模糊PID在熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張馨

【摘要】模糊PID控制方法在熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)有有著十分明顯的優(yōu)勢。本文首先概述了模糊PID控制，然后分析了鍋爐溫度控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計，最后在探討了模糊PID控制規(guī)則的基礎(chǔ)上，對參數(shù)自整定的模糊PID控制器的設(shè)計和仿真研究做了研究。

【關(guān)鍵詞】模糊PID；熱水鍋爐；溫度；控制系統(tǒng)；應(yīng)用

一、前言

模糊PID控制的優(yōu)點十分明顯，它不僅具有極佳的穩(wěn)固性，而且在實際使用過程中的牢固性也十分出色。正是得益于它的這些特點，才更應(yīng)該在遵循其控制原則的基礎(chǔ)上，被應(yīng)用在熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)中。

二、模糊PID控制概述

在熱水鍋的溫度控制中，被控對象具有非線性、時變性、滯后性等特點，而且溫度控制受到被控對象、環(huán)境和燃料等很多因素的影響，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，難以選擇控制器的參數(shù)。因此傳統(tǒng)的PID控制器難以獲得良好的控制效果。而模糊PID控制是基于智能控制理論，并與常規(guī)PID控制有機(jī)結(jié)合，能夠很好地控制鍋爐的出水溫度。模糊PID的優(yōu)點是它不要求掌握受控對象的數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后采用模糊推理的方法實現(xiàn)PID參數(shù)kp、ki和kd的在線自整定，不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點，而且具有模糊控制的靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。

模糊PID控制算法充分利用了模糊控制和PID控制的優(yōu)點，避開了建立對鍋爐建立精確的數(shù)學(xué)模型這一難題?？梢栽诰€自調(diào)整PID的參數(shù)。從仿真結(jié)果看，模糊PID控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。本系統(tǒng)在沈陽丹東穩(wěn)壓給水設(shè)備廠燃煤熱水鍋爐上運行后，在保證各項控制指標(biāo)的基礎(chǔ)上，不但提高了鍋爐的熱效率，而且大大減少了煤炭和電能的使用量，降低了煙氣中污染物的含量，達(dá)到了節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運行的目的。

三、鍋爐溫度控制系統(tǒng)控制器設(shè)計

1.鍋爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

鍋爐溫度控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是精確控制鍋爐的溫度流量，確保爐內(nèi)污水按設(shè)定值排出。從電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)到流量計階段可分為分為兩個過程，首先是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)解流量過程。輸入為電流信號，輸出為排污流量，此過程在動態(tài)特性上是一個二階慣性加滯后環(huán)節(jié)，調(diào)解過程具有純滯后時間T。其次是污水流經(jīng)中間溫度管過程，輸入為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)出口處流量，輸出為流量計入口處流量。

2.模糊自整定PID控制器的實現(xiàn)

模糊自整定PID控制器由模糊控制器和PID控制器兩部分組成。其思想是在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，采用模糊邏輯推理建立PID控制參數(shù)與流量偏差和流量偏差的變化率之間函數(shù)關(guān)系，根據(jù)不同的流量偏差和流量偏差變化率對PID控制器控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，提升控制系統(tǒng)的控制性能。結(jié)合鍋爐溫度控制系統(tǒng)實際情況、專家經(jīng)驗和模糊自整定控制算法，制定鍋爐溫度模糊自整定控制系統(tǒng)。

四、模糊PID控制規(guī)則

參數(shù)調(diào)整的模糊規(guī)則由專家及操作人員長期實踐經(jīng)驗得出，總的來說：當(dāng)偏差較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大Kp，同時為了防止因為開始時偏差的瞬間變大可能引起的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小的Kd。另外，為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)產(chǎn)生積分飽和，對積分環(huán)節(jié)要限制，一般取Ki=0，去掉積分作用。當(dāng)偏差較小時，為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大Kp、Ki值，同時為避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩，以及考慮系統(tǒng)的抗干擾能力應(yīng)適當(dāng)選取Kd，這里Kd取值比較重要。

1.實際控制過程中的經(jīng)驗證明，調(diào)節(jié)初期適當(dāng)?shù)匕裀ID調(diào)節(jié)器的Kp放大到較大的檔次以提高響應(yīng)速度；在調(diào)節(jié)中期，把Kp適當(dāng)減小一些，從而兼顧穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度；在調(diào)節(jié)過程的后期，把Kp調(diào)整到較大的檔次以減小靜差，提高控制的精度。由此可構(gòu)造參數(shù)ΔKP。

2.在控制過程中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律主要作用于消除控制靜差。但容易在調(diào)節(jié)過程初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過程的初期，Ki取值當(dāng)小一些；在調(diào)節(jié)過程的中期為避免影響穩(wěn)定性，Ki取值應(yīng)調(diào)整得適中，而在調(diào)節(jié)過程的后期，應(yīng)加大Ki，以減小調(diào)節(jié)靜差，從而提高調(diào)節(jié)精度。因此構(gòu)造出參數(shù)ΔKi，調(diào)整規(guī)則。

