基于PID参数模糊自整定的船用锅炉水位控制器设计与仿真研究
锅炉水位模糊控制仿真与研究
锅炉水位模糊控制仿真与研究摘要：锅炉属于我国工业生产与生活上应用面最广、数量最多的生活设备之一。
其中，锅炉的水位控制环节是锅炉控制系统当中的一个十分重要的环节。
保证锅炉的水位是否处于一个标准的范畴之内，对于锅炉是否能持续的安全可靠的工作是一个关键保障。
也是对锅炉能不能够正常生产工作的一个重要考察。
锅炉的汽包水位系统具有强非线性，时变大，强耦合，多哥变量等一些复杂特性。
在构建锅炉汽包的水位调节的数学模型基础上，应用模糊控制理论来设计锅炉汽包水位控制系统。
应用模糊控制来控制锅炉水位。
同时，介绍了控制器的构建和仿真分析。
MATLAB上位机用于水位控制系统的仿真。
模糊控制算法与传统方法的结果显示，模糊控制器明显的改善了锅炉水位控制系统特性。
所以，完成了锅炉汽包水位的最优实时控制。
基于模糊控制的应用，本课题设计了一种模糊控制器。
同水平PID控制器与单级PID控制器比较，状态水平控制器由于具有较小的超调量，较短的建立时间等特点。
更加适用于锅炉液位控制。
工业锅炉的汽包水位控制是锅炉控制系统中主要技术指标之一。
由于假水位现象（FWL），根据人工调整中的人为思维过程，引入了三个测量信号，即鼓水位，供水流量和蒸汽流量，并采用模糊控制算法计算控制体积，构成前向级联三脉冲模糊控制系统。
基于MA TLAB的建模和仿真结果表明，该算法比传统PID控制具有更好的效果。
关键词：锅炉水位，模糊控制，MATLAB仿真AbstractBoiler is the most extensive and largest number of thermal equipment in industrial production and life in China. In the boiler control, the boiler water level control system is the most important link. Maintaining the boiler water level within the specified range is a necessary condition for ensuring the safe production and operation of the boiler, and is also one of the main indicators for the normal production and operation of the boiler. The water level of the boiler drum has nonlinear, time-varying, strong coupling, multi-variable and other complex characteristics. On the basis of establishing the mathematical model of boiler drum water level adjustment, the fuzzy control theory is used to design the boiler drum water level control system, and the fuzzy control is used to control the drum water level. At the same time, the design and simulation analysis of the controller are described. MATLAB software is used for verification and simulation of water level control systems. The comparison between the fuzzy control method and the traditional method shows that compared with the PID control, the fuzzy control significantly improves the static and dynamic characteristics of the drum water level control system. Therefore, the optimal real-time control of the water level of the boiler drum is achieved.Based on the application of fuzzy theory, this paper designs a state-level fuzzy controller for marine steam power system. Compared with the horizontal PID controller and the single-stage cascade PID level controller, the state level controlleris more suitable for the marine booster boiler liquid level control due to its smaller overshoot and shorter settling time. Industrial boiler drum water level control is one of the main technical indicators of the boiler control system. Due to the false water level phenomenon (FWL), according to the artificial thinking process in the manual adjustment, three measurement signals, namely the drum water level, the water supply flow rate and the steam flow rate, are introduced, and the control volume is calculated by the fuzzy control algorithm to form the forward cascade three pulses. Fuzzy control system. The modeling and simulation results based on MA TLAB show thatthe algorithm has better effect than traditional PID control.Keywords: Boiler water level, fuzzy control, MATLAB simulation目录1绪论 (5)1.1 研究背景及意义 (5)1.2 国内外研究现状 (6)1.3本文安排 (6)第2章锅炉水位控制系统介绍 (8)2.1 锅炉系统的组成 (8)2.2 传统控制方法 (8)2.3 现代控制方法 (9)3.模糊控制器设计 (10)3.1 锅炉水位模糊控制原理 (10)3.2 建立模糊关系 (11)3.3 状态点的设定 (12)4.仿真分析 (13)4.1 MATLAB软件平台介绍 (13)4.2 动态数学模型建立 (14)4.3 汽包水位数学模型 (15)4.4 水扰动实验 (17)5.总结 (19)致谢 (20)参考文献 (21)1绪论1.1 研究背景及意义锅炉工业是我国的传统大型的行业之一。
基于模糊PID控制的锅炉汽包水位控制系统的研究
摘要本文首先分析了影响汽包水位的各种干扰因素，并对汽包水位的动、静态特性进行分析。
介绍了传统的PID控制方式，由于锅炉汽包水位控制系统的调节器的输入端常加有三个不确定的输入量，极易引起水位控制偏差。
所以本文提出了两种消除水位偏差的方法：辅助信号自消方法和辅助信号对消方法。
采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差，根据锅炉汽包水位控制实际要求，采用模糊PID控制，用MATLAB中的SIMULINK仿真工具箱设计了二输入单输出模糊控制器对锅炉汽包水位进行在给定值下仿真。
并用常规PID和模糊PIDF方法去控制汽包液位，对比两种控制策略下的防真图像，仿真图像表明后者的抗干扰能力和鲁棒性更好，可以保证水位的稳定，并且能有效解决用常规PID无法解决的“虚假液位”问题。
最后简单介绍几种由汽包水位测量方法及测量误差带来影响、及消除方法，通过现场实例解决了汽包水位测量不准的问题，减少了由于水位测量误差给汽包水位带来的不利影响。
