模糊PID复合控制在过热汽温中的优化

模糊PID复合控制在过热汽温中的优化赵丽丽1马晶晶1俎洋辉摘要：针对过热汽温大滞后、大延迟的动态特性及电厂普遍存在的过热汽温调节特性差、经常出现过热器汽温超调的问题，寻求对模型要求不高、在线计算方便、对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法尤为重要。本文提出了改进的模糊PID复合控制，通过对模糊控制器的量化因子和比例因子的自寻优实现了对过热汽温控制系统的有效控制。关键词：过热汽温参数自调整量化因子比例因子OptimizationofFuzzy-PIDCompoundControlinSuperheatedSteamTemperatureZhaoliliMajingjingZuyanghuiAbstract:Basedontheproblemthatsuperheatedsteamtemperatureexistsdynamiccharacteristicsoflargetimedelayandtheuniversalexistenceofpoorregulatingcharacteristicsortheoffenapprearanceofovershootinsuperheatedsteamtemperaturecontrolsystem,seekingforcontrolstrategiesandmethodsforlowdemandinmodel,convenienceinon-linecalculationandhavingcertainadaptabilityfortheuncertaintyofprocessandenvironmentisveryimportant.ThispaperproposedaimprovedFuzzy-PIDcompoundcontrolstrategywhichrealizedtheeffectivecontrolforsuperheatedsteamtemperaturebythequantizationfactorandtheproportionalfactor‘sself-optimizing.Keywords:superheatedsteamtemperature,parameterself-adjusting,quantizationfactor,proportionalfactor1引言锅炉过热汽温控制系统在机组安全经济运行中起着重要作用，其过热器出口蒸汽温度是单元机组在运行中必须保持在一定范围的重要参数，随着机组容量的增大,过热汽温系统的惯性特征显著增强，滞后现象也大大增加，加之机组运行过程中，机组负荷的改变也会使过热汽温对象的动态特性不断变化，从而加大了汽温控制的难度，火电厂采用的常规PID控制在工况有较大变动时很难获得令人满意的控制性能，特别是在现场由于受到PID参数整定的限制，控制器参数整定往往不良，使得控制品质受到影响。近年来，随着智能控制的不断发展,模糊控制受到越来越多的关注，模糊控制的优点在于不需要掌握过程的精确数学模型，而是根据一组控制规则，经模糊推理决定控制量的大小，特别适合那些难以建立精确数学模型、非线性和大滞后的过程[1]，因此基于模糊推理的模糊控制应用于过热汽温的成果不断涌现，本文提出了一种参数自适应的模糊PID复合控制，对过热汽温主回路采用模糊控制与PID并联的方式，通过对模糊控制器量化因子和比例因子的自寻优，不仅弥补了常规模糊控制量化因子和比例因子固定不变引起的变工况下易超调的缺点，而且取得了良好的控制品质。2常规模糊控制的结构及仿真实现2.1常规模糊控制结构常规模糊控制器结构如图1，它是一个二维模糊控制器，图1中e和ec分别为系统偏差和偏差变化率，作为模糊控制的输入变量，通过对它们进行模糊化处理得到模糊的偏差量E和模糊的偏差变化率EC。按模糊控制规则进行模糊决策得到模糊控制量U，再经过解模糊和比例变换得到控制器输出u。其中ke、kec为误差和误差变化率的量化因子，ku为控制量的比例因子，通过改变这三个量可以改变模糊控制的控制品质。ecECke模糊化d/dt控制对象kec解模糊模糊推理kueuUE图1常规模糊控制器结构2.2模糊PID复合控制器设计锅炉过热汽温常常随着工况的变化而变化，给机组的安全性和经济性造成直接的影响。引起过热蒸汽温度变化的扰动因素较多，归纳起来主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等[2]，本文考虑f（t）减温水量的自发扰动和g（t）燃烧率的变化两种扰动作用，应用MATLAB构建仿真模块，将模糊控制与PID控制并联共同构成模糊PID复合控制应用于过热汽温系统的主回路。在MATLAB命令窗口中键入fuzzy后即可进入fis编辑器，根据模糊控制器设计方法建立fis文件[3]。