郝寶齊　沈彬　孫勤江

【摘 要】文中采用串級(jí)控制作為海洋平臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐的控制方案，采用粒子群算法對(duì)PID控制器的比例帶δ、積分時(shí)間Ti進(jìn)行最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)熱介質(zhì)鍋爐溫度的自動(dòng)控制。通過(guò)粒子群算法進(jìn)行串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化，提高了控制系統(tǒng)的控制精度、可靠性、穩(wěn)定性，具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】熱介質(zhì)鍋爐；粒子群算法；PID；串級(jí)控制系統(tǒng)

【Abstract】This paper uses the cascade control as the control scheme of the offshore platform heat medium boiler. The particle swarm algorithm has been used to optimized proportional band δ and integration time Ti， achieve medium heat boiler automatic temperature control. Through PID cascade control system parameters optimized by PSO， the control accuracy ， reliability and effectiveness of the said method have been proven，has industrial applications

【Key words】Heating medium boiler；Particle swarm；Proportion integration differentiation；Cascade control system

0.引言

海上平臺(tái)以及FPSO（Floating Production Storage & Offloading Unit，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)存卸貨裝置）是油氣處理、儲(chǔ)存的生產(chǎn)設(shè)施，原油中油氣水分離的處理過(guò)程需要一定的熱源。一般在海上都配備幾臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐，通過(guò)燃燒燃料來(lái)加熱熱介質(zhì)油，作為生產(chǎn)流程和儲(chǔ)油艙等的加熱源。海洋平臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐的主要工作原理是：熱介質(zhì)油經(jīng)循環(huán)泵加壓進(jìn)入鍋爐盤管后被加熱，然后輸送至換熱器，通過(guò)換熱器與原油進(jìn)行熱能傳遞，換熱后，冷的熱介質(zhì)油回流至熱油膨脹罐，如此反復(fù)循環(huán)，提供穩(wěn)定的熱源。由于海洋平臺(tái)的能源供給成本比較高，且海上作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)性較大，因此尋求和開發(fā)節(jié)約海洋平臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐能源的方法和途徑成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)如今大部分熱介質(zhì)鍋爐采用PID控制方法，但是PID控制參數(shù)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程整定獲得，控制精度不高，容易造成資源的浪費(fèi)[1]。

粒子群（PSO）算法是一種基于群體智能的全局優(yōu)化算法，其模擬社會(huì)的群體行為，在多維空間中構(gòu)造粒子群進(jìn)行尋優(yōu)，且每個(gè)粒子通過(guò)迭代過(guò)程中的群體和自身最優(yōu)值修正自身前進(jìn)方向和速度。本文將粒子群算法用于海洋平臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐的PID參數(shù)辨識(shí)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1.串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)置兩套溫度檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出值作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出量送往調(diào)節(jié)閥。此串級(jí)控制系統(tǒng)中，以燃料流量作為操縱變量，爐膛溫度作為中間被控變量。當(dāng)爐膛溫度發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)器可及時(shí)動(dòng)作，提高響應(yīng)速度。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示：

在串級(jí)控制系統(tǒng)中引入副回路，可以及早發(fā)現(xiàn)并克服引入副回路的干擾，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.粒子群算法描述

3.粒子群算法流程

粒子群算法的流程如下[2]：

（1）初始化粒子的位置和速度。

（2）計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)值。

（3）對(duì)于每個(gè)粒子，將其適應(yīng)值與個(gè)體極值pbesti進(jìn)行比較，若優(yōu)于pbesti，將粒子此時(shí)的位置作為當(dāng)前的最好位置。

（4）對(duì)于每個(gè)粒子，將其適應(yīng)值與全局極值gbest進(jìn)行比較，若優(yōu)于gbest，將粒子此時(shí)的位置作為當(dāng)前的群體最好位置。

（5）對(duì)粒子的位置和速度進(jìn)行更新。

（6）如果沒(méi)有滿足結(jié)束條件，通常為達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的最大代數(shù)或足夠好的適應(yīng)值，則返回步驟2）。

4.參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)仿真曲線可知，系統(tǒng)初期存在震蕩環(huán)節(jié)，且震蕩兩次之后達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)會(huì)比較長(zhǎng)。然而在PID參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整參數(shù)的范圍，使系統(tǒng)存在一次震蕩即可達(dá)到穩(wěn)定，但是在此種情況下PID控制器的輸出存在較大的超調(diào)量，不符合海洋平臺(tái)操作規(guī)范，同時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。綜合海洋平臺(tái)安全生產(chǎn)，采取延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間的策略，已保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5.結(jié)果

本文設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐串級(jí)控制系統(tǒng)，且采用粒子群算法進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)仿真曲線可以看出，本文的設(shè)計(jì)方案及參數(shù)優(yōu)化達(dá)到了較好的控制效果，有效保障海上作業(yè)人員和設(shè)備的運(yùn)行安全；然而，在保證系統(tǒng)安全的情況下，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，應(yīng)進(jìn)一步研究在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的情況下，減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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