模糊PID滑模控制器在鼓風機防喘振中的應用

王延年，葛家英

（西安工程大學電子信息學院，西安710000）

模糊PID滑模控制器在鼓風機防喘振中的應用

王延年，葛家英

（西安工程大學電子信息學院，西安710000）

鼓風機具有效率高、流量大、工況范圍寬、安全可靠等優點，被大量應用于大、中型高爐，而壓縮機機組能否充分發揮應有效率，控制程序完善與否是決定性因素。喘振是壓縮機運行中的一種特殊現象，是壓縮機的固有機械特性。經大量的事實研究發現，壓縮機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工作在正常安全工作狀態的重中之重。經過研究發現，常規PID很難滿足防喘振的需求，因此提出了一種改進的模糊PID算法，即滑模模糊PID算法。硬件方面以DSP作為控制平臺，采用TI公司的TMS320F2812作為控制核心的防喘振控制器。通過調節防喘閥和放風閥使軸流壓縮機工作在安全狀態，杜絕喘振現象的發生。經過在工業現場的觀測比對，證明了模糊PID滑模控制的控制效果優于常規PID。

喘振；比例積分微分控制；模糊控制；控制器；數字信號處理器；TMS320F2812芯片；算法

1 引 言

鼓風機具有效率高、送風特性好、運行穩定等優點，因此在我國的煉鋼、煉鐵行業應用巨大。喘振是壓縮機固有的機械特性，其危害巨大。一旦壓縮機發生喘振，造成的損失是無法估量的，所以在工業運行中，喘振是絕不能發生的，因此，防喘振研究是預防喘振發生的關鍵所在。

目前，工業上通常采取常規PID算法進行防喘振控制。經過研究，提出一種改進的PID算法——模糊PID滑模控制算法，改進算法不僅繼承了PID算法的優點，而且融合了模糊控制與滑模控制的優點，使其兼容三種控制算法的優點于一身，在防喘振控制應用中發揮更好的作用。

滑模控制是一種特殊的變結構控制，本質上屬于非線性控制，它具有響應速度快、魯棒性強、且無需在線辨識、物理實現簡單等優點［1］。

2 喘振的危害

在喘振過程中，氣體在壓縮機及管網之間產生周期性氣流脈動，使機體和軸承振動幅度加大，給機組帶來很大危害，主要體現在：

（1）機體嚴重振動可能引起靜、動部件摩擦而損壞；

（2）氣流脈動甚至共振，可能引起機組葉片斷裂；

（3）氣體倒流，可能引起機體內溫度急劇上升，從而導致葉片與內缸損壞。

喘振發生的原因，一方面是由于壓縮機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。因此防喘振控制是保證壓縮機正常運行和延長壓縮機壽命的關鍵。

2.1 喘振產生的原理

在壓縮機運行過程中，當排氣側的壓力大而進氣側壓力小且流量小的時候，排氣側被強力壓縮的氣體通過壓縮機內部回流到進氣側，此時，壓縮機排氣側的壓力較低，而進氣側的氣體又會因為壓縮機的作用被壓縮到排氣側使排氣側的壓力增大，大于進氣側壓力，如此循環往復，形成喘振。

2.2 防喘振控制系統采用的通常做法

在壓縮機出口設置旁路防喘閥，通過設定防喘振線對工況點進行監控，通過控制電流調節防喘閥的開度對喘振進行調節。當工況點越過防喘振線時，控制系統發出指令使防喘閥打開，排出部分氣體，減小壓力。當喘振不可抑制時，打開防喘閥和放風閥，排出氣體和壓力。必要時，還要緊急停機。

2.3 采用的控制策略

常規PID控制原理簡單、魯棒性較強、動態和靜態特性優良。但是常規PID是基于精確的數學模型進行控制，不具有參數在線整定功能，而現代工業系統大部分無法做出精確的數學模型，所以用常規PID進行控制難以獲得良好的控制效果。

