模糊PID控制器在石灰窯溫度控制系統(tǒng)中的應用

王麗華

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

模糊PID控制器在石灰窯溫度控制系統(tǒng)中的應用

王麗華

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

石灰窯的溫度控制受外界許多多變參數的影響，傳統(tǒng)PID不能滿足控制要求。采用模糊PID算法，將窯尾溫度的偏差及其變化作為輸入變量，重油流量調節(jié)閥的流量變化作為輸出變量，經系統(tǒng)仿真得出，模糊PID控制能達到良好的控制效果，可縮短過程控制的調整時間，窯尾溫度有較好的魯棒性。

石灰窯； 模糊PID； 溫度控制

0 前言

PID控制器因穩(wěn)定性高、結構簡單、操作簡便在工業(yè)控制領域得到廣泛應用。但常規(guī)PID控制器是建立在被控對象精確模型的基礎上，而回轉窯的生產過程存在眾多干擾因素，如：重油流量、物料重量、石灰石的分解率及外界溫度。不僅如此，其復雜的物理化學反應過程還具有超調量大、滯后時間長等問題。當生產中任一因素發(fā)生變化時，常規(guī)PID控制必須重新整定，顯然不能滿足實時高效的生產需求。本文根據回轉窯工藝特點和控制要求，提出了基于模糊PID的窯溫控制方法，以解決回轉窯的控溫精度問題。

1 模糊PID控制原理

模糊PID的結構形式就是用條件和結果形式即IF和THEN的模糊規(guī)則去替代相關的操作經驗和技術，而這樣形成的規(guī)則以及如PID初始值這類參數就被存入數據庫中。再利用這些數據將原有PID的相關參數在線修改為滿足模糊控制規(guī)則的形式，按這種方式構成的控制器稱為模糊PID控制器。這種控制器能夠以輸入誤差(e)以及誤差變化(ec)，實現(xiàn)每一時刻e和ec的控制器參數自整定。其結構如圖1所示。

圖1 模糊PID控制器結構

具體說，PID參數模糊自整定是找出PID 3個參數(kp、ki、kd)與e和ec之間的模糊關系，在運行中不斷改變e和ec，來對3個參數進行在線調整，以滿足不同e和ec的要求，而使被控對象始終處于穩(wěn)定可靠與實際接近狀態(tài)。

2 論域、量化因子、比例因子的選擇

本文采用二維模糊控制器結構形式，選取回轉窯的溫度偏差e和偏差變化率ec為輸入量，設模糊語言變量分別為e，ec。輸出量PID參數的修正量為kp，ki，kd。通過以往經驗確定其論域：

e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}；
kp={-1.2，1.2}；
ki={-0.6，0.6}；
kd={-3，3}；

劃分等級與e，ec相同。

其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

子集中各元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大(下文同)。

設e，ec和kp，ki，kd均服從高斯正態(tài)分布，得出各模糊子集的隸屬度，根據e，ec，kp，ki，kd的量化論域，分別選擇高斯隸屬度函數的中心點和函數曲線的寬度。

3 建立模糊規(guī)則表

(1)比例系數kp在控制過程中采用如下方法：初期，將kp調整到較大來提高相應速度；中期，考慮到穩(wěn)定性與調節(jié)精度，再適當放大kp；后期，為提高控制精度減小靜差，將kp調整到較大檔。比例系數kp的模糊規(guī)則見表1。

表1 kp的模糊規(guī)則表

(2)積分系數ki在控制過程中采用如下方法：初期，ki應弱一些;中期，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，ki應調整適中；后期，減小調節(jié)靜差，增強ki。積分系數ki的模糊規(guī)則見表2。

表2 ki的模糊規(guī)則表

(3)微分系數kd在控制過程中采用如下方法：初期，加大kd避免超調；中期， 調節(jié)特性對kd的變化比較靈敏，kd應適當小并保持不變；后期，kd減小，以便縮短調節(jié)時間。微分系數kd的模糊規(guī)則見表3。

表3 kd的模糊規(guī)則表

該規(guī)則庫有3個子規(guī)則庫組成，每個子規(guī)則庫有雙輸入單輸出組成，且每個子規(guī)則庫互相獨立，共有49條模糊規(guī)則，對kp、ki、kd進行在線自調整[1]。

4 模糊PID控制器在石灰窯溫度控制系統(tǒng)中的應用研究

4.1 石灰窯溫度控制系統(tǒng)設計

在活性石灰生產過程中，窯溫必須保證維持在一定范圍內波動，否則會出現(xiàn)生燒或過燒情況。在實際生產中，輸入的重油流量、物料成分及重量、石灰石的分解率和外部溫度等因素都對窯尾溫度有影響，其中又以重油流量為主要影響因素。在工程中，通過調節(jié)安裝在重油管道上的流量調節(jié)閥的閥門開度來進行流量控制。由此得出石灰窯煅燒的溫度控制設計如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)結構圖

