模糊控制在锅炉汽包水位控制系统中的应用

模糊控制在锅炉汽包水位控制系统中的应用[摘要] 汽包水位调节控制过程难以建立精确的数学模型，属时变、非线性系统，所以适合采用模糊控制方案。

本文分别对传统pid 和模糊控制方法利用matlab进行仿真，并在仿真的基础上对两种方法进行比较，得出模糊控制方法适应系统滞后性、时变性方面的能力均优于pid控制方法的结论。

[关键词] 模糊控制 pid控制汽包水位matlab0.引言随着电力需求的增长，我国的火力发电开始向大容量、高参数方向发展。

火电机组容量越大，其设备结构越复杂，自动化程度要求也越高。

自然循环锅炉中，锅炉汽包水位是非常重要的运行参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的重要标志。

汽包水位维持在一定允许范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

水位过高，会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢,严重时会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备；水位过低，则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道变形爆裂。

另一方面，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的相对容积减少，负荷变化和其他扰动对水位的影响将相对增大，这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。

目前，我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用传统的pid 控制方式。

不同的控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点差异，但基本上还是遵循了单冲量和三冲量控制相结合的控制模式。

在稳定的工况下，一般可以投入自动，但是由于汽包水位的动态特性存在非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等特点，因此在机组运行动态较大幅度变化的情况下，容易造成系统的不稳定甚至失控。

由于给水系统的复杂性，适应异常工况的能力和出现设备故障情况时的自调整能力较弱，如何增强给水系统的控制（即汽包水位控制）效果和适应能力成为现今控制工程人员急于解决的一个课题。

因此，设计了锅炉汽包水位三冲量自适应模糊pid 串级控制系统，仿真研究得到了很好的控制效果。

1.模糊控制策略模糊控制实际上是一种非线性控制，是以模糊理论模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法，从属于智能控制的范畴。

模糊控制具有以下突出特点：1）模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家知识，在设计中不需要被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

2）由工业基础过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对于那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

3) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异。

但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

4）模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

5）模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被减弱，尤其适合于非线性及纯滞后系统的控制。

2.控制结构设计锅炉汽包水位三冲量自适应模糊pid 串级控制系统如下图1所示：图1 锅炉汽包水位三冲量自适应模糊pid 串级控制系统3.用matlab模糊逻辑工具箱实现系统仿真3.1 定义输入输出变量本文设计的模糊控制器采用二输入三输出类型，以锅炉的水位误差e、水位误差变化率ec作为模糊控制器的两个输入变量，kp 、ki、kd作为模糊控制器的三个输出变量。

二输入三输出模糊控制器结构如图2所示。

图2二输入三输出模糊控制器结构3.2 描述输入和输出变量的语言变量根据精确程度和控制要求一般选择7个等级较适合，对于水位误差e、误差变化率ec及输出控制量kp、ki、kd的模糊集均为｛nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb｝七个等级。

3.3 模糊变量的模糊子集的制定在选择描述模糊变量的各个模糊子集时，应使它们较好地覆盖整个论域。

水位偏差的变化范围是[-50 +50] ，将水位偏差和水位误差率模糊语言变量量化到整数论域均为[-3 3]，输出变量的整数论域为[0 1]。

各变量隶属函数曲线采用三角形，水位误差e、误差变化率ec的隶属度曲线如图3，输出控制量kp、 ki、kd的隶属度曲线如图4。

图3 输入变量的三角形隶属度曲线图图4 输出变量的三角形隶属度曲线图量化因子的选择：误差的量化因子ke =，误差变化率的量化因子kec =，输出控制量的比例因子ku =,其中xe为水位误差值，xec为水位误差变化率，yu为输出控制量，n、m、l为论域值。