关键词：汽包水位、虚假液位、PID控制、模糊PID控制、水位测量误差AbstractThis article first analyzes the impact of the drum water level of the various interfering factors,and drum water level of the dynamic and static analysis features.Introduced the traditional PID control,due to the boiler drum water level control system input regulator has three regular increase of the input uncertainty is very easy to control the deviation caused by the water level.Therefore,this paper two methods to eliminate the water level deviation: auxiliary signal from the elimination method and auxiliary signal cancellation method. The use of auxiliary steam flow signal and water flow rate on the elimination method to eliminate the water level deviation of the boiler drum water level control in accordance with practical requirements, the use of fuzzy PID control, the use of MATLAB simulation toolbox SIMULINK design two-input single-output fuzzy controller on the boiler drum the waterlevel to the next value in a given simulation. Using conventional PID and fuzzy control approach to PIDF drum level,compared to two control strategies of anti-real images,simulation images show that the latter's anti-interference ability and robustness better, can guarantee the stability of the water level, and can effectively solution can not be resolved with conventional PID "false level" problem.Finally, a brief introduction by the drum water level of several measurement methods and about the impact of measurement error, and the elimination method, through on-site example of the drum water level measurement solution to the problem of not allowed to reduce measurement error due to the water level to the negative drum water level impact.Key words: Drum water level、PID control、fuzzy PID control,、water level measurement error第一章绪论1.1 课题背景与意义目前，我国现有工业锅炉几十万台，各种工业炉窑十万余台。
基于模糊自整定PID的锅炉汽包水位控制研究
能够直接影 响到电厂的安全和经济效益 汽包水位是锅炉运行 中的重 进行模糊化处理 ． 通过查找相关的控制表 就可以得到相关参数 的调整 要参数 ． 也是衡 量锅炉水汽平 衡的重要指 标 ， 要保证 锅炉能够安 全运 量 ， 并完成对控制器的参数调整。
模糊控制器的输出量和输入量都是精确量 ． 需要将 精确量进行模 现抡起 机出现水击 ． 引起叶片 断裂或其他 的安全事故 ： 水 位过低 又会 糊化处理 ． 就需要在模 糊化 的控制过程 中实 现模糊 算法与精确算法之 影 响水冷壁 的水循环 ， 引起水冷壁过热 。 可能出现爆裂 。 间的转化。如果将 每个模糊量对应一个相应 的模糊集 ， 这样就会使得 目 前采用 的汽包水位控制一般是采用 冲凉控制 ． 它是对传统单 回 模糊集是有无限多个 的 ． 为 了能够简化 问题 ， 一般情况 下 ， 是将 精确量 路Ｐ Ｉ Ｄ的改进 ． 引入 了串级和前馈 控制环节 ． 使得控制 系统对于波动 进行离散化处理 ． 即将连续取值进行分档 ， 每一档对应一个模糊集。 控 具有较强地处理能力 。 但是 ． 当负荷变化较 大的时候 ． 常规 的系统控制 制系统中的偏差率及偏差 的实 际范 围也 叫做这些变量的基本论域。 在 质量就会 明显 的下降 ， 出现振荡和超调量增大 的情 况。不利于锅炉 的 锅炉汽包控制系统 中 ． 取汽包水位 偏差和偏差率 ． 对其进行模糊 化处 安全生产 。 理， 并将其模糊化到相关 的论域 。 模糊化过程是通过 比例变化法 ， 将采 行． 就必须要使 汽包保 持在合适 的范围之内。 水位较高 ， 能够影响汽包 内水 汽的分离 ． 会使 汽包 出口的饱 和蒸汽 含有较多 的水 汽 ． 甚至会 出
锅炉水位模糊PID控制系统的设计
模糊控制摆脱了精确数学模型的束缚，开辟了工业过程控制的一条新途径。模糊控制的优点就是不需要建立对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。因此研究适应性很强的模糊控制理论，以及它在锅炉水位系统中的应用是有非常重要意义的，不仅可以丰富完善模糊控制的理论体系，而且有广泛的应用前景。
基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将PID控制与模糊控制结合,取长补短，构成模糊自整定PID控制系统,作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用MATLAB对控制系统进行仿真。结果表明，该控制器自整定能力及鲁棒性比传统PID控制器更强，响应速度快、精度高，同时对虚假水位有较好的控制效果。
KEY WORDS:boiler drum water level，PID control，fuzzy PIDcontrol，MATLAB simulation
目 录
第3章模糊PID控制器设计的基本理论.................................13
锅炉水位模糊PID控制系统的设计
摘要
锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。
传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制，其控制效果还可以进一步提高。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，非常适合用于非线性、滞后系统的控制。
基于模糊自整定PID的锅炉汽包水位控制研究
２ 模 糊 自整 定 Ｐ Ｄ控 制器 的设 计 Ｉ
辛 模 自定 差 粤 委 ２ 制 结 设 包 警 控 系 ・ ． 器 构 计 炉 Ｊ 节 ！ １控 汽 水 给水 流量 和蒸 汽流量 ． 包位 ０ 该系统 是在 常规别 ，３冲 坌 理一Ｐ 控 形 … 想 Ｉ。 。示 式 Ｄ 一的 为
济运行 ． 对这 一 问题 ， 模 糊 自整 定 ＰＤ 算 法 应 针 将 Ｉ 用 于 ３冲量控 制系统 ， 以实 现对 锅 炉 汽包 水 位控 制 品
质 的改善．
图 １ 锅 炉 汽 包 水 位模 糊 自整 定 控 制 系统 原 理
１ 改进 的锅 炉 汽 包水 位 控 制方 案
第３ 期
朱 少华 ， ： 于模 糊 自整 定 ＰＤ 的锅 炉 汽 包水位 控制研 究 等 基 Ｉ
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或表示 为
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来实 现
目前 常用 的 ＰＤ 控 制 算 式 多 由增 量 式 差 分 方 程 Ｉ
第 ６卷 第 ３期
２０１ ０年 ７月
沈 阳３ 程 学 院学报 （自然科 学版 ） －
Ｊｕ ａ ｏ ｈｎ ａｇＩｓｔｔ ｏ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅ ｏ ｒ ｌ ｆ ｅｙ ｎ ｎｔｕｅ ｆ ｇｎ ｅ ｎ （ ａ ａ Ｓ ｉ ｃ ） ｎ Ｓ ｉ Ｅ ｉ ｕ ｅ
调节器 可 以实 现 控 制器 参 数 的 自整 定． 个 系统 由 ２ 整
个 闭合 回路和 １ 前 馈部 分 组成 ． 中 内回路 由给水 个 其 流量调节器 、 执行 器和给水 流量变 送器组成 ， 称为给水
基于模糊-PID控制的锅炉汽包水位自适应研究
具有 非线 性 、 非最 小相位 、 时滞和 负 荷干扰 的动 态特 性 。 践证 明， 实 模糊 控制 对上述 对 象较 为有 效 。 模 糊控 制 的稳态 精度 不 高， 了 但 为 解决 上述 问题 ， 将模 糊控 制 与传 统 ＰＤ控 制 相 结合 构成 模糊 一ＰＤ Ｉ Ｉ 控制 器 。 因此 ， 文 设计 出一 种优 于常 规模 糊控 制 的具 有参数 在线 本 校正 功能 的模糊 一ＰＤ控 制器 。 Ｉ
量或 给水 流量 变化 时 ， 汽包 水位 会 出现“ 虚假 水位 ” 的现象 ， 使系 统
水全 部汽 化烧 坏锅 炉 甚 至爆 炸造 成 更严 重 的设 备损 坏 事故 。 因此 控 制器 的 结构 如 图 ２ 示 。图 ２中 ｅ 所 为误 差 ： 为误 差变化 率 ；Ｙ ｅｏ 模 糊化 后 的误差 ； ｅ为模 糊化 后 的误 差变化 率 。
图 １ 汽 包 水 位 模 糊 ＰＤ 控 制 系 统 框 图 Ｉ
｛６ 一 ，４ 一 ， ２ 一 ， ， ， ， ， ， ， ｌ － ， ５ ＿ ，３ 一 ， １ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ，各 变 量 的 语
该 系统从 外 部看 ， 汽流 量 、 水流 量和 汽包 水 位 等 ３ 信 号 蒸 给 个
、
岛 ｋ 可 由 以下各 式 决 定： 比例 系 数 、
＋ ＥＥ ｉ ｛ ｉ ｃ ， ｝
，
积 分 系数 丘 ｋ＋ ＥＥ ＝， 分 系 数 Ｆ 『 ｛ ，ｃ 微 １ ｆ ｝
＋ ＥＥ 。 ｛ ，
式 中 ｛ ｛ ） ｛ｉ ｃ 模糊 推 理 的 结果 ， ＥＥ ） Ｅ， ＥＥ ｉ 为 、 、 ， ｝ 水位 即参数 校 正量 ； 、 为参数 初值 。 。 ｋ
道和 汽 轮机 内产 生严 重 的水冲击 ， 成设 备 的损 坏 。 位过 低会 造 造 水
基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究.
