集氣管壓力系統模糊PID控制研究

喬維德

（常州市廣播電視大學，江蘇 常州 213001）

1 引言

焦爐集氣管壓力控制系統是焦爐系統的重要組成部分，焦爐壓力的正常與否，直接關系到焦爐的安全生產、產品質量及環境保護等問題。壓力過高，煤氣會大量從爐內溢出，嚴重影響環境，并造成煤氣的大量損失；壓力過低，空氣又會進入爐體，容易引起焦炭燃燒，焦炭質量下降，同時也會損失爐體，存在引起爆炸的隱患。因此，安全、合理、有效地控制焦爐集氣管壓力非常必要和至關重要。

PID控制中一個關鍵問題就是PID參數的整定，傳統的方法是在獲取控制對象模型的基礎上，根據某一原則確定參數，但是焦爐集氣管中的壓力在控制過程中受多種因素的影響，其過程參數甚至模型結構都會隨時間和工作環境的變化而變化，控制系統對變化的跟蹤性能差。如仍采用基于模型的控制，很難取得良好的控制效果。模糊控制是一種基于規則的控制，不需要建立對象的數學模型，能夠很好地克服系統中模型參數變化和非線性等不確定因素，具有較強的魯棒性。但普通模糊控制存在一定的穩態誤差，穩態精度低。本文將模糊控制中的模糊推理思想和傳統的PID控制結合起來，在焦爐集氣管壓力控制系統中采用模糊PID控制算法，以集氣管的實際輸出壓力和給定壓力之間的偏差和偏差變化率作為模糊推理機的輸入，在集氣管壓力控制過程中，對PID的三個參數進行在線整定，從而實現對焦爐集氣管壓力的實時、高精度控制，保證其實際壓力穩定在工藝要求的范圍內，極大提高了焦爐集氣管壓力控制系統的動態和靜態特性。

2 焦爐集氣管系統工藝流程

圖1 焦爐集氣管壓力工藝流程圖

某焦化廠焦化車間煤炭工藝流程如圖1所示。一號焦爐與二號焦爐為80型焦爐，它們共用一組冷卻和鼓風系統。每座焦爐的炭化室發生的煤氣先進入各自的煤氣管，經過集氣管蝶閥控制后匯合進入煤氣總管道，再經鼓風機和冷卻器等外送至貯氣罐。鼓風機對集氣管道產生吸力吸出焦爐氣，可以根據當前壓力對集氣管閥門和鼓風機吸力進行調整，能使集氣管壓力維持在給定期望壓力范圍內。但實際現場情況往往存在諸多非線性復雜因素，如添加焦煤時壓力會大幅度減弱等，而且兩集氣管相互之間存在著嚴重的壓力耦合關系，對其中任一對象的調節都將影響另一對象并進而影響整個管路系統的穩定，使得本系統的壓力調節變得非常困難。因此，焦爐集氣管壓力控制系統是一個多變量、多擾動、強耦合的嚴重非線性時變系統。

3 模糊PID控制系統結構

為了使焦爐集氣管壓力能夠快速穩定地跟蹤設定壓力值，將傳統PID和模糊控制相結合，利用模糊推理的策略，根據不同的偏差、偏差變化率對PID參數kp、ki、kd進行在線自調整。系統首先計算出實際壓力F0和設定壓力Fr的偏差e和偏差變化率ec，然后將它們模糊化，模糊化后的E和EC由模糊控制規則推理和解模糊后得到kp、ki和kd。在控制過程中，在線實時修改常規PID控制器的參數，最后由常規PID控制器輸出碟閥開度控制量，控制碟閥開度，調節集氣管壓力。

焦爐集氣管壓力的模糊控制系統結構如圖2所示。圖中Fr為系統的給定壓力值（精確量），F0為集氣管的實際輸出壓力（精確量），e和ec分別為系統壓力偏差和偏差變化率（精確量），E、EC分別為反映壓力偏差、偏差變化率的模糊輸入變量；kp、ki、kd為模糊控制器的輸出變量。

