基于遺傳算法優(yōu)化的汽包水位模糊控制算法研究

孫娜

摘要：本文通過在線調(diào)節(jié)比例、積分和微分三個(gè)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。其次，針對(duì)三沖量控制中的前饋調(diào)節(jié)，設(shè)置前饋系數(shù)可調(diào)。最后通過遺傳算法優(yōu)化模糊PID控制器的參數(shù)初始值及模糊控制比例量化因子，以獲得更好的水位控制效果。Simulink仿真實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的控制方案在超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間方面等具有良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)理模型；模糊PID；汽包水位；串級(jí)三沖量

中圖分類號(hào)：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0131-02

汽包水位是鍋爐是否安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，它體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水流量之間的平衡。學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。陳鴻偉[1]等人對(duì)影響汽包水位的因素及其如何影響做了全面的分析；劉鑫屏[2]等人在模型中引入實(shí)際鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了虛假水位主要是受鍋爐燃燒狀態(tài)及汽包壓力變化影響的結(jié)論；引入蒸汽流量的三沖量也常用于解決虛假水位的問題。對(duì)于控制滯后性及模型的非線性問題，研究者們提出了預(yù)測控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊PID控制及灰色處理等先進(jìn)控制策略，用于汽包模型的建立及控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)。本文以串級(jí)三沖量控制策略為基礎(chǔ)，針對(duì)汽包水位調(diào)節(jié)的滯后性及虛假水位問題，提出了一種基于遺傳算法參數(shù)優(yōu)化的汽包水位模糊PID控制方法，以改進(jìn)在鍋爐大負(fù)荷工況變化時(shí)汽包水位的控制效果，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)模型及分析

本文采用四階的自然循環(huán)鍋爐汽水系統(tǒng)模型作為控制對(duì)象，該模型用汽包壓力和液態(tài)水的體積；描述上升管中的蒸汽質(zhì)量百分比和描述汽包液面下蒸汽體積的來描述鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。引入汽包壓力和汽包液面下體積兩個(gè)狀態(tài)量能夠很好的反映汽包水位存在的“虛假水位”特性。

鍋爐作為船舶動(dòng)力的主要提供裝置，它需要能夠適應(yīng)船舶工況的變化來及時(shí)調(diào)整產(chǎn)汽量，而汽包水位是其蒸汽供給是否平衡的一個(gè)體現(xiàn)。汽包水位在負(fù)荷減少時(shí)，水位先降低，后上升。水位下降是由虛假水位的體現(xiàn)，并且通過對(duì)比不同下降幅度時(shí)的變化情況可知，負(fù)荷下降的幅度越大，汽包虛假水位也越嚴(yán)重。水位上升是由于給水流量不變，蒸汽流量需求降低，系統(tǒng)的輸入輸出的不平衡導(dǎo)致。

2 汽包水位控制器設(shè)計(jì)

2.1 串級(jí)三沖量設(shè)計(jì)

汽包水位的單沖量控制難以滿足水位控制的需求，因此引入蒸汽流量前饋信號(hào)和給水流量串級(jí)信號(hào)構(gòu)成汽包水位調(diào)節(jié)的三沖量控制。

蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)帶來的汽包壓力變化是導(dǎo)致虛假水位產(chǎn)生的直接原因。本文對(duì)常用的三沖量控制進(jìn)行改進(jìn)，采用自適應(yīng)的前饋通道的系數(shù)，該方式可以根據(jù)負(fù)荷變化的大小自動(dòng)調(diào)整前饋系數(shù)，達(dá)到增強(qiáng)或者減弱前饋?zhàn)饔玫哪康?。在此基礎(chǔ)之上將給水流量信號(hào)作為控制的副調(diào)節(jié)信號(hào)，可以有效克服給水二次擾動(dòng)，保證汽包水位的穩(wěn)定。

2.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是一種對(duì)過程的控制，即使控制模型不夠精確也能獲得良好的控制效果。

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)步驟：

2.2.1 確定輸入輸出量

本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器為雙輸入三輸出構(gòu)，輸入為誤差和誤差的變化量，輸出為、和三個(gè)PID系數(shù)。輸入加入誤差的變化量來判斷過程中誤差的變化方向，以加快控制過程，提高系統(tǒng)的快速性。

2.2.2 確定模糊規(guī)則

定義輸出量的模糊集合分別為、和，模糊PID控制器的整定規(guī)則如下：（1）當(dāng)誤差偏差很大時(shí)，無論誤差變化率EC如何變化，為了盡快的消除系統(tǒng)偏差，應(yīng)該取較大的和。如果此時(shí)誤差和誤差變化率的符號(hào)相同，表示誤差將繼續(xù)增大，此時(shí)應(yīng)選取較大的，反之則選取較小。（2）當(dāng)誤差偏差適中時(shí)，為了使系統(tǒng)的超調(diào)量減少同時(shí)保證一定的響應(yīng)速度，應(yīng)該取得小一點(diǎn)，和的大小應(yīng)取得適當(dāng)。（3）當(dāng)誤差偏差較小，即系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，取適當(dāng)?shù)暮洼^小的。注意此時(shí)的不應(yīng)取得過大，否則系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)敏感加劇，系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。

