基于模糊PID的串級(jí)溫度控制系統(tǒng)研究

賀成杰 蔡天賜 鄒洪武 王黨旗 馬德?tīng)I(yíng)

基金項(xiàng)目：“十三五”全軍共用信息系統(tǒng)裝備專用技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目（31512080305）

摘要：鑒于過(guò)熱汽溫具有大遲延、大慣性和時(shí)變等特點(diǎn)，用常規(guī)的PID串級(jí)來(lái)控制過(guò)熱汽溫很難滿足生產(chǎn)要求。因此，在PID串級(jí)控制系統(tǒng)中引入模糊控制，使得過(guò)熱汽溫系統(tǒng)的控制品質(zhì)大幅提高。結(jié)果表明，與常規(guī)的PID串級(jí)控制系統(tǒng)相比，模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等方面改善效果顯著。

關(guān)鍵詞：模糊控制；PID串級(jí)控制；過(guò)熱汽溫；控制品質(zhì)

中圖分類號(hào)：TP273+.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0046-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.012

0? ? 引言

當(dāng)前PID控制仍然是控制過(guò)熱汽溫的主流方法。基于過(guò)熱汽溫大遲延、大慣性和時(shí)變等特點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生較大變化時(shí)，其對(duì)過(guò)熱汽溫對(duì)象的模型參數(shù)有較大影響。因此，常規(guī)的PID控制難以取得令人滿意的控制效果[1]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種新的過(guò)熱汽溫系統(tǒng)的控制方案：將模糊控制器和常規(guī)的PID控制器相結(jié)合作為主控制器。結(jié)果表明，新的控制方案較傳統(tǒng)的PID控制方案有更好的控制品質(zhì)，即使在變工況的條件下也能達(dá)到較好的控制效果。

1? ? 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1? ? 過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)

過(guò)熱汽溫采用串級(jí)PID控制的原理框圖如圖1所示。

某機(jī)組鍋爐過(guò)熱汽溫采用噴水減溫調(diào)節(jié)手段，控制系統(tǒng)的被控對(duì)象為一個(gè)帶有大遲延和大慣性的非線性控制對(duì)象。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)得知：隨運(yùn)行工況的不同，對(duì)象動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生較大范圍的變化。具體變化情況如表1所示。

衰減曲線法是一種閉環(huán)整定方法，整定的依據(jù)是在純比例調(diào)節(jié)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自系統(tǒng)的衰減振蕩，且衰減比特定（通常為4：1或10：1，本文為4：1），利用表2的經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器相應(yīng)的整定參數(shù)。

在衰減比4：1下分別調(diào)節(jié)主副回路：根據(jù)表2衰減曲線法整定計(jì)算公式，結(jié)合表1四種典型工況下的對(duì)象特性，計(jì)算出四種典型工況下的主控制器整定參數(shù)如表3所示。

當(dāng)運(yùn)行工況大幅度變動(dòng)時(shí)（即37%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)），過(guò)熱汽溫對(duì)象的非線性、時(shí)變性非常明顯：根據(jù)某一特定工況得到的PID控制器整定參數(shù)，在各種工況下很難實(shí)現(xiàn)較為理想的控制效果；不同工況的過(guò)熱汽溫對(duì)象的數(shù)學(xué)模型參數(shù)變化也很大。

以75%工況為例，根據(jù)表3中的參數(shù)，在Matlab中仿真得到各工況下的曲線如圖2所示。

由圖2分析比較可知，在變工況情況下，系統(tǒng)負(fù)荷由75%下降到50%時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)；在系統(tǒng)負(fù)荷由75%上升到100%的過(guò)程中，系統(tǒng)反應(yīng)變慢，積分作用表現(xiàn)得越來(lái)越弱，調(diào)節(jié)時(shí)間也略微增長(zhǎng)。雖然系統(tǒng)以75%工況下整定的參數(shù)為基準(zhǔn)升降負(fù)荷時(shí)最終會(huì)趨于穩(wěn)定，但其控制效果已經(jīng)變得越來(lái)越差。

因此，下文引入了模糊PID串級(jí)汽溫控制策略，以改善過(guò)熱汽溫的控制品質(zhì)。

1.2? ? 串級(jí)控制系統(tǒng)的改進(jìn)——模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)

針對(duì)過(guò)熱汽溫被控對(duì)象的特性，本文采用模糊PID控制器作為過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，以改善過(guò)熱汽溫被控對(duì)象在鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化等情況下的動(dòng)態(tài)性能。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

當(dāng)過(guò)熱汽溫被控對(duì)象受到如鍋爐負(fù)荷變化等因素影響時(shí)，過(guò)熱汽溫測(cè)量值θ1與設(shè)定值θ10相差較大，模糊PID控制器將kp、ki和kd三個(gè)參數(shù)根據(jù)誤差e和誤差變化率ec進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改變了模糊整定控制器輸出信號(hào)，最終使得過(guò)熱汽溫保持在額定值[2]。

2? ? 模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1? ? 模糊控制器隸屬函數(shù)曲線的設(shè)置

模糊控制器采用雙輸入單輸出的二維結(jié)構(gòu)，輸入分別為誤差e和誤差的變化率ec，輸出為u。其模糊集為：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。模糊控制器的隸屬函數(shù)曲線均采用反應(yīng)較為靈敏的三角形函數(shù)，論域均為[-6，6]，三個(gè)變量的隸屬度曲線相同，如圖4所示。

2.2? ? 模糊控制器規(guī)則的設(shè)計(jì)

模糊控制規(guī)則是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作人員或者專家經(jīng)驗(yàn)得到的。規(guī)則表反映了實(shí)際的操作經(jīng)驗(yàn)，規(guī)則表的好壞直接決定了控制的品質(zhì)。模糊控制規(guī)則是否完備，直接決定著模糊控制效果的好壞。它的提取和選擇是一個(gè)復(fù)雜綜合的過(guò)程[3-4]。本文選取常用的模糊控制規(guī)則，如表4所示。

2.3? ? 模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定

由于模糊控制器的輸入為誤差和誤差的變化率，故模糊控制器可以等同為一個(gè)PD控制器。從控制性能分析可知PD控制器是有差控制器，無(wú)法消除靜差。為了得到一個(gè)誤差輸出曲線，需要在模糊控制器上并聯(lián)一個(gè)積分控制器，即得到模糊PID控制器。系統(tǒng)采用串級(jí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)回路為比例調(diào)節(jié)，外回路由模糊控制器和常規(guī)PID并聯(lián)組成混合控制器[5-7]。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

以75%工況為例，采用模糊PID控制系統(tǒng)在Matlab中仿真得到各工況下的曲線如圖6所示。

3? ? 結(jié)論

針對(duì)過(guò)熱汽溫被控對(duì)象大遲延、大慣性和時(shí)變等特點(diǎn)，本文在常規(guī)的過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入模糊PID控制器作為串級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，用Matlab對(duì)該模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，與常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)相比，模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)象的參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，有快速響應(yīng)、無(wú)超調(diào)、無(wú)靜差等優(yōu)良性能。

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收稿日期：2024-03-04

作者簡(jiǎn)介：賀成杰（1989—），男，山西應(yīng)縣人，碩士，工程師，技師，研究方向：智能控制及過(guò)程裝備設(shè)計(jì)。