集氣管壓力系統(tǒng)模糊PID控制研究

喬維德

（常州市廣播電視大學(xué)，江蘇 常州 213001）

1 引言

焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)是焦?fàn)t系統(tǒng)的重要組成部分，焦?fàn)t壓力的正常與否，直接關(guān)系到焦?fàn)t的安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)境保護(hù)等問題。壓力過高，煤氣會(huì)大量從爐內(nèi)溢出，嚴(yán)重影響環(huán)境，并造成煤氣的大量損失；壓力過低，空氣又會(huì)進(jìn)入爐體，容易引起焦炭燃燒，焦炭質(zhì)量下降，同時(shí)也會(huì)損失爐體，存在引起爆炸的隱患。因此，安全、合理、有效地控制焦?fàn)t集氣管壓力非常必要和至關(guān)重要。

PID控制中一個(gè)關(guān)鍵問題就是PID參數(shù)的整定，傳統(tǒng)的方法是在獲取控制對象模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一原則確定參數(shù)，但是焦?fàn)t集氣管中的壓力在控制過程中受多種因素的影響，其過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)都會(huì)隨時(shí)間和工作環(huán)境的變化而變化，控制系統(tǒng)對變化的跟蹤性能差。如仍采用基于模型的控制，很難取得良好的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，不需要建立對象的數(shù)學(xué)模型，能夠很好地克服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素，具有較強(qiáng)的魯棒性。但普通模糊控制存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)精度低。本文將模糊控制中的模糊推理思想和傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合起來，在焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)中采用模糊PID控制算法，以集氣管的實(shí)際輸出壓力和給定壓力之間的偏差和偏差變化率作為模糊推理機(jī)的輸入，在集氣管壓力控制過程中，對PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定，從而實(shí)現(xiàn)對焦?fàn)t集氣管壓力的實(shí)時(shí)、高精度控制，保證其實(shí)際壓力穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)，極大提高了焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。

2 焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)工藝流程

圖1 焦?fàn)t集氣管壓力工藝流程圖

某焦化廠焦化車間煤炭工藝流程如圖1所示。一號(hào)焦?fàn)t與二號(hào)焦?fàn)t為80型焦?fàn)t，它們共用一組冷卻和鼓風(fēng)系統(tǒng)。每座焦?fàn)t的炭化室發(fā)生的煤氣先進(jìn)入各自的煤氣管，經(jīng)過集氣管蝶閥控制后匯合進(jìn)入煤氣總管道，再經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)和冷卻器等外送至貯氣罐。鼓風(fēng)機(jī)對集氣管道產(chǎn)生吸力吸出焦?fàn)t氣，可以根據(jù)當(dāng)前壓力對集氣管閥門和鼓風(fēng)機(jī)吸力進(jìn)行調(diào)整，能使集氣管壓力維持在給定期望壓力范圍內(nèi)。但實(shí)際現(xiàn)場情況往往存在諸多非線性復(fù)雜因素，如添加焦煤時(shí)壓力會(huì)大幅度減弱等，而且兩集氣管相互之間存在著嚴(yán)重的壓力耦合關(guān)系，對其中任一對象的調(diào)節(jié)都將影響另一對象并進(jìn)而影響整個(gè)管路系統(tǒng)的穩(wěn)定，使得本系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)變得非常困難。因此，焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、多擾動(dòng)、強(qiáng)耦合的嚴(yán)重非線性時(shí)變系統(tǒng)。

3 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了使焦?fàn)t集氣管壓力能夠快速穩(wěn)定地跟蹤設(shè)定壓力值，將傳統(tǒng)PID和模糊控制相結(jié)合，利用模糊推理的策略，根據(jù)不同的偏差、偏差變化率對PID參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線自調(diào)整。系統(tǒng)首先計(jì)算出實(shí)際壓力F0和設(shè)定壓力Fr的偏差e和偏差變化率ec，然后將它們模糊化，模糊化后的E和EC由模糊控制規(guī)則推理和解模糊后得到kp、ki和kd。在控制過程中，在線實(shí)時(shí)修改常規(guī)PID控制器的參數(shù)，最后由常規(guī)PID控制器輸出碟閥開度控制量，控制碟閥開度，調(diào)節(jié)集氣管壓力。

