表明，在Fuzzy-PID 控制下，系统的动、静态性能均优于传统的PID 控制器，充分体现了FUZZY-PID 控制的优点：不仅具有较快的响应速度，而且也有良好的控制精度，同时对系统参数的变化具有很强的鲁棒性。

图5 扰动作用下模糊PID 控制曲线
本文作者创新点：针对2级网络控制的微型电热锅炉液位控制进行了开发，除了开发常规PID及改进算法外，也开发出了“Fuzzy-PID控制平台”。

该实验系统已经投入教学应用，用户反应良好，达到了设计目标和要求。

参考文献
[1]张文胜，龚希波. 电热锅炉的市场前景和发展方向[J]. 能源工程，2001(5)52～55.
[2]厉玉鸣. 化工仪表及自动化[M]. 北京:化学工业出版社, 1991.
[3]高东杰，谭杰，林红权。

应用先进控制技术[M]. 北京:国防工业出版社，2003.
[4] Ge M, Chiu M S, Wang Q G. Robust PID controller design via LMI approach. Journal of process control, 2002,12：3～13.
[5]徐庆龙.智能PID算法在远程液位控制系统中的应用[J].微计算机信息,2003, 12：19-20.
[6]诸静.模糊控制原理与应用[M]. 北京:机械工业出版社，1995.7.
[7]吕春兰. 基于模糊自整定PID参数控制器的设计[J].吉林化工学院学报, 2002.6.33-35.
作者简介：李兰君（1965-），女（汉族），湖南攸县人，南华大学副教授，博士生，主要从事控制理论与控制工程的教学与研究。

基金资助：国家自然科学基金资助项目（60634020），湖南省自然科学基金资助项目（03JJY5018）
Biography: LILanjun(1965-), Female, Hunan, Nanhua University, Associate Professor. Research area: Control theory and control engineering.
- 5 -。