基于單沖量鍋爐汽包水位的高性能制器設(shè)計(jì)

蘭 揚(yáng) 陳雪華 / 重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院

基于單沖量鍋爐汽包水位的高性能制器設(shè)計(jì)

蘭 揚(yáng) 陳雪華 / 重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院

針對(duì)小型的工業(yè)鍋爐汽包水位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)改進(jìn)的不完全微分結(jié)構(gòu)與模糊PID結(jié)合的復(fù)合控制器。通過Matlab仿真：所設(shè)計(jì)的復(fù)合控制能很好抑制因擾動(dòng)突變引起的振蕩，系統(tǒng)無超調(diào)，快速性更好，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊PID控制。

汽包水位；不完全微分；模糊PID；仿真

工業(yè)鍋爐是現(xiàn)代工業(yè)的重要?jiǎng)恿υ?，其廣泛應(yīng)用于煉油、發(fā)電、化工、冶金、核工業(yè)等重要領(lǐng)域[1]，具有大滯后、非線性、多變量、強(qiáng)勢(shì)變等特點(diǎn)。鍋爐汽包水位是整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的重要控制量之一，若水位過高，蒸汽中的含水量增加，蒸汽品質(zhì)降低，不僅影響生產(chǎn)，還使過熱器管壁結(jié)垢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備；如果水位過低，當(dāng)負(fù)荷急劇增大時(shí)，水汽化的速度加快，若不及時(shí)控制，很容易形成“干燒”甚至爆炸[2]。目前，國內(nèi)外針對(duì)汽包水位主要采用的控制方式有PID控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、內(nèi)模控制、預(yù)測(cè)控制等[3]。本文結(jié)合各種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)小型燃?xì)忮仩t水位控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的不完全微分模型，并與模糊PID結(jié)合形成復(fù)合控制器，對(duì)鍋爐汽包水位實(shí)現(xiàn)精確快速控制。

1.控制對(duì)象模型構(gòu)建

小型工業(yè)燃?xì)忮仩t汽包的“虛假水位”現(xiàn)象不明顯，因此采用單沖量控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制即可，所謂單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測(cè)量信號(hào)為唯一的控制信號(hào)，即水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，作為被控對(duì)象的鍋爐汽包水位的數(shù)學(xué)模型為G（S）=0.0125/S（11.5S+1）[4]。

2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

對(duì)于工業(yè)鍋爐汽包水位這樣一個(gè)非線性、大滯后、多擾動(dòng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制效果不太理想，本文設(shè)計(jì)改進(jìn)的不完全微分結(jié)構(gòu)與模糊PID相結(jié)合，形成不完全微分-模糊PID復(fù)合控制。模糊PID控制利用模糊推理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的自整定，不完全微分用于抑制擾動(dòng)突變，提高控制品質(zhì)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。形成的復(fù)合控制器無法對(duì)微分參數(shù)進(jìn)行在線整定，因此本文設(shè)計(jì)如圖3所示的改進(jìn)型不完全微分結(jié)構(gòu)，這樣既可以抑制系統(tǒng)擾動(dòng)，在與模糊PID形成復(fù)合控制器時(shí)，又能對(duì)Kp、Ki、Kd三個(gè)重要控制參數(shù)均實(shí)現(xiàn)在線自整定，相比圖2結(jié)構(gòu)而言，還可以對(duì)系統(tǒng)誤差變化趨勢(shì)進(jìn)行抑制，使系統(tǒng)的控制性能更優(yōu)。

圖2 不完全微分常用結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)型不完全微分

2.3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)初始條件下誤差e和誤差變化率ec整定Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)；在實(shí)際控制過程中，誤差e和誤差變化率ec會(huì)不斷變化，始終用固定的參數(shù)進(jìn)行控制不易得到滿意的結(jié)果，因此需要再設(shè)計(jì)一個(gè)模糊推理系統(tǒng)，根據(jù)e和ec不斷變化，得到P、I、D三個(gè)參數(shù)的變化量△Kp、△Ki、△Kd與初始整定參數(shù)疊加，從而實(shí)現(xiàn)了控制過程中參數(shù)的自調(diào)整，從而提高控制性能。

設(shè)計(jì)模糊推理系統(tǒng)時(shí)，控制器的輸入誤差E、誤差變化率EC、輸出控制量△Kp、△Ki、△Kd的語言變量值均?。ㄘ?fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大），用符號(hào)表示分別為（NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB），其論域均設(shè)定為[-6，6]，量化等級(jí)均?。? 6 ，- 5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，- 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4， 5 ， 6 ｝ ，所有語言變量的各模糊子集的隸屬函數(shù)均取三角形隸屬函數(shù)，如圖4所示。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制則表[6]，如

2.2 不完全微分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

不完全微分其實(shí)質(zhì)是在控制器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)低通濾波器，即一階微分環(huán)節(jié)，從而抑制系統(tǒng)的突變。鍋爐汽包水位是一個(gè)多擾動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)各種擾動(dòng)主要以突變的形式產(chǎn)生，因此引入不完全微分有助于抑制擾動(dòng)引起的振蕩，提高控制品質(zhì)。目前工程上常用的不完全微分結(jié)構(gòu)形式如圖2所示[5]，長(zhǎng)期的工程實(shí)踐表明，該結(jié)構(gòu)對(duì)擾動(dòng)突變有較好的抑制，但是此結(jié)與模糊PID控制結(jié)合

圖4 隸屬函數(shù)

表1所示，采用重心法進(jìn)行解模糊，得到精確的參數(shù)變化量△Kp、△Ki、△Kd。

3.控制系統(tǒng)的仿真

表1 △Kp、△Ki、△Kd模糊控制規(guī)則表

本文采用SIMULINK對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，首先采用工程上常用的臨界比例法整定Kp、Ki、Kd，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不完全微分環(huán)節(jié)的參數(shù)選取為：Tα=10，Tf=0.5。在單位階躍響應(yīng)作用下，其響應(yīng)曲線如圖5所示，仿真結(jié)果可知，改進(jìn)的不完全微分-模糊PID復(fù)合控制器有效的抑制了因擾動(dòng)而產(chǎn)生的超調(diào)，具有更好的快速性和穩(wěn)定性。

圖5 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

4.結(jié)論

本文針對(duì)小型工業(yè)燃?xì)忮仩t汽包水位系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)了改進(jìn)型不完全微分與模糊PID形成復(fù)合控制器，該控制器既能實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的實(shí)時(shí)整定，又能抑制汽包水位系統(tǒng)因擾動(dòng)突變產(chǎn)生的振蕩和不穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，復(fù)合控制器的控制幾乎無超調(diào)，快速性和穩(wěn)定性更高，效果優(yōu)于單純的模糊PID控制器。

[1]劉美,陳山羊,張翼誠.基于PCS7的鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2015,25(6):50-53.

[2]王富強(qiáng). 工業(yè)燃?xì)忮仩t控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[D].東華大學(xué)，2011.

[3]楊長(zhǎng)亮.基于模糊 PID 控制的燃?xì)鉄崴仩t控制系統(tǒng)的研究[D]. 電子科技大學(xué)，2010.

[4]李祖欣. MATLAB 在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003.15（1）:132-134.

[5]袁浪，周少林，劉偉偉. 不完全微分 PID 算法在線材活套控制中的分析與運(yùn)用[J].電氣自動(dòng)化，2014，36（2）：25-27,42.

[6]宋樂鵬，董志明，向李娟，等. 變量噴霧流量閥的變論域自適應(yīng)模糊PID控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（11）：114-118.