模糊控制，是采用由模糊數學語言描述的控制律（控制規則）來操縱系統工作的控制方式，不需要控制對象精確的數學模型和復雜情況，依據操作人員經驗制定的控制規則即可構成。模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表。

以往采用模糊PID控制算法的通常方法是不計誤差e和誤差變化率ec的大小，二者均經過模糊控制使其模糊化，然后得到模糊隸屬函數再經PID輸出進行控制，這在無形中增加了對喘振的響應時間，而且有可能造成調節過度。然而喘振發生的速度非常快，壓縮機常常在喘振發生后的幾秒鐘內就已造成不可恢復的破壞，所以加快防喘振控制的響應速度是十分必要的。如果防喘振調節一旦出現調節過度，在壓縮機恢復到最大工作效率期間，在系統生產中造成的能源損失甚至產出一些不合格的產品，這在化工行業中經常見到，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，有時甚至可能造成爆炸，對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，再結合滑模控制響應快速的特點，可以有效加快對喘振的控制作用。

3 模糊PID滑模控制器設計

模糊PID滑模控制器的工作流程：根據輸入的偏差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，根據事先設定的滑模控制切換函數來判斷當前情況采用哪種控制算法更合適，從而加快防喘振調節的響應速度和有效抑制調節過度。由此可以得到滑模控制器的結構圖，如圖1所示。

圖1 模糊PID滑模控制器結構

3.1 模糊PID滑模控制

3.1.1 PID控制

PID控制是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，是目前工業上應用最廣泛的控制。它的數學模型可以用式（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象輸出值的差，稱偏差信號；

KP—控制器的比例系數；

KI—控制器的積分系數；

KD—控制器的微分系數。

比例系數KP的作用：加快系統響應速度，提高系統調節精度。當系統一旦出現偏差，比例調節立即產生調節作用以減少誤差。KP的值越大，系統的響應速度越快，但KP的值如果取得過大將產生超調和振蕩甚至導致系統不穩定，因此KP的值不能取得過大；但是如果KP取值過小，則會降低調節精度，使系統的響應速度減慢，從而延長調節時間，使系統靜、動態特性變差［2］。

積分系數KI的作用：消除系統的穩態誤差。KI越大積分速度越快，系統的靜態誤差消除越快，但是KI的值如果過大，則系統在響應過程初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程出現較大的超調，使系統的動態性能變差；但是KI過小則又會使積分作用變弱，使系統的靜差難以消除，過渡時間加長，不能盡快達到穩定狀態，影響系統的調節精度和動態特性。

微分系數KD的作用：改善系統的動態特性，反映系統偏差信號的變化率并預見偏差變化的趨勢，能產生超前的控制作用，使系統的超調降低，增加系統穩定性。但KD的值不能取得過大，否則會使響應過程提前制動和延長系統調節時間，而且還會使系統的抗干擾性變差［3］。

根據上述PID各個參數的作用，可總結得到以下KP，KI，KD的整定規則：

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

（2）當偏差e較大，為加快系統的響應速度，并避免微分過飽和，應選取較大的KP和較小的KD。同時為防止積分飽和，避免系統的響應出現較大超調，此時應取KI＝0。

（3）當偏差e和偏差變化率ec均為中等大小時，為使系統響應的超調減少，KI應取較小的值，同時，KP和KD值均不能取大，要大小適中，以確保系統的響應速度。

（4）當偏差e達到最大時，可適當增大KP和KI，使超調量回調。

（5）當偏差e逐步減小，即e和ec變化方向不一致，可適當減小KP和KI保證系統沒有過大的超調量。

3.1.2 模糊控制

利用模糊控制原理和常規PID控制結合在一起，通過知識庫輸出調整PID的參數值，以達到最佳的控制效果［4］。

模糊控制建立的基礎是模糊邏輯，它比傳統的邏輯系統更接近人類的思維和語言表達方式，而且提供了對現實世界不精確或近似知識的獲取方法。模糊控制的實質是將基于專家知識的控制策略轉換為自動控制策略。它所依據的原理是模糊隱含概念和復合推理規則。經驗證明，在一些復雜系統，特別是系統存在定性的、不精確和不確定信息的情況下，模糊控制的效果優于常規控制［5］。

模糊PID滑模控制器是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求。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大，負中，負小，零，正小，正中，正大。

模糊控制規則采用的控制語句如下表示：

If A and B，then C.

