改進(jìn)型模糊PID控制器在熱工控制系統(tǒng)中的仿真應(yīng)用

趙勝杰

【摘要】針對火電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變工況，大慣性及強耦合等特性，提出了一種基于改進(jìn)型模糊PID控制器的鍋爐燃燒系統(tǒng)控制方法。采用粒子群算法在線優(yōu)化模糊控制器的調(diào)節(jié)因子，克服燃燒控制系統(tǒng)因變工況數(shù)學(xué)模型難以求取的控制難點。將常規(guī)PID控制器、模糊自適應(yīng)PID控制器的仿真結(jié)果比較，表明改進(jìn)型模糊PID控制器輸出穩(wěn)定，控制精度高，魯棒性好。

【關(guān)鍵詞】熱工控制系統(tǒng)；改進(jìn)型模糊自適應(yīng)；粒子群算法

1、引言

大型火力發(fā)電單元機組的生產(chǎn)流程可以分為鍋爐的燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)。鍋爐的燃燒系統(tǒng)是提供熱量維持主汽負(fù)荷、保證燃燒經(jīng)濟(jì)性、安全性的重要控制系統(tǒng)。主汽壓力是衡量蒸汽量與外界負(fù)荷兩者是否相適應(yīng)的重要標(biāo)志。由于大型單元機組容量大，燃料品種多變，投入的磨煤機給煤機臺數(shù)不同，導(dǎo)致常規(guī)的PID控制器難以滿足實時控制的要求。

模糊控制器是一種控制結(jié)構(gòu)簡單的非線性控制器，具有很好的魯棒性、適應(yīng)性和容錯性，一些學(xué)者已經(jīng)將其應(yīng)用于火電廠熱工控制系統(tǒng)，但由于模糊控制本質(zhì)上一種非線性的PD控制，無法消除系統(tǒng)靜差。

2、改進(jìn)型模糊控制器基本原理

改進(jìn)型模糊控制策略的核心思想是，在保持模糊論域上模糊分割不變的情況下，根據(jù)輸入量誤差e和誤差改變量ec的值對模糊論域和隸屬函數(shù)進(jìn)行伸縮調(diào)整。設(shè)輸入變量xi和輸出變量ui的論模糊域分別為（-Ei，Ei）和（-Ui，Ui），（i=1，2，...n），變論域模糊控制器的論域及隸屬度函數(shù)隨輸入量變化而發(fā)生變化，其簡略表達(dá)形式為：

3、改進(jìn)型模糊自適應(yīng)PID控制原理

3.1模糊自適應(yīng)PID控制原理

模糊自適應(yīng)PID控制器一種模糊控制與PID控制的復(fù)合控制器，該控制器改變傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)Kp，Ki，Kd固定，無法跟隨誤差實時調(diào)整的缺點，提出了利用模糊控制器跟蹤誤差信號在線改變PID控制器參數(shù)的方法，提高了模糊控制的效果。

3.2粒子群算法尋優(yōu)原理

粒子群優(yōu)化算法（PSO）是一種仿生優(yōu)化算法，本文采用PSO對伸縮因子進(jìn)行搜索優(yōu)化，進(jìn)而提高改進(jìn)型PID控制器的控制效果，具體的優(yōu)化過程如下：待優(yōu)化的參數(shù)有αe，αec，βp，βi他們構(gòu)成了搜索空間的四個維度，隨機產(chǎn)生一組Xi，作為第一代初始種群，將Xi帶入目標(biāo)函數(shù)Q，計算適應(yīng)值。設(shè)粒子i在當(dāng)前尋優(yōu)中的最優(yōu)位置記為Xbesti=（xib1，xib2，xib3，xib4），相應(yīng)的適應(yīng)值記為Qbesti，則粒子i的當(dāng)前最好位置可以表示：

重復(fù)上述步驟，直至得到最優(yōu)解。

3.3改進(jìn)型模糊PID控制器

模糊自適應(yīng)PID控制器雖然可以修正原有PID控制器的控制參數(shù)，但是控制精度有限。本文采用標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法在線優(yōu)化模糊自適應(yīng)PID控制器的調(diào)節(jié)因子，結(jié)合了兩種控制器的優(yōu)點，可根據(jù)系統(tǒng)誤差大小實時調(diào)整模糊控制器的論域和系統(tǒng)輸出，提高系統(tǒng)控制精度。

4、仿真實驗

在某電廠300MW機組燃燒系統(tǒng)過程畫面做實驗，在裝入不同初始條件時采樣，采樣周期為5秒，采樣總時間為20分鐘。將得到的數(shù)據(jù)處理后，利用辨識算法在Matlab中得到不同負(fù)荷下該燃料控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

4.1改進(jìn)型模糊PID控制器的實現(xiàn)

本文選擇采用采用改進(jìn)的PSO算法對上述模糊自適應(yīng)PID控制器的輸入與輸出環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)因子尋優(yōu)，設(shè)置模糊控制器的模糊詞集為{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}，采用三角形隸屬函數(shù)，輸入變量e，ec的基本論域分別設(shè)為[-12，12]，[-6，6]，輸出變量的基本論域要根據(jù)PID控制器的參數(shù)設(shè)定。通過PID控制器參數(shù)整定方法，得到PID控制器的參數(shù)為δ=0.48，Ti=289，Td=0.0001。

因此模糊控制器的輸出 的基本論域應(yīng)該在比例、積分系數(shù)的一定范圍內(nèi)選擇，為了計算方便設(shè)為[-0.6，0.6]，[-0.012，0.012]，而輸入輸出對應(yīng)的模糊變量的模糊論域均為[-6，6]，采用最大隸屬度法去模糊化。根據(jù)公式（10）可以得到輸入變量的量化因子ke，kec分別為0.5，1；輸出變量的比例因子kp，ki分別為0.1，0.001。

4.2仿真結(jié)果

選取該電廠機組負(fù)荷為90%時，機組給煤量與主汽壓之間的數(shù)學(xué)模型如下：

為了驗證控制效果，與常規(guī)PID控制器，模糊自適應(yīng)PID控制器進(jìn)行仿真對比定值躍擾動下，有三種控制方式的系統(tǒng)輸出。對比三條曲線可以看出，改進(jìn)型模糊PID控制器在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能上都較明顯優(yōu)于另外兩種控制器，它的控制精度更高，曲線更平穩(wěn)。

4.3魯棒性驗證

在燃料控制系統(tǒng)中，分別選取機組負(fù)荷在80%、100%時的模型參數(shù)，保持模糊自適應(yīng)PID控制器和改進(jìn)型控制器的PID初值、控制規(guī)則、粒子群算法初值等不變的情況下，加入幅值為1的定值擾動，觀察兩種控制器的魯棒性。改進(jìn)后的控制器的魯棒性明顯優(yōu)于模糊自適應(yīng)PID控制器的魯棒特性。

5、結(jié)束語

本文結(jié)合變論域控制思想，融入粒子群算法，設(shè)計出了改進(jìn)型模糊PID控制器。采用標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法在線優(yōu)化模糊控制器的調(diào)節(jié)因子，改變控制器輸出的大小，從而減弱控制系統(tǒng)對模糊控制規(guī)則和控制系統(tǒng)模型的依賴，優(yōu)化了控制效果。

參考文獻(xiàn)

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