锅炉主汽压控制系统研究

摘要：主蒸汽压力的变化反映了锅炉的蒸汽产量与负荷耗汽量之间的不平衡，主蒸汽压力控制系统对于锅炉操作十分重要，本文主要介绍了锅炉操作中的PID控制，补偿控制以及模糊控制的相对机理。

关键词：PID控制 模糊控制 仿真

主蒸汽压力的主要干扰量为给煤量（内扰）和蒸汽负荷变化量（外扰），这两种干扰对汽压对象的动态模型，从这两种模型可以看出，应该以内扰为主，可以使主汽压保持稳定。

一、PID控制

PID控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。

1、 PID控制系统结构

图1 PID控制结构图

2、 系统仿真

取PID各参数如下：Kp=1.2，Ki=0.008，Kd=20。得仿真结果如图所示：

从图可看出，响应曲线的超调比较大，调节时间比较长，大概需要400S左右，改变PID参数，效果仍不理想。要想获得较满意的控制效果，PID参数整定非常困难，而且即使整定了一组满意的控制参数，当被控对象特性发生时变或随机干扰较大时，就很难保持良好的控制效果。因此，在工业过程具有非线性、大纯滞后、时变性、随机干扰大的情况下，要获得良好的控制，就要在控制过程中根据系统的动态特性和行为，引入补偿措施或智能控制。

二 、SMITH预估补偿控制

在工业生产过程中，被控对象除了具有容积延迟外，往往不同程度地存在着纯迟延。由于纯迟延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯延时间τ以后，才波及被调量，使之受到控制。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以，具有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程。

普通的PID控制对大延迟系统很难收到理想的效果。在PID控制中引入SMITH预估器，它将消除大延迟对系统过度过程的影响，使调节过程的品质与过程无纯延迟环节的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间τ。

1、 SMITH预估补偿原理

史密斯（SMITH）预估补偿方法是得到广泛应用的方案之一。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了τ的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显的减小超调量和加速调节过程。

2、 系统仿真

控制器采用常规的PID调节器，预估模型各参数与被控对象各参数相同。PID调节器各参数为：Kp= 3.2，Ki=0.023，Kd=22.0。仿真结果如图所示：

从图可看出，PID控制中引入SMITH预估器，控制效果有很大改善，调节时间比普通PID控制缩短许多，PID—SMITH控制调节时间只有270S左右，而普通PID控制调节时间需要400S。

PID—SMITH控制也有很大缺点，对模型要求的精确程度很高，预估模型的参数必须与被控对象的参数保持一致，当被控对象参数变化时其控制性能会显著变坏，甚至会出现不稳定的渐扩振荡。

三、模糊控制

1、 主汽压模糊控制结构

主汽压模糊控制系统结构如图5所示。基本模糊控制缺乏对具有较大纯时间滞后对象的控制能力，因此，在模糊控制系统中引入SMITH预估控制，以提高模糊控制器对具有纯时间滞后对象的控制能力。常用的模糊控制器输出环节有比例输出和积分输出两种形式，前者阶跃响应快，但为有差控制，后者可接近无差控制，但响应慢，且超调较大。本系统采用二者相结合的比例积分输出结构，具有超调小、暂态时间短的优点。

2.模糊推理。

本系统采用Mamdani极大极小合成算法， Mamdani 推理法是一种在模糊控制中普遍使用的方法，其原理如图所示。

考虑到一般控制系统有两个输入，一个输出的多数情况。设输入量为 x1，y1，输出量为U。从图中可知，x1，y1在其论域范围内的隶属度分别为：μPS（x1），μPM（x1），μPS（y1），μZO（y1）。

3.量化因子、比例因子、积分因子的选择误差量化因子Ke、误差变化量化因子Kec除了把输入量变换到模糊集合的论域上以外，还对控制系统的动态性能影响极大。若被控过程的输入、输出特性由y（i）=f2（u）描述，则：

可见，模糊控制器的四个参数Ke、Kec、Ku和Ki对系统的输出均有影响，Ke、Kec通过调整语言变量的取值来改变控制器的输出，Ku相当于常规控制中的比例增益，Ki引入了积分控制作用。由该式可以看出，影响控制系统响应特性的因素包括两方面，一是开环被控对象的动态特性，二是量化因子、比例因子和积分因子的取值。量化因子Ke、Kec可以提高系统对误差及其变化率的分辨率，使控制精度提高，但Ke、Kec太大不利于系统的稳定。增大Ku或Ki都能使响应速度加快，但可能引起振荡。

4、系统仿真

这里，取量化因子、比例因子和积分因子的值如下：

Ke=6，Kec=120，Ku=4，Ki=0.04

输入为单位阶跃信号，得仿真结果如图：

从上图可看出，与PID—SMITH相比，控制效果有了显著改善，几乎没有超调，调节时间也缩短许多，只有130S左右。

参考文献：

[1]陈学俊，陈听宽.锅炉原理.北京：机械工业出版社.1979.

[2]张亮明，夏桂娟.工业锅炉自动控制.北京：中国建筑工业出版社.1987.

[3]刘培章，刘奇志.燃煤锅炉微机控制系统.电子技术应用.1999，6

作者简介：

窦迎斌（1985—）男 2008年毕业于东北电力大学计算机科学与技术专业 助理工程师 现从事设备技术管理工作。