基于模糊PlD 混合布料控制系統的研究

韓一杰

（河鋼唐鋼自動化有限公司，河北 唐山 063000）

在冶金行業中，燒結生產在冶煉生產過程中占有重要地位，是煉鐵生產的一個關鍵環節。燒結礦的質量直接影響煉鐵的穩定運行，是保證高爐獲得優質技術指標的關鍵所在。燒結是燒結礦生產的重要工序，燒結混合布料在燒結生產中，布料的厚度和均勻穩定程度直接影響著燒結礦的質量。同時，混合布料的好壞，對燒結機表面點火、熱能的有效利用、風量的合理分布和料層的提高均有響應影響。料面平整均勻，可使混合料表面點火均勻、受熱均衡，從而可減少煤氣耗量，并有助于進一步提高料層，減少表層燒結礦的影響，提高燒結成品率。相反，若布料不當，料面凹凸不平，呈波浪狀或出現局部堆積、局部拉溝等現象，都會使風從壓力相對較小的地方大量抽出，造成點火熱量的浪費，增大煤氣消耗。此時，機尾燒結餅斷面表現為紅火層不整齊，局部過燒、局部夾生，燒結礦強度降低。

1 燒結混合模型

燒結混合料布料控制模型（SMFC）是一級控制模型，包括混合料厚度控制模型和混合料均勻布料控制模型。

混合料厚度控制模型用于在線控制混合料料槽的混合料流量，采用雷達料位計監視燒結機料層厚度，設有5個測量點，取其平均值作為控制模型的測量輸入，與料厚給定值進行比較，控制器根據偏差值控制圓輥給料機速度，使通過圓輥給料機輸出的混合料保持設定值，從而使燒結混合料的厚度保持恒定?；旌狭虾穸瓤刂颇Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 混合料厚度控制模型

2 模糊PID控制器的設計

PID控制是最早作為自動閉環控制的策略之一，由于其算法簡單、魯棒性較好和較高的可靠性，被廣泛的應用于工業過程控制領域，特別適用于精確數學模型的確定性系統。然而燒結混合布料系統具有非線性、時變性和滯后性，難以建立精確的數學模型，往往應用傳統PID控制器不能達到理想的控制效果，在燒結混合布料系統中通常整定不良、性能欠佳，其適應性很差。基于上述情況，本文提出模糊PID控制算法。

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制器由二維模糊控制器和傳統PID控制器并聯而成，即模糊PID控制的輸出為傳統PID控制器參數輸入，用于對傳統PID控制器參數的調整。其控制結構如圖2所示。

模糊PID控制器以設定值與測量值的誤差E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入，運用模糊規則推理實時對PID控制器3個參數進行在線整定，實現被控對象的自適應控制。

表1 模糊控制規則表

圖2 模糊PID控制結構圖

2.2 模糊PID控制器的設計

模糊控制器采用雙輸入三輸出的多維模糊控制結構，對應P、I、D三個參數表現為三個雙輸入單輸出的結構。本文選用混合料厚度的誤差E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入，誤差E對應的論域為[-50，50]，誤差變化率EC對應的論域為[-3，3]，取語言值均為[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]。模糊控制器的輸出分別為P、I、D，P對應的論域為[-3， 3]，I對應的論域為[-0.3，0.3]，D對應的論域為[-0.3，0.3]，語言值均采用[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]。

模糊控制規則依據相關資料和操作經驗，總結出以下控制規則：

（1）當E和EC很大，E×EC＞0，說明系統輸出與設定值的偏差很大，而且系統正向著偏差增大的方向變化，系統誤差進一步加大，此時P應選擇大些，I和D選擇應該小些。

（2）當E和EC很大，E×EC＜0，雖然系統輸出與設定值的偏差很大，但是系統正向著偏差減小的方向變化，系統誤差將會逐漸減小，此時P維持較大值，I維持較小值，D選擇中等大小。

（3）當E和EC中等大小，為了減弱系統振蕩，確保系統的響應速度，此時P取較小值，I取中等大小，D維持中等大小。

（4）當E趨近于零，EC中等大小，系統輸出與設定值偏差很小，此時P取0值，I取中等大小，D取0值。

總結以上經驗，得出P、I、D三個參數整定的模糊控制規則如表1。

3 系統仿真

燒結混合布料系統由控制器、變頻器、電氣控制柜和異步電動機等設備組成。變頻器和異步電動機可以等效為時間常數T的一階慣性環節，電氣控制柜和調節控制環節可以等效為比例環節，由于混合布料系統存在一定的滯后性，因此其等效模型為

圖3 系統階躍信號響應仿真曲線

通過利用MATLAB中的控制系統工具箱和模糊邏輯工具箱，在Simulink環境下建立系統仿真模型，采用上述系統的開環傳遞函數。初始設定PID參數kp=1.3、ki=0.03、kd=0.02，輸入單位階躍信號，分別在傳統PID控制和模糊PID控制下進行系統響應仿真，測得仿真曲線如圖3所示。

分析圖3響應曲線，兩種控制方法的靜態特性均較好，沒有系統穩態誤差，但在動態性能方面，傳統PID控制下系統的超調量要遠大于模糊PID控制，而且其調節時間也稍長于模糊PID控制器。綜合比較，模糊PID控制在混合布料系統的控制效果要優于傳統PID控制。

4 結語

燒結混合布料系統由于存在滯后性，采用傳統PID控制器難以解決系統響應速度和超調量之間的矛盾。模糊PID控制通過結合模糊控制的快速響應性和魯棒性，與傳統PID控制組成新型控制器，實時在線調整PID控制器的三個參數，能過減小系統的調節時間和超調量，系統的動態性能得到較大的改善。

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