基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究摘要温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象有着不同的控制方式和模式。
温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。
本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。
本文对电锅炉可采用的控制方案进行了深入研究，首选的研究方案是PID控制。
温度PID控制器的原理，是将温度偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
PID控制的重点是参数的调节，本文利用了Ziegler-Nichols. Chien-Hrones和人工整定方法对其参数进行整定。
第二个研究方案是模糊控制，研究了模糊控制的机理，确定了电锅炉模糊控制器的结构。
通过对电锅炉温升特点的分析，建立了模糊控制规则表。
借助matlab中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电锅炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。
结果表明当采用PID算法时，系统的超调量与调节时间，不能同时满足技术要求。
当采用模糊控制时，超调量与调节时间虽然同时满足技术要求，但系统出现了稳定误差。
因此本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，采用模糊推理的方法实现PID参数称、凡和凡的在线整定。
经仿真研究，参数自整定模糊PID控制效果达到了电锅炉温度控制系统的性能指标，是一种较为理想的智能性控制方案。
在分析电锅炉供暖系统对控制器要求的基础上，研制了以PIC16F877A单片机为核心部件的温度智能控制器，实现了温度的采集与控制、超限报警等各种功能。
在进行硬件电路设计的同时，也进行了相应软件设计，并将本文所提出的模糊PID算法引入到软件设计中，给出了主程序流程图、模糊PID算法工作流程图和温度采集流程图等。
Research on Fuzzy PID Control System ofTe m pe raturef orE lectricB oilerAbstractTem p er aturec ontroli sa t opicf ullo fn ew meaningsi n industry,to diferentcontrol object, there are diferent methods and modes. But it is dificult to control well because of characteristics of the temperature itself, such as its great inertia, serioust ime-laga ndt hed ifficulty toe stablisha na ccuratem athematicalm odelo fth e object. A duty in this thesis is to study a kind of appropriate control method to the temperatureo fth ee lectricb oiler.It s'te chnologyr equirementsa er:re gulatingt ime mustb es hort,o vershootm ustb es malla ndt hec ontrolsy stem mustb es table.Th em e thodo ft hee lectricb oilerc ontrolis s tudiedd eeply byt het hesis.T hefirstis P IDc ontrol.P rincipleo fte mperatureP IDc ontrolleris t oc ontrolth eo bjectby the linear combination of temperature deviation's proportional, integral and derivative.Th ec ontrolke yi sth ep arametera djustment.T hep arameteris a djustedb y methods of Ziegler-Nichols, Chien-Hrones and artifical tuning in this thesis. The secondm ethodi sfu zzyc ontrol.T hef uzzyc ontrolth eoryi sst udieda ndt hee lectric boiler fuzzy controller structure is determined. The fuzzy control rule table isestablished through analysing the characteristic of the electric boiler temperature inthe thesis.In t hi st h esis,th eP ID controls ystem andf uzzyc ontrolsy stem ares imulatedb y using Simulink and fuzzy logic tools in MATLAB. Experimental results illustratethat the PID control is used in the system, regulating time and overshoot always can not achieve the specification .When fuzzy control is used, regulating time and overshoota lwaysc ana chievest hes pecification,b uts ystem causes teady-statee ror. So it comes to a new method of combining them together. The patameters of耳，Kand Kd are adjust by fuzzy inference. Experimental results illustrate that the fuzzy PID parameters controller achieved the system performance index. The method offuzzy PID control is a ideal method.In t hi sth esis,ba singo nt her equesto fth ee lectricb oilerh eatings ystemt ot he controller, a temperature controller of the electric boiler is designed, in which the目录第1章绪论 (3)1.1课题的提出与意义 (3)1.2工业控制的发展概况 (3)1.3传统控制方法的缺陷 (4)1.4智能控制方法概述 (4)1.4.1智能控制方法的起源、发展和分类 (4)1.4.2智能控制方法的特点 (5)1.5论文的主要研究内容 (6)第2章被控对象及控制策略研究 (6)2.1被控对象及其原有控制方案 (6)2.1.1被控对象分析 (6)2.1.2原有控制方案 (7)2.2控制策略研究 (8)2.2.IPID控制基本理论 (8)2.2.2设计PID控制器时注意事项 (10)2.3模糊控制理论 (11)2.3.1模糊控制的基本思想 (11)2.3.2模糊控制系统的组成及结构分析 (11)2.3.3模糊控制算法的实现 (14)2.3.4模糊控制方法的进展 (15)2.4本章小结 (16)第3章控制系统特性及仿真研究 (17)3.1电锅炉温度控制系统特性 (17)3.2仿真工具 (18)3.2.1 MATLAB简介 (18)3.2.2 Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱 (18)3.3控制系统仿真研究 (20)3.3.1 PID控制器设计 (20)3.3．2 PID参数的整定 (21)3.4模糊控制器设计及模糊推理方法 (26)3.4.1模糊控制器的结构 (26)3.4.2温控系统的模糊控制器设计 (27)3.5.2控制系统参数自整定模糊PID控制 (32)3.6控制系统方案选择 (35)3.7本章小结 (35)结论 (36)参考文献 (36)致谢 (38)第1章绪论1.1课题的提出与意义在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验普遍而且重要的物理参数之一。
基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制概要
《自动化与仪器仪表》2010年第5期(总第151期75收稿日期:2010-04-17作者简介:李益华(1964-,女,教授,硕士生导师,主要从事智能控制、智能检测的研究。
基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制李益华,王国伟,李源(长沙理工大学电气与信息工程学院长沙,410114摘要:针对工业锅炉汽包水位的反向特性,设计了一种基于模糊自适应P I D 控制策略的锅炉汽包水位的三冲量控制系统,该控制系统内环可以快速消除通道的给水扰动,外环能克服蒸汽流量变化产生的扰动。
理论分析和仿真结果都表明,此方案对解决锅炉汽包水位的内外扰动具有显著效果,且有快速的适应性和较强的鲁棒性。