圖2 焦爐集氣管壓力模糊PID控制結構

偏差E、偏差變化率EC分別用7個語言值來描述，它們的模糊子集是 E=｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，EC=｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，kp、ki、kd的模糊子集也定義為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝。其中各模糊子集的含義為：Z—零，PS—正小，PM—正中，PB—正大，NB—負大，NM—負中，NS—負小。設定 E、EC 和 kp、ki、kd的論域均為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝，隸屬度函數采用三角形的分布函數。

kp的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。kp越大時，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但系統容易產生超調，甚至導致系統不穩定。反之，kp越小時，系統響應速度減慢，系統的調節精度降低，調節時間變長，從而降低了系統的靜態和動態性能。kp的模糊控制規則如表1所示。

表1 kp的模糊控制規則表

ki的作用在于消除系統的穩態誤差。ki越大時，系統的穩態誤差消除越快，但ki過大時，在系統響應初期容易產生積分飽和現象，從而使系統產生較大超調。ki越小時，將使系統靜態誤差很難消除，因而會影響系統的調節精度。ki的模糊控制規則如表2所示。

表2 ki的模糊控制規則表

kd的作用主要是改善系統的動態性能，在響應過程中提前抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報，降低系統超調，增加系統穩定性。但是當kd過大時，會使系統響應過程提前制動，調節時間延長，并降低系統的抗干擾性能。kd的模糊控制規則如表3所示。

表3 kd的模糊控制規則表

根據焦爐集氣管壓力控制特點，歸納出的kp、ki和kd模糊控制規則經過模糊推理推導其內在的模糊關系，根據模糊關系和輸入變量E、EC的情況進行推理合成得到輸出kp、ki和kd的語言變量，然后經過解模糊化操作將其轉換為執行機構能夠接受的精確壓力值。

模糊推理采用CRI的Mandani推理方法中的max-min合成法，即推理時，根據模糊蘊涵關系，選擇模糊算子min和max，選擇“極大與極小”運算作為合成運算，求出模糊輸出值。解模糊采用的方法為常用的重心法，即加權平均法。為實現實時控制，滿足系統控制快速性要求，這里采用離線計算形式，即把模糊控制規則離線轉換為控制查詢表，推理過程簡化為查表運算，通過查表很方便地實現模糊控制器的實時控制，提高系統的響應速度。

4 結果分析

為了驗證采用模糊PID控制器作為焦爐集氣管壓力控制的優越性，本文運用MATLAB計算機工具軟件進行仿真分析，然后現場試驗。圖3為1號焦爐集氣管壓力控制前壓力變化曲線，圖4-6為一號焦爐集氣管壓力分別采用傳統PID控制、模糊控制以及模糊PID控制后的壓力變化曲線（二號焦爐壓力曲線與一號焦爐相差不大）。從仿真結果可以看出，應用本文提出的模糊PID控制后，焦爐集氣管壓力大幅度波動和振蕩現象得到明顯控制和改善。通過現場試驗，實際效果與仿真結果基本吻合，煤氣壓力始終能穩定在設定值100±10Pa左右，減少煤氣泄漏和損失,提高了焦爐煤氣產量。

圖3 一號焦爐集氣管壓力控制前曲線

圖4 傳統PID控制壓力曲線

圖5 模糊控制壓力曲線

圖6 模糊PID控制壓力曲線

5 結束語

將模糊PID控制技術引入到焦爐集氣管壓力控制系統中，在控制過程中，模糊PID控制器根據系統實際的壓力狀態，實時調整PID參數。經仿真實驗和現場實際應用結果表明，利用PID控制算法可使壓力控制系統的靜態和動態性能得到明顯改善，其動態和靜態特性均優于常規PID控制和模糊控制，有效地彌補了常規PID控制和單純模糊控制的不足，極大提高了焦爐集氣管壓力控制系統的動、靜態性能和魯棒性，從而為實現焦爐集氣管壓力的智能化控制開辟了一條有效途徑。

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