CN102997222A - 一种锅炉汽包水位自适应pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力控制技术领域的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法。其技术方案是，建立二维双输入三输出云模型控制器；采集控制系统偏差变化量e，并计算出变差变化率ec；确立PID控制器整定值ΔP、ΔI和ΔD；将系统偏差变化量e和偏差变化率ec代入二维双输入三输出云模型控制器中，经过云推理后输出整定值ΔP、ΔI和ΔD，再与常规PID控制器进行线性运算，由整定后生成新参数的PID控制器决定系统输出量。本发明提高了锅炉汽包水位控制系统的稳定性，加快了系统的响应速度，增强了对扰动信号的抗干扰能力。

Description

一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法

技术领域

本发明属于电力控制技术领域，尤其涉及一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法。

背景技术

汽包是进行汽水分离的装置，汽包内存在大量的汽水混合物，汽包水位系统是一个大滞后的非线性系统。汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内，同时保持稳定的给水流量。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器，也会使过热器气温发生急剧变化，直接影响机组的安全性和经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。因此，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

关于汽包水位传统控制方法主要有单冲量给水控制系统，单级三冲量给水控制系统，串级三冲量给水控制系统。其中，在机组冷态启动和低负荷阶段时，一般采用单冲量给水控制系统，机组在额定工况运行时，一般采用串级三冲量给水控制系统。实际运行中，影响汽包水位因素非常多，汽包水位的动态特性非常复杂，由于汽包水位中存在“虚假水位”特性，汽包负荷上升和下降时和下降时的水位等各相关参数动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变特性，给汽包水位的自动控制带来了困难。常规的串级三冲量系统无法找到能适应各种扰动的控制参数，在大水位波动时依然无法迅速恢复汽包内进出介质流量平衡和水位平衡，从而影响水位的控制效果和安全性；且缺乏对水位趋势的预测，被动的采取措施来抑制和消除即成水位偏差，容易导致系统恢复稳定的时间长，汽包水位超调，经常报警，系统不稳定震荡甚至控制偏差发散。

目前许多基于上述方法的改进型控制策略相继提出，试图提升汽包水位的控制品质，保证机组安全运行。如名称“一种锅炉水位的控制方法及控制系统”，申请号为200710040287.0（公开号CN101101112A）的中国专利申请。该方法基于三冲量串级控制原理，通过设置汽包水位上、下限位值，并分别与水位实时测量值比较，强制控制给水调节阀的全关和全开。该方法虽然在瞬时时间下能够做到迅速调节，但单纯依赖水位阈值强制控制给水阀具有很高的危险性，并且没有合理的考虑到干扰量引起的水位值变化，不能从根本上解决水位波动的问题。

名称“一种汽包水位控制系统”，申请号201010286449.0（公布号CN 101922704A）的中国专利申请。该方法通过主辅PID回路附加修正学习模块，通过跟踪、判断汽包水位的波动斜率来修正给水调节阀的开度输出，该控制系统具备一定的智能性。但是扰动信号是随机的、不确定的，仅通过知识库来确定系统的输出值是一种后知行为，控制上不够全面。

随着智能控制技术的不断发展，一些先进的控制策略，如预测控制、神经网络控制、专家控制和模糊控制系统等相继被应用到水位控制系统中。

文献《模糊自适应PID在锅炉汽包水位控制中的应用》，作者：赵巍巍，姚万业。设计了模糊自适应PID控制器，利用模糊控制的专家推理能力，在线调整PID参数。采用模糊控制策略在设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模型,但要对受控对象的特性有充分了解,是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型的。模糊控制用语言变量代替常规的数学变量,或两者结合运用来构造形成专家的知识库。虽然模糊控制具有诸多优点，但是应用在汽包水位控制上具有整定困难，存在误差，在波动频繁的情况下无法平滑地输出期望控制量。

云模型是用人类语言值表示某个定性概念与其定量表示之间的不确定性转换模型，用以反映自然语言中概念的不确定性，不但可以从经典的随机理论和模糊集合理论给出解释，而且反映了随机性和模糊性的关联性，构成定性和定量之间的映射，并且不要求给出被控对象的精确数学模型。这些都符合汽包水位控制系统的特点，并且合理利用云模型的概念能够最大限度地保证控制系统稳定，提高机组的安全可靠运行效率。

