锅炉汽包水位的仿人逻辑控制策略

张永生，马运义

（中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

0 引言

锅炉汽包的水位必须控制在合理的范围内，水位过高会导致蒸汽带水进入过热器，容易在过热管内结垢，影响传热效率，严重时会导致过热管因局部过热而破裂;水位过低则会破坏水冷壁的水循环，导致水冷壁因局部过热而破裂。传统的串级三冲量PID控制，由于将蒸汽流量信号作为前馈信号引入，使得给水调节阀动作及时，在一定程度上减少了锅炉汽包所特有的“虚假水位”现象的影响，改善了控制系统的控制效果［1－3］。但是，由于锅炉汽包水位具有多变量、大滞后、强耦合等非线性特点，采用基于经典控制理论的串级三冲量PID控制策略，已不能满足越来越高的控制要求。而模糊控制对解决这类非线性问题特别有效，它不需要知道被控对象的精确数学模型，只需要积累对设备进行控制的操作经验，对过程参数的变化也不敏感，具有很强的鲁棒性［3－10］。虽然模糊控制系统具有良好的动态性能，但其稳态性能较差。

本文结合串级三冲量PID控制与模糊控制各自的优点，提出了一种锅炉汽包水位的仿人逻辑控制策略，并对锅炉正常升负荷工况与突然甩负荷工况进行了仿真计算。

1 数学模型

锅炉汽包给水系统如图1所示。图中，Gs为蒸汽流量，Gfw为给水流量，L为汽包水位。锅炉汽包水位的扰动主要有被调节量Gfw以及外部干扰Gs。若仅从质量平衡的角度看，蒸汽流量Gs与给水流量Gfw对水位L的传递函数近似于1个积分环节，但由于“虚假水位”现象的存在，汽包水位还表现出“逆动力学”特性。以某型锅炉为研究对象，锅炉汽包水位在给水流量与蒸汽流量作用下的传递函数分别为:

图1 锅炉汽包给水系统Fig.1The Sketch map of boiler drum feedwater system

2 控制策略

随着锅炉汽包水位控制指标的提高，串级三冲量控制已不能满足越来越高的控制要求。因此，模糊控制便因其良好的动态控制性能成为研究的焦点。但模糊控制本身存在难以克服的缺陷，即稳态性能较差。本文在分析对比串级三冲量控制与模糊控制优缺点的基础上，提出了锅炉汽包水位的仿人逻辑控制策略。

2.1 串级三冲量水位控制

图2为串级三冲量水位控制原理。其中，主控制器为PID水位调节器，副控制器为PI给水流量调节器;L0为水位设定值;L为水位测量值;Qs为蒸汽流量;Qfw为给水流量;α1，α2，α3分别为蒸汽流量传感器、给水流量传感器以及水位传感器。串级三冲量控制是通过引入蒸汽流量信号作为前馈信号，使得给水流量调节器能及时动作，使给水流量与蒸汽流量相匹配。因此，这种控制方式能减少水位的波动，在一定程度上降低“虚假水位”的影响。

图2 串级三冲量水位控制原理Fig.2Three-element controlling principle of water level

2.2 模糊逻辑水位控制

图3为模糊逻辑水位控制原理。其中，水位调节器以模糊控制器代替串级三冲量控制中的PID控制器，其他部分不变。模糊控制器的输入为水位的误差E以及误差变化率EC，输出为空置量U，即为阀门开度信号。模糊控制是一种建立在模糊推理基础上的非线性控制策略，通过模糊语言表达人们的操作经验和推理规则。因此，模糊控制特别适用于锅炉类非线性系统，能获得良好的动态控制性能。

图3 模糊逻辑水位控制原理Fig.3Fuzzy logic controlling principle of water level

2.3 仿人逻辑水位控制

图4为仿人逻辑水位控制原理。其中，主控制器为仿人逻辑控制器，由PID水位控制器和模糊水位控制器2个通道构成，控制逻辑开关根据水位误差信号绝对值的大小，选择使用PID水位控制器还是模糊水位控制器。而且，任意时刻只有1个控制器处于工作状态。逻辑开关阀值的确定，要根据实际情况确定。仿人逻辑控制器的控制策略为:当误差超过阀值时，选择串级三冲量水位控制器;当误差小于等于阀值时，选择模糊水位控制器。

图4 仿人逻辑水位控制原理Fig.4Apery logic controlling principle of water level

3 结果分析

为验证上述仿人逻辑水位控制策略的有效性，运用Matlab/Simulink软件实现了锅炉汽包的水位控制模型，并设计了汽包水位的串级三冲量PID控制器、模糊逻辑水位控制器以及仿人逻辑水位控制器。然后，对正常升负荷工况（锅炉负荷变化:80%～100%）与突然甩负荷工况（锅炉负荷变化:100%～20%）进行了仿真计算。图5和图6中纵坐标的数据作了无量纲化处理，是额定值与实际值的比值。

图5为正常升负荷工况下，锅炉汽包水位的动态变化趋势。可以看出，在蒸汽负荷变化幅度不大的情况下，模糊控制与仿人逻辑控制的控制效果是一样的。与串级三冲量PID控制相比，模糊控制与仿人逻辑控制均减少了水位的超调量，缩短了调节时间，提高了水位控制系统的动态性能。

图6为突然甩负荷工况下，锅炉汽包水位的动态变化趋势。可以看出，在蒸汽负荷变化幅度较大的情况下，模糊控制器的输出使得水位偏离了设定值，这恰恰说明了模糊控制系统稳定性差的致命缺陷。一旦模糊控制器的模糊推理系统出错，模糊控制器便无法正常工作。然而，结合了串级三冲量PID控制与模糊逻辑控制优点的仿人逻辑控制器，仍然能很好地工作，在大幅甩负荷工况下，其动态性能依然良好。这说明仿人逻辑控制器不仅具有良好的动态性能，而且稳态性能可靠。

4 结语

通过上述对比分析可知，本文所提出的锅炉汽包水位的仿人逻辑控制策略，既具有串级三冲量PID控制的良好稳态性能，又具有模糊逻辑控制的良好动态性能。锅炉汽包水位的仿人逻辑控制策略，具有全工况的稳定控制性能，是一种具有良好应用前景的控制策略。

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