量化因子和比例因子对系统的影响：ke大，调节死区小，上升速率大；ke过大系统将产生较大超调，调节时间增大，甚至产生振荡，使系统不能稳定工作。

kec 大，反应较迟钝；kec小系统反应快，上升速率大；kec过小会引起大的超调，使调节时间长，严重时系统不能工作。

ku相当于常规的比例增益，ku大上升速度较快，ku 过大将产生较大超调，影响稳态工作，ku不影响系统的稳态误差。

3.4 建立模糊控制器的控制规则确定模糊控制规则的原则是是使控制效果达到最佳。

在实际运用中，模糊控制器规则的建立是基于操作人员及专家的经验总结归纳而成。

本模糊控制器根据锅炉控制的现状及工程经验，结合仿真不断修改，归纳总结出pid 三个参数的控制规则如下表1、表2、表3所示。

3.5 精确量的模糊化把在[-3 3]之间变化的连续量分为7个档次，每一个档次对应一个模糊子集，这样处理模糊过程较简单。

如果将每个精确量都对应一个模糊子集，就有无穷多个模糊子集，模糊化过程就很复杂。

把区间[a,b] 的精确量x 转换为[-n n]区间的模糊变量y，一般采用公式例如水位误差控制在[-50 50]则精确量转换区间为[-3 3] 其转换公式为若求得的结果不是整数可以把它进行四舍五入，归入接近于y 的整数。

3.6 模糊推理算法和清晰化计算采用mamdani型模糊推理算法，运用极小运算规则定义蕴涵表达模糊关系。

模糊控制器的输出是一个模糊量，要把模糊量转化为精确量才能去控制控制执行机构。

本设计采用加权平均法也叫面积重心法centroid。

3.7 模糊控制器在matlab模糊工具箱上实现仿真matlab提供方便的模糊工具箱的图形界面可视化工具，使得模糊控制器实现仿真简单方便且直观，如图5所示。

本控制器模糊推理系统采用mamdani型模糊推理系统，与运算采用极小运算，或运算采用极大运算，模糊蕴涵采用极小运算，模糊规则综合采用极大运算，去模糊化采用重心法。

隶属度函数采用三角形隶属度函数，因为模糊集为七级，所以三角形曲线数量为七个。

模糊规则采用if e is nb and ec is nb then u is pb的方式。

图5 二输入三输出的模糊控制器在matlab模糊控制箱箱仿真图3.8 模糊逻辑仿真结果根据传统锅炉水位三冲量pid控制方式，本设计的锅炉汽包水位控制系统采用串级方式，主控制器采用参数自适应模糊pid控制器，副控制器采用p控制器。

锅炉汽包水位三冲量自适应模糊pid串级控制系统如图1所示。

在水位传递函数为gp (s) =时，对以下三种情况进行仿真：1）水位给定值阶跃跟踪响应时；2）加入蒸汽流量扰动时；3）加入给水流量。

1）水位给定值阶跃跟踪响应时2）在500秒加入蒸汽流量扰动时3）在500秒加入给水流量扰动时3.9 汽包水位三冲量自适应模糊pid控制与传统pid控制的仿真比较把三冲量自适应模糊pid控制方式与传统pid控制方式分别在以下四种情况下：1）水位给定值阶跃跟踪响应时；2）加入蒸汽流量扰动时；3）加入给水流量扰动时；4）水位对象发生变化时的仿真结果进行比较，如下图所示，其中曲线1为自适应模糊pid 控制系统仿真曲线,曲线2为传统pid 控制系统仿真曲线：1）水位给定值阶跃跟踪响应时仿真结果比较2）在500 秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果比较3）在500 秒加入给水流量扰动时的仿真结果比较4）当水位对象发生变化时的仿真结果比较4. 结论对比控制系统对给水扰动阶跃信号和蒸汽扰动阶跃信号的响应曲线可以看出，两种控制方案都能达到控制要求，保持水位在正常水位的50mm内。

但是模糊控制系统的控制效果要好于pid控制系统。

具体体现在：（1）模糊控制系统的调节时间表比较短；（2）模糊控制系统的超调量比较小。

由于某种原因模糊控制器的输入量要经过量化，输出值也是离散量，所以模糊控制系统存在一些静差，但这对于锅炉水位调节自动控制系统是可以允许的。

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