工业锅炉汽包水位pid图文精.docx
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工业锅炉汽包水位pid图文精
收稿日期:
2008-06-25修回日期:
2008-07-04
第26卷第7期
计算机仿真
2009年7月
文章编号:
1006-9348（200907-0195-04
工业锅炉汽包水位先进PID控制研究
任登凤,宋飞虎
（南京理工大学动力工程学院,江苏南京210094
摘要:
锅炉是工业生产中重要的动力设备,在实际运行过程中,基于安全性、稳定性及经济性等方面的考虑,汽包水位须维持在某一期望值附近。
以MATLAB为仿真平台,构建汽包水位三冲量控制系统,分别采用常规PID控制器、模糊自适应PID控制器和基于遗传算法的PID控制器。
常规PID控制器参数是由人工整定且固定不变的,其控制效果存在进一步提高的空间。
模糊自适应PID控制算法能在线整定、优化PID参数,遗传算法能根据模型自动寻找最优PID参数,汽包水位控制系统中常用的先进控制算法。
通过比较仿真结果,发现使用先进PID控制算法能有效地加快响应速度、减小超调量、减少调节时间、提高克服扰动的能力。
关键词:
汽包水位;三冲量;模糊自适应;遗传算法中图分类号:
TP391文献标识码:
A
AdvancedPIDControlofIndustrialBoiler'sDrumWaterLevel
RENDeng-feng,SONGFei-hu
（DepartmentofPowerEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,NanjingJiangsu210094,ChinaABSTRACT:
Boilerisanecessarypowerequipmentintheindustrialproduction.Inordertoensurethesecurity,stabilizationandeconomyoftheboilerinaprocess,thedrumlevelshouldbecontrolledclosetoadesiredvalue.Athree-impulsePIDcontrolsystemofdrumlevelisbuiltwithMATLAB,andtraditionalPIDcontroller,fuzzyadaptedPIDcontroller,PIDcontrollerbasedongenericalgorithmarethentakeninuse.However,theparameteroftraditionalPIDcontrolleristunedbyhuman,whichcantbechangedanymore,
sothecontroleffectshouldbefurtherim
proved.ThefuzzyadaptedPIDcontrolcantunetheparameteronline,andPIDcontrolbasedongenericalgorithmcansearchforthebestparameterautomatically,whichareincommonuseinthedrumlevelcontrolsystem.Comparedwiththesimulationresult,itisshowedthatusingadvancedPIDcontrolcaneffectivelyquickentheresponse,reducetheovershooting,decreasetherise-time,andimprovetheabilityofovercomingdisturbance.KEYWORDS:
Drumleve;lThree-impulses;Fuzzyadapted;Geneticalgorithm
1引言
锅炉的任务是根据外界负荷的变化,输送一定质量（汽压、汽温和相应数量的蒸汽。
在工业锅炉实际运行过程中,基于安全性、可靠性、稳定性及经济性等方面的考虑,汽包水位须维持在一期望值附近。
水位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,严重的将引起过热器爆管;水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。
大容量锅炉汽包的体积相对较小,液位的时间常数很小,若给水不及时,数十秒之内就可能达到危险水位[1]。
为了克服实际运行中存在的给水扰动和虚假水位现象,通常采用三冲量PID的控制结构。
常规PID控制由于其参数是事先由人工整定的,在运行过程中不可调,故
其效果并不令人满意,于是先进PID控制的概念就被提出以优化控制质量。
文中主要介绍了模糊自适应PID控制和基于遗传算法整定的PID控制两种先进PID控制方式。
使用MATLAB对构建的系统进行仿真,控制算法分别采用以上两种先进控制算法和常规PID算法,通过对各仿真结果进行直观比较,发现先进PID控制算法的动态性能和克服扰动的能力有所提高。
2控制系统结构分析
考虑到给水扰动和蒸汽扰动,在汽包水位控制系统中,三冲量比例-积分-微分（PID控制是一种惯用的方法。
它是在传统的单回路PID控制的基础上,再引入流量副回路及前馈控制环节,构成一前馈两反馈控制系统。
