基于模糊算法的加熱爐溫度控制系統(tǒng)探究

侯云輝，孟廷豪

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

加熱爐是石油、 化工和化纖行業(yè)中重要的熱工設(shè)備，其控制對象具有非線性、時變性和純滯后等特點。近年來，對加熱爐溫度的過程控制是流程中極為常見的控制對象， 其涉及到燃料與助燃風(fēng)量的比值控制、 出爐煙氣中殘氧量控制和各種主要過程變量的定制控制等都已經(jīng)基本實現(xiàn)， 為了減小加熱爐出口溫度的波動和更好地提高爐子的熱效率， 加熱爐的控制重點已從傳統(tǒng)的PID控制轉(zhuǎn)移到追求某種性能指標(biāo)的優(yōu)化控制方面。

加熱爐的工藝過程概括為：物料流經(jīng)排列爐膛四周的爐管后，加熱到工藝所要求的溫度。 通常采用的控制方法是傳統(tǒng)PID控制， 傳統(tǒng)PID控制器具有用途廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活，適應(yīng)性較強、魯棒性好、對被控制對象特性的變化不敏感等特點， 但由于加熱爐受控溫度通常具有非線性、時間常數(shù)大的特點，且擾動的因素多， 參數(shù)整定方法復(fù)雜， 常規(guī)單回路PID反饋控制系統(tǒng)難以達到理想的控制效果，不能滿足工藝對加熱爐出口溫度的要求。

為了提高控制質(zhì)量，筆者提出將傳統(tǒng)的PID串級控制和模糊控制有機地結(jié)合， 設(shè)計出一種自適應(yīng)模糊PID控制方法。 該控制方法既具有傳統(tǒng)PID控制精度高的特點，又具有模糊控制的響應(yīng)速度快、抑制超調(diào)和適應(yīng)性強的特點。

1 雙交叉串級控制

為提高熱效率，保證燃料與空氣達到最佳配比，最常用的方案之一是雙交叉串級比值控制， 其原理是燃料流量、 風(fēng)量設(shè)定值和出爐煙氣中的殘氧量成簡單的比值關(guān)系，特點是當(dāng)熱負(fù)荷增加時，為保證燃燒所需的氧量充足，需先增加風(fēng)量設(shè)定值，再增加燃料量設(shè)定值，防止風(fēng)量不足，燃燒不充分冒黑煙；當(dāng)熱負(fù)荷降低時，先降低燃料流量設(shè)定值，后降低風(fēng)量設(shè)定值，減少煙氣熱損失；當(dāng)空氣回路出現(xiàn)故障時，啟動程序中的安保聯(lián)鎖系統(tǒng)將燃料自動切斷， 避免危險。

雙交叉串級控制是在單交叉的基礎(chǔ)上增加一個比較選擇的過程，即最大選擇器和一個最小選擇器，其目的是保證燃燒反應(yīng)過程中有充足的氧量， 當(dāng)爐溫當(dāng)前值低于設(shè)定值， 需要增加燃料流量時先增加風(fēng)量；而當(dāng)爐溫當(dāng)前值高于設(shè)定值，需要減負(fù)荷時先減小燃料流量、再減風(fēng)量。該方法己經(jīng)在工業(yè)燃燒控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用， 確保燃料的空燃比在規(guī)定的范圍內(nèi)，使燃料充分燃燒，燃料、風(fēng)、殘氧配比達到最佳，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，且這一目的可以在動態(tài)過程中實現(xiàn)。加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串級比值控制系統(tǒng)示意圖

2 自適應(yīng)模糊PID控制器

傳統(tǒng)PID控制的關(guān)鍵在于優(yōu)化PID的三個參數(shù)Kp、Ki和Kd，三個參數(shù)一旦設(shè)定，在整個PID控制過程中是不會隨著環(huán)境因素的變化而變化的， 這會使因外部擾動導(dǎo)致控制對象遠(yuǎn)離設(shè)定值，若PID參數(shù)能隨著系統(tǒng)環(huán)境等因素的變化而自適應(yīng)地調(diào)整， 對于系統(tǒng)控制來說將會達到較好的控制效果。本文中，采用模糊控制來修正PID參數(shù)。

自適應(yīng)模糊PID控制器是以PID控制器為核心算法的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變化率ec作為模糊推理的輸入量，通過參數(shù)修正環(huán)節(jié)將模糊推理后的PID控制器的三個參數(shù)Kp、Ki、Kd進行參數(shù)調(diào)整，來滿足不同時刻的誤差e和誤差變化率ec對PID參數(shù)自整定的要求。 利用模糊推理規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改修正，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

自適應(yīng)模糊PID的自整定是找出PID參數(shù)（Kp、Ki、Kd）與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在系統(tǒng)運行過程中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制的基本原理對PID三個參數(shù)進行在線修正，為滿足控制參數(shù)的不同要求而找到對應(yīng)不同的e和ec，從而使被控對象具有良好的動靜態(tài)性能， 模糊控制的核心是通過設(shè)計人員掌握的技術(shù)和實操經(jīng)驗總結(jié)歸納出一套完整的控制規(guī)則， 建立適合實際情況的模糊規(guī)則表，得到針對控制對象PID的三個參數(shù)Kp、Ki、Kd分別整定的模糊規(guī)則表。