本文以实际温度和给定温度之间的误差e和误差变化率ec作为模糊控制器的输入，控制输出为u，构成二维模糊控制器，其对应的语言变量E、EC、U的论域均为[-2020]，模糊子集个数为7个，分别为：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB其含义为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。它们的隶属函数采用三角形（trimf）隶属函数，如图2所示.在模糊规则编辑器中编辑模糊控制规则，由于不同的模糊控制器通常有不同的模糊控制规则，因此本文采用如表1的模糊控制规则.模糊决策采用Mamdani推理法，解模糊采用中位数法。量化因子ke、kec和比例因子ku分别取值为5、320、1.75。图2E、EC、U的隶属函数表1模糊控制规则表ENBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNBEC被控对象采用文献[4]中给出的参数，对象的导前区特性为：2011518ssW对象的惰性区特性为：302251125.1ssW应用MATLAB/Simulink搭建如图3所示的仿真模块。图3.模糊PID复合控制仿真模块3参数自调的模糊PID复合控制器的设计3.1参数自调整原则常规模糊控制器中量化因子和比例因子的大小是固定不变的，而它们的大小对模糊控制性能的影响很大，因此设计量化因子和比例因子根据偏差的大小自适应的调整可以改善模糊控制器的控制品质。一般地，ke增大则系统偏差控制作用增大，使得上升时间变短，但由于出现超调，使得系统的过渡过程变长kec选择较大时，超调量减小，选择越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢;ku选择过小会使系统动态响应过程变长，选择过大会导致系统振荡[5]。具体的调整原则为：当偏差e和偏差变化率ec较大时，应适当减小量化因子ke和kec的大小，以降低对误差和误差变化率的分辨率，同时增大比例因子ku的大小，以使系统具有快速性；当偏差e和偏差变化率ec较小时，应适当增大量化因子ke和kec的大小，以提高对误差和误差变化率的分辨率，同时减小比例因子ku的大小，以避免系统产生超调并使系统快速进入稳态区。参数自调整模糊控制系统结构如图4所示。kekecd/dt模糊控制器ku控制对象参数自调整机构r+_y图4参数自调整模糊控制系统结构3.2参数自调整控制器的设计由于simulink中的模块很难直接实现参数的自调整，因此可采用编写S函数来实现参数自调，同时将S函数进行封装[6][7]，在保持模糊PID控制器模块其他部分不变的情况下搭建成如图5所示的参数自调整模糊PID复合控制模块。图5参数自调的模糊PID复合控制模块其中，S函数的参数设置为ke、kec、ku。4仿真实验及分析将所建立的模糊推理系统导入MATLAB工作空间，同时在MATLAB命令窗口输入：ke=5；kec=320；ku=1.75以实现对S函数参数的初始赋值。设定R（t）阶跃幅值为1，在t=500s时加入减温水自发扰动f(t)=10t/h。系统的输出响应如图6所示。为了反应不同扰动下系统的自适应特性，因此在t=500s时继续加入g(t)=3的扰动，图7为系统在减温水自发扰动和燃烧率扰动情况下的输出响应曲线。图6减温水自发扰动系统输出响应曲线图7减温水和燃烧率共同扰动系统输出响应曲线从仿真结果可以看出，(1)采用参数自调的模糊PID复合控制器比采用常规的模糊PID复合控制器调节效果理想，且无论在单扰动还是双扰动情况下，前者的超调均明显小于后者，且调节时间也较其稍短，具有较好的动态响应特性和控制品质。(2)由于参数自调的模糊PID复合控制能够根据误差e和误差变化率ec的变化自动对量化因子和比例因子进行调整，因此具有较好的自适应特性。5结论针对过热汽温大滞后、大延迟的动态特性，本文对模糊PID复合控制做了改进，采用S函数对模糊控制的量化因子和比例因子进行自寻优，不仅较其他智能控制方法如神经网络，遗传算法等对模糊控制的量化因子及比例因子进行寻优的模块结构简单明快，而且方法简单易于实现，同时对过热汽温控制获得了良好的控制品质，证明了此方法的有效性，为模糊控制应用于过热汽温系统开拓了一种思路。参考文献[1]胡一倩,吕剑虹,张铁军.模糊控制在锅炉热工控制中的应用简介及研究前景[J].工业控制计算机.2002,15(4)[2]朱北恒.火电厂热工自动化系统试验(第一版)[M].北京:中国电力出版社,2006:215-217.[3]石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社，2008[4]林金栋.自动调节原理及系统.北京:中国电力出版社，1996[5]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社，1995.194一240.[6]路玲.陈建辉.李琳.Simulink中S函数在仿真建模中的应用[J].郑州航空工业管理学院学报,2004.23(6):182-183[7]胡琳静,孙政顺.SIMULINK中自定义模块的创建与封装[J].系统仿真学报,2004,16(3):488-491