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    （浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315012）黃章明，李方園

    基金項目：2010年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目

    摘要：鍋爐汽包水位是一種非線性、時變大、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。在建立了鍋爐汽包水位為調(diào)節(jié)對象的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB simulink軟件對汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行驗證和仿真，給出了傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制的比較結(jié)果，同時采用PLC進(jìn)行模糊控制，明顯地改善了汽包水位控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性，從而實(shí)現(xiàn)了對鍋爐汽包水位的最佳實(shí)時控制。

    關(guān)鍵詞：鍋爐汽包水位；MATLAB；模糊控制

   Digest：The boiler feed water is a nonlinear, time-varying large, strong coupling of multi-variable system. In the establishment of the mathematical model for a boiler feed water, MATLAB simulink software is used to control the drum water level. The fact is that the fuzzy PID control is better than the traditional PID control. Using the fuzzy PLC control, the static and dynamic characteristics are significantly improved in the steam drum water level system. Finally PLC system with the fuzzy-PID control is designed.

    Keyword：Boiler feed water; MATLAB; fuzzy control

    1 前言

    目前，我國現(xiàn)有工業(yè)鍋爐幾十萬臺，各種工業(yè)爐窯十萬余臺。鍋爐和工業(yè)爐窯年耗標(biāo)準(zhǔn)煤約3億噸以上，是國家的一個耗能大戶。由于技術(shù)落后、設(shè)備陳舊、操作水平低，目前鍋爐和工業(yè)爐窯普遍存在著熱效率低、能耗高的問題。
通過對鍋爐自動調(diào)節(jié)任務(wù)的分析，我們知道工業(yè)鍋爐的汽包水位是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸;水位過高會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動力的話，還會損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。由此可見，鍋爐給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它對減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。

    本文以傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制來對鍋爐汽包水位進(jìn)行仿真，并最后用PLC實(shí)現(xiàn)控制。經(jīng)過對比，從而提出并設(shè)計了模糊PID控制的方案更優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

    2 鍋爐汽包水位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    如圖1所示為本文所研究的鍋爐汽包水位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
      
                  

                               圖1 鍋爐汽包水位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    通過現(xiàn)場了解，鍋爐汽包水位和鍋爐的給水流量和蒸汽流量都有關(guān)。當(dāng)蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。這是汽包水位控制最主要要克服的問題之一。汽包水位模糊控制設(shè)計的目的就是要克服鍋爐負(fù)荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對水位的影響，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)變化。
綜合各類文獻(xiàn)所述，在汽包水位控制上采用三沖量控制系統(tǒng)，即汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內(nèi)反饋信號的控制系統(tǒng)。以下給出以汽包水位三沖量的控制框圖，如圖2所示。
  
                   
                                   圖2 汽包水位三沖量控制圖

    3 鍋爐汽包水位模糊控制的Matlab仿真

    圖3是傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)原理圖，PID 是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差：

   error(t)=rin(t)-yout(t)
   
 
      式中: K_p是比例系數(shù)， T_I是積分時間常熟，T_D 是微分時間常熟。
       
                  
                               圖3 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    在simulink環(huán)境下設(shè)計一個傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)對鍋爐汽包水位進(jìn)行仿真。
首先，在MATLAB命令行中運(yùn)行命令simulink, 打開simulink 模塊。運(yùn)行File-new-model, 建議一個新的模型。接著，在工作區(qū)域內(nèi)加入如圖4所示元件，并用導(dǎo)線連接起來，這樣就建立了一個傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)。
 
                
                                    圖4 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng) 
  
                  
                                圖5 PID內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    其中的Transfer Function是鍋爐汽包水位的傳遞函數(shù)，PID Controller是個封裝的子系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    圖6為P=10，I=0.001，D=90的仿真結(jié)果。
   
                    
                                圖6 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

    模糊PID是一種把PID控制與模糊控制相結(jié)合，具有模糊控制靈活而且適應(yīng)性強(qiáng)的有點(diǎn)，又具有PID控制器精度高的特點(diǎn)。模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可知該系統(tǒng)由傳統(tǒng)PID控制器和模糊推理控制器兩部分組成，以偏差e和偏差變化率 作為模糊控制器的輸入，根據(jù)模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的要求。

                   
                             圖7 模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    運(yùn)行MATLAB,在命令窗口中輸入simulink,打開simulink仿真界面，選擇File-new-model, 建立一個新模型。接著，在工作區(qū)域內(nèi)加入如下圖所示元件，并用導(dǎo)線連接起來，這樣就建立了一個模糊PID控制系統(tǒng)，如圖8所示。
        
                    
                              圖8 模糊PID控制系統(tǒng)

    圖9為P=10，I=0.001，D=90的時兩種不同控制方式下的仿真結(jié)果。從圖中可以看出：模糊控制比傳統(tǒng)PID控制的效果更佳。
    
                  
                               圖9 傳統(tǒng)PID控制與模糊PID控制仿真的比較結(jié)果

    4 鍋爐汽包水位模糊控制的PLC設(shè)計

    在PLC設(shè)計中，可以針對鍋爐中的液位參數(shù)的調(diào)節(jié)裝置設(shè)計一個雙輸入、單輸出的模糊控制器。如圖10所示。輸入變量分別是液位偏差E和液位偏差變化EC，輸出變量為供水閥門開度。模糊控制器由精確量的模糊化、模糊控制算法的設(shè)計、輸出信息的模糊判決三部分組成。
 
                 
                               圖10 模糊控制器結(jié)構(gòu)

    鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、分析及處理均通過SIEMENS S7-300 PLC系統(tǒng)來完成，F(xiàn)uzzy-PI雙模控制軟件通過編程來實(shí)現(xiàn)，軟件流程如圖11所示。

   程序主要由OB1、FC1、FC2、FC3、FB1、FB2、FB3、DB1等多個功能和數(shù)據(jù)塊組成，各塊實(shí)現(xiàn)功能如下。
OB1:為系統(tǒng)循環(huán)組織塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始值賦值及各功能塊的調(diào)用；

    FC1：完成液位實(shí)際值測量并先行轉(zhuǎn)換；計算e=r-y并對e的絕對值大小進(jìn)行判斷，根據(jù)e的情況對FB1及FC2、FB2、FC3進(jìn)行調(diào)節(jié)；

    FC2：完成/e=de/dt的計算；

    FC3：完成尺度變換及控制輸出；

    FB1:完成PI運(yùn)算，并將結(jié)果線性化，輸出結(jié)果U；

    FB2：完成e、/E的模糊化，對FB3進(jìn)行調(diào)節(jié)；

    FB3:完成控制表查詢；

    DB1：存儲模糊控制查詢表數(shù)據(jù)。
           
                  
                              圖11 軟件流程圖

    5 結(jié)束語

    采用FUZZY-PI控制結(jié)構(gòu)，對非線性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的鍋爐液面進(jìn)行控制，既具有模糊控制魯棒性強(qiáng)、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，又具有PI控制消除靜態(tài)誤差、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐證明，此控制方式控制精度在±1.5mm誤差范圍內(nèi)，取得了良好的控制效果。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 陳平,陳小云.基于MATLAB的鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].機(jī)電技術(shù),2006（1）

    [2] 張松蘭, 劉延太. 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2008（14）

    [3] 王東林, 劉文定. 過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

    作者簡介：黃章明（1991-），浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動化技術(shù)專業(yè)，主要從事自動化技術(shù)的應(yīng)用。