关键词:汽包水位;三冲量;模糊自适应P I D 控制;鲁棒性Abstract: Considering the reverse characteristics of water level of industrial boiler drum, a three impulses control system of water level of boiler drum based on fuzzy self-adaptive PID control strategy is designed, the inner loop is used to rapidly overcomewater supplying disturbance of control path and the outer loop is used to attenuate the disturbance because of changing of steam flow rate in the control system. Both theoretical analysis and simulation results show that significant control performance is acquired in eliminating the internal and external disturbance. Futhermore, the scheme is adaptable and robust to the parameters’ variation and uncertainties.Key words: Water level of boiler drum ; Three impulses ; Fuzzy self-adaptive PID Control ; Robustness中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1001-9227(201005-0075-040前言锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中不可或缺的重要动力设备。
基于模糊PID自整定的锅炉控制系统开题报告
毕业设计(论文)开题报告中文题目：基于模糊PID自整定的锅炉控制系统英文题目：Boiler Control System Based on Fuzzy PID Self-Tuning System一、课题背景及意义（包括课题现状、发展趋势以及研究的意义等）常规PID控制器因结构简单，鲁棒性好，参数调整方便等。
常被用于工业过程控制。
但其参数整定是在获取被控对象数学模型的基础上根据一定规则来确定的，难于适应复杂多变的控制系统。
针对其参数整定效果不良，调试时间长，对被控制对象适应性差等缺点，将模糊控制与PID控制相结合，设计了模糊自整定PID控制器。
在常规PID控制器基础上，根据相应模糊规则进行模糊推理，实现PID参数的在线自整定。
仿真结果表明，模糊自整定PID控制器，不仅具有模糊控制快速，适应性强等优点，又有PID控制精确度高的特点，使系统有较好的控制作用，因此具有较好的工业应用前景温度是工业生产最常见最基本的工艺参数之一，例如：冶金、机械、电子、石油、化工、制造等行业中广泛使用的各种加热炉、热处理反映炉等，对工件的处理温度要求严格控制。
本文对咸阳795厂电子元件结构炉改造分析，陶瓷电阻、电元器件着色的关键工艺是干燥煅烧，通过调整干燥煅烧条件能较好的控制着色指标。
干燥煅烧是靠干燥煅烧窑炉来完成的，而窑头温度又直接影响干燥温度和煅烧温度，所以控制好窑炉温度就可以间接控制好着色指标。
至于温度控制器，过去一般采用温控仪表，垫电偶等仪器来直接控制。
改造后是基于PLC的模糊自整定PID参数控制系统，应用于窑炉温度控制系统，可以用温度传感器对窑炉的温度采样。
选择检测值和给定值之差和差的变量作为控制加热和干燥系统的输入量。
采用PLC作为中心控制单元，利用模糊控制技术与数子式PID相结合，根据系统状态可快速调整窑炉温度，达到恒温控制的目的，提高了系统的工作稳定性，得到良好的控制效果。
在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因数的影响。
基于模糊神经网络的船舶锅炉水位控制优化及仿真模拟
基于模糊神 经网络 的船舶 锅 炉 水 位 控 制 优 化 及 仿 真 模 拟
于 志 民
（ 天 津海 运职 业 学院 ， 天津 ３ ０ ０ ３ ５ ０ ）
摘 要： 分析船舶锅 炉水位控 制存在 的问题 ， 利 用模 糊 神 经 网络 ， 也 就是 神 经 网络 与 模 糊 逻 辑 相 结 合 ， 改 善 船
第 １ ９卷
第 ４期
２ ０ １ ７年 ４月
天津 职业 院校联 合 学报 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｖ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｓ
Ｎｏ． ４ Ｖ ｏ１ ．１ ９ Ａｐｒ ．２０１ ７
收 稿 日期 ： ２ ｏ １ ６—１ １ —１ ０
作者简介 ： 于志民（ １ ９ ７ ２ 一） ， 男， 河 北人 ， 天 津 海运 职 业 学 院轮 机 工 程 技 术 系副 教 授 ， 主要 研 究轮 机 工 程 。
・
１ １ ６ ・
态偏 差 积分 时间 Ｋｉ 必 须合 适 ， 太 小作 用太 强造 成动 态过 程振 动 ， 系统 不稳 定 ， 合 适 的微 分 时 间 Ｋ ｄ是
考 虑水 位突变 的超 前调 节 ， Ｋｐ 、 Ｋｉ 、 Ｋｄ的大 小 以及 三 者 的 相互 联 系 ， 相互影响， 调 节方 法 有 经 验法 ，
该 方法要 求调 节人 员有 丰 富的实 践经 验 ， 有衰减 曲线 法是 利用 衰减 比来 控制 动态过 程 ， 对于特 定 的锅 炉 给水 系统 肯定存 在最 优 Ｋｐ 、 Ｋｉ 、 Ｋｄ数 值 ， 由于 的 神经 网络 具 有 特定 学 习算 法 ， 可 以利用 神 经 网络 找 到某 种非 线性 组合 的最 佳控制 规律 ， 来 实现 锅炉 水位 控制 任务 。 船舶 锅炉水位控 制神经 网络 的模糊控制 系统 是 由输入 环节 、 控制对 象锅 炉水 位 以及 运算 环节 包括 传统 Ｐ Ｉ Ｄ控制 器模 糊量化环 节 ， 水位外界 变化模拟学 习算 法和偏差 模糊量化 ， 实 际水位变化 的学 习算法 获得 辨识 网络 Ｎ Ｎ１ ， ＮＮ １为 ＮＮ ２提供 必要 的信息 ， 辨识 网络 主要 为 了建立锅 炉水位 控制 系统 的辨 识模 型， 过神经 网络在线 修改 ， 被控对象 形成 的闭环控制 系统 。模糊量 化模块 ， 相 当于对 Ｎ Ｎ２ 神 经 网络 的输 入进 行预处理 ， 网络 ＮＮ ２输 出锅炉控制 的特 征变量 Ｋｐ （ 比例 系数 ） 、 Ｋｉ （ 积分 系数 ） 、 Ｋ ｄ ， （ 微 分 系数 ） ， 如 图１ 基于神 经网络的模糊控 制系统结 构所示 。Ｐ Ｉ Ｄ算法 的实现方法采用 五步方法具体 如下 ：
船用蒸汽发生器水位的模糊自适应 PID 控制
船用蒸汽发生器水位的模糊自适应 PID 控制张永生;赵淑琴【摘要】To improve the performance of steam generators in water level control,an adaptive fuzzy PID level controller for steam generators is designed based on the fundamentals of fuzzy control theory. The fuzzy inference system of the controller is capable of on-line auto-tuning of PID parameters by making use of the water level error and error rate. To validate the design,simulation models of the steam generator were first established resorting to the Matlab/Simulink simulation platform,and experiments on the fuzzy adaptive PID level control system were then conducted under an operating condition with 30% drop in steam load steps. The results show that the fuzzy adaptive PID control,compared with the conventional PID control mode,reduces overshoot and shortens regulating time by approximately 35% and 50%,respec⁃tively,which improves the overall control performance of the level control system.%为了改善蒸汽发生器水位控制的控制效果，根据模糊控制的基本原理，设计了蒸汽发生器的模糊自适应 PID 水位控制器，该控制器的模糊推理系统能够根据水位误差与误差变化率对 PID 参数进行在线整定。
基于模糊PID算法的锅炉液位控制系统分析
锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调节仪表，控制装置（运算器，监控器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改善劳动环境条件。
1.2
1）基于系统因素，建立SIMULINK系统框图；
2）基于MATLAB设计模糊控制器；
3）完成控制系统的仿真及两种仿真的对比；
