基于模糊PID控制的锅炉水位控制系统研究(3)

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1 绪论

1.1 课题背景与意义

锅炉产业发展速度和业绩提高都是很惊人的。20世纪80年代以后[1]，中国锅炉产业增加近一半，关键是我国还掌握了自主研发能力，甚至部分产品接近领先国家，锅炉这个迅速发展经济时代的重要部件[2]。

但是，我国现在虽然有几百万锅炉系统，但是我们面临着设备老旧，操作人员技术落后的问题，锅炉热效率偏低的情况一直无法解决。我国存在的能源危机也迫切需要我们提高热效率，实践也证明用先进的计算机系统控制可以节能7%—9%。

其中水位、温度、压力是锅炉工作效果的重要指标，水位过高后的汽水分离，常引起汽带水现象；水位过低对汽水循环是很不利的，严重的话可能发生爆管造成事故[3]。锅炉内部温度过高会损坏蒸汽管道，对汽轮机也有一定损坏；温度太低也存在着弊端，那就是效率会有所降低，对汽轮机的叶片侵蚀情况也会加剧。压力过高可能超过金属承受限度就会发生变形，压力过低的话，很难达到设备工作要求。所以，我们一定要严格控制好锅炉内的水位以及温度压力。

汽包水位的控制一直是锅炉控制的一个难点，虽然现在很多都采用PID控制，但是面对一些复杂或者非线性、多干扰的系统时难以应付，近年流行的模糊PID可以较好地改善这方面的不足。

1.2 锅炉控制的研究现状

由于锅炉是多输入多输出系统，所以也伴随着很多的干扰项，参数间更是交互影响难以控制。目前用的经典控制理论实现比较困难，当前设计主要还是分析具体生产要求。我们不停留在设计很多单回路的基础上还要加入许多变量，并进行补充，但是效果依旧不是很满意。还有这种设计复杂造价按昂贵的设备对于小型用户来说很难承受。所以目前很多小型用户还停留在简单的启动停止。依靠纯人工的话首先要求员工有丰富的经验和认真负责的态度，且经济效益也较差，安全更是我们工作的基本出发点，环境污染问题也是比较严重的。

锅炉控制常有的方法如下：

(1) 基于PID控制的锅炉控制

常规PID控制应用虽然原理相对简单，实现难度也不高，鲁棒性也不错，是目前控制方法中用得比较多的，然而超调量是这个系统始终无法摆脱的难题。

(2) 基于神经网络控制的锅炉控制

神经网络也逐渐出现在了锅炉控制中，反应速度，精度和鲁棒性都不错。神经网络自学习的特性使它能快速准确地产生合适的模糊规则以及隶属度函数。它在过程控制与实时控制方面效果都不错。

(3) 基于模糊PID控制的锅炉控制

模糊PID在锅炉控制方面对干扰参量的检测分析效果是很突出的，不仅拥有常规系统的简单鲁棒性强等优点，极高的灵活性与精确性也是亮点。

(4) 基于模糊控制的的锅炉控制

模糊控制虽然可以有效克服系统的非线性以及不确定性，鲁棒性得到了提高。但这也导致了它精确性的降低。

(5) 基于专家控制的锅炉控制

专家控制结合了人工智能以及专家系统等技术可以灵活的实现解析规律逻辑，它的只能可以自动采取有效控制策略。动态效果极佳，且简单易懂。

模糊控制在自动化研究领域不断扩张着。模糊PID控制技术的地位也一直在提高，也是未来重要的研究方向。

1.3 本文的主要研究内容

本文主要根据锅炉水位特性来分析锅炉系统。把锅炉水位控制特性的数学模型建立好是重中之重，然后用模糊方法和传统PID方法分别控制并作比较，仿真证明前者的效果要比后者好。给水流量和蒸汽流量是锅炉水位特性的两个关键要素，锅炉水位的传递函数以及特性曲线就可以得到了[4]。其中我们有一个重要的问题，那就是“虚假液位”，蒸汽流量与给水流量不平衡就会导致该情况。我们发现PID控制的动态响应、抗干扰性等效果不是很理想，鲁棒性不是很强。然后采用了模糊控制方法，模糊控制器有实际水位和给定水位的偏差e和及其变化率ec两个输入变量，输出变化量为u[5]。此时，发现鲁棒性和可靠性都得到了提高，但模糊控制作用粗糙了点，精度也有所降低。