科技信息 ０科教前沿０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第１期 用于控制锅炉水位的Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制算法的改进 （北华大学【摘马占辉 吉林吉林１３２０１ １） 要】锅炉水位系统是锅炉工艺流程中最重要的环节之一，利用控制理论对锅炉汽包水位系统的自动控制进行研究是非常有必要的。 针对锅炉汽包水位系统的自动控制。本文主要研究了目前常用的几种控制算法，并利用ＭＡＴＬＡＢ软件对控制系统的核心——控制器进行了 设计并仿真，最后通过仿真结果并结合实践应用对控制器进行一定的改善，从而得到一个关于锅炉汽包水位的较高控制品质的控制系统。 【关键词】汽包水位；ＰＩＥ）控制；模糊控制；模糊ＰＩＤ控制 ＰＩＤ控制器的数学模型如下式所示： １ 概述 锅炉是一种利用燃料（如燃煤、燃油）中的化学能将水加热并产生 水蒸汽的能量转换装置，锅炉的自动控制系统主要是对锅炉生产的主 ２模糊控制器主要由模糊化接口、数据库、规则库、推理机和解模 要被控参量进行自动控制，使锅炉保持在良好的工况下运行，其中水 ３． 位、压力、温度是锅炉运行质量的三个重要指标。汽包水位过低，由于 糊化接口等５部分组成。二维模糊控制器是以偏差和偏差的变化率作为输入变量的，因此 汽包内的水量较少，而负荷（蒸汽）量却很大，水的汽化速度又快，使得 般认为模糊控制器具有比例和微分控制作用，但同时缺少积分控制 汽包内的水量下降速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部 汽化，导致锅炉烧坏甚至爆炸；水位过高，会影响汽包的汽水分离，产 作用，而积分控制能消除系统的静差。由此可见，ＰＩＤ控制和模糊控制 生蒸汽带水现象，导致过热器管壁结垢而损坏。同时过热蒸汽温度会 都具有对方不可替代的优势。基于这种情况，人们想到把二者结合起 迅速下降，影响负荷设备运行的安全性及经济性。因此，必须对汽包水 来，从而充分发挥二者的优势．为控制系统提供更优的解决方案。一“（ｆ）＝ ［ｅ（￡） ＿＿１』ｅ（舢 ｄｅ（ ｔ）］ 位进行自动调节。把水位变化严格控制在安全范围内。 ３－３经过多年的研究与实践．逐渐形成和完善了多种将ＰＩＤ控制与 经过多年的使用，人们发现锅炉汽包水位系统是一个大滞后、纯 模糊控制结合的方法，即Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ（模糊ＰＩＤ）控制器。３．１ 模糊ＰＩＤ开关切换控制 时变、非线性的复杂系统，这些特性其很难用精确的数学模型来描绘， ３．模糊ＰＩＤ开关切换控制的设计思路是：在偏差比较大时用模糊控 仅用经典控制理论往往难以实现有效的控制。目前为止，工业生产中 可以用来控制锅炉水位的一些典型的控制理论与控制方法主要有： 制器调整控制量，而在偏差比较小时采用ＰＩＤ控制，二者之间根据给 ＰＩＤ控制，模糊控制，Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ（模糊ＰＩＤ）控制，模糊神经网络控制， 定的偏差范围进行自动切换。实践证明，模糊ＰＩＤ开关切换控制可以有效解决虚假水位现象， 专家控制等。近几年，控制领域又新兴了一些控制理论，诸如模糊智能 并且明显改善系统的动态特性，但同时系统在ＪｅＪ值附近有振荡现象， ＰＩＤ控制、神经网络智能ＰＩＤ控制、混沌ＰＩＤ智能控制及遗传算法一神 经网络ＰＩＤ智能控制等。 这样不仅使响应时间增大。而且也会令切换装置频繁动作，影响其使 从以上诸多控制理论与控制方法中不难看出，模糊控制己成为自 用寿命。因此，模糊ＰＩＤ开关切换控制器的控制效果并不理想。动化控制领域中最为活跃和应用最为广泛的一种方法。其中，模糊 ３＿３．２混合型模糊ＰＩＤ控制 混合型模糊ＰＩＤ控制是由一个常规ＰＩＤ控制器和一个二维模糊 ＰＩＤ控制技术在应用领域中扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未 来研究与应用的重点技术之一。 ２汽包水位特性 控制器并联而成的，实践证明这种控制方式可消除系统的静态误差， 而且响应速度较快，控制效果较理想。 ３．３．３参数自适应模糊ＰＩＤ控制 工业生产中，许多被控对象因负荷的变化或有干扰因素介入，其 汽包水位是一个动态特性复杂且控制要求较高的过程控制对象， 根据锅炉的物料平衡和热平衡方程．