基于模糊—PID控制技術(shù)的工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

田 剛

(中共陜西省委黨校(陜西行政學(xué)院)，陜西 西安 710061)

工業(yè)鍋爐內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，需要借由知識(shí)監(jiān)控技術(shù)對(duì)反應(yīng)狀況進(jìn)行時(shí)間、準(zhǔn)確的監(jiān)控，單純的PID控制技術(shù)或模糊控制技術(shù)均不同程度上存在調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大等方面的問題[1-3]。因此，本次研究通過模糊—PID控制技術(shù)對(duì)工業(yè)鍋爐的汽包液位實(shí)施智能監(jiān)控，以精確獲取工業(yè)鍋爐內(nèi)部的反應(yīng)狀況信息。

1 工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鍋爐控制系統(tǒng)由PCI數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及各種傳感器和執(zhí)行器所組成，采用上位機(jī)+下位機(jī)的控制模式，下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與控制輸出，上位機(jī)負(fù)責(zé)軟件監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三個(gè)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，分別為汽包液位控制子系統(tǒng)、爐膛壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)和蒸汽溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 汽包液位控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽包液位控制是維持工業(yè)鍋爐正常運(yùn)行的一項(xiàng)必要手段，本次研究重點(diǎn)闡述汽包液位控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2.1 總體控制方案

傳統(tǒng)的汽包液位控制方式往往會(huì)受到“虛假水位”的影響，即在負(fù)載變大時(shí)汽包水位反而上升，致使系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤決斷并調(diào)小調(diào)節(jié)閥[4-5]。為了克服這方面的問題，本次研究通過模糊PID控制技術(shù)來對(duì)工業(yè)鍋爐實(shí)施汽包液位控制，控制原理如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐汽包液位基本控制原理

2.2 模糊—PID控制器設(shè)計(jì)

在工業(yè)鍋爐汽包液位基本控制原理的基礎(chǔ)上，本次研究建立了一套基于模糊—PID控制技術(shù)的工業(yè)鍋爐汽包液位控制方案，具體結(jié)合如下。

圖3 模糊控制系統(tǒng)

本次研究通過模糊控制規(guī)則來實(shí)時(shí)修改PID各項(xiàng)參數(shù)，總結(jié)出各參數(shù)偏差e的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上根據(jù)模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出比例系數(shù)Kp、微分系數(shù)Kd與積分系數(shù)Ki的變化量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化[6-8]。一般參數(shù)自整定規(guī)律如表1所示。

表1 PID參數(shù)模糊控制規(guī)律表

PID模糊控制能夠根據(jù)偏差絕對(duì)值|e|、偏差和的絕對(duì)值|ec|、偏差變化率絕對(duì)值|∑e|以及調(diào)整時(shí)間對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。將誤差e與誤差變化量ec作為輸入量，利用查詢模糊推理算法獲取決策表，最終獲得Kd、Ki、Kp的修正系數(shù)并將其代入以下公式[9-11]。

(1)

汽包液位控制器的模糊輸入量有液位偏差e(k)、偏差變化ec(k)=e(k)+e(k-1)與偏差和∑e(k)=e(k)+e(k-1)，模糊控制輸出量為ΔKp、ΔKi、ΔKd[12-13]。各變量模糊論域分配方式如下：

e(k)、∑e(k)、ec(k)、ΔKp、ΔKd論域?yàn)椋簕-3, -2, -1,0,1,2,3}；根據(jù)模糊控制的一般理論將各變量模糊子集論域設(shè)定為{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。其中NB，NM，NS，O，PS，PM，PB分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。那么e(k)、∑e(k)、ec(k)、ΔKp、ΔKd的隸屬度函數(shù)如圖4所示，ΔKi的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖4 e(k)、∑e(k)、ec(k)、ΔKp、ΔKd隸屬度函數(shù)

圖5 ΔKi的隸屬度函數(shù)

根據(jù)如表1所示的PID參數(shù)模糊控制規(guī)律和工業(yè)鍋爐運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，歸納出各參數(shù)模糊控制規(guī)則，ΔKp模糊控制規(guī)則如表2所示，ΔKi模糊控制規(guī)則如表3所示，ΔKd糊控制規(guī)則如表4所示。

表2 ΔKp模糊控制表

表3 ΔKi模糊控制表

表4 ΔKd模糊控制表

3 汽包液位控制子系統(tǒng)的MATLAB仿真

本次研究通過MATLAB的SIMULINK分別使用模糊控制、PID控制以及模糊—PID控制在加入給水?dāng)_動(dòng)的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，設(shè)定液位值為45 mm，待系統(tǒng)穩(wěn)定后于500 s時(shí)刻加入給水?dāng)_動(dòng)，得到如圖6～圖8所示的仿真結(jié)果。

圖 6 PID控制模式仿真響應(yīng)曲線

圖7 模糊控制模式仿真響應(yīng)曲線

圖8 模糊—PID控制仿真響應(yīng)曲線

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在工業(yè)鍋爐液位高度為45 mm的情況下，模糊控制相對(duì)于PID控制來說，最大超調(diào)量變小，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少。在500 s時(shí)刻加入給水振動(dòng)后，模糊—PID控制超調(diào)量?jī)?yōu)勢(shì)更加明顯，并且響應(yīng)曲線變化更加平滑。在采用模糊控制方案的情況下，雖然能夠達(dá)到較低的系統(tǒng)超調(diào)量水平，但也存在明顯的弊端，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)存在靜差。模糊—PID控制則兼具模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)性能在調(diào)節(jié)時(shí)間體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控系統(tǒng)中模糊—PID控制技術(shù)的應(yīng)用方法，并將其應(yīng)用于汽包液位控制中，使工業(yè)鍋爐的穩(wěn)態(tài)性能得到了顯著的提升。在未來的研究工作中，還需要加強(qiáng)爐膛壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)和蒸汽溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的智能控制研究，進(jìn)一步提升工業(yè)鍋爐運(yùn)行控制的精確度水平。