冯茜 郭卫国 袁景辉 李笑缙 魏龙

摘要：针对在传统锅炉汽包水位控制过程中出现的抗干扰性能差、液位调节浮动大等问题，本文采用串级PID控制、自适应模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制等智能控制方法，对汽包水位控制系统进行控制。通过仿真对比发现，仿人智能模糊控制的最大超调量最小、调整时间最短，其综合控制效果较好。

关键词：汽包水位控制;串级PID控制;自适应模糊PID控制;仿人智能控制;仿人智能模糊控制

一、引言

锅炉设备是工业生产过程中重要的动力设备，锅炉汽包水位系统输入输出多，变量之间相互影响较大，扰动因素较多，同时，锅炉在负荷突变或燃烧不稳时，非常容易产生“虚假水位”现象[1]，此时，操作不当极易引发锅炉烧坏甚至爆炸。传统PID算法对汽包水位系统的控制效果并不理想，智能控制算法具有抗干扰能力强、对模型依赖少、鲁棒性强，并且适用于非线性、滞后系统的特点，随着智能控制算法的不断发展，将智能控制应用于锅炉汽包水位系统进行控制，具有实际意义。

本文针对锅炉汽包液位的动态特性，研究串级PID控制、自适应模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制在锅炉汽包水位系统中的应用。

二、锅炉汽包水位系统数学模型

本文选用三冲量控制系统，通过调节蒸汽负荷、给水量、汽包水位来实现锅炉汽包水位的控制。三冲量控制系统是一个带有前馈信号的串级控制系统。主控制器是水位控制器，副控制器是流量控制器，二者共同构成串级控制系统。给水扰动作用于副控制回路能够快速消除扰动，通过对蒸汽流量和给水流量的调节，协助主控制器进行水位控制。锅炉汽包水位三冲量系统原理：

给水量改变单位流量时水位的变化速度m/s，水位的时间常数s。

给水量改变单位流量时水位的变化速度m/s，水位的时间常数s，水位变化放大倍数。

执行机构和阀门的特性系数分别为：，。给水流量及蒸汽流量信号的分流系数为0.25，蒸汽流量、给水流量测量变送器的传递系数为：0.083，汽包水位测量变送器的传递系数分别为：0.033。

三、控制算法仿真研究

（一）基于串级PID控制的锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真

1.串级PID控制算法。串级PID是将两个PID控制器串联，外环水位控制器的输出作为内环副控制器的设定值，由副控制器的输出调节给水阀，从而对外环水位控制具有更好的控制效果。

2.仿真结果及其分析。主控制器的PID参数为：，，。副控制器的PID参数为：。在仿真时间T=2000s时，同时加入蒸汽扰动和给水扰动，仿真结果中

（二）基于自适应模糊PID控制的锅炉汽包水位控制系统仿真

1.自适应模糊PID控制算法。模糊控制[2]是一种应用模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理知识，模拟人的模糊思维方法，对复杂系统实行控制的一种智能控制系统，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。

2.自适应模糊PID控制系统设计

（1）输入变量与输出变量。模糊模块输入量是偏差e和偏差的变化ec，输出量则是PID三个参数的变化量△Kp、△Ki、△Kd。

（2）量化因子、模糊论域、模糊语言、隶属函数、比例因子。e，ec，△Kp、△Ki、△Kd的模糊论域都取[–5，5]，根据仿真情况：e的量化因子取2.5，ec的量化因子取10，△Kp、△Ki、△Kd的量化因子取0.05。

模糊语言取[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，隶属函数则都取梯形隶属函数。

（3）模糊规则的制定。系统启动时，e最大，为了提高响应速度，应取较大的Kp，较小的Kd和较大的Ki;在生产过程中，e很小，为了控制超调量和响应速度，应取较小的Kp，较大的Kd和较小的Ki。

