模糊PID滑模控制器在鼓風(fēng)機(jī)防喘振中的應(yīng)用

王延年，葛家英

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710000）

模糊PID滑模控制器在鼓風(fēng)機(jī)防喘振中的應(yīng)用

王延年，葛家英

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710000）

鼓風(fēng)機(jī)具有效率高、流量大、工況范圍寬、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于大、中型高爐，而壓縮機(jī)機(jī)組能否充分發(fā)揮應(yīng)有效率，控制程序完善與否是決定性因素。喘振是壓縮機(jī)運(yùn)行中的一種特殊現(xiàn)象，是壓縮機(jī)的固有機(jī)械特性。經(jīng)大量的事實(shí)研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)事故大部分是由喘振引起的。因此，研究防喘振是保證壓縮機(jī)工作在正常安全工作狀態(tài)的重中之重。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)PID很難滿足防喘振的需求，因此提出了一種改進(jìn)的模糊PID算法，即滑模模糊PID算法。硬件方面以DSP作為控制平臺(tái)，采用TI公司的TMS320F2812作為控制核心的防喘振控制器。通過調(diào)節(jié)防喘閥和放風(fēng)閥使軸流壓縮機(jī)工作在安全狀態(tài)，杜絕喘振現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)比對(duì)，證明了模糊PID滑?？刂频目刂菩Ч麅?yōu)于常規(guī)PID。

喘振；比例積分微分控制；模糊控制；控制器；數(shù)字信號(hào)處理器；TMS320F2812芯片；算法

1 引 言

鼓風(fēng)機(jī)具有效率高、送風(fēng)特性好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在我國的煉鋼、煉鐵行業(yè)應(yīng)用巨大。喘振是壓縮機(jī)固有的機(jī)械特性，其危害巨大。一旦壓縮機(jī)發(fā)生喘振，造成的損失是無法估量的，所以在工業(yè)運(yùn)行中，喘振是絕不能發(fā)生的，因此，防喘振研究是預(yù)防喘振發(fā)生的關(guān)鍵所在。

目前，工業(yè)上通常采取常規(guī)PID算法進(jìn)行防喘振控制。經(jīng)過研究，提出一種改進(jìn)的PID算法——模糊PID滑模控制算法，改進(jìn)算法不僅繼承了PID算法的優(yōu)點(diǎn)，而且融合了模糊控制與滑?？刂频膬?yōu)點(diǎn)，使其兼容三種控制算法的優(yōu)點(diǎn)于一身，在防喘振控制應(yīng)用中發(fā)揮更好的作用。

滑模控制是一種特殊的變結(jié)構(gòu)控制，本質(zhì)上屬于非線性控制，它具有響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)、且無需在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)［1］。

2 喘振的危害

在喘振過程中，氣體在壓縮機(jī)及管網(wǎng)之間產(chǎn)生周期性氣流脈動(dòng)，使機(jī)體和軸承振動(dòng)幅度加大，給機(jī)組帶來很大危害，主要體現(xiàn)在：

（1）機(jī)體嚴(yán)重振動(dòng)可能引起靜、動(dòng)部件摩擦而損壞；

（2）氣流脈動(dòng)甚至共振，可能引起機(jī)組葉片斷裂；

（3）氣體倒流，可能引起機(jī)體內(nèi)溫度急劇上升，從而導(dǎo)致葉片與內(nèi)缸損壞。

喘振發(fā)生的原因，一方面是由于壓縮機(jī)工作在惡劣的工況條件下，另一方面是缺乏有效的防喘振控制系統(tǒng)。因此防喘振控制是保證壓縮機(jī)正常運(yùn)行和延長壓縮機(jī)壽命的關(guān)鍵。

2.1 喘振產(chǎn)生的原理

在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)排氣側(cè)的壓力大而進(jìn)氣側(cè)壓力小且流量小的時(shí)候，排氣側(cè)被強(qiáng)力壓縮的氣體通過壓縮機(jī)內(nèi)部回流到進(jìn)氣側(cè)，此時(shí)，壓縮機(jī)排氣側(cè)的壓力較低，而進(jìn)氣側(cè)的氣體又會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)的作用被壓縮到排氣側(cè)使排氣側(cè)的壓力增大，大于進(jìn)氣側(cè)壓力，如此循環(huán)往復(fù)，形成喘振。