这种方案结构简单,设计方便,适用于任何无显著扰动的过程。
三个冲量
（即变量分别是水位反馈信号、给水流量反馈信号和蒸汽流
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量前馈信号。
整个控制系统形成两个闭合回路,如图1所示,其一是给水流量测量装置、调节算法、给水调节阀构成的回路,称为水流量回路,也称内回路,其作用是消除给水侧的扰动,稳定给水流量,在水位控制中起辅助作用;其二是由水位变送器、调节算法、整个内回路及对象控制通道所构成的回路,称为水位回路,也称外回路,其作用是消除各种扰动对水位的影响,维持汽包水位接近设定值。
蒸汽流量作用于副回路,蒸汽用量突然增加,汽包压力会因此降低,依靠炉水的蓄热使蒸汽产量增加,这时汽包中水下的汽泡迅速增加,将整个水位抬高,造成所谓的虚假水位现象,控制结构中用前馈控制来消除这一扰动[2]。
图1先进PID控制系统结构
已知某供汽量为120t/h的工业锅炉,给水流量与水位的传递函数及蒸汽流量与水位的传递函数分别为:
G
1
（s=
0.0529s（8.5s+1,G
2
（s=
2.613
（6.7s+12
-
0.0747
s
。
根据该锅炉特
点选用液位变送器的量程为300mm水柱,流量计的量程为150t/h;所有变送器均采用的DDZ型组合仪表。
水位变送器增益为0.0333,流量变送器及前馈补偿的增益均为0.0667;执行器采用线性阀,增益为15,流量调节器选用P调节器,k
p
=1[3]。
在实际运行中,对于负荷比较稳定、煤质比较固定、燃烧比较平稳的锅炉,常规PID控制器能基本实现调节的目的。
然而当存在显著的过程扰动或是负荷变化较大时,使用常规PID控制不能满足控制要求,运行中仍需手动干预。
这样既无法及时准确地实现控制,同时也使控制质量降低,于是便产生了替换它的动机。
3模糊自适应PID控制
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制,其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出的。
模糊集合相对于经典集合的最大不同就是引入隶属函数,允许集合中的元素部分隶属,即可以取O到1中的任何值。
传统的PID控制算法为:
u（t=k
p[e（t+
1
T
i
t0e（tdt+Tdde（tdt],
（以下令k
i
=k
p
1
T
i
k
d
=kT
d
（1
模糊自适应控制,通过PID参数与偏差e及偏差变化率
的模糊关系,在线对PID参数进行调整,具有系统响应快、超
调小、过渡过程时间短等优点[4]。
为了满足不同时刻对PID
参数的要求,以实时汽包水位的误差e和ec误差变化率作为
模糊控制器的输入量,通过模糊化接口及它们的隶属度函数
转换成模糊量,再由模糊推理（文中采用最大最小推理法查
询二维表得到PID参数的调整量k
p
、k
i
、k
d
的模糊量,
最后做解模糊处理（文中采用重心法Centroid就能得到PID
参数的调整量,如图2所示,从而获得当前时刻的PID参数:
k
p
=k*
p
+k
p
k
i
=k*
i
+k
i
k
d
=k*
d
+k
d
其中,k*
p
、k*
i
、k*
d
为PID参数的基准值。
经PID运算后能
得到当前时刻的调节量,控制给水阀,实现水位的控制。
图2模糊自适应算法流程
3.1隶属度函数
输入、输出变量均采用5个模糊子集（负大NL、负小NS、
零Z、正小PS、正大PL的形式。
相应的论域为:
e={-1,0.5,0,0.5,1}
ec={-0.05,-0.025,0,0.025,0.05}
k
p
={-4,-2,0,2,4}
k
i
={-0.025,-0.0125,0,0.0125,0.025}
k
d
={-1,0.5,0,0.5,1}
基准值k*
p
、k*
i
、k*
d
分别取3、0.08、1。
隶属度函数均采用均匀的三角形函数,如图3所示（仅
各变量的论域有所改变
:
图3隶属度函数的一般形式
3.2模糊推理规则
在锅炉汽包水位控制中,根据操作人员长期经验可总结
出在不同的偏差e及偏差变化率ec作用下,被控过程对PID
参数的整定要求可简单地总结出以下规律:
1当e较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,使系统
响应加快,应取较大的k
p
与较小的k
d
同时为了避免系统响
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应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取k
i
=0。
2当e和ec较小时,为使系统具有较小的超调,k
p
应取
得小些。
在这种情况下,k
d
的取值对系统的影响较大,应取得
小一些,k
i
的取值要适当。
3当e接近零时,为使系统具有较好的稳定性能,k
p与k
i
均应取得大些,同时为避免系统在设定值出现振荡,并考虑
系统抗干扰性能,当ec较大时k
d可取得小些;ec较小时k
d
可
取得大一些。
根据以上规律,可得以下模糊推理规则,以二维表形式给出。
表1k
p
的模糊规则表
e
ec
NLNSZPSPL
NLPLPSPSPSZNSNLPSPLPLNSZNLPLPSPLNSPSNSPSPLNSNLPLZPSPLNSNL
