基于模糊控制的微型燃機燃料壓力控制

馬麗梅，張增吉，林 瑩，吳元亮

（中國人民解放軍理工大學 理學院 基礎電子學系，江蘇 南京 211101）

本文針對國內(nèi)外微型燃機控制的現(xiàn)狀，對提高微型燃機的運行效率進行了深入的研究，提出了先進的微型燃氣輪機燃料壓力系統(tǒng)模糊控制的思想。常規(guī)PID控制原理比較簡單、魯棒性好、可靠性高且容易實現(xiàn)，但是在燃料壓力系統(tǒng)中存在干擾以及滯后性等諸多因素，因此采用傳統(tǒng)PID控制達不到理想的控制效果。本文在保留傳統(tǒng)PID控制優(yōu)點的基礎上，運用模糊PID較強的參數(shù)自整定功能，對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，達到了很好的控制效果。

1 系統(tǒng)總體方案設計

燃氣輪機是以氣、液體作為燃料，將燃料燃燒時釋放出來的熱量轉變成有用功，能夠高速回轉的葉輪式動力機械。與目前其他動力裝置相比，微型燃氣輪機發(fā)電機組具有高效率、低噪聲、重量輕、體積小、低污染以及多臺集成擴容等優(yōu)點[1-3]。燃料壓力控制系統(tǒng)從屬于微型燃機輔助控制單元（AECU）。壓力控制器模塊負責微型燃氣輪機噴油嘴前燃料的恒壓控制，為燃機運行提供壓力恒定﹑流量可變的氣液燃料，是AECU的主要功能模塊。本文針對氣體燃料展開設計。

圖1為燃料壓力控制系統(tǒng)的結構框圖，燃料調節(jié)閥門根據(jù)透平轉速和外界負荷變化的要求不斷地改變其開度以調整供到燃燒室的天然氣流量。在設計時提出了燃料調節(jié)閥門前后的天然氣壓比總是滿足小于臨界壓比的前提條件，因此，流過燃料調節(jié)閥門的天然氣流量只是燃料調節(jié)閥門的開度以及調節(jié)閥門前天然氣壓力P的函數(shù)[4]。若能保證燃料調節(jié)閥門前（即燃料儲罐內(nèi)）天然氣壓力P恒定，只要通過控制燃料調節(jié)閥的開度就可以間接控制天然氣的流量。因此，維持壓力恒定（即調節(jié)閥前壓力P恒定）是保證燃氣輪機正常運行的前提條件。由圖1可以看出，氣體燃料從燃料進口進入，通過燃料壓縮機壓縮增加壓力，燃料儲罐外接一個壓力傳感器，壓力傳感器進行壓力采樣，將采樣值進行模數(shù)轉換之后送到AECU控制板。燃料壓力控制器按照程序設計的壓力控制算法，以壓力采樣值和壓力設定值為輸入量，計算出控制量，從而控制燃料壓縮機的轉速，達到控制壓力的目的。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由AECU、變頻器、壓縮機和傳感器幾個部分構成。其中，核心芯片AECU采用美國TI公司的TMS320LF2407A，其本身具有A/D轉換電路和CAN總線控制器模塊，并具有計算速度塊、功耗低和存儲空間大等優(yōu)點，為高性能的控制提供了高效性的信號處理與控制平臺。

圖1 燃料壓力控制系統(tǒng)的結構框圖

本系統(tǒng)采用燃料壓力模糊PID控制，雖然初期采用的PID控制算法具有簡單實用和易于編程等優(yōu)點，但是PID最佳整定參數(shù)確定后，并不能說明它永遠都是最佳的。當外界擾動發(fā)生根本性的改變時，就必須重新根據(jù)需要進行最佳參數(shù)的整定。由于微型燃氣輪機控制系統(tǒng)是一個多變量、強干擾及參數(shù)時變的系統(tǒng)[5]，同時，傳統(tǒng)PID參數(shù)在進行整定的過程中，其整定值具有一定區(qū)域的優(yōu)化值，而不是全局的最優(yōu)值，因此不能從實際上解決動態(tài)品質和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾[6]。針對傳統(tǒng)PID控制器在燃料壓力控制系統(tǒng)使用中存在的問題，提出了燃料壓力模糊PID控制。根據(jù)微型燃機的實際工況，將模糊控制引入到燃料壓力控制系統(tǒng)中，并結合調試與仿真，得到了一個穩(wěn)定的控制效果。