将汽包水位的偏差信号和偏差变化率作为二维前件云发生器，PID的三个参数作为一维后件云发生器，构成适合汽包水位控制的双条件单规则云发生器，再由若干个双条件单规则云发生器组成双条件多规则云发生器。当某一输入激发各单规则发生器的前件时，每一个前件发生器便随机产生一组确定度，这些确定度又随机的刺激各规则后件发生器产生一组云滴，将所有产生的云滴通过逆向云发生器计算出该云模型的某一数字特征即得最后的输出。上述方式构成了一个完整的二维云模型控制器。通过二维云模型控制器对控制系统偏差以及偏差变化率进行采样，经过云模型控制器推理运算后，输出PID整定值。借助云模型在不确定性转换上的优势，最大程度的满足控制系统稳定要求。

发明内容

针对背景技术中提到的目前锅炉给水控制系统在实时控制及机组安全可靠方面存在的问题，本发明提出了一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法。

一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：建立二维双输入三输出云模型控制器；

步骤2：对上一时刻控制系统水位偏差e进行采样，并计算出水位偏差变化率ec；

步骤3：将系统偏差e和偏差变化率ec作为云模型的输入数据代入云模型控制器中；

步骤4：经过运算，云模型控制器输出PID控制器的整定值ΔP、ΔI和ΔD；

步骤5：将整定值ΔP、ΔI和ΔD分别代入PID控制器当中修正PID控制器三个参数；并得到PID控制器输出量，用于控制阀门开度；

步骤6：重复步骤2～步骤5，对下一时刻水位进行控制。

所述步骤1中，建立二维双输入三输出云模型控制器的步骤包括：

步骤101：确定系统偏差e、偏差变化率ec和PID的整定值ΔP、ΔI和ΔD的数据变化范围，并通过公式

进行归一化处理；其中，y_i为归一化数据；x_i为测量数据；x_min为设计检测数据最小值；x_max为设计检测数据最大值；归一化后，偏差e的取值范围为[-1,1]，偏差变化率ec的取值范围为[-0.5,0.5]，ΔP的取值范围为[-1,1]，ΔI的取值范围为[-1,1]，ΔD的取值范围为[-1,1]。

步骤102：将归一化后的系统偏差e、偏差变化率ec、PID整定值ΔP、ΔI和ΔD进行划分。其中，对偏差e划分为m个部分，记为E₁,E₂,...,E_m；对偏差变化率ec划分为n个部分，记为EC₁,EC₂,...,EC_n；对整定值ΔP划分为i个部分，记为OP₁,OP₂,...,OP_i；对整定值ΔI划分为j个部分，记为OI,OI₂,...,OI_j；对整定值ΔD划分为k个部分，记为OD₁,OD₂,...,OD_k。

步骤103：令E={E_q},q=1,2,...,m；令EC={EC_q},q=1,2,...,n；令OP={OP_q},q=1,2,...,i；令OI＝{OI_q},q＝1,2,...,j；令OD={OD_q},q=1,2,...,k；分别建立E×EC到OP的映射、E×EC到OI的映射和E×EC到OD的映射，将其作为二维双输入三输出云模型控制器的控制规则。

所述PID控制器输出量的计算公式为：

$u\left(t\right)=(K_P+\mathrm{\ΔP})e\left(t\right)+(K_I+\mathrm{\ΔI}){\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+(K_D+\mathrm{\ΔD})\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

其中，u(t)为控制器输出值；

K_P为上一时刻PID控制器比例系数；

K_I为上一时刻PID控制器积分系数；

K_D为上一时刻PID控制器微分系数；

ΔP为PID控制器系数K_P的预修正值；

ΔI为PID控制器系数K_I的预修正值；

ΔD为PID控制器系数K_D的预修正值；

e(t),e(τ)为系统偏差。

本发明通过二维双输入三输出的云模型控制器获得当前时刻的PID整定值ΔP、ΔI和ΔD，然后将整定值与原PID控制器进行线性运算，PID控制器根据整定后的参数配置合理输出控制量，控制给水泵阀门开度，即控制给水流量。提高了水位控制系统的控制品质。

附图说明

图1是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的锅炉汽包水位自适应PID控制的原理图；

图2是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的锅炉汽包水位自适应PID控制方法的方法流程图；

图3是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的二维双输入三输出云模型控制器结构图；

图4是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的云模型输入量和输出量归一化后划分示意图；其中，(a)是控制系统偏差量e云模型示意图；(b)是变差变化率ec云模型示意图；(c)是PID控制器整定值ΔP云模型示意图；(d)是PID控制器ΔI云模型示意图；(e)是PID控制器整定值ΔD云模型示意图；