1.3
（1）研究工业锅炉汽泡液位控制的基本要素，建立基本系统框图，比较多种锅炉液泡液位控制方法的优缺点，采用最佳系统方案：串级三冲量控制系统
（2）建立系统的基本数学模型。
（3）研究传统的控制方法，设计模糊PID控制器。
（4）将模糊控制器加入到系统中，进行系统最终的设计
（5）进行MATLAB/SIMULINK仿真及仿真对比。
1.4
根据工业锅炉汽泡液位控制系统的特点，建立其数学模型，研究传统的控制方法，设计模糊PID控制器，在SIMULIMK中搭建系统结构模型，调整参数，完成仿真
1.5
随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。
并且工业锅炉燃烧过程有许多被控量和控制变量，这些变量间存在很强的耦合，并且互相关联。要对其建立一个精确地数学模型相当苦难。传统的PID控制方案在锅炉液位的自动调节中通常都是单个变量的独立控制回路，虽然PID控制器的控制精度可以很高，但对于多变量且具有强耦合性的时变系统表现出很大的局限性。并且汽泡液位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热器爆管；液位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。汽泡液位的动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。对锅炉汽泡液位控制方法大多采用传统的PID控制方式，由于传统PID控制系统的参数是固定不变，在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统运行动态大幅度变化的情况下，系统不能适应，造成系统的不稳定甚至失控。在实际运行中常常需要手工操作。
船舶锅炉水位PID控制器参数多目标优化整定
第35卷 第3期大连海事大学学报Vol.35 No.3 2009年8月Journal of Dalian Maritime U niversity Aug., 2009文章编号:100627736(2009)0320051204船舶锅炉水位PID控制器参数多目标优化整定Ξ徐振国(海军驻武汉719所,武汉 430064)摘要:为有效提高船舶锅炉水位控制性能,提出一种基于多目标遗传算法和多属性决策(MADM)技术的PID控制器参数整定方法.将系统的跟随性能、扰动抑制性能及鲁棒性能作为目标函数,采用改进非劣分层多目标遗传算法(NSG A-II)求出Pareto最优解.使用客观赋权的信息熵法对Pareto最优解属性进行权值计算.采用逼近理想解的排序方法(TOP2 SIS)进行MADM研究,给出了Pareto最优解排序.仿真结果表明,该方法通用性好,PID性能良好,适合工程实际应用.关键词:船舶锅炉;水位控制;比例积分微分(PID);多目标优化;多属性决策(MADM);改进非劣分层多目标遗传算法(NSG A-II);逼近理想解的排序方法(TOPSIS)中图分类号:TP273;U664 文献标志码:APID controller parameters tuning for marine boiler by multiobjective optimizationXU Zhen2guo(Naval at No719Institute,Wuhan430064,China) Abstract:To increase the performance of water level control in marine boiler effectively,a proportional integral differential (PID)controller parameters tuning method combining multiob2 jective optimization technique with multi2attribute decision mak2 ing(MADM)method was developed.Taking the accurate set2 point tracking,disturbance attenuation and robust stability per2 formances as the objective function,the Pareto optimal solution was obtained by using non2dominated sorting genetic algorithm II(NSG A-II).Weight calculation of Pareto optimal solution attributes was proposed by using the objective weight informa2 tion entropy method.And a MADM approach is adopted by technique or order preference for similarity to ideal solution (TOPSIS)to give the ranking of Pareto solutions.Simulation results indicate that the proposed method has better generality and PID performance,which is suitable for the application of ac2 tual project.K ey w ords:marine boiler;water level control;proportional inte2 gral differential(PID);multiobjective optimization;multi2attribute decision making(MADM);non2dominated sorting genetic algorithm II(NSG A2II);technique or order preference by similarity to idealsolution(TOPSIS)0 引 言船舶锅炉水位自动控制的目的是保持锅炉的正常水位,即通过控制给水泵的启停或给水阀的开度来控制船舶给水量,使其与锅炉中水的蒸发量相当,以适应锅炉负荷的变化.通常采用常规PID控制器对要求较高的汽包水位进行控制.PID控制器参数的整定效果直接影响水位控制性能的优劣,其常用的性能指标包括各种积分型指标,如ISE、IAE、ISTE和ITAE等[1].整定过程可看作一个多目标优化问题,需要综合考虑控制系统的稳定性、快速性以及鲁棒性之间的制约关系.近年来,一些基于智能进化算法的PID控制器参数整定方法成为国内外学者研究的热点之一[2].智能进化算法是解决多目标优化问题的有效算法[3].对于多目标优化问题,当Pareto解集求出来之后,还需要挑选出最后的折中解或最优解,对多属性体系结构描述的对象系统做出全局性和整体性的评价.多属性决策方法具有精确描述评价对象的优点,因此获得广泛的应用[4].本文综合考虑系统的跟随性能、扰动抑制性能及鲁棒性能,将超调量、稳定时间、ITAE和灵敏度作为目标函数,采用改进非劣分层多目标遗传算法(NSG A-II)求出Pareto最优解.使用客观赋权信息熵法求出属性权重,然后采用逼近理想解的排序方Ξ收稿日期:2008212231.作者简介:徐振国(1964-),男,辽宁抚顺人,高级工程师,E2mail:xuzg-jg@.法(TOPSIS )对Pareto 最优解给出排序,最终求得满意解.1 模型和求解多目标优化问题的主要任务是求得该优化问题的Pareto 最优解集.NSG A 算法将非支配排序思想引入遗传算法,把多个目标函数的计算转化为虚拟适应度的计算.NSG A 算法的基本原理是基于对个体的几层分级实现种群的非支配排序.在选择操作执行前,群体根据支配与非支配关系排序,所有非支配个体被排成一类,这些个体共享虚拟适应度值,依此逐步对剩余的个体进行分级并赋予相应的虚拟适应度值.NSG A II 算法在NSG A的基础上采用快速非支配排序过程、精英保留策略和无参数小生境操作算子,克服了传统NSG A 算法的计算复杂度高、非精英保存策略和需特别指定共享半径的缺点[5].图1为NSG A II 算法的流程示意图.图1 NSG A -II 算法流程示意图当求出Pareto 最优解集后,需根据决策者的偏好,挑选出最终折中解.逼近理想方案的序数偏好方法(TOPSIS )建立在所选方案与理想方案的差距最小、与负理想方案差距最大的理论上[6].可将关于m 个方案n 个属性的多属性决策问题看作n 维空间中m 个点构成的几何系统来处理.此时,所有的方案可作为该系统的解.多目标优化Pareto 解的目标函数值就是多属性决策中的属性值.TOPSIS 方法通过与理想解的相近程度,及理想解与负理想解的距离来判断方案的优劣,需要属性的权重集.由于决策矩阵包涵一定量的信息,信息熵法[4]可作为确定属性客观权重的一种工具.本文采用客观赋权信息熵法求解权重,然后再用TOPSIS 方法得到最后的Pareto 最优解排序.2 数值仿真算例良好的控制器要求系统设定点的跟随性能、负荷扰动抑制性能及鲁棒性能均较好.这是一个典型的多目标优化和决策问题.单位反馈控制系统如图2所示,C (s )为控制器,G (s )为被控对象.图2 单位反馈控制系统采用ITAE 性能指标评价跟随性能及负荷扰动抑制性能.其中,ITAE =∫∞t |e (t )|d t 近年来,最大灵敏度(M s )作为评价控制系统的鲁棒性指标被越来越多的学者接受[7],其可表示为M s =‖S (s )‖∞=‖1Π(1+L (s ))‖∞(1)其中,L (s )=C (s )G (s ).M s 值等于开环Nyquist 曲线L (j ω)与临界点(-1+0j )最短距离的倒数.若约束系统的M s 值不大于所给定的期望值M 1(M 1>1),则可保证被控系统的开环Nyquist 曲线L (j ω)永远位于圆心为点(-1+0j ),半径为1/M s 的圆外,从而保证系统具有期望的稳定裕度,M s = 1.2～2.0[7].