3.仿真结果和分析。在仿真时间T=1000s时，同时加入蒸汽扰动和给水扰动（单位阶跃信号），采用PID控制和自适应模糊PID控制进行对比，仿真结果从仿真结果图可以看出，自适应模糊PID控制在响应速度方面比传统PID控制响应速度快，同时超调量比传统PID控制小，改进后的自适应模糊PID控制系统较之传统PID控制效果更好。

（a） 自適应模糊PID;（b）仿人智能控制; （c）仿人智能模糊控制

（三）基于仿人智能控制的锅炉汽包水位控制系统仿真

1.仿人智能控制算法。仿人、仿智是仿人智能控制的基本思想。在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别和利用控制系统动态过程所提供的特征信息进行启发和直觉推理[3]，从而实现对缺乏精确模型的对象进行有效的控制。

2.仿人智能控制系统设计。考虑情况：且时，采用PID控制;或时，若采用PD控制，若采用P控制。

3.仿真结果和分析。在仿真时间T=1000s时，同时加入蒸汽扰动和给水扰动（单位阶跃信号），三个控制器交替运行，采用PID控制和仿人智能控制进行对比，仿真结果如图2（b），其中红色曲线1为仿人智能控制，蓝色曲线2为PID控制。

从仿真结果图可以看出，系统采用仿人智能控制的最大超调量比传统PID小很多，仿人智能控制较之传统PID控制效果更好。

（四）基于仿人智能模糊控制的锅炉汽包水位控制系统仿真

1.仿人智能模糊控制算法。仿人智能模糊控制[4]是力图用智能算子来仿效或近似模拟人的控制行为，设计出智能控制器。基本思想是当误差及误差变化率往绝对值变大的方向变化时，控制器加以闭环控制;当误差及误差变化率往绝对值变小的方向变化时，控制器加以开环控制。

2.仿人智能模糊控制系统设计。考虑情况：且时，采用PID控制;或时，若采用PD控制，若采用P控制。

将仿人智能模糊控制与传统PID控制进行对比，搭建出系统整体控制模型。其中e的量化因子取2，ec的量化因子取30，△U的量化因子取0.2。

3.仿真结果和分析。在仿真时间T=1000s时，同时加入蒸汽扰动和给水扰动（单位阶跃信号），三个控制器交替运行，采用PID控制和仿人智能模糊控制进行对比，仿真结果，其中红色曲线2为仿人智能模糊控制，蓝色曲线1为PID控制。

从仿真结果图可以看出，仿人智能模糊控制的最大超调量比传统PID控制小，同时调整时间比传统PID控制短，但是上升时间比传统PID控制略慢。因此，仿人智能模糊控制控制系统较之传统PID控制效果更好。

四、结论

本文主要探讨了应用多种智能控制方法，进行锅炉汽包水位控制的方案。应用机理建模法建立三冲量锅炉汽包水位系统模型，分别采用串级PID控制、自适应模糊PID控制、仿人智能控制、仿人智能模糊控制等控制方法来设计锅炉汽包水位控制系统，并进行了对比仿真研究。仿真研究结果表明：

（1）自适应模糊PID从本质上来说仍然属于PID控制，只不过PID参数能够不断在线调整，以期达到更好的控制效果。

（2）仿人智能控制根据偏差种组合，不断调整控制方案，虽然控制方案是简单的P、PI、PD、PID等方式，但是较之传统的PID控制效果更好;

（3）仿人智能模糊控制根据偏差、偏差变化情况，将模糊控制引入控制过程中，与仿人智能控制相结合，表现出超调量小，抗扰动能力强，调整速度快的优势。

参考文献

张益农，萧德云. CFB锅炉汽包水位自校正PID模糊控制研软件[J].计算机应用与软件，2004，21（12），23（8）：34–36，62.

海山.锅炉汽包水位的智能控制研究[D].内蒙古大学电子信息工程学院，2008.

李岩.模糊PID控制在液位控制中的应用[D].合肥工业大学.2008.

张贯宇.基于模糊神经网络参数整定的热轧带钢厚度仿人智能控制[D].太原理工大学.2009.