張永生，趙淑琴

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

蒸汽發(fā)生器作為船用核動力裝置的重要設(shè)備，其水位控制十分重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，無論是在陸上核電廠還是艦船核動力裝置中，蒸汽發(fā)生器的水位控制一般采用常規(guī)三沖量PID控制，智能控制的應(yīng)用尚不多見［1］。但因蒸汽發(fā)生器是一個非線性、時變、大滯后的系統(tǒng)，而常規(guī)PID控制器的參數(shù)整定又存在局限性，因而控制效果并不理想?；谀：刂评碚摰哪：赃m應(yīng)PID控制器是模糊控制與常規(guī)PID控制的結(jié)合，它能根據(jù)模糊控制規(guī)則對PID水位控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，可改善控制系統(tǒng)的控制效果。文獻(xiàn)［2-4］對鍋爐汽包水位的模糊自適應(yīng)PID控制進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了PID參數(shù)的在線整定，其仿真結(jié)果表明了模糊自適應(yīng)PID控制的有效性。

本文將把模糊自適應(yīng)PID控制應(yīng)用到船用蒸汽發(fā)生器的水位控制中，以提高水位控制器的動態(tài)性能和艦船的機(jī)動性；將采用集總參數(shù)化模型［5］，設(shè)計一種基于模糊控制理論的蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，并通過仿真試驗來驗證這種水位控制器的有效性。

1 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 模糊自適應(yīng)控制原理

基于模糊控制的基本原理，本文研究設(shè)計了一種蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，圖1所示為控制原理圖。其中，水位控制器為模糊自適應(yīng)PID控制器，流量控制器采用常規(guī)的PI控制器。模糊控制器是以水位的偏差E和偏差變化率EC為輸入量，輸出量為PID參數(shù)的修正量Kp，Ki和 Kd。蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID控制器就是根據(jù)當(dāng)前的水位偏差E和偏差變化率EC，通過模糊推理不斷地調(diào)整PID的參數(shù)來實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線整定。圖中，L0為水位設(shè)定值；L為水位測量值；Qs為蒸汽流量；Qfw為給水流量；α1為蒸汽流量傳感器；α2為給水流量傳感器；α3為水位傳感器。

圖1 模糊自適應(yīng)PID控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of fuzzy adaptive PID control

1.2 模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器的控制精度隨模糊控制器維數(shù)的增加而提高，但模糊控制規(guī)則卻更加復(fù)雜，控制算法更加難以實現(xiàn)。因此，本文采用二維模糊控制規(guī)則設(shè)計蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，模糊控制器的各語言變量：E為水位誤差，EC為誤差變化率，Kp，Ki和Kd為控制量，它們的論域均為［-6，6］。模糊子集為NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），ZO（零），PS（正?。琍M（正中）和PB（正大），E，EC，Kp，Ki，Kd的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

1.3 模糊控制規(guī)則表設(shè)計

模糊控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理對PID參數(shù)進(jìn)行在線整定。模糊控制規(guī)則是設(shè)備操作經(jīng)驗的總結(jié)，其中包含了現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種情況的操作經(jīng)驗［6-8］。對于不同的E和EC，Kp，Ki和Kd的整定原則如下：

圖2 隸屬度函數(shù)Fig.2 Membership function

1）當(dāng)E較小時，為了調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Kp與Ki均應(yīng)取得較大。同時，為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性，當(dāng)EC較大時，Kd可取得較??；而當(dāng)EC較小時，Kd可取得較大。

2）當(dāng)E中等大小時，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，Kp應(yīng)取得較小。此時，Kd的取值對系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得較小，而Ki的取值則要適當(dāng)。

3）當(dāng)E較大時，為了提高系統(tǒng)的跟蹤性，Kp應(yīng)取得較大，Kd應(yīng)取得較小。同時，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，應(yīng)限制積分項的作用，通常取Ki=0。

模糊自適應(yīng)PID控制器的參數(shù)Kp，Ki和Kd的模糊控制規(guī)則［9-10］如表1～表3所示。

表1 Kp的模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table ofKp

表2 Ki的模糊控制規(guī)則表Tab.2 Fuzzy control rule table ofKi

表3 Kd的模糊控制規(guī)則表Tab.3 Fuzzy control rule table ofKd

2 仿真結(jié)果分析

為了驗證所提模糊規(guī)則的有效性，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真平臺，建立蒸汽發(fā)生器的集總參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，將反應(yīng)堆簡化為一個熱源，考慮了一回路向二回路傳遞熱量時的延時特性（即熱慣性）。設(shè)計并實現(xiàn)了蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID水位控制器，控制規(guī)則表（以Kp為例）的三維外觀圖如圖3所示。

