馮嚴(yán)冰

摘 要：本文在鍋爐水位動態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，運用參數(shù)免疫尋優(yōu)算法優(yōu)化鍋爐水位控制系統(tǒng)，通過軟件仿真對比免疫優(yōu)化后的PID控制器與普通水位控制器的控制效果，驗證了參數(shù)免疫優(yōu)化的控制效果優(yōu)于常規(guī)控制方法的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：免疫尋優(yōu)；鍋爐；水位控制器；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.059

1 鍋爐水位的動態(tài)特性分析

鍋爐內(nèi)部汽包水位是其安全高效運行的主要指標(biāo)和參數(shù)，必須將汽包水位維持在合理的范圍內(nèi)。鍋爐給水自動調(diào)節(jié)的控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位（H），給水調(diào)解閥調(diào)節(jié)量是給水流量（W）。汽包內(nèi)部容積可劃分三個部分：蒸發(fā)面以上蒸汽容積，蒸發(fā)面下蒸汽容積和水容積。可用汽包壓力和汽包水位的動態(tài)特性表示蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的動態(tài)特性。有四個因素影響水位調(diào)節(jié)對象的擾動參數(shù)：給水流量的擾動，包括給水壓力變化和減溫器調(diào)節(jié)閥開合變化；蒸汽負(fù)荷變化，包括管路阻力的變化和負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥開合變化；影響燃料發(fā)熱量的各因素；汽包壓力及水位變化，從熱負(fù)荷的變化或蒸汽負(fù)荷變化兩個方面進行考慮。 鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動主要來自三個方面：爐膛負(fù)荷擾動、蒸汽流量擾動和給水流量擾動。爐膛負(fù)荷擾動影響緩慢具滯后，并可通過燃料自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)器消除。所以，干擾水位的主要因素就是蒸汽流量擾動與給水流量擾動兩個。

2 鍋爐水位控制系統(tǒng)的組成

鍋爐水位控制系統(tǒng)是前饋與反饋相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，其主控信號為汽包水位，前饋信號為蒸汽流量，反饋信號為給水流量。該控制系統(tǒng)的實質(zhì)是內(nèi)部的兩個閉合回路，一個是由給水流量、調(diào)節(jié)閥、給水分流器、調(diào)節(jié)器組成的內(nèi)回路；另一個是由內(nèi)回路和汽包水位控制器構(gòu)成的外回路。為了改善控制質(zhì)量又不影響閉合回路的穩(wěn)定性，在閉合回路之外設(shè)計蒸汽流量及其蒸汽分流器。

3 參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器仿真建模

為了進行比較，本文分別采用普通PID控制器、參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器對水位控制系統(tǒng)的控制效果進行仿真分析。

（1）普通PID控制器參數(shù)設(shè)置。普通PID控制器對鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的各參數(shù)分別設(shè)置為：，，；根據(jù)參考文獻(xiàn)，將增益設(shè)置為：=0.0667，=3，=1，=0.2。

（2）參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器參數(shù)設(shè)置。該控制器用免疫優(yōu)化算法對PID控制器的參數(shù)進行調(diào)整以獲得更好的動態(tài)特性，在程序中加入了懲罰措施，將超調(diào)量作為一項最優(yōu)指標(biāo)以減小其影響。仿真中各參數(shù)取值為：=0.998，=0.002，=2，=99。用實數(shù)編碼免疫算法優(yōu)化，種群大小設(shè)為50，經(jīng)150代的進化，30%的活化比例，6倍的克隆倍數(shù)，6：1的免疫補充比例，10%的變異率。通過MATlAB軟件仿真得到目標(biāo)函數(shù)下降曲線。觀察曲線可知，在28代附近最優(yōu)，優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)值下降了16%，有顯著的優(yōu)化效果。整定后免疫PID控制器參數(shù)為：，，，，。增益設(shè)置為：=0.0666，=2，=0.9，=0.3。

4 兩種水位控制系統(tǒng)仿真對比及分析

本文在考慮到兩種最重要的影響因素情況下，利用MATLAB軟件對鍋爐水位控制系統(tǒng)的兩種控制器性能進行仿真分析。

（1）蒸汽流量擾動30%的響應(yīng)。在0.01s時蒸汽流量發(fā)生30%的擾動，兩種PID控制器響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖1所示。從仿真結(jié)果中可以看出，普通PID控制器的水位波動最大幅度為0.36，波動較大；參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的波動最大幅度0.15，波動較小。這表明在克服蒸汽擾動方面參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的控制效果明顯優(yōu)于普通控制器。

（2）給水?dāng)_動系統(tǒng)響應(yīng)。在0.01s時加入給水?dāng)_動信號，兩種PID控制器響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖2所示。從仿真結(jié)果中可以看出，給水流量擾動對水位控制系統(tǒng)的影響比蒸汽流量擾動的影響小，但兩種控制器的仿真數(shù)值對比還是比較明顯的：普通PID控制器的水位波動最大幅度0.008，參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的水位波動最大幅度0.0036。這表明在克服給水?dāng)_動方面，參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器的控制效果比普通控制器的要更好。

5 總結(jié)

本文根據(jù)工業(yè)鍋爐汽包水位的動態(tài)特性，對水位控制器進行了參數(shù)免疫優(yōu)化，為驗證優(yōu)化結(jié)果，利用MATlAB仿真軟件對鍋爐的汽包水位控制系統(tǒng)的普通PID控制器和參數(shù)免疫尋優(yōu)PID控制器進行了建模仿真，仿真結(jié)果證明參數(shù)免疫尋優(yōu)后的PID控制器擁有更好的控制品質(zhì)，這種優(yōu)化方法具有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王焱.模糊免疫PID控制器的設(shè)計和仿真[J].計算機仿真，2002，19（02）.

[2]劉向明等.鍋爐汽包水位仿人智能控制的應(yīng)用研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報，2004.

[3]黎兵.汽包鍋爐串級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[J].東北電力技術(shù)，2006（06）.