淺談增量式模糊PID控制在熱網(wǎng)控制中的應(yīng)用

【摘 要】本文介紹了供熱管網(wǎng)中的傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)、增量式模糊PID控制，并進(jìn)行了比較，論述了在熱網(wǎng)中增量式模糊PID控制的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】熱網(wǎng)控制；PID調(diào)節(jié)；模糊控制

1、概述

城市熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)與控制是城市市政工程的重要組成部分，供熱系統(tǒng)的控制特點(diǎn)是：大慣性、多變量、差異性。尤其采用間接換熱的系統(tǒng)，其控制慣性更大，在依據(jù)室外溫度和分時(shí)段運(yùn)行，調(diào)節(jié)回水溫度或換熱量時(shí)，如果控制不當(dāng)，調(diào)節(jié)過慢使響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，達(dá)不到系統(tǒng)要求，過快又易引起超調(diào)，甚至震蕩。如果將模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制技術(shù)相結(jié)合，按照響應(yīng)過程中各個(gè)時(shí)間段的不同要求，通過模糊控制在線地調(diào)整PID的各個(gè)控制參數(shù)，對(duì)改善控制系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)性能，以適應(yīng)供熱工作任務(wù)的要求，是有重要應(yīng)用意義的。

2、傳統(tǒng)PID算法在應(yīng)用中存在的問題

PID調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)取決于PID控制器各個(gè)參數(shù)的整定。但是常規(guī)PID控制器并不能在線整定參數(shù)，因此對(duì)于非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)和不確定的系統(tǒng)，由于其PID參數(shù)整定非常困難，甚至根本無法整定，因而難于達(dá)到預(yù)期的控制效果。

PID控制算法

PID控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，其控制規(guī)律為[1]：

式中：e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與反饋量(輸出量)的偏差;

u(t) ：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù);

KP：比例系數(shù);TI：積分時(shí)間常數(shù);TD：微分時(shí)間常數(shù);

u0：控制常量，即t＝0時(shí)的輸出值，對(duì)絕大多數(shù)系統(tǒng)u0＝0。

式(1)表示的調(diào)節(jié)器輸入和輸出函數(shù)均為模擬量。為了用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，把連續(xù)形式的微分方程轉(zhuǎn)化為離散形式的差分方程。離散PID控制規(guī)律為：

（2）

式中：T：采樣周期;k：采樣序號(hào);u(k) ：采樣時(shí)刻k時(shí)的輸出值;

e(k) ：采樣時(shí)刻k時(shí)的偏差值;

e(k－1) ：采樣時(shí)刻k－1時(shí)的偏差值。

式(2)中的輸出量為全量輸出，它對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。

3、傳統(tǒng)PID校正控制的局限性

傳統(tǒng)PID參數(shù)的調(diào)整比較困難，存在缺陷，它是根據(jù)對(duì)象特性離線進(jìn)行的，而且是階段性的和非自動(dòng)的，一次性整定得到的PID參數(shù)很難保證其控制效果在以后的運(yùn)行中始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PID參數(shù)無法確定，因此常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。

4、參數(shù)自整定模糊PID控制

模糊控制與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比較，模糊控制主要具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：

*模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，只要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)以及操作數(shù)據(jù)加以總結(jié)和歸納，就可以構(gòu)成控制算法，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型;

*適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)非線性和時(shí)變等不確定性系統(tǒng)，模糊控制有較好的控制效果，對(duì)于非線性、噪聲和純滯后等有較強(qiáng)的抑制能力，而傳統(tǒng)PID控制則無能為力;

*魯棒性較強(qiáng)，對(duì)參數(shù)變化不靈敏，模糊控制采用的是一種連續(xù)多值邏輯，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，尤其是適合于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制;

*系統(tǒng)規(guī)則和參數(shù)整定方便，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)過程進(jìn)行定性的分析，就能建立語言變量的控制規(guī)則和擬定系統(tǒng)的控制參數(shù)，而且參數(shù)的適用范圍較廣;

*結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟硬件實(shí)現(xiàn)都比較方便，硬件結(jié)構(gòu)無特殊要求，軟件控制算法簡(jiǎn)捷，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的查表運(yùn)算，其它的過程可離線進(jìn)行。

5、參數(shù)自整定模糊PID控制原理

參數(shù)自整定模糊PID控制在模糊推理的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同時(shí)刻的|e|和|ec|，利用模糊控制規(guī)則，對(duì)PID參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行在線自整定，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

6、參數(shù)自整定原則

在PID控制中，考慮KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)：KP的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，但KP過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；KI的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；KD的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對(duì)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，可得出不同的階躍響應(yīng)誤差e和階躍響應(yīng)誤差變化率ec時(shí)(用|e|和|ec|表示)的參數(shù)自整定原則。如圖3所示：

值得注意的是：簡(jiǎn)單模糊控制因無積分環(huán)節(jié)，在控制系統(tǒng)中很難完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，在變量分級(jí)不是足夠多的情況下，在平衡點(diǎn)附近常常會(huì)有小的振蕩現(xiàn)象。如果把PID控制和模糊控制兩種方法結(jié)合起來，對(duì)復(fù)雜不確定性系統(tǒng)就能實(shí)施既簡(jiǎn)單而又有效的控制，構(gòu)成兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制。

參考文獻(xiàn)

[1]王樹青.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2001

[2]婁承芝，曹國慶，安大偉，金志剛.模糊與PID綜合控制在熱網(wǎng)的應(yīng)用.煤氣與熱力，2003