表2k
i
的模糊规则表
e
ec
NLNSZPSPL
NLNLNSNSPSPSNSNLNSZPSPSZNSNLNLNSPSPSNSNLNSNLZPLZPSPSPSPL
表3k
d
的模糊规则表
e
ec
NLNSZPSPL
NLNSNLNLNLPS
NSZNSNSNSZ
ZZNSZNSNS
PSNSZPSPSPL
PLPLPSPSPSPL
4基于遗传算法调整的PID控制
遗传算法是模拟自然界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最优化方法。
它将优胜劣汰,适者生存的生物进化原理引入参数形成的编码串联群体中,按所选择的适配值函数并通过遗传中的复制、交叉及变异对个体进行筛选,使适配值高的个体被保留下来,组成优于上一代的新群体。
这样周而复始,群体中个体的适应度不断提高。
4.1遗传算法的优化过程
遗传算法的基本操作依次包括复制、交叉和变异[5]。
复制是从旧种群中选择生命力强的个体编码串产生新种群的过程。
具有高适配值的个体在下一代中有较多的后代,具有较低适配值的个体在下一代中后代较少甚至没有后代。
它模仿了自然现象,应用了达尔文的适者生存理论。
复制通过复制产生了一个新的种群,但是没有创造新的个体。
而交叉模拟了生物的繁殖现象,两个相近的个体有一定概率交换它们的编码串中的某几位从而产生新的个体。
变异用来模拟生物在自然界中由于环境中的各种偶然因素引起的基因突变,它以很小的概率改变种群中个体的某一位的值。
若个体染色体以二进制数表示,它将基因某一位由0变为1或是由1变为0。
图4遗传算法流程图
本文中,需要寻优的是PID参数,用10位二进制编码来表示一个个体,一个个体代表一组参数,初始时生成表示k
p
、
k
i
、k
d
的第一代种群,每个种群中有30个个体,将每个个体（参数依次作用于水位控制系统的控制器,进行仿真得到一个记录1400s内水位趋势的数组,代入目标函数求得每组参数的适配值,根据适配值进行复制、交叉、变异操作得到下一代种群。
重复以上操作直到到达一定代数。
以上过程如图4所示。
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4.2目标函数
目标函数是遗传算法的核心,它决定着种群的繁衍朝着什么方向进行。
在确定目标函数之前,先要定下一个期望达到的控制目标,如调节初期希望上升较快,不希望有太大的超调;在受到给水扰动时,希望较快回到平衡状态且调节过程偏离设定值较小;在受到蒸汽扰动时,同样希望较快回到平衡状态且调节过程偏离设定值较小等等。
考虑到以上情况,文中选择目标函数的形式如下:
J=1/f=3000|y-r|+3560500|y-r|+414001000|y-r|+
0.9990|y-r|+2tu（2
上式分别考虑了,初时、受给水扰动和受蒸汽扰动三个时期的情况。
式中:
J目标函数值;
y水位值;
r设定值;
t
u
上升时间,将调节初期上升的快慢作为一项考虑因素;
f适配值。
5仿真及分析
构建如图1所示的系统（各环节的传递函数已给出,仿真时间为1400s,在设定值的作用下,水位由零开始上升,并于400s前达到稳定。
在500s时加入20%的脉冲给水扰动,在1000s时,再加入10%的阶跃蒸汽扰动。
常规PID控制器参数
为k
p=3、k
i
=0.08、k
d
=1;模糊自适应PID控制器的基准值
及隶属度函数等在上文中已给出;遗传算法中,k
p
的变化范
围为0~6,k
i的变化范围为0~1,k
d
的变化范围为0~2,采
用一点交叉算法,交叉概率为0.6,变异概率为0.001,编码长度为10位,种群个体数为30,遗传代数为60。
仿真结果如图5所示。
从图5仿真结果中可以看出,模糊自适应PID及基于遗传算法的PID控制器的控制效果明显优于常规PID控制器,对给水扰动及虚假水位亦有较强的调节能力。
在设定值作用下,在设定值作用下水位的超调量分别为12mm、8mm、10.5mm,调节时间分别为240s、220s、180s,上升时间分别为35s、32s、27s;在给水扰动作用下,水位的变化范围分别为27mm~33mm、28.5mm~32mm、28.5mm~32mm,恢复到平衡状态的时间分别为750s、710s、660s;在蒸汽扰动作用下,水位的变化范围分别为26.5mm~33mm、27.5mm~33mm、27.5mm~33mm,恢复到平衡状态的时间分别为1220s、1200s、1150s。
图5仿真结果
6结论
先进PID控制是智能控制研究的热点之一。
本文以工业锅炉为研究对象,分别采用常规PID、模糊自适应PID、基于遗传算法的PID控制器用于汽包水位的三冲量控制系统,通过对仿真结果的观察和比较,可以看出先进PID控制算法的效果有明显改善,克服外部干扰的能力也有所增强。
参考文献:
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版社,2006.103-104
.
[作者简介]
任登凤（1978-,女（汉族,江苏泰州人,讲师,主
要研究领域为热工自动化;
宋飞虎（1986-,男（汉族,大学本科生,主要研
究领域为热工自动化。
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