2.2 防喘振控制系統(tǒng)采用的通常做法

在壓縮機(jī)出口設(shè)置旁路防喘閥，通過設(shè)定防喘振線對(duì)工況點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，通過控制電流調(diào)節(jié)防喘閥的開度對(duì)喘振進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)工況點(diǎn)越過防喘振線時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令使防喘閥打開，排出部分氣體，減小壓力。當(dāng)喘振不可抑制時(shí)，打開防喘閥和放風(fēng)閥，排出氣體和壓力。必要時(shí)，還要緊急停機(jī)。

2.3 采用的控制策略

常規(guī)PID控制原理簡單、魯棒性較強(qiáng)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良。但是常規(guī)PID是基于精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制，不具有參數(shù)在線整定功能，而現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)大部分無法做出精確的數(shù)學(xué)模型，所以用常規(guī)PID進(jìn)行控制難以獲得良好的控制效果。

模糊控制，是采用由模糊數(shù)學(xué)語言描述的控制律（控制規(guī)則）來操縱系統(tǒng)工作的控制方式，不需要控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜情況，依據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)制定的控制規(guī)則即可構(gòu)成。模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表。

以往采用模糊PID控制算法的通常方法是不計(jì)誤差e和誤差變化率ec的大小，二者均經(jīng)過模糊控制使其模糊化，然后得到模糊隸屬函數(shù)再經(jīng)PID輸出進(jìn)行控制，這在無形中增加了對(duì)喘振的響應(yīng)時(shí)間，而且有可能造成調(diào)節(jié)過度。然而喘振發(fā)生的速度非?？?，壓縮機(jī)常常在喘振發(fā)生后的幾秒鐘內(nèi)就已造成不可恢復(fù)的破壞，所以加快防喘振控制的響應(yīng)速度是十分必要的。如果防喘振調(diào)節(jié)一旦出現(xiàn)調(diào)節(jié)過度，在壓縮機(jī)恢復(fù)到最大工作效率期間，在系統(tǒng)生產(chǎn)中造成的能源損失甚至產(chǎn)出一些不合格的產(chǎn)品，這在化工行業(yè)中經(jīng)常見到，尤其是一些需要通過控制燃燒率而得到可燃性氣體的工廠，有時(shí)甚至可能造成爆炸，對(duì)工廠造成的損失都是十分巨大的，因此，選擇合適的控制方案是必不可少的。

綜合PID控制和模糊控制簡單易用的特點(diǎn)，再結(jié)合滑?？刂祈憫?yīng)快速的特點(diǎn)，可以有效加快對(duì)喘振的控制作用。

3 模糊PID滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

模糊PID滑模控制器的工作流程：根據(jù)輸入的偏差e和偏差變化率ec，判斷偏差e和偏差變化率ec的所屬范圍，根據(jù)事先設(shè)定的滑模控制切換函數(shù)來判斷當(dāng)前情況采用哪種控制算法更合適，從而加快防喘振調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度和有效抑制調(diào)節(jié)過度。由此可以得到滑?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 模糊PID滑?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)

3.1 模糊PID滑?？刂?/p>

3.1.1 PID控制

PID控制是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的控制。它的數(shù)學(xué)模型可以用式（1）表示：

其中：u（t）—控制器輸出；

e（t）—控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)；

KP—控制器的比例系數(shù)；

KI—控制器的積分系數(shù)；

KD—控制器的微分系數(shù)。

比例系數(shù)KP的作用：加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。當(dāng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少誤差。KP的值越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但KP的值如果取得過大將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此KP的值不能取得過大；但是如果KP取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度減慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性變差［2］。

積分系數(shù)KI的作用：消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。KI越大積分速度越快，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但是KI的值如果過大，則系統(tǒng)在響應(yīng)過程初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差；但是KI過小則又會(huì)使積分作用變?nèi)酰瓜到y(tǒng)的靜差難以消除，過渡時(shí)間加長，不能盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和動(dòng)態(tài)特性。

微分系數(shù)KD的作用：改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率并預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，能產(chǎn)生超前的控制作用，使系統(tǒng)的超調(diào)降低，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。但KD的值不能取得過大，否則會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)和延長系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且還會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾性變差［3］。

根據(jù)上述PID各個(gè)參數(shù)的作用，可總結(jié)得到以下KP，KI，KD的整定規(guī)則：

（1）當(dāng)偏差e較小時(shí)，控制器的比例和積分作用較小，其被控量的動(dòng)態(tài)偏差亦大，在控制器中加大其微分作用可有效抑制其動(dòng)態(tài)偏差，即增大KD；亦可適當(dāng)減小KI和KP。

