基于模糊PID的鍋爐液位控制系統設計

任秋怡，劉景霞

（內蒙古科技大學，內蒙古自治區 包頭 014000）

鍋爐作為一種重要的能量轉化裝置，它可以為工業生產和家庭取暖等生產制造服務。“十二五”中所提出的節能環保目標，其自動化控制水平低、能耗高、污染嚴重。隨著社會的發展和人們的物質生活質量的提高，人們對能量的要求越來越高，同時鍋爐的數目也越來越多。鍋爐的工作品質對能耗的利用有很大的影響。通過對各關鍵控制指標的自動調節，確保其在最佳狀態下的連續工作，實現了對機組的實時監控。

采用計算機進行鍋爐的控制已經被證實是一種有效的能源節約方法，而且采用計算機進行鍋爐的操作也可以減少環境污染，降低氧化燃燒率，提高自動化水平，提高工人的工作環境。通過對各關鍵控制指標的自動調節，確保其在最佳狀態下的連續工作，實現了對機組的實時監控。

1 鍋爐液位模糊控制系統的基本結構

模糊控制系統可以大致分成五大類：①模糊控制器：模糊控制的核心部分。一般采用微型計算機，可按系統要求選擇系統機、單板或單片機。在模糊控制中，運用了以知識表達和規則邏輯為基礎的基于言語的控制器，以區別其他的控制方式。②輸入/輸出接口裝置：該模糊控制器從該控制物體獲得數字信號的數量，該數字信號由該模糊控制器的數字-模擬變換成該模擬信號，該控制目標由該控制對象向該執法機構發送。③執行機構：由各類交直流電動機、伺服馬達、步進馬達、氣動控制閥、液壓機構等組成。④被控對象：指生產、自然、社會組織等的一種設備或裝置，及其組合或狀態的轉化。可以有很多種情形：線性或非線性，恒定或時變，單變量或多變量，延遲或非延遲，強干擾。⑤傳感器：一種將被控制的物體或各個處理的控制的數量轉變成電子訊號（或模擬或數碼）的設備。控制量一般為非電性的，例如溫度，壓力，流量，濃度，濕度等。

2 鍋爐液位模糊PID控制系統設計

2.1 模糊控制系統設計

模糊控制器是以人的控制體驗為控制對象，以模糊集合、模糊語言變量、模糊邏輯等為控制方法，以計算機數字化技術來完成。

將人的經歷用一種有模糊的條件表達出來，用一種模糊集的方法對其進行定量，并利用模糊邏輯來實現對其進行實時分析。生成對應的控制決定，即模糊控制器的工作流程。

其基本結構如下圖1所示：

圖1 模糊控制器的基本結構

從圖中可以看到，模糊控制包括模糊、知識庫、模糊推理和解模糊四大模塊。

下面對其分別詳細說明：

（1）模糊化。模糊性是指在輸入E與EC中基于輸入變量的模糊子集中的從屬關系，即在每一種語言中，為的是把準確的輸入“模糊”為其他的語言數值。由于模糊控制器的輸入信號要具有一定的含糊性，因此可以作為模糊控制器的輸入界面。

（2）知識庫。知識庫是模糊控制器中一個非常關鍵的環節，是建立在有一定技術基礎上的，有一定的實踐知識，有一定的控制目的。一般包含：根據資料庫及管制法則進行組態。數據庫中包含了全部需要的定義，其中包含了全部的輸入和輸出的論域的定義，并且將在該論域中所限定的規則庫中的所有的模糊子集都保存在該資料庫中。在進行模糊邏輯推理時，由數據庫將所需資料輸入到推理引擎中。在模糊性和解模糊性界面被模糊性和解模糊性時，資料庫也會為這個對話的領域所需要的資料。

模糊控制原則是以人為操縱者多年的控制經驗為基礎，結合本領域的專業知識為基礎，建立了控制目標的知識模式。在模糊控制器的設計中，模糊控制原則是關鍵。一般采用經驗總結的方式來構建模糊控制律。經驗總結是將模糊法則系統分類、加工、提煉為一種基于人類的控制體驗和本能的推理而形成的一種模糊系統。這些法則基本上是用文字來說明人的控制。在有很大的偏差時，要盡量減少控制量的變動，除了要在很短的時間內排除這些偏差之外，還要考慮到控制的穩定性和控制的數量。為了避免不一致，必要的過調乃至震動，也需要對該體系進行考慮。