3.根據(jù)實際控制過程操作經(jīng)驗，在調(diào)節(jié)過程初期，加大Kd，可以減小甚至避免超調(diào)；在調(diào)節(jié)過程中期，由于調(diào)節(jié)特性對Kd的變化比較敏感，因此，Kd取值應(yīng)適當(dāng)小一些并保持固定不變；在調(diào)節(jié)后期，應(yīng)減小Kd，從而減小被控過程的制動作用，以補(bǔ)償在調(diào)節(jié)過程初期由于Kd較大所造成的調(diào)節(jié)過程時間延長。構(gòu)造出參數(shù)ΔKd調(diào)整規(guī)則。

五、參數(shù)自整定的模糊PID控制器的設(shè)計

1.參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

延遲、參數(shù)、干擾等因素的測量分析是通過智能控制器實現(xiàn)的，智能控制器即參數(shù)自整定模糊PID控制器，PID三個參數(shù)Kp、Ki和Kd的整定是通過模糊推理方法在線整定的。該系統(tǒng)是由常規(guī)PID控制器和具有模糊推理的參數(shù)校正部分組成。模糊系統(tǒng)的輸入分別是偏差的變化率EC與偏差E，模糊系統(tǒng)的輸出是三個PID參數(shù)的變化值，PID參數(shù)的自整定通過參數(shù)校正和在線不斷變化PID參數(shù)值來實現(xiàn)的。

2.加熱爐控制系統(tǒng)參數(shù)自整定模糊PID控制

實現(xiàn)PID參數(shù)自整定首先確立模糊關(guān)系，即偏差e、三個參數(shù)、偏差變化率ec之間，程序運行中不斷的測量e和ec，3個參數(shù)的在線整定是通過模糊控制原理實現(xiàn)的，從而來滿足智能控制器參數(shù)的要求。實現(xiàn)PID參數(shù)的自整定一定考慮到不同的時間三個參數(shù)的相互作用與關(guān)系。通過總結(jié)專業(yè)人員的技術(shù)知識來實現(xiàn)模糊控制的設(shè)計，從而才能形成模糊規(guī)則表。

3.模糊控制規(guī)則的確定

對于本文設(shè)計的模糊控制器，采用經(jīng)驗歸納法設(shè)計模糊控制規(guī)則，再結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗作局部調(diào)整。例如，當(dāng)溫度的偏差E為負(fù)大，溫度的偏差的變化率EC也為負(fù)大的時候，此時，應(yīng)該盡快消除偏差，使控制量快速增加，所以控制量應(yīng)取正大。

4.模糊決策

模糊邏輯推理是建立在模糊邏輯基礎(chǔ)上的，用于給定的規(guī)則輸入信息中產(chǎn)生規(guī)則輸出。通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合，模糊判決就是將在推理中得到的模糊集合轉(zhuǎn)變成能代表這個集合的單值的數(shù)學(xué)過程。在實際使用中，特別是在模糊邏輯控制中，被控過程只能接受一個精確的控制量。

六、模糊PID控制器的仿真研究

1.模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計

模糊-PID復(fù)合控制是模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合的控制方法，當(dāng)溫度偏差較大時采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)溫度偏差較小時采用PID控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)控制精度，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。由于鍋爐再熱蒸汽溫度本身具有較大的時變性、非線性和時滯性，采用PID控制會產(chǎn)生較大的超調(diào)，控制效果非常不理想，而模糊-PID復(fù)合控制對于時滯較大的被控對象表現(xiàn)出較好的控制效果。

2.模糊-PID復(fù)合控制器仿真

為了模擬鍋爐再熱器溫的實際情況，控制規(guī)則采用上節(jié)的控制規(guī)則，應(yīng)用模糊邏輯工具箱設(shè)計模糊控制器，控制算法的切換使用閥值開關(guān)來實現(xiàn)，閥值設(shè)定為系統(tǒng)進(jìn)行算法切換的偏差值，當(dāng)偏差大于等于閥值時，開關(guān)的輸出與模糊控制器相連，當(dāng)偏差小于閥值時，開關(guān)的輸出與PID控制器相連，這樣就實現(xiàn)了控制算法的自動切換。

七、結(jié)束語

通過對模糊PID控制的探討，我們可以發(fā)現(xiàn)在這種方法的控制下，熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)的性能能夠得到很大程度上的提示，這對于生產(chǎn)的正常進(jìn)行有著至關(guān)重要的作用。與此相關(guān)的人員應(yīng)該深入研究，科學(xué)把握，以最大程度地保持溫度控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

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