基于自适应模糊控制的蒸汽发生器水位控制研究

摘要：为了能够有效地控制蒸汽发生器的水位，确保核电厂能够安全可靠地工作，深入地研究了自适应模糊控制在其中的应用。首先，分析了蒸汽发生器水位控制模型；其次，进行了模糊自适应PID控制系统的设计；接着，进行了模糊PID控制器的参数初始化，并且设计了模糊PID控制器参数模糊化的流程；最后，进行了仿真分析，仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：模糊控制 PID控制 蒸汽发生器 水位控制

中图分类号：TP273.2 文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）09-0001-02

核能发电对于我国能源战略的顺利发展具有非常关键的促进作用，近年来核能在全部供应能量中所占的比例不断增加，核能发电在电力工业中的重要作用日益突显。蒸汽发生器是压水堆核动力装置中的关键设备，对蒸汽发生器水位的控制决定着核电站机组的可靠性。为了能够确保核电厂可以安全可靠地工作，应该将蒸汽发生器的水位控制在一定的范围内，如果水位过高，将降低汽水分离效果，引起蒸汽品质的下降，从而对汽轮机的叶片造成威胁；当水位过低时，蒸汽容易进入水环，这样在给水管道形成汽锤，从而引起管束传热性能的降低，造成管板的冲击。蒸汽发生器水位控制具有非常复杂的非线性特点，因此，蒸汽发生器的水位控制比较困难。目前，蒸汽发生器主要PID控制技术，但是PID控制技术在处理非线性控制对象时无法获得良好的控制效果，因此，应该需求一种更为有效的控制方法对蒸汽发生器水位进行控制，将模糊控制理论和传统的PID控制技术结合起来形成PID控制技术具有控制效率高、可靠性高的特点，能够有利于非线性对象的控制，可以将模糊PID控制技术应用于蒸汽发生器水位控制中。

1、蒸汽发生器水位控制模型

蒸汽发生器的数据模型如下所示：

式中，表示给流量的阶跃响应的传递函数；表示前馈传递函数；表示蒸汽流量阶跃变响应的传递函数；表示给水流量变送器的比例系数；表示蒸汽流量；表示给水流量；表示拉普拉斯算子。

2、模糊自适应PID控制系统的设计

模糊控制的理论基础包括模糊变量、模糊集合和模糊逻辑等理论，该控制方法的基本原理是按照人的先验知识对被控对象进行智能控制。模糊控制能够依据蒸汽发生器水位控制的基本参数进行控制设计，不必考虑蒸汽发生器水位控制系统的精确数学模型，所以模糊控制技术能够应用于无法建立精确数学模型以及在信息不足的情况下产生的病态的蒸汽发生器水位控制系统的控制之中，从而能够实现对液压系统的精确控制。但是，模糊控制无法消除静态误差，因此可以将模糊控制引入到PID控制技术中，利用模糊规则实现对PID控制器的参数时实地调整，从而能够充分地结合模糊控制技术和PID控制技术的优点，使蒸汽发生器水位控制系统的控制具有较好的动态和静态特征，从而提高蒸汽发生器水位控制系统控制的可靠性。

模糊PID控制技术可以将模糊规则以及相应的控制预先存储到计算机的知识库中，计算机能够依据蒸汽发生器水位控制系统 的响应情况，依据事先存储的知识库进行模糊推理，实现对PID控制器参数的实时调整，从而可以有效地将模糊控制以及PID控制技术结合起来。

模糊控制器包括两个输入，分别是误差e以及误差的变化率ec，利用模糊控制对PID控制器的参数进行在线调节，从而可以获得PID控制器中三个参数的变化量，分别是比例系数、积分系数、微分系数，最终达到输出预设值的目的。

蒸汽发生器水位控制系统的模糊PID控制系统简图如图1所示。按照实际测试的结果，可以对PID控制器的参数进行调整，将传统PID算法和模糊控制的优势结合起来，从而能够实现对蒸汽发生器水位控制系统的平稳控制。模糊PID控制器的控制原理如下：首先，设计出模糊PID控制器的基本结构、将控制系统的输入和输出进行模糊化操作、定义相应的模糊控制规则、设计近似推理算法、最后进行去模糊化操作。

（图1）中表示蒸汽发生器水位控制系统的输入，表示蒸汽发生器水位控制系统的输出，表示PID控制器的输出。表示蒸汽发生器水位控制系统的反馈误差，是PID控制器的输入，可以表示为如下的形式：

PID控制器的传递函数的数学表达式如下所示：

通过模糊控制规则可以实现PID控制器的参数、和的实时调整，可以对蒸汽发生器水位控制系统进行优化控制，从而使焊管切割机可以稳定地、可靠地工作。模糊PID控制的主要过程如下：

（1）定义模糊控制器的输入和输出，分别为偏差以及偏差变化率，同时进行输入量的模糊化操作。

（2）按照模糊控制规则对经过模糊化处理所获得的偏差和偏差变化率进行推理，从而可以获得模糊控制器的、和的最优值。

（3）利用模糊控制规则实时地监测精确值，所获得的精确值可以作为PID控制器的输入，从而能够对蒸汽发生器水位控制系统进行实时地在线控制。

3、模糊PID控制器的参数初始化

依据蒸汽发生器水位控制系统控制的基本要求，模糊PID控制器的参数初始化目的是保持初始参数设定的目标是确保蒸汽发生器的水位处于最佳位置，从而保证系统的工作稳定性，为了能够确保最优化的控制效果，对PID控制器进行参数自整定，PID控制器的传递函数的数学表达式如下所示：

利用一阶滞后近似法能够防止微分运算，PID控制器的传递函数如下所示：

式中，为常数，根据蒸汽发生器水位控制的事情况，取。

4、模糊PID控制器参数模糊化的流程

模糊控制有两个输入参数，一个是偏差的绝对值，另外一个是偏差变化率的绝对值，模糊控制的输出为比例系数、积分系数、微分系数。按照蒸汽发生器水位控制系统的控制需求，偏差的绝对值以及偏差变化率的绝对值的论域表达式如下所示：

对应模糊集如下所示：

式中，代表负大，代表负小，代表适中，代表正小，代表正大。

PID控制器参数模糊论域可以表示为如下的形式：

PID控制器参数的模糊集可以表示为如下的形式：

依据模糊PID控制器比例系数、积分系数以及微分系数在蒸汽发生器水位控制系统控制中的功能，定义的模糊控制规则见表1～3。

利用加权平均法求出模糊自适应PID控制器，求解程序如下：

（1）计算出模糊推理所有输出值的重心；

（2）模糊化重心能够得到精确值，求解模型如下所示：

式中，表示精确解；表示比例系数、积分系数以及微分系数的隶属度函数，表示输出的数量。

5、基于模糊PID控制的蒸汽发生器水位控制的仿真分析

以某压水堆核动力装置中的蒸汽发生器为研究对象，对其水位进行控制仿真分析，为了能够验证模糊PID控制技术相对于传统PID控制技术的优越性，分别利用模糊PID控制技术和传统PID控制技术对蒸汽发生器进行水位控制，仿真程序利用MATLAB软件编制，蒸汽发生器水位控制仿真结果如图2所示。

从图2可以看出，自适应模糊PID控制技术的控制效果相对于传统的PID控制技术具有更好的控制效果，控制系统的响应速度更快，超调量更小，进而增强了蒸汽发生器的工作稳定性。

6、结语

将模糊控制技术和传统的PID控制技术结合对蒸汽发生器水位进行控制，经过仿真分析，验证了该方法的有效性，可以有效地提高蒸汽发生器的工作可靠性。

参考文献

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