模糊PID控制在循環流化床鍋爐燃燒系統中的設計及仿真

張心人境，孟亞男*,高思航**,姬慶寬

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.長垣盾安節能熱力有限公司 生技部，河南 新鄉 453400)

循環流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Boiler，簡稱CFBB)燃燒技術是眾多燃煤技術中最受歡迎的清潔煤技術.循環流化床鍋爐的結構非常復雜，這使得其控制比傳統鍋爐更困難.從控制的角度而言，它屬于多輸入多輸出系統，具有強變量、非線性和大滯后性.與傳統煤粉鍋爐相比，其控制系統更復雜，需要完成更復雜的控制任務.

模糊PID控制算法就是為了解決在工業實際中遇到的一些復雜控制系統的問題，因為復雜系統非線性的特點，常規PID算法去解決這類問題的效果并不是太好.首先分析了循環流化床鍋爐燃燒系統的工藝流程與工作方式，隨后提出模糊PID控制方案，選用MATLAB軟件進行仿真,通過仿真曲線得出模糊PID在循環流化床鍋爐燃燒系統中具有良好的控制效果.

1 循環流化床鍋爐燃燒系統

1.1 循環流化床鍋爐工藝流程

循環流化床鍋爐是一個分布參數、強耦合、多變量的復雜控制對象[1].循環流化床鍋爐的工藝流程如圖1所示.煤和石灰石經過碎煤機被送入爐膛，在一次風的作用下進行燃燒，一次風作為流化風能將煤和脫硫劑在爐膛內充分燃燒，呈流化狀態；未燃燒完全的小顆粒煤灰先是在旋風分離器的作用下與煙氣分離，然后在二次風的帶動下回到爐膛再次燃燒，而分離的煙氣則通過除塵器排入大氣.

圖1 循環流化床鍋爐工藝流程

1.2 循環流化床鍋爐被控對象的動態特性

在循環流化床鍋爐燃燒系統的運行中，床溫和主蒸汽壓力是最主要的兩個變量，所有調節和控制也都圍繞床溫和主蒸汽壓力來設置[2].以循環流化床鍋爐的床溫為研究對象，通常將床溫控制在850～950 ℃為宜.影響床溫變化的因素很多，如煤質、上風量、給煤量、料層厚度等，但主要因素是給煤量和一次風量的干擾[3].在給煤的階躍擾動下，循環流化床鍋爐的床溫模型可通過參數辨識獲得，如下所示：

(1)

在一次風量的階躍擾動下，循環流化床床溫的傳遞函數通過參數辨識得到為：

(2)

2 模糊PID控制系統的設計

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制原理如圖2所示.

圖2 模糊PID控制原理圖

采用二維模糊控制器，即具有兩個輸入、3個輸出，選取偏差e和偏差變化率ec模糊控制器的兩個輸入信號，Kp、Ki、Kd作為模糊PID控制器的輸出信號[4].

2.2 模糊PID控制器的設計

模糊控制器的輸入量e和ec是精確量，所以需要將其進行模糊化，設定偏差e和偏差率ec的模糊論域均為[-6,6]，基本論域都為[-100,100]，所以偏差e和偏差變化率ec的量化因子為6/100=0.06[5].令輸出變量Kp、Ki、Kd的模糊論域均為[-3,3]，輸出變量的因子需要在仿真調試中確定.設定輸入量e和ec及輸出量Kp、Ki、Kd的模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}[6]，選擇英文首字母作為縮寫：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.隸屬函數都屬于分布均勻的三角函數，三角函數運算簡單快捷.

模糊控制器參數自調整原則如下：

(1)當偏差e超限時，增大Kp，減小Kd，系統可以快速收斂至穩態，通常取Ki=0，可以利用減少積分作用來使超調變小.

(2)當誤差e趨中時，可以適當地增大或者減小Kd，Kp需要降低，因為Kp更能夠影響系統的穩定，將系統的超調降低，Ki可以適當進行調節.

(3)當誤差e非常小時，適當增大Kp和Ki，為了保證系統保持穩定并且穩定后不再出現震蕩，假如誤差偏差率過大，減小Kd；反之誤差變化率較小，那么Kd可以適當增大.

結合上述控制原則，制定以下模糊規則.分別如表1～3所示.

表1 ΔKp自整定規則表

表2 ΔKi自整定規則表

表3 ΔKd自整定規則表

模糊控制器選取二維輸入控制，輸入各有7個變化量，故模糊控制器控制規則應有7×7共49條控制語句.

在模糊控制規則編寫頁面中按照上述表1～3輸入控制規則，編輯界面如圖3所示.

圖3 模糊控制規則的編寫

3 模糊PID控制系統的仿真

以在給煤量為擾動下得到的床溫控制模型為例，設計模糊PID控制系統.根據經驗法可以得出PID的初始值分別為KP=1.6，Ki=0.005，Kd=40.系統仿真控制如圖4所示.系統的響應輸出曲線如圖5所示.

圖4 常規PID和模糊PID控制的仿真控制

時間/s圖5 常規PID和模糊PID控制的仿真對比圖

由以上仿真圖對比分析可以看出模糊PID的控制效果明顯具有優勢，和常規PID相比較可知，模糊PID超調小、響應速度快、調節時間短，顯示出模糊PID控制系統的優越性[7-8].

4 結 論

建立了循環流化床鍋爐燃燒系統的床溫模型，設計模糊PID控制器對床溫模型所存在的非線性和滯后性進行優化控制.通過與常規PID的仿真對比得到模糊PID控制器的控制性能更加優越，結果驗證模糊PID控制系統對于解決此類復雜問題具有可行性.