图5是基于云模型控制器的锅炉汽包水位自适应PID控制系统框图；

图6是利用本发明提供的方法在仿真条件下该方法构成的控制系统对单位阶跃信号的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的锅炉汽包水位自适应PID控制的原理图。图1中，根据蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位H的偏差信号e以及偏差变化率ec自适应调节常规PID控制器三个参数值，在控制系统受到扰动时能够迅速动作，实现了汽包水位的稳定控制。自适应环节通过一个二维云模型控制器实现，由传感器采样得到的偏差信号e并计算出变差变化率ec作为二维云模型控制器的输入，通过既定生成的云映射规则，实时调整PID控制器的三个参数，达到稳定、快速、准确的控制。

图2是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的锅炉汽包水位自适应PID控制方法的方法流程图。具体步骤包括：

步骤1：建立二维双输入三输出云模型控制器，如图3所示。

在图3中，当输入e，ec分别激发两个单规则前件时，每个规则前件发生器产生相应的确定度μ。通过软与的方法将这些确定度合成一个新的后件待输入确定度。将新生成的确定度刺激规则后件云发生器，其产生的云滴通过逆向云发生器生成的期望后，作为整定值输出。当云滴较少的时，可采用加权平均法，将云滴通过加权平均处理后输出。本发明所涉及的二维云模型控制器建立的步骤如下：

步骤101：建立二维双输入三输出云模型控制器的规则前件和规则后件并进行归一化处理。将控制系统的偏差量e和偏差变化率ec作为云模型控制器的规则前件，即控制器输入量。将PID控制器整定参数作为云模型控制器的规则后件，即控制器输出量。确定控制系统偏差量e、偏差变化率ec、整定值ΔP、整定值ΔI和整定值ΔD变化范围并进行归一化处理；归一化后，控制系统偏差量e取值范围为[-1，1]；偏差变化率ec取值范围为[-0.5，0.5]；整定值ΔP、整定值ΔI和整定值ΔD取值范围为均为[-1，1]。

步骤102：划分控制系统偏差量e、偏差变化率ec、整定值ΔP、ΔI和ΔD。

在本实施例中，将归一化后的控制系统偏差量e按大小划分5部分。分别记为E₁,E₂,E₃,E₄,E₅，分别用于表征“偏差量负大”、“偏差负小”、“偏差量为零”、“偏差量正小”和“偏差量正大”。

将归一化后的偏差变化率ec按照大小划分为3个部分，分别记为EC₁,EC₂,EC₃，分别用于表征“偏差变化率负”、“偏差变化率零”和“偏差变化率正”。

将归一化后的整定值ΔP按照大小划分为5个部分，分别记为OP₁,OP₂,OP₃,OP₄,OP₅。分别用于表征“ΔP负大”、“整定值ΔP负小”、“整定值ΔP零”、“整定值ΔP正小”和“整定值ΔP正大”。

将归一化后的整定值ΔI按照大小划分为5个部分，分别记为OI₁,OI₂,OI₃,OI₄,OI₅。分别用于表征“整定值ΔI负大”、“整定值ΔI负小”、“整定值ΔI零”、“整定值ΔI正小”和“整定值ΔI正大”。

将归一化后的整定值ΔD按照大小划分为5个部分，分别记为OD₁,OD₂,OD₃,OD₄,OD₅。分别用于表征“整定值ΔD负大”、“整定值ΔD负小”、“整定值ΔD零”、“整定值ΔD正小”和“整定值ΔD正大”。

步骤103：在云模型控制器中，使用云模型三个数字特征分别表示，{E_i,EC_j,OP_i,OI_i,OD_i,|i=1,2,3,4,5;j=1,2,3}如表1所示：

表1云模型三个数字特征

将上述各个参变量输入到按照前面所建立好的多规则控制器之中，即完成基于云模型控制器的建立。

图4是本发明提供的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法的云模型输入量和输出量归一化后划分示意图，将控制系统偏差量e、变差变化率ec、整定值ΔP、整定值ΔI和整定值ΔD按照表1进行相应划分；

步骤2：设定水位期望值H₀，采集上一时刻水位值H_t，并计算出控制系统偏差量e。水位期望值由运行手册规定，实时水位值由集散控制系统（DCS系统）采集，并由该数据处理单元计算出控制系统偏差量e和偏差变化率ec。

步骤3：将当前时刻的水位偏差值e和偏差变化率ec作为二维双输入三输出云模型控制器的输入数据代入到云模型控制器当中，推理出PID控制器的整定值ΔP、ΔI、ΔD。

二维双输入三输出云模型控制器的输入量、输出量和划分方式及三个数字特征的表示方法与步骤102和步骤103相同。将控制系统偏差量e和偏差变化率ec代入云模型控制器中并归一化，即取值范围分别是[-1，1]，和[-0.5，0.5]。经过推理和运算后，输出反归一化后的PID控制器整定值ΔP、ΔI和ΔD。

