维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第５期 船海工程 ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２００７ ２００７年１Ｏ月 文章编号：１６７１—７９５３（２００７）０５ ００５５ ０４ 蒸汽发生器水位的模糊自适应ＰＩＤ控制 宋梅村，张宇声 （海军工程大学船舶与动力学院，武汉４３００３３） 摘要：介绍Ｆｕｚｚｙ在线自校正ＰＩＤ参数控制器原理和该控制器在蒸发器汽水位控制系统中的应用，结 果表明该控制方式取得了更优良的控制效果。 关键词：蒸汽发生器水位；模糊自适应ＰＩＤ；给水流量；蒸汽负荷 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｗａｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＳＯＮＧ Ｍｅｉ－ｃｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｔ’Ｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＳＧ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｕｇｇｅｓｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ；ｆｅｅｄ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ；ｂｕｒｄｅｎ ｏｆ ｓｔｅａｍ 蒸汽发生器是事故多发的设备，水位过高会 导致蒸汽带水进入汽轮机形成对汽轮机叶片的冲 击从而影响汽轮机的安全稳定；水位过低又将引 积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统。系统 特性可表示为： Ｇ１（ｓ）一 一 （１） 起蒸发器传热管局部过热而爆管以至造成放射性 泄露以及一回路压力波动。 １．２在蒸汽负荷扰动下的动态特性 蒸发器水位不仅受蒸发器（包括循环水管） 中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。 而水位下汽泡容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、一回路 当汽轮机耗汽量Ｄ突然增加时，一方面改变 了蒸发器内的物质平衡状态，使水位下降，另一方 面，由于耗汽量Ｄ的增加，迫使蒸发器内汽泡增 冷却剂温度等有关。影响水位变化的主要因素是 蒸汽负荷Ｄ和给水流量Ｗ。蒸汽负荷扰动下蒸 多；同时由于一回路冷却剂温度不变，蒸发器压力 ＰｆＩ下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积 增 大，从而导致蒸发器水位的上升，后者的影响要大 于前者，因此在负荷的阶跃增加后的一段时间水 位不但不下降，反而明显上升。这种反常现象称 发器水位具有“虚假水位”＿ｌ ］的反向特性，给控制 带来一定困难。因此，考虑采用模糊自适应ＰＩＤ 控制，以满足蒸发器水位控制的要求。 １ 蒸汽发生器水位的动态特性 蒸发器给水控制系统的操纵变量是给水流 量，主要是使蒸发器水位维持在给定的范围内。 １。１在给水流量作用下的动态特性 为“假水位”现象。系统特性可表示为： Ｇ２（ 一 ＋ “虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很 快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力 蒸发器水位在给水流量作用下，近似于一个 收稿日期：２００７ Ｏ１ ２２ 修回日期：２００７ ０３ １２ 作者简介：宋梅村（１ ９８３一），男，硕士生。 变化速度成正比，这给控制带来一定困难。 ２模糊自适应ＰＩＤ控制方案 ２。１系统结构 根据蒸汽发生器水位的要求和特点，为克服 ５５ 维普资讯 http://www.cqvip.com