根據工程技術人員的工作經驗及PID參數的整定規則，得到針對KP，KI，KD的模糊控制規則表。

由此可得出表1所示的KP，KI，KD的模糊規則表［6］。

表1 KP/KI/KD的模糊規則表

3.1.3 模糊PID滑模控制器的切換函數設計

由圖1，并結合PID控制和模糊控制的特點，對滑模控制的切換函數設計如式（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α如式（3）所示：

式中，ea，eb為提前設定好的誤差e的切換控制上下限。

由式（2）（3）可以得到如下規則：

①當0＜e＜ea時，控制器進行PID控制，相當于一個常規的PID控制器；

②當ea＜e＜eb時，控制器進行模糊PID復合控制，相當于一個模糊PID控制器；

③當e＞eb時，控制器進行模糊控制，相當于一個模糊控制器。

根據誤差的不同，選擇合適的控制規律，并使控制效果達到最優，可以有效減少上述情況的發生。

3.2 系統硬件平臺設計

TMS320F2812是TI公司生產的一種高性能32位定點DSP芯片，其內部集成有ADC，且運算速度快。國內目前大多數防喘振控制系統都是基于PLC的平臺系統。DSP相對于PLC，可以實現較復雜的算法。系統原理圖如圖2所示。

圖2 系統原理圖

控制器的設計采用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。4－20mA電流作為控制信號，具有強大的抗干擾能力［6］。壓力變送器和流量變送器將采集到的信號轉換成相應的電流信號，得到的電流信號經過I/V轉換器轉換為0－3V的電壓信號，送給DSP，經過DSP分析后產生相應的信號。經過D/A轉換器轉換為相應的電壓信號，再通過XTR110將電壓信號轉換為4－20mA的電流信號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，是專為模擬信號傳輸所設計的，可用于將0－10V的輸入電壓轉換成4－20mA或其他常用范圍的輸出電流。防喘閥采用“氣關型”的，其原理是：當控制信號最大（20mA）時防喘閥全關，當控制信號最小（4mA）時防喘閥全開。

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經過I/V轉換發送給CPU，CPU經過分析后產生相應的信號判斷是否進行防喘振控制，如需進行防喘振控制，則根據當前偏差和偏差的變化率選擇最優的控制方案，否則CPU等待下一時刻采集信號的到來，再次進行判斷［8］。如圖3所示為模糊PID滑模控制器的工作流程圖。

3.4 控制效果對比

瑞士蘇爾壽風機在我國現行的風機系統中處于性能和技術絕對領先地位，它具有結構精密、效率高、送風特性好、運行穩定等優點［9］。以瑞士蘇爾壽AV63－12型軸流高爐鼓風機為例，數據源自某鋼廠2＃風機控制器采集的數據。表2為不同靜葉角度下工況點越過防喘振線時PID與SFPID所測得的最大排氣壓力（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生喘振時超調量（%）的對比。表4為在不同靜葉角度下發生喘振時調節時間（s）的對比。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滑模控制器工作流程圖

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生喘振時超調量（%）的對比

表4 在不同靜葉角度下發生喘振時調節時間（s）的對比

通過表2，表3，表4的對比，可以發現，無論是在控制超調量還是在調節時間上，滑模模糊PID控制的控制效果均優于常規PID，因此滑模模糊PID在控制效果上較常規PID更優。

4 結束語

滑模模糊PID控制兼具PID控制及模糊控制的優點，又結合了滑模控制響應速度快的優點，彌補了常規控制方法不能選擇最佳控制方案及響應速度慢的缺點。滑模模糊PID具有良好的動態特性，且響應速度快，具有良好的魯棒性，很適合具有非線性，時變，強干擾的系統。

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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：工業控制信息系統。

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

2015－03－27