自適應(yīng)模糊PID控制在軸封壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

包偉飛

（浙能樂清發(fā)電有限公司，浙江 樂清 325600）

自適應(yīng)模糊PID控制在軸封壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

包偉飛

（浙能樂清發(fā)電有限公司，浙江 樂清 325600）

為了保證汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須控制軸封壓力大小在規(guī)定值。針對軸封系統(tǒng)壓力動態(tài)特性存在大延遲、大慣性、非線性的特點(diǎn)，提出了將模糊控制和PID控制相結(jié)合的策略，設(shè)計(jì)了軸封壓力模糊PID控制。仿真試驗(yàn)表明模糊PID控制具有較強(qiáng)的魯棒性及良好的控制品質(zhì)。

軸封壓力；模糊控制；PID控制；動態(tài)仿真

軸封系統(tǒng)的功能是在轉(zhuǎn)子穿出汽缸處，防止高壓蒸汽由汽缸泄漏出來或空氣漏進(jìn)汽缸，以提高機(jī)組熱效率。軸封壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是保證軸封壓力在規(guī)定的范圍值。當(dāng)軸封壓力波動較大時會導(dǎo)致自動退出，自動撤出后影響壓力調(diào)節(jié)質(zhì)量，壓力控制不穩(wěn)導(dǎo)致軸封系統(tǒng)自密封效果不好。壓力過高，將使油進(jìn)水，影響機(jī)組安全；壓力偏低，影響凝汽器真空，進(jìn)而影響排氣壓力，據(jù)調(diào)查排氣壓力每降低1 kPa，機(jī)組的熱耗率相對變化率減少1%［1］。對于660 MW機(jī)組，按照機(jī)組年平均運(yùn)行7 000 h，多發(fā)電4 620萬kWh，按照0.25元／kWh計(jì)算，則每年獲利1 155萬元。

目前機(jī)組軸封壓力控制系統(tǒng)普遍采用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，而軸封系統(tǒng)存在大滯后、非線性等特點(diǎn)［2］，難以準(zhǔn)確控制，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)明顯下降。當(dāng)前的PID策略不能迅速跟蹤變化，難以做到長期、穩(wěn)定投入自動運(yùn)行［3］。本文采用模糊控制智能算法對傳統(tǒng)的PID控制策略進(jìn)行優(yōu)化。模糊控制作為人工智能技術(shù)，具有較強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng)性，自動調(diào)整參數(shù)，利用隸屬度函數(shù)對輸入變量模糊化，結(jié)合模糊理論控制輸出，使其面對壓力的變化能自適應(yīng)快速調(diào)整參數(shù)，適合于類似壓力較復(fù)雜的控制系統(tǒng)［4］，能對擾動快速作出反應(yīng)，結(jié)合PID技術(shù)，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

1 軸封壓力動態(tài)特性

軸封壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要依靠軸封供汽調(diào)整門和放汽調(diào)整門對壓力進(jìn)行控制。在有擾動的情況下，存在閥門動作滯后、調(diào)節(jié)壓力波動大等特點(diǎn)，其動態(tài)特性復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型［5］。

在擾動的情況下，軸封壓力的動態(tài)特性可以近似表示為

式中：K為擾動時被控對象的增益系數(shù)；T為系統(tǒng)的時間常數(shù)；τ為系統(tǒng)的滯后時間。

2 模糊智能PID設(shè)計(jì)

PID技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制中［6－7］，其主要有兩種結(jié)構(gòu)：開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有更高的精度和穩(wěn)定性（見圖1）。對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用偏差減小偏差。

PID數(shù)學(xué)模型為

圖1 PID控制結(jié)構(gòu)圖

自適應(yīng)模糊PID技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是不斷對PID參數(shù)KP，KI，KD進(jìn)行優(yōu)化的過程［8－9］。應(yīng)用模糊集合理論，利用專家知識建立模糊規(guī)則，建立Kp，KI，KD同偏差E、偏差變化率EC間的函數(shù)關(guān)系：

根據(jù)誤差E和誤差的變化率EC實(shí)時計(jì)算出ΔKP，ΔKI，ΔKD，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自校正，以滿足不同E、EC對控制系統(tǒng)的要求。

模糊PID參數(shù)自整定控制結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 自適應(yīng)模糊PID控制原理

2.1 模糊PID參數(shù)整定方法

a.當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時，為了減少調(diào)節(jié)時間，盡快消除偏差，可以設(shè)置較大的比例參數(shù)KP和較大的積分參數(shù)KI。當(dāng)偏差與偏差變化率的方向相反時，為了盡快消除誤差和減小振蕩，可以將微分參數(shù)設(shè)置稍大一些；反之，則KD設(shè)置較小。

b.當(dāng)給定值與反饋值的偏差E適中時，設(shè)置過大的KP和KI容易導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)和震蕩，因此，不宜設(shè)置過大。如果此時E×EC＜0，相應(yīng)的微分參數(shù)KD可以設(shè)置稍大；反之，則適中。

c.當(dāng)系統(tǒng)偏差E較小或?yàn)榱銜r，為縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，KP的取值應(yīng)適中，KI要取小。若E× EC＜0，KP的取值應(yīng)偏小，反之，KP的取值應(yīng)適中。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