圖3 控制規(guī)則表的三維外觀圖Fig.3 Three-dimensional diagram of fuzzy control rule

對蒸汽發(fā)生器的變負(fù)荷工況進(jìn)行了仿真試驗：200 s之前蒸汽發(fā)生器100%負(fù)荷運(yùn)行，200 s時蒸汽負(fù)荷階躍下降30%。圖4所示為上述工況下蒸汽發(fā)生器水位的動態(tài)變化趨勢，其中，圖的縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)作了無量綱化處理，為額定值與實際值的比值。

為便于分析比較，本文根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制與常規(guī)三沖量PID控制，分別設(shè)計了相應(yīng)的蒸汽發(fā)生器水位控制器。在常規(guī)三沖量PID控制的主控制器中，Kp=21，Ki=0.46，Kd=0。模糊自適應(yīng)PID控制的主控制器的初始參數(shù)為Kp0=15，Ki0=0.1，Kd0=0，模糊控制器的輸入量E和EC的量化因子分別為1和0.5，輸出量 Kp，Ki，Kd的比例因子分別為0.1，0.1，0。由圖4可看出，在變負(fù)荷工況過程中，與常規(guī)三沖量PID控制相比，模糊自適應(yīng)PID控制的蒸汽發(fā)生器水位的超調(diào)量減小了約35%，調(diào)節(jié)時間縮短了約50%。它能使給水閥的動作更加平穩(wěn)，減小了水位的波動，且對“虛假水位”也有一定的抑制作用。

圖4 水位的動態(tài)變化趨勢Fig.4 Dynamic trend of water level

3 結(jié) 語

由上述仿真結(jié)果可以看出，蒸汽發(fā)生器的模糊自適應(yīng)PID控制器是通過模糊推理，在線整定PID控制器的參數(shù)來對水位進(jìn)行控制的，其與常規(guī)PID控制器相比，超調(diào)量減小了約35%，調(diào)節(jié)時間縮短了約50%。模糊自適應(yīng)PID控制器不僅減少了蒸汽發(fā)生器水位的波動，而且對“虛假水位”也有一定的抑制作用，改善了水位控制系統(tǒng)的控制效果。

［1］張永生，馬運(yùn)義，高偉，等.核動力蒸汽發(fā)生器水位的前饋反饋控制［J］.船海工程，2010，39（4）：132-134.ZHANG Yongsheng，MA Yunyi，GAO Wei，et.al.Feedforward-feedback control of water level for the nuclear powered steam generator［J］.Ship and Ocean Engineering，2010，39（4）：132-134.

［2］XUE W J，LIU Y X.Boiler drum level controlled by fuzzy self-adapting PID［C］//2009 Second Asia-Pacific Conference on Computational Intelligence and Industrial Appications.Wuhan，China，2009.

［3］ZHANG Y N，LI H X.A self-adjusting fuzzy control for the drum water level［C］//Proceeding of the 2010 IEEE International Conference on Information and Automation.Harbin，China，2010.

［4］黃付剛，李蘭君，王馨.基于模糊-PID控制的鍋爐汽包水位自適應(yīng)研究［J］.機(jī)電信息，2010（6）：101-102.

［5］ZHANG Y S，MA Y Y.A simplified lumped parameter model for U-tube steam generator［C］//1st International Conference on Electrical and Control Engineering.Wuhan，China，2010：253-256.

［6］鄭文杰，張習(xí)睿.基于模糊PID參數(shù)自調(diào)整的鍋爐汽包水位控制設(shè)計［J］.水利電力機(jī)械，2007，29（1）：16-19.ZHENG Wenjie，ZHANG Xirui.The research of drum level control of boiler based on self tuning fuzzy PID［J］.Water Conservancy and Electric Power Machinery，2007，29（1）：16-19.

［7］于洪澤.鍋爐汽包水位自整定模糊PID控制［J］.沈陽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，26（3）：294-296.YU Hongze.Self regulation fuzzy PID control of boiler steam drum water level［J］.Journal of Shenyang Normal University：Natural Science Edition，2008，26（3）：294-296.

［8］張樂，王有朋，周浚哲.鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計-模糊自整定PID控制器設(shè)計［J］.科技信息，2008（19）：42，67.

［9］孫豐雷，隋江華，張文孝.船用鍋爐水位模糊自適應(yīng)PID控制仿真［J］.中國水運(yùn)，2009，9（11）：100-101，106.

［10］張松蘭，何堅強(qiáng).鍋爐汽包水位模糊自適應(yīng)控制策略［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，23（1）：61-64.ZHANG Songlan，HE Jianqiang.Strategy of fuzzy adaptive control for boiler’s drum water level［J］.Journal of Yancheng Institute of Technology（Natural Science Edition），2010，23（1）：61-64.