PID智能模糊自整定控制器在SG水位控制中的應(yīng)用

魯建梁，張廣福

（海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢430033）

蒸汽發(fā)生器（SG）的“假水位”現(xiàn)象使SG的水位控制變得復(fù)雜，常規(guī)PID控制難以取得滿意的控制效果。而模糊控制可以將人的經(jīng)驗、智慧總結(jié)提煉成模糊規(guī)則，模仿人的控制經(jīng)驗而不依賴對象的模型進行直接推理［1］，因此，它的控制效果優(yōu)于常規(guī)PID。以SG水位為控制對象設(shè)計SG水位模糊自適應(yīng)PID控制器。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高，響應(yīng)快，超調(diào)小等特點。

1 傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器PID控制

在蒸汽發(fā)生器水位控制中，早期采用三沖量單PID控制方法。三個沖量分別是水位反饋信號、給水流量反饋信號和蒸汽流量前饋信號。三沖量信號經(jīng)相應(yīng)的比例變換后，其差值e＝K（ZQ-GS）-H+H0（ZQ為蒸汽流量，GS為給水流量，H0為水位給定值，H 為水位測量值）作用到PI調(diào)節(jié)器而輸出一個給水流量的控制信號，從而改變給水調(diào)節(jié)閥開度，使給水流量發(fā)生變化，以達到控制水位的目的，控制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 蒸汽發(fā)生器三沖量水位控制系統(tǒng)框圖

另一種方法是雙PID串級控制，見圖2。

圖2 蒸汽發(fā)生器水位串級控制系統(tǒng)框圖

其原理是：內(nèi)環(huán)采用一個流量PID控制器，外環(huán)采用一個水位PID控制器。在變負(fù)荷時，不考慮水位信號的作用，而通過流量PID環(huán)節(jié)使蒸汽流量與給水流量快速達到基本平衡，使系統(tǒng)基本穩(wěn)定，從而避開“假水位”對系統(tǒng)控制的影響。當(dāng)“假水位”過程結(jié)束，系統(tǒng)基本穩(wěn)定后，水位信號再重新參與控制，由水位PID調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)。

但是，由于在對蒸汽發(fā)生器水位進行實際控制的過程中存在慣性、非線性以及測量誤差等問題，且不同工況下水位特性參數(shù)變化范圍廣，因此PID的參數(shù)很難整定，難以滿足全工況的要求，且難以同時兼顧良好的動態(tài)特性和良好的靜態(tài)特性。

2 PID智能模糊自整定控制

2.1 模糊PID控制器的設(shè)計思想

常規(guī)數(shù)字增量式PID控制器形式如下［2］：

式中：Kp，Ti，Td——比例、積分、微分作用參數(shù)；

T——采樣時間。

針對不同對象和工況，Kp，Ti，Td的參數(shù)需要及時調(diào)整，文中參數(shù)的調(diào)整由模糊推理器來自動完成。為了滿足PID控制器中Kp，Ti，Td參數(shù)能隨對象和工況自動調(diào)整，使控制達到滿意的效果，設(shè)計了一個模糊推理器，根據(jù)偏差E和偏差變化率Ec實時調(diào)整Kp，Ti，Td這3個參數(shù)。

2.2 模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整PID控制器和模糊推理系統(tǒng)兩部分組成。模糊自適應(yīng)PID控制器是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，采用模糊推理方法實現(xiàn)參數(shù)Kp，Ti，Td調(diào)整，以滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對PID參數(shù)自調(diào)整的要求。利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進行自動調(diào)整便構(gòu)成了模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)［1］，結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 PID參數(shù)模糊自調(diào)整規(guī)則表

模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表。根據(jù)對已有控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)，可以得出PID參數(shù)Kp，Ti，Td的自整定規(guī)則見表1～3。

表1 Kp的模糊規(guī)則表

表2 Ti的模糊規(guī)則表

表3 Td的模糊規(guī)則表

2.4 Kp，Ti，Td 的自適應(yīng)校正

將誤差E和誤差變化率Ec變化范圍定義為模糊集上的論域。E，Ec＝｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。其模糊子集為E，Ec＝｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。設(shè)E，Ec和Kp，Ti，Td均服從正態(tài)分布，可得各模糊子集的隸屬度，見圖4。

圖4 E，EC，Kp，Ti，Td 的隸屬函數(shù)

根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計算：

在線運算過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊控制規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。工作流程見圖5。

圖5 在線自校正工作流程圖

2.5 模糊自整定PID控制及仿真

蒸汽發(fā)生器水位模糊自整定PID控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 模糊自整定PID控制

模糊自整定PID控制和傳統(tǒng)PID控制進行比較。在仿真實驗中，蒸汽發(fā)生器水位的給定值不變（0mm），而負(fù)荷按照典型工況變化（蒸汽發(fā)生器負(fù)荷從100%降到30% ；穩(wěn)定后，再按每分鐘10%的負(fù)荷快速升到100%）。圖7為仿真實驗結(jié)果，其中實線為傳統(tǒng)PID控制的響應(yīng)曲線，虛線為模糊自整定PID控制的響應(yīng)曲線。由仿真實驗結(jié)果可以看出，模糊自適應(yīng)PID控制方案具有響應(yīng)快，超調(diào)量小，振蕩少等優(yōu)良特性［2］。

圖7 蒸汽發(fā)生器水位響應(yīng)曲線

3 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PID控制能夠?qū)崟r調(diào)整Kp，Ti，Td3個參數(shù)，因此系統(tǒng)超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，振蕩少，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更為精細。與傳統(tǒng)PID控制相比，模糊自適應(yīng)PID控制器各項性能指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，在蒸汽發(fā)生器水位控制中取得了滿意的效果。

［1］莊利鋒，楊慧中.模糊控制器在高階水位控制中的設(shè)計及應(yīng)用［J］.東 南 大 學(xué) 學(xué) 報，2004，34：166～168.

［2］王正林，郭陽寬.過程控制與Simulink應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.