相应的,最大补灵敏度(M p )为M p =‖T (s )‖∞=‖L (s )Π(1+L (s ))‖∞(2) 若要进一步增加系统的相位裕度,且不显著降低系统的响应速度,应考虑对最大补灵敏度进行约束[8].若限制系统的M p 不大于所给定的期望值M 2(M 2>1),则可以保证被控系统的开环Nyquist曲线L (j ω)永远位于圆心为(M 22Π(1-M 22)+0j )、半径为|M 2Π(1-M 22)|的圆外,从而保证系统在中频段的鲁棒性能.M p =1.0～1.5[7].本文采用M s作为鲁棒性能指标,并对M p 进行适当约束.系统的多目标优化模型为min ITAE 1,ITAE 2,M s(3)下标1、2分别表示给定信号阶跃响应以及阶跃负荷扰动2个工况.某艘6万t 原油船废气锅炉的工作压力为0.686MPa ,蒸汽产量为2.4t Πh ,以其水位为控制对象,船舶锅炉水位控制过程可简化为一阶惯性加纯滞后环25 大连海事大学学报 第35卷 节模型,其传递函数为[9]G (s )=200.5s +1e-0.5s(4) PID 控制器形式为G (s )=K p +K is+K d s (5)其中,K p 、K i 、K d 分别为比例增益、积分增益和微分增益.NSG A -II 算法的参数设置为:种群1000,进化代数10000,交叉概率0.9,变异率0.5.针对本算例,假设系统有1%负荷阶跃,设定最大允许超调量σ1<40%,σ2<15%,稳定时间T s1<5s ,T s2<5s ;鲁棒性能指标范围1.2<M s <2.0,1.0<M p <1.5.采用Ziegler 2Nichols 整定方法得{K p ,K i ,K d }ZN ={0.06,0.06,0.015}.PID 参数寻优的范围设定为Z -N 整定参数的0.3～5倍,即K p 、K i 、K d 的范围分别为[0.018,0.3],[0.018,0.3]和[0.0045,0.075].采用NSG A -II 算法共得到368个Pareto 解.图3为Pareto 最优解的三维分布图(含3个平面投影).从图3可知,没有一种PID 参数能够保证3个指标同时达到最小,因此需进行折中考虑.以Pareto 最优解为基础,构建368×3的决策矩阵,利用信息熵法得到ITAE 1、ITAE 2和M s 的属性权值分别为:0.2464、0.6511和0.1025,即在决策过程中,ITAE 2属性超调量的权值超过65%,而M s 的权重仅为10%.运用TOPSIS 方法,对Pareto 最优解进行排序.选择排序为1的方案作为最终的满意解.最终解用A (“■”)在图3中表示.A 方案的数据分别为x A ={K p ,K i ,K d }={0.055,0.094,0.0077},{ITAE 1,ITAE 2,M s }A ={0.6378,1.363,1.942}.图3 Pareto 最优解散点图鉴于ITAE 指标和时域上的响应对应关系不明显,在这里将4个时域响应指标(超调量和调节时间)和鲁棒性能指标作为目标函数,即min σ1,T s1,σ2,T s2,M s(6) 根据式(5)对PID 参数寻优,约束条件同前,共得到786个Pareto 解.Pareto 最优解的性能参数散点分布情况见图4、5.对这些Pareto 最优解进行权重计算,得σ1,T s1,σ2,T s2和M s 属性的权重分别为0.6839,0.1742,0.0004,0.1138,0.0276.经过TOPSIS 方法排序,得到最终满意解为B 方案,在图4、5中用“■”表示.B 方案的数据分别为{K p ,K i ,K d }B ={0.057,0.062,0.0079},{ITAE 1,σ1,T s1,ITAE 2,σ2,T s2,M s ,M p }B ={0.536, 1.42%,2.06,2.806,12.57%,4.69,1.9657,1.018}.图4 4个时域目标间散点分布图图5 M s 和超调量、稳定时间的散点图A 、B 方案时域响应比较见图6.Z -N 公式整定的结果为{ITAE 1,σ1,T s1,ITAE 2,σ2,T s2,M s ,M p }ZN ={0.87,6.7%,3.82,3.11,12.23%,4.92,2.7494,1.756}.图7为Z -N 公式、方案A 、B 对应的开环Nyquist 图形以及参考圆.A 、B 两个方案的参考圆几乎重合.Z -N 公式获得的M s =2.7494,其对应的参考圆半径很小,说明该公式的鲁棒性差.从上述分析可知,在考虑跟随性能、扰动抑制性能及鲁棒性能之后得到的B 方案其综合性能较好.35第3期 徐振国:船舶锅炉水位PID 控制器参数多目标优化整定 图6 不同整定方法所得参数响应曲线的对比图7 不同M s 对应的开环Nyquist 图形3 结 语本文综合考虑了系统的跟随性能、扰动抑制性能及鲁棒性能,采用多目标进化算法和多属性决策技术,讨论了PID 参数整定中的多目标优化问题.采用NSG A -II 算法得到的Pareto 最优解集分布较均匀、多样性良好,使设计者可有更多的选择裕度.采用TOPSIS 方法得到最终满意解合理可行.本文方法通用性好,所设计的PID 性能良好,能够适合工程实际应用.参考文献(References ):[1]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M ].北京:清华大学出版社,1996.[2]马建伟,李银伢.满意PID 控制设计理论与方法[M ].北京:科学出版社,2007.[3]崔逊学.多目标进化算法及其应用[M ].北京:国防工业出版社,2006.[4]徐玖平,吴 巍.多属性决策的理论与方法[M ].北京:清华大学出版社,2006.[5]DEB K ,PRA TAP A ,AR GRAWAL S ,et al.A fast andelitist multi 2objective genetic algorithm :NSG A II [J ].IEEE Trans Evolutionary Computation ,2002,6(2):1822197.[6]HWAN G C L ,Y OON K.Multiple Attribute Decision Mak 2ing 2methods and Applications :A State 2of 2art Survey [M ].New Y ork :Springer 2Verlag ,1981.[7]ASTROM K ,PANA G OPOUL SO H ,HA GG LUND T.De 2sign of PI controllers based on non 2convex optimization[J ].Automatica ,1998,34(5):5852601.[8]KRISTIANSSON B ,L ENNARTON B.Evaluation andsimple tuning of PID controllers with high 2frequency ro 2bustness[J ].Journal of Process Control ,2006,16(2):912102.[9]王 宁,任 光.船用锅炉水位模糊免疫自适应PID 控制器及仿真[J ].大连海事大学学报,2006,32(1):124.(上接第50页)6 结 语本文研究了控制理论在船舶航向控制中的应用,重点分析了系统加权函数的选择.本文对权函数的选择考虑了遭遇角的影响,研究了海浪在遭遇频率下的波能谱,并针对不同的遭遇角,选择不同的权函数.在不同工况下,该系统均能取得良好的控制效果.参考文献(References ):[1]杨盐生.不确定系统的鲁棒控制及其在船舶运动控制中的应用[D ].大连:大连海事大学,2000.[2]Y AN G F ,WAN G Z ,HUN G Y S ,et al.Control for net 2worked systems with random communication delays [J ].IEEE Transactions on Automatic Control ,2006,51(3):5112518.[3]WAN G Fu 2wen ,G AN I M ,HENRION D.Fixed 2order ro 2bust controller design with regional pole assignment [J ].IEEE Transactions on Automatic control ,2007,52(10):2232231.[4]WILLMANN G ,COU TINHO D F.Multiple 2loop controldesign for uninterruptible power supplies[J ].IEEE Trans 2actions on Industrial Electronics ,2007,54(3):159121602.[5]AMIRIFAR R ,SADA TI N.Low 2order controller designfor an active suspension system via LMIs[J ].IEEE Trans Ind Electron ,2006,53(2):5542560.[6]刘 胜,方 亮.船舶航向G A 2PID 自适应控制研究[J ].系统仿真学报,2007,19(16):378323786.[7]刘 胜,方 亮.船舶舵Π鳍联合减摇鲁棒控制研究[J ].哈尔滨工程大学学报,2007,28(10):110921115.45 大连海事大学学报 第35卷 。
基于模糊PID的工业锅炉汽包水位控制系统的仿真研究 - 副本