（3）模糊推理。它利用模糊的觀念來模仿人類的邏輯。由于一條模糊控制法則其實是一套多條狀態陳述式，因此，該規則可以用一種從一個輸入變量到一個控制量的函數來表達。通過合理的邏輯推理，把輸入的模糊矢量和模糊函數綜合起來，從而獲得被控對象的模糊矢量。

（4）解模糊。解模糊是一種反模糊性的方法，它把從模糊邏輯中獲得的控制量（模糊度）轉換成真實的控制量。該報告由兩個方面組成：將所述模糊控制量解模糊成代表所述語言范圍的所述給定數量；把表達在言語中的明確性轉換成現實的控制力。

2.2 模糊PID控制器設置

2.2.1 模糊PID控制的基本形式

通過引入錯誤ee和錯誤ec的變量，確定 PID三個參量及e和ec之間的模糊聯系，從而實現了三個參數的實時校正，從而實現了對 PID的實時跟蹤。動態與靜態的表現。它的構造見圖2：

圖2 模糊自整定PID控制系統框圖

從直接的物理含義出發，模糊PID控制可以分成增益調整型、直接控制和混合控制三種。

（1）增益調整型模糊PID控制器。這種控制器的實際值與增益值的大小是一致的，而三個增益的數值是由模糊法則來實現的。控制系統的聯機辨識通常有兩種方法。一是通過模糊規則進行實時的在線辨識；二是通過網絡的接近和自我學習：通過訓練和控制被控物體的反模式來取代被控過程。

（2）直接控制量型模糊PID控制器。在PID原則的作用域中，若該控制系統的輸入為控制操作，那么該控制器就是一種直接控制。Mann等歸納出12種類型的控制器，由于其各自的控制作用不同，因此可以將其看作是單獨的。

（3）混合型模糊 PID 控制器。混合型模糊可以采用各種不同的方式來實現混合 PID控制。一些研究者建議采用基于模糊控制的方法來實現初始的快速反應，再利用常規的 PID控制器對其進行精確的調整。該 PID控制器與 PID控制器相比，其動態響應速度更高，且在穩定性方面優于傳統 PID控制器。但是，在什么時候和怎樣進行非干擾轉換將會成為一個問題。通過對 PD模型進行連接，可以有效地克服 PD控制中存在的穩定錯誤。1983年， W· L· Bialkowshi設計了一種混合PID控制器，該 PID控制器是一種傳統 PI和2 D PID并聯法。Visioli采用了一種基于Astrom和 Hagglund的改進型 PID控制策略，利用兩維的模糊邏輯對“動態”設定點進行權重因子的求解，其結果優于傳統的靜止定量法。混沌 PID控制的替代方案。將 PID和 Fuzzy的 PID控制結合起來，可以看成是一種混沌 PID控制。

2.2.2 模糊PID控制器的設定

在此基礎上，可以根據實際情況，進行 PID控制的應用，以下是模糊 PID控制系統的具體實現過程：

①對模糊PID控制系統的輸入、輸出參數進行判定。在控制系統中，通常采用基于錯誤E和錯誤EC改變的兩個參數構成的 PD控制器，而輸出參數的選取通常是遞增的。一般情況下， PID控制器的控制器是KP，KI，KD，取其增量ΔKP，ΔKI，ΔKD為輸出量。②確定各個輸入輸出變量的變化范圍，并據此確定量化等級、量化因子和比率因子。③在量化的各個變量中，確定一個模糊性的子集合。④對模糊控制規律的判定。在選擇模糊控制時，必須遵守一定的準則，以確保所輸入的控制器能夠滿足系統的動態與靜態特性。⑤查找模糊控制表。模糊控制器的輸出由步驟4的模糊控制原則和步驟2和3步驟所決定的輸入/輸出參數得到。這些數據是 PID的調節，根據輸入數據之間的某種聯系，組成了一張模糊的控制表。⑥將取樣后的誤差及誤差變化量代入第2步和第3步后的模糊控制規則，獲得 PID的新的參量，最后由 PID算法進行運算，得出最后的控制結果。也就是說，這是一個可以操控的數字。⑦在對模糊 PID的控制特性進行分析后，基于模擬效果或試驗的結論，對量化系數和標度系數進行調節，使其達到預期的控制效果。

根據以上方法和具體的設計方案，可以根據用戶要求，實現 PID控制器的自動調節。

3 小結

利用MATLAB模擬程序實現了對該模糊控制器進行圖形化模擬，可以直觀、簡潔地有效地減少了該控制系統的開發周期。鍋爐液位控制是常量的調節，所以其精度比較差，應用該方法可以實現鍋爐的最佳或近似最佳的動態操作狀態，從而達到良好的控制效果。