文章编号：基于模糊自适应PID的锅炉汽包水位控制研究李益华，王国伟，李源（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙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PID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PID控制；鲁棒性中图分类号：TP273文献标识码：AStudyofFuzzyPIDControlRegulationforWaterLevelofBoilerDrumLIYi-hua,WANGGuo-wei，LIYuan（CollegeofElectricalandInformationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China.Correspondent:WANGGuo-wei,E-mail:dj1321@126.com）Abstract：Consideringthereversecharacteristicsofwaterlevelofindustrialboilerdrum,thispaperdesignsathreeimpulsescontrolsystemofwaterlevelofboilerdrumbasedonfuzzyself-adaptivePIDcontrolstrategy,thecontrolsystemcanrapidlyovercomewatersupplyingdisturbanceofcontrolpathininnerloopandattenuatethedisturbancebecauseofchangingofsteamflowrateinouterloop.Boththeoreticalanalysisandsimulationresultsshowthatsignificantcontrolperformanceisacquiredineliminatingtheinternalandexternaldisturbance.Moreover,theschemeisadaptableandrobusttotheparameters’variationanduncertainties.Keywords：Waterlevelofboilerdrum;Threeimpulses;Fuzzyself-adaptivePIDControl;Robustness1引言锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中不可或缺的重要动力设备.维持其汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标[1].实际上，汽包水位控制的难点主要在于“虚假水位”现象,使得传统的控制策略参数整定比较困难,难以适应所有工况.传统的锅炉汽包水位控制策略采用三冲量控制[2].本文针对实际模型[3]进行分析，获得描述锅炉汽包水位的动态数学模型,综合考虑算法简单和控制有效这两方面的要求，基于常规PID控制策略的结构，采用模糊自适应控制[4-9]方法，对PID控制器的参数进行在线整定，仿真结果表明该控制方案能够获得较好的控制效果，鲁棒性强.2锅炉汽包水位的动态特性影响锅炉汽包水位的因素有给水流量作用下的控制通道特性和蒸汽负荷[1]变化作用下的扰动特性.传统的三冲量控制系统如图1所示：图1三冲量控制系统由图可知，该系统为前馈控制和串级控制组成的复合控制系统[10-12].通常可把汽包和给水看作单容无自衡过程，根据物料平衡和热平衡关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化为：(1)式中：h为汽包水位的高度；Ta为给水流量时间常数；KW为给水流量放大倍数；TD为蒸汽流量时间常数；KD为蒸汽流量放大倍数.T1、T2为水位时间常数.其中，给水流量W和蒸汽流量D的表达式如下：(2)2.1给水流量作用下的动态特性在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程可表示为：(3)对上式两边取拉氏变换，结合工程上对于中压以下的锅炉可忽略较小的Ta，令，并假设汽包水位在长时间内不随给水流量的增加而增加，可以得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下：(4)式中：ε1为在给水流量作用下，汽包水位变化的飞升速度.T2为水位滞后时间常数，和给水温度有关，给水温度越低，滞后时间越大.2.2蒸汽流量扰动下的动态特性同理，可以得到在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：(5)令，，得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下：(6)式中：ε2为蒸汽流量单位变化时汽包水位的变化速度，KS为只考虑水面下汽包容积变化所引起的水位变化的放大倍数.综上可知：引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（外扰动）和给水流量（内扰动）.3系统结构控制汽包水位的方法是操纵给水,依此构成的单回路控制系统对锅炉的虚假水位现象会发出相反的补偿动作,严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故.如果根据蒸汽流量来...