基于模糊PID 的工业锅炉汽包水位控制系统的仿真研究*唐令波雷玉勇邴龙健蔡黎明（西华大学机械工程与自动化学院，成都610039）Simulation of control of water level in industrial boiler drum based on fuzzy-PIDTANG Ling-bo ，LEI Yu-yong ，BING Long-jian ，CAI Li-ming（School of Mechanical Engineering &Automation ，Xihua University ，Chengdu 610039，China ）文章编号：1001-3997（2009）11-0110-03【摘要】目前，汽包水位的控制大多采用常规PID 控制方式，由于其控制参数是固定不变的，其控制效果往往难以满足要求，造成系统不稳定甚至失控。
在对MATLAB 软件及其工具箱进行介绍的基础上，通过SIMULINK 对汽包水位的模糊PID 控制系统进行仿真分析。
研究表明，基于模糊控制策略锅炉汽包水位控制系统，过渡过程时间较短，超调量小，系统抗干扰能力强，能很好地克服蒸汽流量扰动对汽包水位的影响，从而改善了被控过程的动态、稳态性能，控制效果优于常规的PID 控制。
具有很好的应用前景。
关键词：工业锅炉；汽包水位；模糊控制；PID 控制；仿真；SIMULINK【Abstract 】Currently conventional PID control method is often used to control the water level in boiler drum and it is difficult to meet the demands.Consequently the system are unstable or even out of control.Based on SIMULINK package in MATLAB software ，the simulation of Fuzzy-PID contro1system for control of water level in industrial boiler drum were carried out.The results show that based on Fuzzy-PID contro1，the system transient time is much shorter ，oscillation is small and anti-interference is stronger.Therefore the performance of fuzzy-PID contro1system is much better than conventional PID .It has good promising in industrial application.Key words ：Industrial boiler ；Water level of steam drum ；Fuzzy control ；PID control ；Simula －tion ；SIMULINK中图分类号：TH16文献标识码：A＊来稿日期：2009-01-23＊基金项目：西华大学重点学科建设项目（SBZD0703-1）1引言工业锅炉汽包水位自动控制的目的是保持锅炉的正常水位，即控制给水泵的启停或给水阀的开度，从而控制给水量，使锅炉的给水量与锅炉的蒸发量相当，以适应锅炉负荷的变化。
锅炉汽包水位MFAC_PID串级控制方案的仿真研究
东北电力学院学报第25卷第4期 Journal Of Northeast China Vol.25,No.4 2005年8月Institute Of Electric Pow er Engineering Aug.,2005文章编号:1005-2992(2005)04-0011-05锅炉汽包水位MFAC2PID串级控制方案的仿真研究李传庆1,刘广生2(1.东北电力学院自动化工程学院,吉林吉林132012;2.东北电力学院人事处,吉林吉林132012)摘 要:针对被控对象特点改进了MFAC中的泛模型,给出的广义泛模型更好的处理被控对象中大的、不确定滞后。
提出了锅炉汽包水位MFAC2PID串级控制方案,即内回路采用PID控制快速消除给水过程中的内在扰动,外回路采用带有前馈补偿的MFAC,可有效克服汽包水位系统中的蒸汽流量的外在扰动,同时实现无静差控制。
计算机仿真结果表明该控制方案的有效性和实用性。
关 键 词:无模型自适应控制(MFAC);汽包水位控制;串级控制;PID控制中图分类号:T K224 文献标识码:A0 引 言锅炉汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数,它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水流量之间的平衡关系,维持汽包水位在正常的范围是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。
汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,容易烧坏过热器;而汽包水位过低,则可能破坏锅炉水循环,造成水冷壁管烧坏而破裂。
目前,锅炉汽包水位控制传统的方法包括:基于PID控制的单级三冲量,串级三冲量等[1]。
然而,随着火电机组容量的不断扩大,对给水控制系统提出了更高的要求:汽包蓄水量和蒸发面积减少,加快了汽包水位的变化速度;锅炉容量的扩大,显著提高了锅炉受热面的热负荷,使锅炉负荷变化对水位的影响加剧,系统动态特性变化幅度较大[2]。
对于上述传统的控制方案效果不佳,而且系统的参数整定困难。
为此,一些先进的控制方法(比如:动态矩阵控制、鲁棒控制等)引入了控制系统的设计。
基于PID参数模糊自整定的船用锅炉水位控制器设计与仿真研究
１庄 河海 洋 与渔业 局渔 港监 督 ， 宁 庄 河 １６ ０ 辽 １４ ０ ２大连 渔港监 督局 ， 宁 大连 ｌ６ １ 辽 １０ ５
摘 要 ：针 对 常 规 ＰＤ控 制 器 不 能 在 线 进 行 参 数 自整 定 的 问 题 ， 合 模 糊 控 制 技 术 ， 出 了 一 种 ＰＤ参 数 模 Ｉ 结 提 Ｉ
ｔ ｅ ｕ ａ ｌ ｅｆｔ ｎ ｎ ｏ ｍａ Ｄ ｎ ｌｎ ｔ ｅ ｓｕ ｙ ｓ ｏ ｈ ｚ ｙ ＰＩ ｃ ｎ ｅ ｉ ｎ ｔ ｕｉｋ ｙ ｔ ｅ ｈ ｎ ｂ ｅ ｓ ｌ－ｕ ｉ ｇ ｎ ｒ ｌＰＩ ｏ ｉ ｅ，ｈ ｔ ｄ ｈ ｗｓ ｔｅ Ｆｕ ｚ Ｄ ａ ｌｍｉ ａｅ ｑ ｃ ｌ ｈ
作 者简 介 ： 吉 远 （９ ２一）男 ， 程 师 。研 究 方 向 ： 舶 与 海 洋 结 构 物 优 化 设 计 制 造 系 统 、 舶 及 轮 机 自动 及 智 能 倪 １５ ， 工 船 船
控 制 系统 。Ｅ ｍ ｉ ｑ ｕ ｍ ＠ １ ３ ｃ ｒ － ａ ： ｚｂ ｗ ６ ． ｏ ｌ ｎ
２ ２ ＰＤ参数模糊 自整定的原则 ． Ｉ
ＰＤ调节器 的控 制规 律 为 ： （ ）＝Ｋ ｅ ｋ Ｉ “ｋ ｐ（ ）＋
义为 Ｆ ｚｙ 上 的 论域 。Ｅ、 Ｃ＝｝一 ， ， ， ｕｚ 集 Ｅ ３ 一２ 一１
０ １ ２ ３ ； 糊 控 制 器输 出语 言 变 量 Ｋ 、 ， ， ， ｝模 Ｋ、
适 当。
述 参数 的整 定原 则 以及 专 家 的 经 验 ， 得 到 一 系 可 列 规则 （ 。 Ｋ 调整 Ｆ ｚｙ规 则集 模 型 从 略 ） 如 表 ｌ ｕｚ ， 、
表 ２所示 。
３ ３ 基 于 模 糊 规 则 表 的 模 糊推 理 ．
PID型自适应模糊控制在锅炉主蒸汽温度控制中的仿真研究
表 1 模糊控制规则
Δe( k)
e( k)
NB NM NS
ZO
PS
PM
PB
NB
PB
PL
PL
PM
PS
PS
PS
图 1 PID 型模糊控制系统
NM
PB
PL
PM
PM
PS
NS
NM
NS
PB
PM
PM
PS
NS
NM NM
采用代数积 - 加法 - 重心模糊推理法[6] ,可推导
PD 型模糊控制器的输出为 :
U = A + PE + D E′
PID 型自适应模糊控制 在锅炉主蒸汽温度控制中的仿真研究
牛培峰 ,任 娟 ,王 帅
燕山大学 ,河北 秦皇岛 066004
[ 摘 要 ] 通过对 PID 型模糊控制器 、主蒸汽温度的大惯性和大滞后性以及难以建立精确的数学 模型特性的研究 ,提出了一种自适应模糊控制方法 ,其通过在线调节可调因子 ,不断优 化控制过程 ,使模糊控制系统具有较强的自适应能力 。以主蒸汽温度控制系统为例 ,对 PID 型自适应模糊控制方法进行了仿真 ,并与模糊 PID 控制进行了对比 。结果表明 ,该 方法显著提高了控制系统的动态特性 、稳态精度及鲁棒性 。
M ( S) M ( S) S ( M) S ( B) M ( M) M ( S)
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述 参数 的整 定原 则 以及 专 家 的 经 验 ， 得 到 一 系 可 列 规则 （ 。 Ｋ 调整 Ｆ ｚｙ规 则集 模 型 从 略 ） 如 表 ｌ ｕｚ ， 、
表 ２所示 。
３ ３ 基 于 模 糊 规 则 表 的 模 糊推 理 ．
由 Ｆ ｚｙＰＤ控 制器 的结 构可 知 ， ｕｚ—Ｉ 它属 于二维
ＰＤ参 数进 行 自整 定 的 要 求 ， 而 影 响 系统 的控 Ｉ 从 制精 度 和 系 统 的稳 定 性 。锅 炉 汽 包 水 位 作 为
控制 系统 的被 控 对 象 时是 一个 非 线 性 、 变 的 环 时
的大 小 、 向 及 变 化 趋 势 等 特 征 ， 过 Ｆ ｚｙ推 方 通 ｕｚ
ａ ｊ ｓａ ｌ ｙ ｔｍ ｄｕ ｔｂｅｓ ｓｅ
Ｋ ｅ ｒ ｓ：ｍ ａ ｉ ｅ ｂ ｉ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ｒｎ ｏｌ ；ｗａｅ ｅ ｅ ｏ ｔｏ ； ｆｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｔ ｒｌｖ ｌｃ ｎ ｒ ｌ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ；ｐａ ａ ｅｅ ｅ ｆｔ ｉ ｇ ｒ ｍ ｔ ｒｓ ｌ—ｕｎ ｎ