2 模糊自整定PID控制

模糊PID控制器結構是一類被廣泛應用的PID控制器，該控制器改變了傳統(tǒng)PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的控制策略，提出了可以根據(jù)跟蹤誤差信號等動態(tài)改變PID控制器參數(shù)的方法，改善了控制效果。

模糊邏輯整定PID控制器的表達式為：

其中，γp（k）、γi（k）和 γd（k）是校正速度量，隨著校正次數(shù)的增加，它們的值將減小。由式（1）可以看出，下一步控制器的參數(shù)可以由當前的控制器參數(shù)與模糊推理得出的控制其參數(shù)增量的加權和構成，表達式如下：

此時，式（2）中的控制量可以改寫為：

根據(jù)模糊控制原理對 Kp、Ki和 Kd3個參數(shù)進行在線修改，使被控對象具有良好的動靜態(tài)特性。圖2所示為模糊PID控制器控制框圖[7]。

圖2 模糊控制器結構

本文采用7段式模糊論域來描述模糊子集，一般記作：E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，其含義是“負大”、“負小”、“負中”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。 設 E、Ec和Kp、Ki、Kd均服從正態(tài)分布，可以得出各個模糊子集的隸屬度。將偏差 e（t）和偏差變化率 de（t）/dt以及輸出量量化到（－3，3）的區(qū)域內(nèi)，其隸屬函數(shù)曲線如圖 3所示。模糊控制核心是建立合適的模糊規(guī)則表，規(guī)則表是根據(jù)設計人員的設計經(jīng)驗來設計的，表1是ΔKp、ΔKi和ΔKd的整定規(guī)則表[6]。

圖3 隸屬函數(shù)曲線

3 仿真結果與分析

在其他單元不參加工作的時候，通過對現(xiàn)場采集的壓力數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識，得到了微型燃氣輪機燃料壓力控制系統(tǒng)的模型，其表達式為：

在MATLAB中建立模糊控制器，模糊控制器設計好之后，建立模糊規(guī)則表，利用MATLAB對普通PID控制和模糊PID控制進行仿真分析，按照實際的壓力給定值為0.4 Mpa，仿真結果如圖4所示。

從圖4可得，模糊PID控制器以數(shù)字PID控制器為基礎，引入模糊控制方法，實現(xiàn)了對PID控制中3個參數(shù)的在線調整，根據(jù)系統(tǒng)偏差 e（t）和偏差的變化率de（t）/dt來改變 Kp、Ki和 Kd以提高系統(tǒng)的控制精度和反應速度。模糊PID控制相對于數(shù)字PID控制有以下的優(yōu)點：

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的整定規(guī)則表

（1）Kp、Ki和 Kd3 個參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)偏差 e（t）和偏差的變化率de（t）/dt動態(tài)變化，更符合系統(tǒng)工作中實時變化的規(guī)律和特性；

（2）模糊PID控制精度高，反應時間短?？梢姡瑓?shù)自整定模糊PID控制是一種優(yōu)良的控制方法，在性能上比數(shù)字PID有很大提高。但在控制實現(xiàn)的過程中也要綜合考慮其他因素的影響，以最大可能地提高控制的性能，即降低控制系統(tǒng)中的反應時間和減小超調量。

（3）運用于微型燃氣輪機燃料壓力控制系統(tǒng)壓力自動調節(jié)的參數(shù)自整定模糊PID控制，是在常規(guī)PID控制算法的基礎上通過計算當前系統(tǒng)誤差 e（t）和誤差變化率 de（t）/dt，利用模糊推理對 PID 3個參數(shù) Kp、Ki和Kd進行在線調整，該方法實現(xiàn)簡單、方便易用，對實際控制有重要的指導意義。用模糊推理的方法在線動態(tài)調整PID參數(shù)，能夠發(fā)揮PID和模糊控制兩者的優(yōu)點，對被控系統(tǒng)的適應性強，魯棒性好，特別是在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時同樣可以獲得令人滿意的控制效果，能很好地適應實際生產(chǎn)過程中的控制要求。

[1]Capstone Turbine Corporation.Capstone low emissions micro turbine technology[R].2000.

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[6]薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設計——MATLAB語言與應用（第 2版）[M].北京：清華大學出版社，2006.