基于智能模糊遗传算法的锅炉自动控制技术研究

摘要：锅炉燃烧过程是一个具有大惯性、大时延、变参数的多输入多输出复杂过程，传统的锅炉燃烧控制多采用PID控制，但PID控制是无法为具有大惯性、大时延和变参数的过程提供高质量的控制，本文提出了基于遗传算法的模糊PID控制可以大大提高系统的控制质量，以达到节能的目的。

关键词：锅炉燃烧控制PID控制模糊控制

锅炉是国民经济中重要的热能供应设备。目前，我国现有锅炉几十万台，是国家的一个耗能大户。由于技术落后，设备陈旧，操作水平低，目前大部分锅炉还存在着热效率低、能耗高的问题。锅炉燃烧过程是一个具有大惯性、大时延、变参数的多输入多输出复杂过程，传统的锅炉燃烧控制多采用PID控制，但PID控制无法为具有大惯性、大时延和变参数的过程提供高质量的控制，解决此问题的方法是采用比PID更为有效的控制技术。锅炉燃烧智能控制技术可以利用锅炉运行数据和集散控制系统(DCS)，通过一系列先进建模、优化和控制技术的应用，提高锅炉运行效率，改善控制效果。这种技术投资少，能够充分提高锅炉控制的自动化程度，使锅炉处于更理想的运行工况，提高锅炉运行系统的安全性，因而受到广泛关注。

1 锅炉燃烧的自动控制任务

燃煤蒸汽锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数的蒸汽，为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉控制主要有下列自动调节任务：

（1）保持汽包水位范围。汽包水位是锅炉正常运行的主要指标，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。水位过高会影响汽水分离，产生蒸汽带液现象；水位过低会影响汽水循环，严重时会使个别上水管内的流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制在规定范围内。

（2）维持蒸汽压力在预定值。蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损; 压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，表明负荷的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量; 蒸汽压力升高，说明负荷的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

2 锅炉燃烧控制系统的回路特性分析

2.1 汽包水位回路特性分析

蒸汽锅炉的汽包水位是锅炉正常运行的主要指标之一，也是一个十分重要的被调参数，保持汽包水位在一定的范围内变化是保证锅炉安全运行的重要条件。蒸汽锅炉汽包水位调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。锅炉汽包中的水位不仅受到给水量和蒸发量之间平衡关系的影响，还受到在汽水循环管路中汽水混合物内汽水容积变化的影响。因为锅炉汽水中水位值h不仅反映了汽包( 包括水循环的管路) 中的水容积，也反映了水面下汽包的容积。水面下汽包的容积又与锅炉的负荷和蒸汽压力有关。

2.2 蒸汽压力回路特性分析

锅炉汽包蒸汽压力是燃烧过程控制对象的主要被调量，在一般的饱和蒸汽锅炉中，蒸汽压力是衡量储蓄在锅炉中能量大小的尺度，只有当锅炉输入和输出的能量平衡时，压力才能保持稳定。引起蒸汽压力变化的因素是很多的，如燃料量、送风量、引风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况变化的原因。它的主要扰动是燃料量的改变( 称为内扰动) 和蒸汽流量的改变( 称为外扰动)。

2.3 经济燃烧回路特性分析

锅炉燃烧控制要实现的一个主要功能是提高锅炉的燃烧经济性，使锅炉运行在最高热效率状态下，以达到节约燃煤的目的。燃烧的效率高低难以直接测量，常用烟气中的含氧量作为表示指标。风煤比是影响锅炉热效率的一个重要因素，无论风煤比过高还是过低都将使锅炉的热效率大大降低。在现行的各种控制方法中，广泛采用固定风煤比调节加变氧量的校正方案，但节能效果并不理想。这是由于变氧量调节规律中，最佳含氧量与蒸汽负荷的关系曲线一般由司炉人员凭经验获得，带有一定的片面性；另外，含氧量测量可靠性不高，维护量大，难以长时间稳定工作。

3 锅炉燃烧智能控制算法

3.1 模糊控制系统组成

模糊控制系统是一种自动控制系统，和其它的自动控制系统一样，通常由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等部件组成。它的核心部分为模糊控制器，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。模糊控制系统的主要组成部分：（1）被控对象。它可以是一种设备或装置以及它们的群体。这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量的或多变量的、有滞后的或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合和干扰的等多种情况。对于那些难以建立数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。（2）执行机构。除了电气以外，如各种交、直流电动机、伺服电动机、步进电动机等，还有气动调节阀和液压马达、液压阀等。（3）模糊控制器。是整个模糊控制系统的核心部分，是基于模糊知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”。（4）传感器（测量装置）。是将被控对象的各种非电量，如流量、温度、压力等信号转换为电信号的一种装置，其精度往往直接影响整个系统的性能指标。

3.2 模糊控制器

模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统性能的优劣，主要取决于模糊控制器的结构，所采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器也称为模糊逻辑控制器，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也被称为模糊语言控制器。

4 蒸汽锅炉控制系统的设计与实现

针对研究对象某60t/h 燃煤蒸汽锅炉，设计了燃烧控制系统，系统软件采用VB 语言设计，包括控制参数设定、实时数据显示、历史数据查询、历史数据打印等功能。系统采用了模糊控制的方法对PID参数进行在线调整，在偏差较大时使KP增大，提高了系统的响应时间，在中间过程抑制了系统响应出现的超调，在接近稳态时KI、KP增大，Kd减小，使系统缩短了稳态时间，抑制了振荡。与传统的PID控制相比，用自适应模糊PID控制汽包水位，控制精度高，动态性能好，鲁棒性强，有效地改善了模糊PID控制的效果。

参考文献

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[4] 郎伟明.基于模糊理论的电站锅炉汽包水位控制研究[J].东北:东北大学,25.

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