２ Ｔｈ ｕ ｅ ｖｓｏ ｔ ｏ ｉｈ ｒ ｒ ｏ ｌａ Ｄａｉ ｎ １ ６ ５ ， ｉ ａ ｅ Ｓ ｐ ｒ ｉｉ ｎ Ａｕ ｈ． ｆＦ ｓ ｅ ｙ Ｐｏ ｔ ｆＤａｉｎ， ｌａ ０１ Ｃｈ ｎ １
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ｐ ｐ ｒｇ ｖ ｓｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｈ ｅ ｆｔ ｉｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｏ ｈ ｕ ｚ Ｄ ａ ｄ ｓｍ ｕ ｉ ｋ ｉ ａ ｅ ｉｅ ｈ ｔｏ ｆｔ ｅ ｓ ｌ—ｕｎ ｎ ａ ａ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｆ ｚ ｙ ＰＩ ｎ ｉ ｌｎ ｓ ｗｉｈ ｔ ｅ ｆ ｚ ｏ ｉ ｏ ｌｂ ｘ，ｌｎ ｅ ｔ ｈ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｔ ｈ ｕｚｙ ｌｇｃ ｔｏ ｏ ｉｋ ｄ ｗｉ ｔ ｅ ｆ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒｌｔ ｃ ｏ ｏ ｙ，ｗｈｉｈ ｓ ｌ ｅ ｈ ｏ ｌ ｍ ｆ ｈ ｃ ｏｖ ｓ ｔ ｅ ｐｒ ｂ ｅ ｏ
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｎ ＆ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ａ ｅ ｖ ｌＣｏ ｒ ｌ ｒ ｆ ｒ Ｍ ａ ｉ ｅ Ｂｏ ｌ ｒ ｍ ｌ ｔｏ ｓｇ ｆＷ ｔ ｒ Ｌｅ ｅ ｎｔ ｏｌ ｏ ｅ ｒ ｎ ｉｅ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｓ ｌ－ｕ ｎ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｏ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｆｔ ｎｉ ｇ Ｐａ ａ — ｔ ｒ ｆ Ｆｕｚ ｙ・ Ｄ ｚ － ＰＩ
糊 自整 定 的方 法 ， 用 ＭＡ Ｌ Ｂ模 糊 逻 辑 工 具 箱 进 行 仿 真 。研 究 表 明 ： 模 糊 ＰＤ控 制 器 能 迅 速 消 除 系 统 余 运 ＴＡ 该 Ｉ 差 ， 善 普 通 模 糊 控 制 器 的性 能 ； 具有 ＰＤ控 制 器 高 精 度 的优 点 ， 具 有 模 糊 控 制 器 快 速 、 应 性 强 的特 点 ， 改 既 Ｉ 又 适 保 证 了 调节 系 统 具 有 良好 的 动 、 态特 性 。 稳 关 键 词 ： 用 锅 炉 ；水 位 控 制 ； 糊控 制 ； 数 自整 定 船 模 参 中 图 分 类 号 ： ６ ４ ５ Ｕ ６ ．８ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ３—３ ８ （ ０ ８ Ｏ １７ ｌ５ ２０ ）２—５ Ｏ ４一 ３
ｆ Ｊ・ｕ ｎ Ｓ ｎ ｕｇ ａ Ｇ ｏＱ ｎ — ｕ ｖ ｉ ａ ｏｇ Ｙ —ｕ ｎ ｙ ｕ ｉｇｚ ｈ
１ ｈ ｕ ｅｖ ｓｏ ｔ ｏ ｉｈ ｒ ｏ ｔＺ ａ ｇ ｅ Ｏｃ ａ ｉ ＆ Ｆ ｓ ｅ ｍｉ Ｚｈ ａ ｇ ｅ １ ６ ０ Ｃｈ ｎ Ｔ ｅ Ｓ ｐ ｒ ｉｉ ｎ Ａｕ ｈ． ｆＦ ｓ ｅｙ Ｐ ｒ ｈｕ ｎ ｈ ｅ ｎ ｃ ｉｈ ｒ Ａｄ ．． ｕ ｎ ｈ １ ４ ０． ｉ ａ ｙ
２ １ ＰＤ参数模糊 自整定控制 系统的结构 ． Ｉ
该 控制 器 是 由一 个 标 准 的 ＰＤ控 制 器 和 一 １ 个 Ｆ ｚｙ自调整 机 构组 成 。根 据 输 入 信 号 偏 差 ｅ ｕｚ
在 线调 整增 益 系数
， ， 其 不 能 满 足 在不 使
同 的偏 差 ｅ ｜ 和 偏 差变化 率 ｅ（ ） 对控 制 器 的 （） ｉ ２ ｃ｜ 下 ｉ ２
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第 ３卷 第 ２期
２０ ０ ８年 ４月
中 国
舰
船
研
究
Ｃ ｉ ｅ ｅ Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｈｐ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｉ ｓ ａ ｃ Ｓ
Ｖ０１３ Ｎｏ ２ ． ． ＡＤ ． ２ ０８ ｒ ０
基于 ＰＤ参数模糊 自整定的船用 Ｉ 锅 炉水位控制 器设 计与仿真研 究
２ ２ ＰＤ参数模糊 自整定的原则 ． Ｉ
ＰＤ调节器 的控 制规 律 为 ： （ ）＝Ｋ ｅ ｋ Ｉ “ｋ ｐ（ ）＋
义为 Ｆ ｚｙ 上 的 论域 。Ｅ、 Ｃ＝｝一 ， ， ， ｕｚ 集 Ｅ ３ 一２ 一１
０ １ ２ ３ ； 糊 控 制 器输 出语 言 变 量 Ｋ 、 ， ， ， ｝模 Ｋ、
倪 吉 远 与渔业 局渔 港监 督 ， 宁 庄 河 １６ ０ 辽 １４ ０ ２大连 渔港监 督局 ， 宁 大连 ｌ６ １ 辽 １０ ５
摘 要 ：针 对 常 规 ＰＤ控 制 器 不 能 在 线 进 行 参 数 自整 定 的 问 题 ， 合 模 糊 控 制 技 术 ， 出 了 一 种 ＰＤ参 数 模 Ｉ 结 提 Ｉ
节， 在汽 包 水 位 控 制 器 的 设 计 中 ， 采 用 常 规 的 仅
ＰＤ控制 很难 在整 个控制 范 围 内 获得 良好 的控 制 Ｉ
效 果 。本文针 对 常 规 ＰＤ控 制 的这 个 缺 点 ， 合 Ｉ 结
模 糊控 制 技 术 ， 出 一种 ＰＤ参数 模 糊 自整定 的 提 Ｉ
收 稿 日期 ： ０ ７一ｌ ２ ２０ ２— １
ｅ ｒ ｒｏ ｈ ｙ ｔｍ ｏ ｉ ｒｏ ｆｔ ｅ ｓ ｓｅ ｔ ｍｐｒ ｖ ｈ ｒ ｉ ａ ｙ ｆ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ． Ｉ ｉ Ｏ ｐ ｅ ｉｅ ａ ｄ ｑ ｉ ｋ ａ ｈ ｏ ｍ ａ ｏ ｅ ｔ ｅ ｏ ｄ ｎ ｒ ｕ ｚ ｏ ｔｏｌ ｒ ｔ ｓ Ｓ ｒ ｃｓ ｎ ｕ ｃ ｓｔ ｅ ｎ ｒ ｌ ＰＩ Ｄ ａ ｄ ｍｏ ｅ ａ ｐ ｉ ａ ｌ ｗｈｃ ａ ｓ ｒ ｓ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｏ ｍｏ ｉｇ ａ ｓｅ ｄ ｓａｅ ｉ ｔ ｉ ｎ ｒ ｐ ｌｃ ｂ ｅ， ｉｈ ｓ ｕ ｅ ｈ ｈ ｒｃ ｅ ｆ ｖｎ ｎｄ ｔ ａ ｙ—ｔｔ ｎ ｈ ｓ
Ｅ、 Ｃ＝＼ Ｂ， Ｍ ｓ ０， Ｓ Ｐ Ｐ ＼ Ｋ 、 Ｋｄ Ｅ Ｎ Ｎ Ｎ ， Ｐ ， Ｍ， Ｂ ； ｎ Ｋ 、
＝
｛ Ｂ， Ｍ， Ｓ ０， Ｓ 尸 尸 。 他 们 的隶 属 度 Ｎ Ｎ Ｎ ， Ｐ ， Ｍ， ｝
ｉ｝
函数 为三 角形 函数 ， 图 ２所示 。 如
模糊 自整 定 ＰＤ 参 数 的 目 的是 使 参 数 、 Ｉ Ｋ 、 Ｋ 随着 ｅ ｅ 和 ｃ的变化 而 自行 调 整 ， 应首 先建 故 立 它们 之 间的关 系 。根 据 实 际经 验 ， 数 Ｋ 、 参 Ｋ 、
理 作 出 相 应 决 策 ， 线 调 整 Ｐ、 、 参 数 修 正 值 在 ，Ｄ 以适 应 控 制 系 统 的 参 数 变 化 和 工 作 条 件 的 变 化 。基 于模 糊 逻 辑 推 理 的 ＰＤ 控 制 器 以控 制 专 Ｉ 家整 定 控 制器 参 数 的经 验 和 知识 为 基 础 ， ＰＤ 在 Ｉ 算 法 的 基 础上 增 加 了 Ｅ和 Ｅ 的计 算 ， 将 在 工 Ｃ 并
产生 式 语句 １ （ 件 ） Ｈ Ｎ（ 果 ） Ｆ条 ＴＥ 结 的形 式 组 成
知识 库 ， 模 糊 合 成 推 理 形 成 模 糊 查 询 矩 阵 。 经
在 知识 库 中搜 索 相 应 的 模 糊 推 理 矩 阵 ， 进 行 并
参数调整（ １ 。 图 ）
图 １ ＰＤ参 数 模 糊 自整 定 控 制 系 统 结 构 图 Ｉ
２ ）当 ｅ中 等大 小 时 ， 减 小 系 统 的超 调量 ， 为 保证 一定 的 响应 速 度 ， 适 当减 小 ； 时 和 Ｋ应 同 Ｋ 的取值 大小 要适 中 ；
３ ）当 ｅ 小 时 ， 减 小 稳 态 误 差 ， 。 Ｋ 应 较 为 Ｋ与 取得 大一 些 ， 了避 免 输 出 响 应在 设 定 值 附 近 振 为 荡 ， 时 考 虑 系 统 的 抗 干 扰 性 能 ， 的 取 值 要 同
＝
｛一 ， ， ， ， ， ， ｝ ３ 一２ 一１ ０ １ ２ ３ 。设 其 Ｆ ｚｙ子 集 为 ： ｕｚ
Ｋ∑ ｅ ） Ｋｅ ｊ ， 为比例系数； （ ＋ （）其中： ｃ｝ Ｋ为
积 分系 数 ； 为 微 分 系 数 ；（ ） ｅ（ ）分 别 为 偏 Ｋ ｅ ｋ 、ｃ ｋ 差 和偏 差变 化率 。
１ 引 言
传统 的 ＰＤ控制 器大量 应 用于工 业过 程控 制 Ｉ 中， 取得 了 良好 的控 制 效 果 。但 常 规 ＰＤ控 制 系 Ｉ
统 一般 只适 用 于线 性 系 统 ， 不 能根 据实 际 情 况 且
方法。
２ ＰＤ参 数模 糊 自整 定控 制 系统 的 Ｉ 基 本 原 理
作 者简 介 ： 吉 远 （９ ２一）男 ， 程 师 。研 究 方 向 ： 舶 与 海 洋 结 构 物 优 化 设 计 制 造 系 统 、 舶 及 轮 机 自动 及 智 能 倪 １５ ， 工 船 船
控 制 系统 。Ｅ ｍ ｉ ｑ ｕ ｍ ＠ １ ３ ｃ ｒ － ａ ： ｚｂ ｗ ６ ． ｏ ｌ ｎ
在 不 同 的 ｅ和 ｅ ｃ下 自调 整 要 满 足 如 下 调 整
原 则 ：
１ ）当 ｅ 大 时 ， 加快 系统 的 响 应 速 度 ， 较 为 防 止 因开始 时 ｅ的 瞬 间 变 大 可 能 会 引起 的 微 分 溢 出 ， 取较 大 的 Ｋ 和较 小的 Ｋ ， 同时 由于积 分作 应 。 ； 用太 强会使 系 统 超 调加 大 ， 而要 对 积 分 作 用加 因