经推导和化简得到汽包水位的动 特性参数将发生改变。这就需要控制系统能在线辨识被控对象的特 态特性方程如下： 性参数，并实时改变控制策略。使其控制品质能保持在最佳状态。ＰＩＤ 控制的特性参数为比例系数 、积分系数匠和微分系数 ，人们运 筝＋ ＋Ｋ￣ｕｒ）－（ ） 统的实际响应情况，运用模糊推理，从而自动实现对ＰＩＤ参数的最佳 若考虑蒸汽流量不变，仅当给水流量发生变化时，汽包水位的动 调整。 态特性方程可简化为： 该式同时考虑了给水流量扰动和蒸汽流量扰动。 用模糊学的理论和方法，形成相应的模糊控制规则，并把这些规则以 及相关信息以知识库的形式存入计算机中，然后计算机根据控制系 警＋ 警＝ 由上式可得汽包水位在给水扰动下的传递函数为： 一４ Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器的设计及仿真 在ＭＡＴＬＡＢ软件中．按照模糊控制器的设计步骤对其进行设计 最终得到系统的模型框图如下： 日（Ｊｓ）一 Ｓ 丽一 可 同理，在给水量不变的前提下，汽包水位在蒸汽流量作用下的动 态特性的传递函数为： Ｇ ＝器一 总之，从锅炉水位的动态特性中不难看出，水位很难保持不变，而 是要随时间的变化而变化．尤其是当有扰动的时候：同时水位随时问 的变化一般情况下都是非线性的，因而锅炉水位系统是一个时变的、 非线性系统。 其仿真结果如下（图２）。 从仿真结果来看，模糊ＰＩＤ控制系统的调节时间更短，响应速度 快，超调量更小，稳态是几乎无静差，性能优于ＰＩＤ控制和模糊控制。 （下转第６６页） 图１ 模糊ＰＩＤ控制器的模型框图 ３汽包水位控制算法 ３．１ ＰＩＤ控制算法是经典控制理论中最常用的一种算法，基于这种算 ５ 结论 法的控制器称为ＰＩＤ控制器．广泛应用于线性定常系统中。 ４１ ２０１１年第１期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｏ ＩＴ论坛０ 科技信息 在应用低能耗组件的同时，在操作系统中使用能量感知方式管理 ２．４．２网络协议 系统资源能更进一步减少能耗，增加电池寿命。这里介绍两种节能策 由于节点能量受限．我们有必要在网络协议的设计中融合节能策 略：动态能量管理（ＤＰＭ，Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）和动态电压调节 略。在传感器网络中，网络协议的首要设计目标是延长网络系统的生 （ＤＶＳ，Ｄｙｎａｍｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｃａｌｉｎｇ）。ＤＰＭ的工作原理是：当节点周围没有 命周期。在传感器网络中，网络协议主要是ＭＡＣ协议和路由协议。 感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调 ｆ１）ＭＡＣ协议 到更低能耗的状态（即休眠状态），这种事件驱动能量管理对于提高传 ＭＡＣ协议负责无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的 感器节点的生存期非常重要。ＤＶＳ的工作原理是：当计算负载较低时， 冲突。在传感器网络中．ＭＡＣ协议更关心能量高效而不是服务质量。 通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低处理能力，可以节约微 因此，在ＭＡＣ协议的设计时，应考虑以下几个方面： 处理器的能耗。 １１增加休眠时间，当节点不处于收发状态时，尽量转人休眠状态。 在操作系统中使用上面的节能策略，可以有效地节约能量，如果 ２油于无线信道是公共信道，节点接收到的包可能并不是发给自 同时使用ＤＰＭ和ＤＶＳ，比如在计算负载下降时使用ＤＶＳ降低微处理 己的，对这种包应尽早识别，减少这种包的侦听时间。 器的处理能力，在节点长期处于空闲状态时．使用ＤＰＭ将微处理器调 ３１减少冲突，建立有效的协调机制，尽量避免冲突，减少重传。 到休眠状态，将会大大降低微处理器的能耗．从而延长节点的生存期。 ４）减少控制包的开销。 ２．４通信子系统 ｆ２１路由协议 在无线传感器网络节点的各个子系统中．通信子系统消耗能量的 路由协议实行数据的融合，路由经过处理的数据到汇聚点。在设 比例是最大的。因此降低通信子系统的能源消耗是最重要的问题。通 计路由协议时．应考虑两个问题：均匀使用节点能量和数据融合。从整 信模块节能策略的实现与网络协议的设计密切相关．