基于模糊控制的鍋爐主控調(diào)節(jié)方法

郭石開(kāi) 李菲

摘 要：針對(duì)火電機(jī)組的主蒸汽壓力控制對(duì)象存在大慣性、大延遲且模型不確定的特點(diǎn)，可以將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，構(gòu)成一種基于模糊控制的鍋爐主控調(diào)節(jié)方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，該控制方法對(duì)大慣性、大延遲且模型不確定的控制對(duì)象有很好的控制效果。

關(guān)鍵詞：模糊控制；PID控制；鍋爐主控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）04-0050-02

Main Control Adjustment Method of Boiler Based on Fuzzy Control

GUO Shikai1，LI Fei2

（1.Inner Mongolia Jinghai Coal Gangue Power Generation Co.，Ltd.，Wuhai 016000，China；

2.Wuhai Vocational and Technical School，Wuhai 016000，China）

Abstract：According to the characteristics of large inertia，large delay and uncertain model，the fuzzy control and traditional PID control are combined to form a boiler main control regulation method based on fuzzy control. The control method has a good control effect on the control objects with large inertia，large delay and uncertain model.

Keywords：fuzzy control；PID control；boiler master control

1 模糊參數(shù)自整定PI控制

1.1 PI控制器原理

PI控制器作為一種經(jīng)典的控制器，應(yīng)用十分廣泛，其數(shù)學(xué)模型可以用下式表示：

式中，e（t）為調(diào)節(jié)器輸入給定值與反饋值的偏差；u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出函數(shù)；KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)（KI為積分系數(shù)，與TI概念相反）。KP越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，得到小的靜態(tài)偏差，但是容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。TI越大，積分的作用減小，偏差存在的時(shí)間越長(zhǎng)，但是系統(tǒng)穩(wěn)定，不容易發(fā)散；TI越小，積分的作用越大，偏差存在的時(shí)間越短，但是系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易發(fā)散或者振蕩。

1.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本文模糊PI控制器采用二維控制器，由檢測(cè)到的機(jī)前壓力偏差e及其變化率ec，在已經(jīng)制定的模糊規(guī)則下進(jìn)行模糊推理，按照模糊規(guī)則得到動(dòng)態(tài)的KI、KP，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)達(dá)到最優(yōu)參數(shù)，滿(mǎn)足壓力偏差及偏差變化率對(duì)控制器參數(shù)整定的要求，從而保證了被控對(duì)象的控制性能，模糊PID方框圖如圖1所示。

模糊PI控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)整定公式為：

其中，KP0、KI0為參數(shù)初始值，ΔKP、ΔKI分別為比例和積分作用系數(shù)的模糊修正項(xiàng)。

1.3 參數(shù)整定規(guī)則與模糊推理

將控制器的輸入模糊化，輸入控制器后求解得到輸出值，其主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換為模糊矢量。偏差以及變化量ec輸出量和輸出量ΔKP、ΔKI可用七個(gè)模糊狀態(tài)表示，可概括為[負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大]，并記為[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]。當(dāng)輸入值偏差大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免由于偏差迅速變大導(dǎo)致控制作用超出許可范圍，應(yīng)選取較大的輸出；當(dāng)偏差值和偏差微分值為中等數(shù)值時(shí)，為了提高響應(yīng)速度，同時(shí)減小系統(tǒng)的超調(diào)量，輸出應(yīng)取小些；當(dāng)偏差變化較小時(shí)，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大輸出。按照以上原則，確定相關(guān)模糊規(guī)則，并建立模糊控制規(guī)則表。

為了滿(mǎn)足控制對(duì)象的控制要求，模糊控制器控制規(guī)則要根據(jù)控制對(duì)象和控制要求確定，但是在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，要有一個(gè)總的原則，在誤差較大時(shí)，控制器應(yīng)該較快地減小誤差，同時(shí)避免誤差進(jìn)一步變大；當(dāng)誤差較小時(shí)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡快消除誤差，同時(shí)盡量不產(chǎn)生超調(diào)或者振蕩。比例環(huán)節(jié)的作用主要是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。KP值越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，因此要選取合適的值。當(dāng)偏差e較大時(shí)，增大KP值，提高響應(yīng)速度；當(dāng)偏差e較小時(shí)，可以適當(dāng)減小KP值，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下減小超調(diào)量，同時(shí)也要考慮偏差變化率ec的影響，當(dāng)e和ec同方向時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)在向著惡化的方向發(fā)展，應(yīng)該增大KP值；反之，適當(dāng)減小KP值。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。在控制器調(diào)節(jié)的前期可以以比例作用為主，在后期以積分作用為主。ΔKP和ΔKI的模糊規(guī)則表如表1和表2所示。

2 鍋爐主控模糊控制前饋

由于PID內(nèi)部微分很難準(zhǔn)確把握幅值和升降速率的尺度，容易出現(xiàn)微分振蕩或微分超調(diào)現(xiàn)象，所以在工程實(shí)際應(yīng)用中較少使用。因此，鍋爐主控增加了以主汽壓力偏差為基礎(chǔ)的前饋，分別是主汽壓力偏差值和主汽壓力偏差微分值，它們共同構(gòu)成了前饋部分。模糊控制前饋FF中，主汽壓力偏差信號(hào)用a（主汽壓力信號(hào)減去主汽壓力設(shè)定值）表示，主汽壓力偏差微分信號(hào)用b表示，由此構(gòu)成的二維模糊控制規(guī)則表如表3所示。

此控制規(guī)則表是根據(jù)某電廠(chǎng)330MW循環(huán)流化床汽包爐機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出的，具有很好的指導(dǎo)作用。

FF=β×M（a）+（1-β）×N（b） （4）

其中，β為主汽壓力偏差信號(hào)a和主汽壓力偏差微分信號(hào)b在此前饋中所占比例的權(quán)重系數(shù)，此數(shù)值應(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行設(shè)置。M（a）是主汽壓力偏差信號(hào)a在該運(yùn)行工況中所對(duì)應(yīng)煤量的函數(shù)，N（b）為主汽壓力偏差微分信號(hào)b在該運(yùn)行工況中所對(duì)應(yīng)煤量的函數(shù)。M（a）和N（b）兩個(gè)函數(shù)的設(shè)置可根據(jù)先前制定的控制規(guī)則制定。綜合計(jì)算后即可得出較為準(zhǔn)確的鍋爐主控前饋。

3 結(jié) 論

本文提出的模糊PID復(fù)合控制將模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠達(dá)到較好的控制作用。當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，采用模糊控制能夠快速響應(yīng)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)溫度偏差較小時(shí)，采用PID控制，減小超調(diào)量，控制器能夠快速消除偏差，提高系統(tǒng)的控制精度。因此，將兩者相結(jié)合既能夠快速響應(yīng)，又能夠提高控制精度，可以對(duì)復(fù)雜對(duì)象實(shí)施精確控制，較好地解決了控制系統(tǒng)大慣性、大延遲問(wèn)題，得到了一種適應(yīng)性更強(qiáng)的鍋爐主控調(diào)節(jié)方法。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，該控制方法在控制品質(zhì)上優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方法，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。針對(duì)模糊控制自身存在的缺點(diǎn)，也采取了相應(yīng)的方法，即盡量多的采集數(shù)據(jù)來(lái)獲得精確的模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：郭石開(kāi)（1985-），男，漢族，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，工程師，高級(jí)技師，華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院控制工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，研究方向：330MW循環(huán)流化床鍋爐電熱檢修維護(hù)管理。