焦?fàn)t集氣管壓力的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中Fr為系統(tǒng)的給定壓力值（精確量），F(xiàn)0為集氣管的實(shí)際輸出壓力（精確量），e和ec分別為系統(tǒng)壓力偏差和偏差變化率（精確量），E、EC分別為反映壓力偏差、偏差變化率的模糊輸入變量；kp、ki、kd為模糊控制器的輸出變量。

圖2 焦?fàn)t集氣管壓力模糊PID控制結(jié)構(gòu)

偏差E、偏差變化率EC分別用7個(gè)語言值來描述，它們的模糊子集是 E=｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，EC=｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，kp、ki、kd的模糊子集也定義為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝。其中各模糊子集的含義為：Z—零，PS—正小，PM—正中，PB—正大，NB—負(fù)大，NM—負(fù)中，NS—負(fù)小。設(shè)定 E、EC 和 kp、ki、kd的論域均為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝，隸屬度函數(shù)采用三角形的分布函數(shù)。

kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但系統(tǒng)容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。反之，kp越小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度減慢，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度降低，調(diào)節(jié)時(shí)間變長，從而降低了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。kp的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 kp的模糊控制規(guī)則表

ki的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki越大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但ki過大時(shí)，在系統(tǒng)響應(yīng)初期容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)。ki越小時(shí)，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差很難消除，因而會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。ki的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 ki的模糊控制規(guī)則表

kd的作用主要是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在響應(yīng)過程中提前抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，降低系統(tǒng)超調(diào)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是當(dāng)kd過大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)過程提前制動(dòng)，調(diào)節(jié)時(shí)間延長，并降低系統(tǒng)的抗干擾性能。kd的模糊控制規(guī)則如表3所示。

表3 kd的模糊控制規(guī)則表

根據(jù)焦?fàn)t集氣管壓力控制特點(diǎn)，歸納出的kp、ki和kd模糊控制規(guī)則經(jīng)過模糊推理推導(dǎo)其內(nèi)在的模糊關(guān)系，根據(jù)模糊關(guān)系和輸入變量E、EC的情況進(jìn)行推理合成得到輸出kp、ki和kd的語言變量，然后經(jīng)過解模糊化操作將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠接受的精確壓力值。

模糊推理采用CRI的Mandani推理方法中的max-min合成法，即推理時(shí)，根據(jù)模糊蘊(yùn)涵關(guān)系，選擇模糊算子min和max，選擇“極大與極小”運(yùn)算作為合成運(yùn)算，求出模糊輸出值。解模糊采用的方法為常用的重心法，即加權(quán)平均法。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，滿足系統(tǒng)控制快速性要求，這里采用離線計(jì)算形式，即把模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)換為控制查詢表，推理過程簡化為查表運(yùn)算，通過查表很方便地實(shí)現(xiàn)模糊控制器的實(shí)時(shí)控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證采用模糊PID控制器作為焦?fàn)t集氣管壓力控制的優(yōu)越性，本文運(yùn)用MATLAB計(jì)算機(jī)工具軟件進(jìn)行仿真分析，然后現(xiàn)場試驗(yàn)。圖3為1號(hào)焦?fàn)t集氣管壓力控制前壓力變化曲線，圖4-6為一號(hào)焦?fàn)t集氣管壓力分別采用傳統(tǒng)PID控制、模糊控制以及模糊PID控制后的壓力變化曲線（二號(hào)焦?fàn)t壓力曲線與一號(hào)焦?fàn)t相差不大）。從仿真結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文提出的模糊PID控制后，焦?fàn)t集氣管壓力大幅度波動(dòng)和振蕩現(xiàn)象得到明顯控制和改善。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)際效果與仿真結(jié)果基本吻合，煤氣壓力始終能穩(wěn)定在設(shè)定值100±10Pa左右，減少煤氣泄漏和損失,提高了焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量。

圖3 一號(hào)焦?fàn)t集氣管壓力控制前曲線

圖4 傳統(tǒng)PID控制壓力曲線

圖5 模糊控制壓力曲線

圖6 模糊PID控制壓力曲線

5 結(jié)束語

將模糊PID控制技術(shù)引入到焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)中，在控制過程中，模糊PID控制器根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的壓力狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，利用PID控制算法可使壓力控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善，其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性均優(yōu)于常規(guī)PID控制和模糊控制，有效地彌補(bǔ)了常規(guī)PID控制和單純模糊控制的不足，極大提高了焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能和魯棒性，從而為實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t集氣管壓力的智能化控制開辟了一條有效途徑。

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