步骤4：将整定值ΔP、ΔI、ΔD代入常规PID控制器输出量的计算公式为：

$u\left(t\right)=(K_P+\mathrm{\ΔP})e\left(t\right)+(K_I+\mathrm{\ΔI}){\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+(K_D+\mathrm{\ΔD})\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

其中，u(t)为控制器输出值；

K_P为上一时刻PID控制器比例系数；

K_I为上一时刻PID控制器积分系数；

K_D为上一时刻PID控制器微分系数；

ΔP为PID控制器系数K_P的预修正值；

ΔI为PID控制器系数K_I的预修正值；

ΔD为PID控制器系数K_D的预修正值；

e(t),e(τ)为系统偏差；

步骤5：重复步骤2～步骤4，进行下一时刻汽包水位控制。

图6是利用本发明提供的方法在仿真条件下该方法构成的控制系统对单位阶跃信号的响应曲线。图中蓝色虚线表示普通PID调节效果，红色实线表示加入云模型控制器的控制效果。值得注意的是，由于云模型的特点，每次输入信号时，该方法的响应曲线并不一致，但总是优与普通PID控制。该图反映了二维双输入三输出云模型控制器针对汽包水位控制系统，通过采集控制系统偏差e和偏差变化率ec，并通过控制器进行云推理，实时整定PID控制器的各个参数值，出现了良好的控制品质，提高了控制系统的响应时间和稳定性。达到了快速、稳定、准确的控制效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：建立二维双输入三输出云模型控制器；

步骤2：对上一时刻控制系统水位偏差e进行采样，并计算出水位偏差变化率ec；

步骤3：将系统偏差e和偏差变化率ec作为云模型的输入数据代入云模型控制器中；

步骤4：经过运算，云模型控制器输出PID控制器的整定值ΔP、ΔI和ΔD；

步骤5：将整定值ΔP、ΔI和ΔD分别代入PID控制器当中修正PID控制器三个参数；并得到PID控制器输出量，用于控制阀门开度；

步骤6：重复步骤2～步骤5，对下一时刻水位进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法，其特征在于，建立二维双输入三输出云模型控制器的步骤包括：

步骤101：确定系统偏差e、偏差变化率ec和PID的整定值ΔP、ΔI和ΔD的数据变化范围，并通过公式

进行归一化处理；其中，y_i为归一化数据；x_i为测量数据；x_min为设计检测数据最小值；x_max为设计检测数据最大值；归一化后，偏差e的取值范围为[-1,1]，偏差变化率ec的取值范围为[-0.5,0.5]，ΔP的取值范围为[-1,1]，ΔI的取值范围为[-1,1]，ΔD的取值范围为[-1,1]；

步骤102：将归一化后的系统偏差e、偏差变化率ec、PID整定值ΔP、ΔI和ΔD进行划分；其中，对偏差e划分为m个部分，记为E₁,E₂,...,E_m；对偏差变化率ec划分为n个部分，记为EC₁,EC₂,...,EC_n；对整定值ΔP划分为i个部分，记为OP₁,OP₂,...,OP_i；对整定值ΔI划分为j个部分，记为OI,OI₂,...,OI_j；对整定值ΔD划分为k个部分，记为OD₁,OD₂,...,OD_k；

步骤103：令E={E_q},q=1,2,...,m；令EC={EC_q},q=1,2,...,n；令OP={OP_q},q=1,2,...,i；令OI＝{OI_q},q＝1,2,...,j；令OD={OD_q},q=1,2,...,k；分别建立E×EC到OP的映射、E×EC到OI的映射和E×EC到OD的映射，将其作为二维双输入三输出云模型控制器的控制规则。

3.根据权利要求1所述的一种锅炉汽包水位自适应PID控制方法，其特征在于，所述PID控制器输出量的计算公式为：

$u\left(t\right)=(K_P+\mathrm{\ΔP})e\left(t\right)+(K_I+\mathrm{\ΔI}){\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+(K_D+\mathrm{\ΔD})\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

其中，u(t)为控制器输出值；

K_P为上一时刻PID控制器比例系数；

K_I为上一时刻PID控制器积分系数；

K_D为上一时刻PID控制器微分系数；

ΔP为PID控制器系数K_P的预修正值；

ΔI为PID控制器系数K_I的预修正值；

ΔD为PID控制器系数K_D的预修正值；

e(t),e(τ)为系统偏差。

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