對于一個模糊控制器，首先通過模糊接口將輸入變量進(jìn)行模糊化才能利用模糊理論控制輸出。本系統(tǒng)的輸入變量為e、ec，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況論域設(shè)為［－3，3］，隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)，定義模糊子集形式為：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。O（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。針對本控制系統(tǒng)的變量特點(diǎn)，我們將模糊控制的輸出變量ΔKP，ΔKI，ΔKD的論域設(shè)置為［－3，3］，根據(jù)以上參數(shù)調(diào)整的原則設(shè)計(jì)模糊控制器，得到ΔKP，ΔKI和ΔKD的模糊控制規(guī)則表，見表1、表2、表3，其中表中項(xiàng)別橫向?yàn)閑，縱向?yàn)閑c。

表1 KP整定fuzzy規(guī)則集

表2 KI整定fuzzy規(guī)則集

表3 KD整定fuzzy規(guī)則集

模糊控制器的推理方法為Mamdani的“取大－取小”方法，利用重心法解模糊。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出的模糊自適應(yīng)PID控制策略的優(yōu)越性，通過模擬某一時刻軸封控制系統(tǒng)的動態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)分析。假設(shè)某一工況下，被控對象的模型為

利用Matlab軟件進(jìn)行編程，在Simulink環(huán)境進(jìn)行仿真，為了方便對比控制效果，將模糊控制的結(jié)果與PID控制器的輸出畫在一起，如圖3所示，綠色線代表PID控制，藍(lán)色線代表模糊PID控制。在PID控制中KP＝8，KI＝3，KD＝4。

圖3 模糊PID與PID控制輸出響應(yīng)

通過圖3，可以清晰的看出模糊PID控制（藍(lán)色線）輸出的效果要優(yōu)于PID控制，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)變化，即調(diào)整時間短，而且在控制穩(wěn)定性方面，過渡時間也明顯縮短，超調(diào)量明顯變小，振蕩現(xiàn)象得到有效控制。因此，模糊PID控制能更有效處理軸封壓力控制系統(tǒng)這種具有滯后的灰色系統(tǒng)。Fuzzy PID控制將大大減小軸封壓力波動，從而提高軸封壓力投自動效果，具有一定的可行性。

當(dāng)軸封系統(tǒng)受到擾動后，壓力對象特性發(fā)生改變，模糊規(guī)則重新整定得出一組參數(shù)，以適應(yīng)控制的需要。被控對象的模型變?yōu)?/p>

圖4 模糊PID與PID控制輸出響應(yīng)

對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖4所示，綠色線代表PID控制，藍(lán)色線代表模糊PID控制。

圖4中可以看到，由于被控對象特性發(fā)生了很大變化，傳統(tǒng)PID控制器響應(yīng)速度慢，超調(diào)量大，但是控制系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定，而模糊自適應(yīng)控制器仍保持著良好的控制效果，表明其具有更好的魯棒性和適應(yīng)性。

4 結(jié)束語

研究表明，本文采用的方法具有較好的控制效果。模糊智能技術(shù)克服了傳統(tǒng)PID技術(shù)在參數(shù)設(shè)置方面缺少自適應(yīng)性的缺點(diǎn)，而模糊PID控制具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度和較小的超調(diào)量，對于軸封壓力這種具有大延遲、大慣性系統(tǒng)，采用模糊PID控制能得到較好的控制效果，為電廠的智能控制提供了一種有效方法。

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Seal Pressure Control System Based on Self?adaptive Fuzzy PID Controller

BAO Wei?fei
（Zhejiang Energy Queqing Power Generation Co.，Ltd.，Yueqin，Zhejiang 325600，China）

Both the high and the low of turbine shaft seal pressure would affect turbine work concerning the safe and economy opera?tion.According to the characteristics of nonlinearity，large delay and time?varying of seal pressure control system，a strategy fuzzy con?trol combination of PID control is proposed，Seal Pressure Control fuzzy based on PID control has been designed.Results show the fuzzy PID control has good robustness and effectiveness.

Seal pressure；Fuzzy control；PID control；Dynamic simulation

TP273＋.4

A

1004－7913（2015）02－0060－03

包偉飛（1982—），男，學(xué)士，助理工程師，現(xiàn)從事火電廠熱工控制維護(hù)工作。

2014－11－28）