（2）當(dāng)偏差e較大，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并避免微分過飽和，應(yīng)選取較大的KP和較小的KD。同時(shí)為防止積分飽和，避免系統(tǒng)的響應(yīng)出現(xiàn)較大超調(diào)，此時(shí)應(yīng)取KI＝0。

（3）當(dāng)偏差e和偏差變化率ec均為中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少，KI應(yīng)取較小的值，同時(shí)，KP和KD值均不能取大，要大小適中，以確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（4）當(dāng)偏差e達(dá)到最大時(shí)，可適當(dāng)增大KP和KI，使超調(diào)量回調(diào)。

（5）當(dāng)偏差e逐步減小，即e和ec變化方向不一致，可適當(dāng)減小KP和KI保證系統(tǒng)沒有過大的超調(diào)量。

3.1.2 模糊控制

利用模糊控制原理和常規(guī)PID控制結(jié)合在一起，通過知識(shí)庫輸出調(diào)整PID的參數(shù)值，以達(dá)到最佳的控制效果［4］。

模糊控制建立的基礎(chǔ)是模糊邏輯，它比傳統(tǒng)的邏輯系統(tǒng)更接近人類的思維和語言表達(dá)方式，而且提供了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界不精確或近似知識(shí)的獲取方法。模糊控制的實(shí)質(zhì)是將基于專家知識(shí)的控制策略轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制策略。它所依據(jù)的原理是模糊隱含概念和復(fù)合推理規(guī)則。經(jīng)驗(yàn)證明，在一些復(fù)雜系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)存在定性的、不精確和不確定信息的情況下，模糊控制的效果優(yōu)于常規(guī)控制［5］。

模糊PID滑?？刂破魇且哉`差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。其模糊子集e，ec＝｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，模糊子集中的元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。

模糊控制規(guī)則采用的控制語句如下表示：

If A and B，then C.

根據(jù)工程技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)及PID參數(shù)的整定規(guī)則，得到針對(duì)KP，KI，KD的模糊控制規(guī)則表。

由此可得出表1所示的KP，KI，KD的模糊規(guī)則表［6］。

表1 KP/KI/KD的模糊規(guī)則表

3.1.3 模糊PID滑?？刂破鞯那袚Q函數(shù)設(shè)計(jì)

由圖1，并結(jié)合PID控制和模糊控制的特點(diǎn)，對(duì)滑?？刂频那袚Q函數(shù)設(shè)計(jì)如式（2）所示：

式中，uPID表示的是PID控制，uFU表示的是模糊控制。

由此可得到切換函數(shù)α如式（3）所示：

式中，ea，eb為提前設(shè)定好的誤差e的切換控制上下限。

由式（2）（3）可以得到如下規(guī)則：

①當(dāng)0＜e＜ea時(shí)，控制器進(jìn)行PID控制，相當(dāng)于一個(gè)常規(guī)的PID控制器；

②當(dāng)ea＜e＜eb時(shí)，控制器進(jìn)行模糊PID復(fù)合控制，相當(dāng)于一個(gè)模糊PID控制器；

③當(dāng)e＞eb時(shí)，控制器進(jìn)行模糊控制，相當(dāng)于一個(gè)模糊控制器。

根據(jù)誤差的不同，選擇合適的控制規(guī)律，并使控制效果達(dá)到最優(yōu)，可以有效減少上述情況的發(fā)生。

3.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的一種高性能32位定點(diǎn)DSP芯片，其內(nèi)部集成有ADC，且運(yùn)算速度快。國內(nèi)目前大多數(shù)防喘振控制系統(tǒng)都是基于PLC的平臺(tái)系統(tǒng)。DSP相對(duì)于PLC，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

控制器的設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為控制器核心，以壓力和流量作為控制變量，以4－20mA電流作為控制信號(hào)。4－20mA電流作為控制信號(hào)，具有強(qiáng)大的抗干擾能力［6］。壓力變送器和流量變送器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，得到的電流信號(hào)經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0－3V的電壓信號(hào)，送給DSP，經(jīng)過DSP分析后產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再通過XTR110將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4－20mA的電流信號(hào)去控制防喘振閥的開度［7］。XTR110是美國Burr－Brown公司推出的精密電壓/電流變換器，是專為模擬信號(hào)傳輸所設(shè)計(jì)的，可用于將0－10V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成4－20mA或其他常用范圍的輸出電流。防喘閥采用“氣關(guān)型”的，其原理是：當(dāng)控制信號(hào)最大（20mA）時(shí)防喘閥全關(guān)，當(dāng)控制信號(hào)最?。?mA）時(shí)防喘閥全開。