下面分别从节能 个网络来看，应该平衡使用各个节点的能量消耗，否则某些节点过早 策略和网络协议两个方面研究通信模块的节能。 地耗尽能量会导致缺少某些区域的信息或者网络瘫痪。另外，路由过 ２．４．１节能策略 程的中间节点并不是简单地转发所收到的数据，由于同一区域内的节 通信子系统的节能包括减少通信流量，增加休眠时间，使用多跳 点发送的数据具有很大的冗余性，中间节点需要对这些数据进行数据 短距离无线通信方式和选择调制机制等方面。 融合，只转发有用的信息。数据融合有效降低了整个网络的数据流量。 ｆ１１减少通信流量 减少通信流量可以直接减少通信模块发送和接收的比特数．从而 ３结束语 可以降低通信模块的能耗。减少通信流量的方法有以下几种： 无线传感器网络的研究现在还处于初级阶段，对其各方面的研究 １１减少控制包的开销和包头长度。 均存在着巨大的机遇与挑战。能源问题是无线传感器网络的关键和核 ２）增加休眠时问。 心问题．而其主要在于各个传感器节点的能耗上。本文从传感器节点 ３）减少冲突。 的四个主要单元分别讨论了传感器网络节点的能耗策略问题。相信随 ４１增加错误检测和校正机制。 着无线传感器网络相关技术的发展，其能源问题会逐步得到改善。 ５）在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。 （２１增加休眠时间 【参考文献】 无线收发器有四种操作模式：发送、接收、空闲和休眠。除了休眠 ［１］杨喜敏，等．传感器网络中的能量消耗问题研究ｌＪ１．单片机与嵌入式系统应 状态外．其它三种状态的能耗都很大．调查显示无线收发器在发送状 用．２００６．１５（１）：２７—２９． 态下的能耗为１４．８８ＭＷ．在接收状态时能耗为ｌ２．５ＭＷ．而在空闲状 ［２］叶驰．传感器网络的能量管理ｆＪ］．计算机工程与应用，２００４（８）：１９６—１９８． 态时的能耗为１２．３６ＭＷ．空闲状态的能耗接近于接收状态，所以如果 ［３］宋上雷，等．无线传感器网络及能耗策略叨．数字通信世界，２００５（１１）：４６－４８． 传感器节点不在收发数据时，把无线收发器关掉或进入休眠状态以降 ［４］商永凯．无线传感器网络节能策略叨．工业控制网络，２００６（６）：２７—２９． 低能耗．这类似于ＤＰＭ算法。 ［５］马祖长，等．无线传感器网络综述叨．通信学报，２００４（４）． ｆ３）使用多跳短距离无线通信方式 无线通信能耗与通信距离ｄ的关系为Ｅ＝ｋ ，其中２＜ｎ＜４。在传感 作者简介：张国英（１９８Ｏ一），女，汉族，湖北孝感人，硕士学历，长江大学工 程技术学院机械系．助教，主要研究方向为计算机辅助设计及制造、产品创新设 器网络中，由于发送端和接收端都贴近地面 干扰较大，障碍物较多， 计。 而且接收天线的性能不好．所以在公式中ｎ接近于４．即通信能耗与 胡珍珍（１９８４一），女，汉族，湖北荆州人，本科学历，长江本学工程技术学院 距离的四次方成正比。随着通信距离的增加，能耗急剧增加，因此，应 机械系．助教，主要研究方向为计算机辅助设计及制造。 尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在 １００米以内。 ［责任编辑：汤静］ 上接第４１页） 积分环节．很难消除系统静差；模糊ＰＩＤ控制既保留了ＰＩＤ控制的优 点，又体现了模糊控制的优势，把它应用到锅炉汽包水位控制系统中， 既可以解决无法确定汽包水位系统的精确数学模型问题，又可以针对 系统的滞后性、时变性和非线性，设计出一种控制品质较高的控制系 统．系统控制精度高、响应速度快、超调量小、几乎无静差、抗干扰能力 系 强而且十分稳定。 统 【参考文献Ｊ 输 ［１］游纪原．高富强．ＦＺＫ一３型仿人智能调节器仪在锅炉给水调节系统中的应用 出 『Ｊ］／／１９９９年中国智能自动化学术会议论文集．１Ｅ册． ［２］雷勇．基于参数ＨＤ模糊控制器的设计『Ｊ］．电子技术应用，２００１：２３０－２３６． ［３］吴晓莉，林哲辉，等．ＭＡＴＬＡＢ辅助模糊系统设计ｆＭ】．西安电子科技大学出版 社．２００５：１７６—１７９． ［４］李祖欣．ＭＡＴＬＡＢ在模糊控制系统设计和仿真的应用［Ｊ】．系统仿真学报， 图２模糊ＰＩＤ控制器的仿真曲线 ２００３，ｌ５（１）：１３２—１３４． 传统ＰＩＤ控制可以很好的解决线性定常系统的控制问题，但无法 解决虚假水位现象；模糊控制可以较好的解决虚假水位现象，而且更 ［责任编辑：曹明明］ 适用于那些无法确定被控对象数学模型的控制系统，但它同时又缺少