蒸汽发生器水位的模糊自适应ＰＩＤ控制——宋梅村，张宇声 虚假水位，采用三冲量控制方案。如图１所示， ａ ａｗ２．２．２模糊控制器隶属函数及规则库 模糊推理部分的输入变量为偏差ｅ及偏差ｅｃ 变化，输出变量为Ｋ ，Ｋ ，Ｋ ，，他们在论域上的 及ａ 分别为蒸汽流量变送器、给水流量变 送器、差压变送器的转换系数。 已知某蒸发器，其给水流量与水位的传递函数 模糊语言即正大（ＰＢ）、正中（ＰＭ）、正小（ＰＳ）、 Ｇ１（ｓ），蒸汽流量与水位的传递函数 （ ）分别为： Ｇ ）一 一 （３） Ｇ２㈥一 一 ㈩ 根据该蒸发器特点，ａ。、ａｗ及ａ 分别为： ０．０６６ ７、０．０６６ ７及０．０３３ ３。调节阀采用线性增 益为１５。 位 图１控制系统框图 ２．２控制器 ２．２．１控制器的结构 ＡＶ＝Ｋ ・［Ｐ（走）一ｅ（走１）］十Ｋ ・ｅ（走）－一－ Ｋｄ・Ｅｅ（ｋ）２ｅ（ｋ一１）＋Ｐ（走２）］（５） 模糊自适应ＰＩＤ控制器［ ］是在ＰＩＤ算法如 式（５）的基础上，以误差ｅ和误差变化ｅｃ作为输 入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊规则 表，找出ＰＩＤ的３个参数（Ｋ Ｋ 、Ｋｄ）与ｅ和ｅｃ 之间的模糊关系，在运行中通过不断检测ｅ和 ｅｃ，根据模糊规则对３个参数进行在线修改，以满 足不同ｅ和ｅｃ是对控制参数的不同要求，从而使 对象具有良好的动、静态性能；模糊自适应ＰＩＤ 控制的核心建立合适的模糊规则，得到针对３个 参数Ｋ 、Ｋ。、Ｋａ分别整定的模糊规则表，其结构 框图见图２。 给 图２自适应模糊ＰＩＤ控制器结构 ５６ 零（ＺＯ）、负小（ＮＳ）、负中（ＮＭ）及负大（舳）， 均为无量纲值，ｅ、ｆｃ、Ｋ Ｋ 、Ｋ 均采用三角形隶 属函数（见图３）。 输八以及输出变量 图３输入量与输出量的隶属度 ＿Ⅵ ∑Ｕｌ．— Ｔ．Ｕ “ 一上｝ （６） ∑ 一ｌ 根据蒸发器水位控制的要求采用如表１所示 的规则库。输出变量的解模糊方法采用中心平均 解模糊法（见图４），“ 由式（６）确定。 ｗｌ ／ “ “ “‘ 图４ 中心平均解模糊法示意图 其中Ｕ 为第１个模糊集的中心， 为其隶 属度。根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数 模糊控制模型，应用模糊合成推理设计ＰＩＤ参数 的模糊矩阵表，查出代入如下计算： Ｋ 一Ｋ ’＋｛ｅ，ｅｃ｝ （７） Ｋ 一Ｋ ’＋｛ｅ，ｅＬ’｝ （８） Ｋｄ—Ｋ ｊ’＋｛Ｐ，ｅｃ｝ｄ （９） 式中：Ｋ ’、Ｋ ’、Ｋ 上一时问的值。 维普资讯 http://www.cqvip.com 蒸汽发生器水位的模糊自适应ＰＩＤ控制——宋梅村，张宇声 Ｌ广 脚 ３ 与常规ＰＩＤ控制系统的仿真比较 ３．１ 系统阶跃单位响应比较 用ｓｉｍｕｌｉｎｋＬ 进行仿真，图２中模糊自适应 ＰＩＤ控制器的模糊推理子系统见图５，其ＰＩＤ控 制子系统见图６。 莨 ＊ 图７ ＰＩ控制系统的仿真结果 图５模糊推理子系统 置 ＊ 图８模糊自适应ＰＩＤ系统的仿真结果 ３．２控制系统鲁棒性 当蒸发器运行工况变化，或由于设备的老化、 磨损等慢时变效应使蒸发器对象偏离标称模型 图６ ＰＩＤ控制子系统 时，要求所设计的控制系统具有强鲁棒性，由于系 统工况变化，给水流量与水位的传递函数Ｇ （ｓ） 以及蒸汽负荷与水位的传递函数Ｇ２（ｓ）变为以下 形式时： Ｇ１㈤一 Ｇ２（ｓ）一 一 一 （１０） …） 首先，将图２中模糊推理部分去掉，此时根据 蒸发器水位特性，用ＰＩ方式调节，其中ＰＩ控制器 的参数整定为Ｋ。