其中設窯尾溫度為被控參數，調節(jié)閥的開度為調節(jié)器的輸出控制參數；T0、η分別為外部溫度和石灰石的分解率。

4.2 溫控過程的數學模型

結合工程實踐經驗，根據石灰窯溫度達到一定時會保持不變這一特征，并且考慮到重油在管道輸送中存在的延遲現(xiàn)象，選擇整個溫度控制系統(tǒng)被控對象的近似模型為[2]:

G(S)=G1(S)G2(S)e-τs=K1K2e-τs/(TS+1)

(1)

式中：K1、K2為石灰窯溫度的放大倍數，T為石灰窯溫度的時間常數，τ為石灰窯溫度的延長時間。

4.3 控制系統(tǒng)仿真的結果

在此仿真系統(tǒng)中，取石灰窯的各項參數(如重油燃燒值、重油密度等)進行仿真計算[3]，得出：

K1K2=1.26×86.40=108.864

(2)

由眾多生產實踐個案總結出，如果改變重油流量，需要大約10 s的管道傳輸時間才能影響到窯尾的溫度，即在建模中系統(tǒng)存在10 s的純滯后，因此，仿真模型為:

G(S)=108.864e-10s/(162.5S+1)

(3)

其中增益系數為108.864；時間常數T為162.5 s；滯后時間τ為10 s。

仿真過程中，采樣時間為0.1 s， 當系統(tǒng)輸入量是幅值為1的階躍信號時，分別采用常規(guī)PID控制和模糊PID控制，得到如圖4、圖5的仿真結果。由圖4、圖5看出，模糊PID控制器對溫度的跟蹤效果較好，當在t=350 s加入階躍干擾時，模糊PID控制器也能使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)定性，快速地進入穩(wěn)態(tài)且系統(tǒng)波動很小?？傮w來說，采用模糊PID控制時，系統(tǒng)的響應速度變快，精度的穩(wěn)定性也得到了改善，仿真結果表明參數規(guī)則表合理，基本滿足了焙燒溫度曲線的控制要求。通過仿真，還觀察到模糊控制系統(tǒng)的構成，如圖6。

圖4 常規(guī)PID控制階躍響應

圖5 模糊PID控制階躍響應

模型系統(tǒng)包含：2個入口，3個出口，49個規(guī)則圖6 模糊PID控制系統(tǒng)構成

5 結束語

在PID模糊理論基礎上，結合工程實踐經驗，針對回轉窯非線性、慣性大、純滯后等問題,提出了窯溫解決控制方法。對比例、積分、微分系數進行整定,建立模糊規(guī)則表。在滿足石灰石生產的技術要求下，建立數學模型并且仿真，結果表明與常規(guī)PID相比，模糊控制PID的調整時間為100 s，是常規(guī)PID調整時間120 s的5/6，具有響應速度快、穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點，適用于類似回轉窯之類的大時滯、大慣性的復雜工況。

與此同時，由于本文仿真所選模型為典型的一階和二階加滯后的形式，在模型選取上存在不準確性，對實際應用中的各種影響因素也不能完全考慮周全。因此，今后有必要在控制對象的非線性、多噪聲干擾以及大時延等相關問題上進行更深入的研究。

[1] 吳勝彪，王祖麟，肖敏. Smith預估自適應Fuzzy PID控制器在乳化液溫度控制系統(tǒng)中的設計[J]. 有色設備，2012(1)：27-31.

[2] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真(第3版)》[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 王麗華．回轉窯模擬PID控制[C]．北京工業(yè)大學，2007．

ApplicationofFuzzyPIDControllerinLimeKilnTemperatureControlSystem

WANG Li-hua

Since the lime kiln temperature control is affected by various parameters outside, the traditional PID controllers cannot match it. Fuzzy PID calculation which using deviation and variation of kiln tail temperature as input variable, flow variation of heavy oil control valve as output variable, is adopted in this paper. After the simulation, fuzzy PID controller can get a favorable result: the adjusting time of process control is shortened and the robustness of kiln tail temperature is better.

lime kiln; fuzzy PID; temperature control

2014-10-21

王麗華(1982—)，女，安徽合肥人，大學本科，工程師，主要從事工業(yè)自動化設計工作。

TP273.4

A

1008-5122(2015)01-0038-04