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案例頻道 （浙江工商職業技術學院，浙江寧波 315012）黃章明，李方園
基金項目：2010年浙江省大學生科技創新項目
摘要：鍋爐汽包水位是一種非線性、時變大、強耦合的多變量系統。在建立了鍋爐汽包水位為調節對象的數學模型基礎上，應用MATLAB simulink軟件對汽包水位控制系統進行驗證和仿真，給出了傳統PID控制和模糊PID控制的比較結果，同時采用PLC進行模糊控制，明顯地改善了汽包水位控制系統的靜、動態特性，從而實現了對鍋爐汽包水位的最佳實時控制。
關鍵詞：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，我國現有工業鍋爐幾十萬臺，各種工業爐窯十萬余臺。鍋爐和工業爐窯年耗標準煤約3億噸以上，是國家的一個耗能大戶。由于技術落后、設備陳舊、操作水平低，目前鍋爐和工業爐窯普遍存在著熱效率低、能耗高的問題。
通過對鍋爐自動調節任務的分析，我們知道工業鍋爐的汽包水位是鍋爐正常運行的主要指標之一。如果水位過低，則由于汽包內的水量較少，而負荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內的水全部汽化，導致鍋爐燒壞或爆炸;水位過高會影響汽包的汽水分離，產生蒸汽帶水現象，會使過熱器管壁結垢導致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性和經濟性。由此可見，鍋爐給水系統采用自動控制是必不可少的，它對減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行具有重要意義。
本文以傳統PID控制和模糊PID控制來對鍋爐汽包水位進行仿真，并最后用PLC實現控制。經過對比，從而提出并設計了模糊PID控制的方案更優于傳統PID控制。
2 鍋爐汽包水位系統結構
如圖1所示為本文所研究的鍋爐汽包水位系統結構。
圖1 鍋爐汽包水位系統結構
通過現場了解，鍋爐汽包水位和鍋爐的給水流量和蒸汽流量都有關。當蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產生“虛假液位”現象。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計的目的就是要克服鍋爐負荷變化所引起的“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變化。
綜合各類文獻所述，在汽包水位控制上采用三沖量控制系統，即汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內反饋信號的控制系統。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PID 控制系統原理圖，PID 是一種線性控制器，它根據給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構成控制偏差：
error(t)=rin(t)-yout(t)
式中: Kp是比例系數， TI是積分時間常熟，TD 是微分時間常熟。
圖3 傳統PID控制系統結構
在simulink環境下設計一個傳統PID控制系統對鍋爐汽包水位進行仿真。
首先，在MATLAB命令行中運行命令simulink, 打開simulink 模塊。運行File-new-model, 建議一個新的模型。接著，在工作區域內加入如圖4所示元件，并用導線連接起來，這樣就建立了一個傳統PID 控制系統。
圖4 傳統PID控制系統
圖5 PID內部結構
其中的Transfer Function是鍋爐汽包水位的傳遞函數，PID Controller是個封裝的子系統，內部結構如圖5所示。
圖6為P=10，I=0.001，D=90的仿真結果。
圖6 傳統PID控制系統仿真結果
模糊PID是一種把PID控制與模糊控制相結合，具有模糊控制靈活而且適應性強的有點，又具有PID控制器精度高的特點。模糊PID控制系統的結構如圖7所示。由圖7可知該系統由傳統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，根據模糊控制規則對PID參數進行自適應調整，以滿足不同e和ec時對控制參數的要求。
圖7 模糊PID控制器系統結構
運行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，在工作區域內加入如下圖所示元件，并用導線連接起來，這樣就建立了一個模糊PID控制系統，如圖8所示。
圖8 模糊PID控制系統
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果。從圖中可以看出：模糊控制比傳統PID控制的效果更佳。
圖9 傳統PID控制與模糊PID控制仿真的比較結果
4 鍋爐汽包水位模糊控制的PLC設計
在PLC設計中，可以針對鍋爐中的液位參數的調節裝置設計一個雙輸入、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、模糊控制算法的設計、輸出信息的模糊判決三部分組成。
圖10 模糊控制器結構
鍋爐汽包水位控制系統數據采集、分析及處理均通過SIEMENS S7-300 PLC系統來完成，Fuzzy-PI雙模控制軟件通過編程來實現，軟件流程如圖11所示。
程序主要由OB1、FC1、FC2、FC3、FB1、FB2、FB3、DB1等多個功能和數據塊組成，各塊實現功能如下。
OB1:為系統循環組織塊，實現系統初始值賦值及各功能塊的調用；
FC1：完成液位實際值測量并先行轉換；計算e=r-y并對e的絕對值大小進行判斷，根據e的情況對FB1及FC2、FB2、FC3進行調節；
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運算，并將結果線性化，輸出結果U；
FB2：完成e、/E的模糊化，對FB3進行調節；
FB3:完成控制表查詢；
DB1：存儲模糊控制查詢表數據。
圖11 軟件流程圖
5 結束語
采用FUZZY-PI控制結構，對非線性、難以建立精確數學模型的鍋爐液面進行控制，既具有模糊控制魯棒性強、快速響應的特點，又具有PI控制消除靜態誤差、控制精度高的優點。現場運行實踐證明，此控制方式控制精度在±1.5mm誤差范圍內，取得了良好的控制效果。
參考文獻：
[1] 陳平,陳小云.基于MATLAB的鍋爐水位控制系統的設計與仿真[J].機電技術,2006（1）
[2] 張松蘭, 劉延太. 鍋爐汽包水位控制系統的設計[J].科技情報開發與經濟,2008（14）
[3] 王東林, 劉文定. 過程控制系統的MATLAB仿真[M]. 北京：機械工業出版社，2009.
作者簡介：黃章明（1991-），浙江工商職業技術學院電氣自動化技術專業，主要從事自動化技術的應用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號