2.2.3 輸出解模糊

本文采用模糊控制箱中提供的面積平分法（bisector）進(jìn)行解模糊。模糊論域到基本論域的變換由比例因子完成，比例因子由公式得出：，其中：為輸出量基本論域范圍。

2.3 遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法中，需要選擇的參數(shù)主要有個(gè)體的長度l、種群的大小n、交叉概率Pc和變異概率Pn等，這些參數(shù)對(duì)GA的性能影響很大。

模糊PID控制器是在已知PID初始值上根據(jù)蒸汽負(fù)荷的變化對(duì)比例、積分和微分三個(gè)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使同一個(gè)控制器能夠適應(yīng)不同的工況。遺傳算法的優(yōu)化計(jì)算可以在限定的搜索空間中根據(jù)選擇的性能指標(biāo)找到最優(yōu)參數(shù)值，極大的簡化了PID參數(shù)的整定過程。運(yùn)用遺傳算法對(duì)汽包水位的PID參數(shù)初始值進(jìn)行尋優(yōu)。

設(shè)置種群大小為50，經(jīng)過30代的進(jìn)化后，獲得最優(yōu)的初始PID參數(shù)為Kp=261.98，Ki=1.14，Kd=11.59。

模糊控制中的量化因子和比例因子是實(shí)現(xiàn)基本論域與模糊論域之間轉(zhuǎn)換的橋梁。以量化因子為例，在汽包水位的控制問題中，量化因子選擇過大，會(huì)導(dǎo)致控制作用太強(qiáng)而使響應(yīng)超調(diào)大甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定；量化因子過小則降低了控制規(guī)則的有效性，導(dǎo)致水位調(diào)節(jié)的快速性減慢。

3 仿真結(jié)果及其分析

假設(shè)鍋爐滿負(fù)荷啟動(dòng)（16kg/s），待達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在1500s時(shí)減40%負(fù)荷，之后在3000s時(shí)再減30%負(fù)荷。汽包水位在經(jīng)過GA算法參數(shù)優(yōu)化的模糊PID控制和未經(jīng)優(yōu)化的模糊PID控制策略下的水位響應(yīng)曲線和給水流量響應(yīng)曲線如圖1和2所示。

由曲線可知，負(fù)荷突然減少導(dǎo)致汽包壓力突增，汽包液位出現(xiàn)短時(shí)下降，此時(shí)的水位不能真實(shí)反映負(fù)荷和給水流量之間的需求關(guān)系，鍋爐實(shí)際的給水需求量應(yīng)該是減少的。傳統(tǒng)的PID控制單一以汽包水位作為沖量，水位降低從而增加進(jìn)入汽包的給水流量，這造成之后汽包水位的超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間延長。而加入了蒸汽流量前饋的串級(jí)三沖量控制則能夠在負(fù)荷減少時(shí)判斷真實(shí)給水流量需求，從而適當(dāng)減小給水流量，保證汽包水位的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文采用機(jī)理建模的方式建立了鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，相比簡單的傳遞函數(shù)方式更能反映鍋爐內(nèi)部各個(gè)重要參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性。通過對(duì)鍋爐減負(fù)荷時(shí)的水位仿真，得到了不同負(fù)荷變化幅度與虛假水位間的關(guān)系。之后，針對(duì)鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)存在的滯后性及虛假水位問題，設(shè)計(jì)了一種基于遺傳算法優(yōu)化的串級(jí)三沖量模糊PID控制方案，并且，將全局尋優(yōu)的遺傳算法運(yùn)用于PID參數(shù)初始值的整定及模糊模糊控制中比例和量化因子的優(yōu)化。改進(jìn)的水位控制策略在鍋爐大負(fù)荷工況變化下汽包水位的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯快于普通的模糊PID控制，同時(shí)減輕虛假水位對(duì)水位調(diào)節(jié)的影響，使其調(diào)節(jié)能夠好的適應(yīng)船舶復(fù)雜的工況變化。

參考文獻(xiàn)

[1]陳鴻偉，許振宇，楊博，等.鍋爐汽包水位影響因素分析[J].電站系統(tǒng)工程，2007，（02）：32-33.

[2]劉鑫屏，田亮，劉吉臻.鍋爐汽包虛假水位特性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，（32）：1-5.

Abstract：This paper achieves the automatic control of water level by adjusting the three factors of proportional， integral and differential on-line. Secondly， for feedforward regulation in three-impulse control， set the feedforward coefficient to be adjustable. Finally， the initial parameters of fuzzy PID controller and fuzzy control proportional quantification factor are optimized by genetic algorithm to obtain better water level control effect. Simulink simulation experiments show that the designed control scheme has good control effect in terms of overshoot and stabilization time.

Key words：mechanism model； fuzzy PID； drum water level； cascade triple impulse