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(shì)。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(jì)，最后在探討了模糊PID控制規(guī)則的基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)自整定的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)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(diǎn)十分明顯，它不僅具有極佳的穩(wěn)固性，而且在實(shí)際使用過(guò)程中的牢固性也十分出色。正是得益于它的這些特點(diǎn)，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(duì)象具有非線性、時(shí)變性、滯后性等特點(diǎn)，而且溫度控制受到被控對(duì)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(diǎn)是它不要求掌握受控對(duì)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(shí)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(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且具有模糊控制的靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

模糊PID控制算法充分利用了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)了建立對(duì)鍋爐建立精確的數(shù)學(xué)模型這一難題。可以在線自調(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(yáng)丹東穩(wěn)壓給水設(shè)備廠燃煤熱水鍋爐上運(yùn)行后，在保證各項(xiàng)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(yùn)行的目的。

三、鍋爐溫度控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到流量計(jì)階段可分為分為兩個(gè)過(guò)程，首先是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)解流量過(guò)程。輸入為電流信號(hào)，輸出為排污流量，此過(guò)程在動(dòng)態(tài)特性上是一個(gè)二階慣性加滯后環(huán)節(jié)，調(diào)解過(guò)程具有純滯后時(shí)間T。其次是污水流經(jīng)中間溫度管過(guò)程，輸入為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出口處流量，輸出為流量計(jì)入口處流量。

2.模糊自整定PID控制器的實(shí)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(duì)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(shí)際情況、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)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(zhuān)家及操作人員長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，總的來(lái)說(shuō)：當(dāng)偏差較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大Kp，同時(shí)為了防止因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)偏差的瞬間變大可能引起的微分過(guò)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)際控制過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)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(guò)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(guò)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(guò)程初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過(guò)程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，Ki取值當(dāng)小一些；在調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)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(shí)際控制過(guò)程操作經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，加大Kd，可以減小甚至避免超調(diào)；在調(diào)節(jié)過(guò)程中期，由于調(diào)節(jié)特性對(duì)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(guò)程的制動(dòng)作用，以補(bǔ)償在調(diào)節(jié)過(guò)程初期由于Kd較大所造成的調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)。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(jì)

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(cè)量分析是通過(guò)智能控制器實(shí)現(xiàn)的，智能控制器即參數(shù)自整定模糊PID控制器，PID三個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd的整定是通過(guò)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(gè)PID參數(shù)的變化值，PID參數(shù)的自整定通過(guò)參數(shù)校正和在線不斷變化PID參數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.加熱爐控制系統(tǒng)參數(shù)自整定模糊PID控制

實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定首先確立模糊關(guān)系，即偏差e、三個(gè)參數(shù)、偏差變化率ec之間，程序運(yùn)行中不斷的測(cè)量e和ec，3個(gè)參數(shù)的在線整定是通過(guò)模糊控制原理實(shí)現(xiàn)的，從而來(lái)滿足智能控制器參數(shù)的要求。實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定一定考慮到不同的時(shí)間三個(gè)參數(shù)的相互作用與關(guān)系。通過(guò)總結(jié)專(zhuān)業(yè)人員的技術(shù)知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制的設(shè)計(jì)，從而才能形成模糊規(guī)則表。

3.模糊控制規(guī)則的確定

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的模糊控制器，采用經(jīng)驗(yàn)歸納法設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)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(shí)候，此時(shí)，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(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)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(gè)集合的單值的數(shù)學(xué)過(guò)程。在實(shí)際使用中，特別是在模糊邏輯控制中，被控過(guò)程只能接受一個(gè)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(jì)

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(shí)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；當(dāng)溫度偏差較小時(shí)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(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于鍋爐再熱蒸汽溫度本身具有較大的時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性，采用PID控制會(huì)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(duì)于時(shí)滯較大的被控對(duì)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(shí)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(jì)模糊控制器，控制算法的切換使用閥值開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)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(shí)，開(kāi)關(guān)的輸出與模糊控制器相連，當(dāng)偏差小于閥值時(shí)，開(kāi)關(guān)的輸出與PID控制器相連，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制算法的自動(dòng)切換。

七、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)。

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