3 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)Matlab仿真

在Matlab軟件的菜單中輸入fuzzy命令， 可進入模糊推理系統(tǒng)的高層顯示FIS編輯器，該編輯器擁有最高權(quán)限，即可訪問其他所有的編輯器，可調(diào)用其它編輯器來對其操作， 并以最靈活的方式與模糊控制系統(tǒng)進行交互。通過這個工具，不需要進行多么復(fù)雜的模糊化、模糊推理過程及反模糊化運算，只需要設(shè)置不同的論域和語言值， 不同形式的隸屬度函數(shù)及根據(jù)實際經(jīng)驗和分析得出的模糊規(guī)則表， 就可以很快得到我們控制系統(tǒng)所需要的模糊控制器， 而且修改也非常方便。

在FIS圖形窗口創(chuàng)建一個兩輸入（e、ec）和三輸出（Kp、Ki、Kd）的模糊控制器，如圖3設(shè)輸入（e、ec）的論域值均為（-3，3），輸出（Kp、Ki、Kd）的模糊論域為（-3，3），取相應(yīng)論域上的語言值為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）和正大（PB），而令所有輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均如圖4舉例所示， 圖5為PID控制的三個參數(shù)（Kp、Ki、Kd）的部分模糊控制規(guī)則。

圖3 模糊控制器窗口圖

圖4 e的模糊論域和隸屬函數(shù)圖

圖5 模糊控制規(guī)則圖

加熱爐爐溫、燃料調(diào)節(jié)閥、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的近似傳遞函數(shù)均可表示為：

為簡易仿真過程，將延遲環(huán)節(jié)去掉，構(gòu)建自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的仿真模型（如圖6所示），并且給出其相應(yīng)部分的子系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖（如圖7所示）。在設(shè)計模糊控制器時使用了多臺示波器（如圖8所示），方便觀察系統(tǒng)的各參數(shù)變化，了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后整定系統(tǒng)參數(shù)。 兩者的仿真比較結(jié)果如圖9所示。

圖6 自適應(yīng)模糊PID和PID串級結(jié)構(gòu)比較圖

圖7 Fuzzy PID系統(tǒng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 Fuzzy PID子系統(tǒng)使用示波器監(jiān)測圖

從圖9可以看出， 實線曲線是自適應(yīng)PID模糊控制響應(yīng)曲線， 虛線曲線是常規(guī)PID串級響應(yīng)曲線，比較兩者的仿真結(jié)果，無論是穩(wěn)定性還是收斂時間，前者均要優(yōu)于后者，說明模糊PID控制器較好解決了被控對象因干擾等其他因素引起的突變而存在時變性和滯后性的問題，有效地克服了收斂慢，不易達到最優(yōu)的缺點。降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，并且減少了調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零。

圖9 自適應(yīng)模糊PID和PID串級控制的響應(yīng)曲線圖

將被控對象系統(tǒng)的放大系數(shù)值K由原先的K=1改為K=1.9， 兩種控制器作用下的響應(yīng)如圖10所示，PID串級控制下的波動非常大， 產(chǎn)生了很大的超調(diào)，經(jīng)過很長時間才穩(wěn)定，而模糊PID控制下的系統(tǒng)相對超調(diào)幾乎為零，很好地實現(xiàn)了對系統(tǒng)的控制。

圖10 被控對象的放大系數(shù)改變后的響應(yīng)曲線圖

如圖11所示， 將圖6結(jié)構(gòu)中的干擾源01和干擾源02設(shè)置sine正弦波，振幅150（正弦點劃線即是），比較兩者的抗干擾能力。 在擾動相同的情況下，自適應(yīng)模糊PID控制和傳統(tǒng)的PID相比，較明顯地改善了被控過程的動態(tài)特性， 具有較強的抗擾動能力，準(zhǔn)確及時地對系統(tǒng)的控制對象因擾動而產(chǎn)生的誤差進行了校正。

圖11 加入正弦波干擾源后的響應(yīng)曲線圖

4 結(jié)論與展望

把常規(guī)PID串級控制與普通模糊控制理論的優(yōu)點有機地結(jié)合起來， 可以有效地發(fā)揮各自的特點和優(yōu)勢。改進后的PID串級控制，系統(tǒng)的響應(yīng)過程加快，響應(yīng)速度大大提高，調(diào)節(jié)精度提升，同時穩(wěn)態(tài)性能降低，抑制超調(diào)量使其幾乎為零，這是單純的PID雙交叉串級所不具備的。同時，這種控制器具有良好的抗干擾能力和適應(yīng)能力。 對于大慣性、純滯后、時變性強的加熱爐的控制系統(tǒng)而言， 有較高的理論價值和應(yīng)用價值。

目前，加熱爐項目大多采用西門子S7-300和S7-1500系列PLC，可利用Step7和TIA博途軟件實現(xiàn)本文中的模糊自適應(yīng)控制算法， 使用FB功能塊來創(chuàng)建模糊自適應(yīng)控制器， 由多個FC子程序塊組成，DB塊作為FB的背景數(shù)據(jù)塊存儲各種數(shù)據(jù)。 在現(xiàn)有的程序基礎(chǔ)上增加若干模塊，見表1。

表1 爐溫控制相關(guān)程序塊基本情況

將自適應(yīng)模糊PID的控制方法應(yīng)用到實際項目中， 出口溫度的升溫曲線更加接近實際生產(chǎn)工藝過程中要求趨勢， 能夠最大限度的保證加熱爐在良好的狀態(tài)下工作，由于超調(diào)量幾乎為零，使得燃?xì)獾膿p耗減少，降低了能源消耗。