3.3 軟件控制流程

控制器工作原理：

通過壓力變送器和流量變送器采集到的信號(hào)經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換發(fā)送給CPU，CPU經(jīng)過分析后產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)判斷是否進(jìn)行防喘振控制，如需進(jìn)行防喘振控制，則根據(jù)當(dāng)前偏差和偏差的變化率選擇最優(yōu)的控制方案，否則CPU等待下一時(shí)刻采集信號(hào)的到來，再次進(jìn)行判斷［8］。如圖3所示為模糊PID滑?？刂破鞯墓ぷ髁鞒虉D。

3.4 控制效果對(duì)比

瑞士蘇爾壽風(fēng)機(jī)在我國現(xiàn)行的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中處于性能和技術(shù)絕對(duì)領(lǐng)先地位，它具有結(jié)構(gòu)精密、效率高、送風(fēng)特性好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［9］。以瑞士蘇爾壽AV63－12型軸流高爐鼓風(fēng)機(jī)為例，數(shù)據(jù)源自某鋼廠2＃風(fēng)機(jī)控制器采集的數(shù)據(jù)。表2為不同靜葉角度下工況點(diǎn)越過防喘振線時(shí)PID與SFPID所測(cè)得的最大排氣壓力（MPa）與防喘振線排氣壓力的比較。表3為在不同靜葉角度下發(fā)生喘振時(shí)超調(diào)量（%）的對(duì)比。表4為在不同靜葉角度下發(fā)生喘振時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間（s）的對(duì)比。表2，表3，表4中所示的SFPID表示的是滑模模糊PID控制方法。

圖3 模糊PID滑?？刂破鞴ぷ髁鞒虉D

表2 在不同靜葉角度下最大排氣壓力（MPa）與防喘振線的排氣壓力比較

表3 在不同靜葉角度下發(fā)生喘振時(shí)超調(diào)量（%）的對(duì)比

表4 在不同靜葉角度下發(fā)生喘振時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間（s）的對(duì)比

通過表2，表3，表4的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，無論是在控制超調(diào)量還是在調(diào)節(jié)時(shí)間上，滑模模糊PID控制的控制效果均優(yōu)于常規(guī)PID，因此滑模模糊PID在控制效果上較常規(guī)PID更優(yōu)。

4 結(jié)束語

滑模模糊PID控制兼具PID控制及模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了滑?？刂祈憫?yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)控制方法不能選擇最佳控制方案及響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。滑模模糊PID具有良好的動(dòng)態(tài)特性，且響應(yīng)速度快，具有良好的魯棒性，很適合具有非線性，時(shí)變，強(qiáng)干擾的系統(tǒng)。

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Application of Fuzzy PID Sliding Mode Controller in the Surge of Blower

Wang Yannian，Ge Jiaying
（Electronical Information College，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710000，China）

Blowers，applied to large and medium blast furnace，has advantages of high efficiency，high flow，wide working scale，safety and reliability and so on.The compressors＇efficiency relies on the control procedure.The surge，as an inherantmechanical property and specific state of compressors＇working condition，is the reason ofmost of the compressors＇accidents.Therefore，studying surge－resistant control is important to ensure the working condition of compressors.According to the study，normal PID is hard to satisfy the demand of antisurge，so a controller，based on fuzzy PID sliding mode control algorithm in software and DSP control platform in hardware，is put forward in this paper.The DSP chip uses TMS320F2812 of TI.Itmakes the compressorwork at the safeworking condition via adjusting antisurge valve and snorting valve to resist the surge of compressors.Bymeans of application at the industrial field，the control effect of fuzzy PID slidingmode control algorithm is better than PID.

Surge；PID control；Fuzzy control；Controller；Digital signal processor；TMS30F2812 chip；Algorithm

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.021

TP273

A

1002－2279（2015）06－0077－05

王延年（1963－），男，吉林省長春市人，教授，主研方向：工業(yè)控制信息系統(tǒng)。

葛家英（1989－），男，河南省洛陽市人，碩士研究生，主研方向：工業(yè)控制信息系統(tǒng)。

2015－03－27