一６，Ｋ。一０．０４５。将水位归一 化处理，运行时蒸发器的设定水位为１．０ ｈ，得其 单位阶跃响应见图７。 模糊自适应ＰＩＤ控制方式下，系统的单位阶 跃响应见图８。 显然，模糊自适应ＰＩＤ控制比ＰＩ控制的超 调量要小，并且响应更快。 仍采用上述算法且控制器参数不变，用模糊自适 应ＰＩＤ和常规ＰＩ调节方式控制得到的单位阶跃 ５７ 维普资讯 http://www.cqvip.com 蒸汽发生器水位的模糊自适应ＰＩＤ控制——宋梅村，张宇声 莨罂迥＊ ● ● Ｏ Ｏ Ｏ ２ Ｏ ８ ６ ４ Ｏ ２ Ｏ 响应见图９中的曲线１和２从图看出，模糊自适 其中曲线ｌ、２分别为模糊自适应ＰＩＤ控制 与常规ＰＩ控制的响应曲线。可以看出，当系统负 荷扰动后，与常规ＰＩ控制策略相比，蒸发器水位 应ＰＩＤ控制系统的调节Ｈ￣１￣１和超调量均较小，具 有较强的鲁棒性。 控制策略能较好地克服扰动，具有较强地抗干扰 能力和良好的调节品质。 ４ 结论 ‘茛 根据模糊集和模糊逻辑在线调整ＰＩＤ控制 器的参数．可以动态地适应外界环境的变化，在解 决复杂控制问题方面有很大的潜力。由于舰艇的 机动性要求高，各种特性参数变化较快，蒸发器水 ∥ｓ 位的模糊自适应ＰＩＤ控制正好满足了控制的要 图９两种系统阶跃响应比较 求，且调节过程中超调量和调节时间较小，能够确 保系统的安全稳定运行。 参考文献 ３．３控制系统的抗干扰能力 在ｔ＝８０ Ｓ时，加入２Ｏ 蒸汽负荷阶跃扰动， 系统响应曲线见图１０。 １］陈２］周可，张琴舜，沈秀中．蒸汽发生器实时动态仿真 刚，张广福，余刃．核反应堆控制［Ｍ］．武汉：海 ＥＪ］．锅炉技术，２００１，３２（１１）：７０—７５． 军工程大学出版社．２００３． －３］刘金琨．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真（第２版） Ｍ ．北京：电子工业出版社，２００４． ：４］王立新．模糊系统与模糊控制教程［Ｍ］．北京：清华大 学出版社．２００３． … ．Ｏ ｌＯ ２Ｏ ３Ｏ ４Ｏ ５Ｏ ６Ｏ ７Ｏ ８Ｏ ９Ｏ ｌＯＯ １ｌＯ ｌ２Ｏ ｔｊｓ ：ｊ］王正林，郭阳宽．过程控制及其ｓｉｍｕｌｉｎｋ应用［Ｍ］．北 京：电了上业出版社，２００６． 图１０ ２０％负荷阶跃扰动下的两种控制系统 响应曲线比较 Ｚ６］李国勇．智能控制及其ＭＡＴＬＡＢ实现［Ｍ］．北京：电 子工、¨，出版社，２００５． 欢迎订阅 船海工程 《船海工程》系中文核心期刊，湖北省优秀期刊。国内外公开发行，双月刊。刊号 主要栏目：船舶设计、结构工程、造船工艺及设备、海洋工程、轮机工程、港航技术、舰船专项技术、船舶动装、 自动控制、计算机技术与应用、海事管理、船检技术、交通企业管理等。 欢迎从事船舶与海洋工程科研、教学和管理的科研人员、师生以及工程技术人员和管理人员订阅。 订阅手续：向当地邮局订阅或直接向本刊社订阅。 国内发行：湖北省邮政报刊发行局 邮发代号：３８ ５００ 订 费：全年６期，定价：１ｊ．（）（）元／期９Ｏ．（）（）元／全年。 《船海工程》编辑部 开户行：中行理工大分理处 帐 号：８４６７１９ ０１６０４３０８０９５００ｌ 联系地址：武汉市武昌区武汉理工大学（余家头校区） 邮政编码：４３００６３ Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｇｃｋＧｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 户 电 名：武汉理工大学 话：（０２７）８６５５１２４７，８６５４４４４７ ５８
