锅炉温度控制系统的设计与仿真研究

吴文进

（安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆 246011）

锅炉温度控制系统的设计与仿真研究

吴文进

（安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆 246011）

针对锅炉水温与流量串级控制系统，用实验方法建立了锅炉温度数学模型，设计出一种模糊自整定PID调节器，此调节器作为锅炉水温与流量串级系统的主调节器，可以使系统同时具有良好的目标值跟踪特性和干扰抑制特性.仿真试验结果表明，与常规PID控制相比，系统的动态性能和稳态性能得到了进一步的提高.

模糊自整定PID调节器；串级控制；锅炉水温

目前电站锅炉和供热锅炉大量存在，且在工业生产和居民生活中必不可少，但大多数锅炉处于能耗高、浪费大和污染环境等生产状态.提高热效率，降低能耗和减少污染是控制系统设计的重要目标.实际生产过程中，温度控制对象一般都具有纯滞后和大惯性，并存在诸多干扰，如果采用常规PID控制算法，其效果不理想，系统的抗干扰能力差，响应的动态过程较长.针对上述情况，众多学者提出了基于先进控制理论的温度控制方法，如文献[1-3]的基于神经网络的温度控制策略、文献[4]的自适应控制方法、文献[5]的基于组合灰色预测控制方法和文献[6-7]基于PSO优化算法的控制方法，以上文献所设计的温度控制方法与常规PID控制算法相比确实有很多优点，但方法、理论过于复杂，不易在实际的工业系统中应用.为此本文针对温度流量串级系统结构，提出了一种模糊自整定PID控制方法，可以使系统同时具有良好的目标值跟踪特性和干扰抑制特性，仿真实验研究证明了它的有效性.

1 系统控制方案

图1 锅炉水温与流量串级控制系统

锅炉水温与流量串级控制系统的结构框图如图1所示，它由外环控制回路和内环控制回路组成，构成串级控制系统.外环控制回路中的控制对象为锅炉，又称主对象，锅炉的温度为系统的主控制量，其控制器称主控制器.内环控制回路中的控制对象为电动调节阀，又称副对象，电动调节阀的流量为系统的副控制量，其控制器称副控制器.主控制器的输出作为副控制器的给定，因而内环控制回路是一个随动控制系统.副控制器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制锅炉温度的目的.

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器需要选择合适的控制方法.如果采用常规PID控制，系统比例系数小时会使系统的调节时间较长，而比例系数太大时可能会引起振荡，导致系统不稳定；积分系数小时稳态误差不能在较短的时间内较快地消除，而积分系数大时系统会有较大的超调量.因此本文为了提高系统性能，主调节器选择模糊自整定PID控制.考虑流量变化快，时间惯性小，应较快得到抑制，因而副调节器采用P调节，P调节器输出信号控制阀的开度改变流量[8-9].

2 被控对象数学模型

图2 锅炉水温阶跃响应实验系统

过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的.被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析控制指标和整定调节器参数等的重要依据.因此建模是十分重要的环节，其任务是确定模型的结构和其中的参数值.建模方法有机理法、试验法和最小二乘法等.本设计由于锅炉内部冷热水对流复杂，利用热机理分析非常困难，因此采用试验法和最小二乘法相结合的建模方法.

以THJ-2高级过程控制实验装置为基础，构建锅炉水温阶跃响应实验系统，如图2所示.通过实验方法可以测定被控对象在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数.使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理对响应曲线进行最佳拟合.在MATLAB的Workspace中可以查看到锅炉水温的响应曲线.当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生阶跃的瞬间，其曲线斜率最大，逐渐上升到稳态值y（∞），因而可以用一阶惯性环节来近似描述该响应曲线，因此只需要确定K0和T0.

考虑到加热过程中存在4秒的纯延迟，最终得出控制对象的模型为

3 模糊自整定PID控制器的设计

模糊自整定PID控制器是一种自适应控制算法，是利用模糊逻辑运算和模糊控制规则对Kp、Ki、Kd三个参数进行自整定.控制器的输入为误差e和误差变化率ec，对于不同时刻的误差e和误差变化率ec，控制器可以对PID参数进行实时自整定以满足其要求.模糊自整定PID控制器结构如图3所示[10].

系统模糊规则设计原则是误差|e|较小时，Kp和Ki取较大值，这样可以使系统的稳态误差最小甚至为零，稳态性能提高，此时，Kd的取值要恰当，以免在平衡点出现振荡.误差|e|中等时，Kp取较小值，这样系统动态响应的超调量较小；Kd和Ki取值要适当，特别是此时Kd的取值对系统的动态响应影响较大.误差|e|较大时，Kp取较大值，Kd取较小值，以使系统响应加快，此时应使Ki=0，目的是避免出现较大的超调.e模糊集合为｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，ec的模糊集合为｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，Kp的模糊集合为｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，Ki的模糊集合为｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，Kd的模糊集合为｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝.根据专家知识和经验设计得到的Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表如表1、表2、表3所示[11].

表1 Kp的模糊控制规则表

表2 Ki的模糊控制规则表

表3 Kd的模糊控制规则表

图3模糊自整定PID控制器的结构图

4 仿真试验

在MATLAB中建立锅炉水温与流量串级控制系统的仿真模型，被控对象如式（2）所示.系统输入r(t)=1(t)，扰动输入d(t)=1(t-400)，在主控制器分别设为模糊自整定PID控制和常规PID控制时，仿真结果如图4所示.

在图4中，（a）为设定值响应曲线，（b）为扰动响应曲线，仿真结果表明，系统主调节器采用模糊自整定PID控制与采用常规PID控制相比，其设定值跟踪性能和抗干扰性能有了较明显的增强.

5 结论

本文构建了锅炉水温与流量串级控制系统，并通过实验方法建立了控制对象数学模型，系统主控制器采用模糊自整定PID控制.模糊自整定PID控制器可以通过模糊控制规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线整定，而常规PID控制器只能离线整定；且在高阶或系统模型难以确定的系统中，采用模糊自整定PID控制要比采用常规PID控制的效果要好，系统的性能得到了进一步的改善.

图4 系统仿真曲线（其中实线为模糊自整定PID控制响应曲线，虚线为常规PID控制响应曲线）

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Design and Simulation of the Boiler Temperature Control System

WU Wen-jin
(School of Physics and Electrical Engineering,Anqing Normal College,Anqing 246011,China)

For the cascade control system of boiler temperature and flow,the boiler water temperature model is established.The fuzzy self-tuning PID regulator is designed and it is the main controller of the cascade control system.A very good dynamic response performance of both the command tracking and disturbance rejection characteristics can be achieved simultaneously.Compared with the conventional PID regulator,the proposed con⁃trol scheme has been proved valid according to the simulation results.

fuzzy self-tuning PID regulator;cascade control;boiler water temperature

TP273.1

A

1008-2794（2013）04-0091-04

2013-05-18

吴文进，副教授，博士研究生，研究方向：新能源技术、现代控制理论及应用，E-mail：wuwenjinaq@163.com.