基于模糊自适应PID控制的锅炉过热蒸汽温度控制系统

第 7期 2 0 1 0年 1只 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 1 7 3 文章编号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 0) 0 7 0 1 7 3 0 2 基于模糊自适应 P I D控制的锅炉过热蒸汽温度控制系统 韦庆志李正明孙 俊 ( 江苏大学 电气信息工程学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 ) Te mp er a t u r e c o n t r ol s y s t e m o f s u p er h e a t e d s t e a m o f b o i l e r b a s e d on f u z z y s el f a d a p t i v e PI D c o n t r o l WE I Q i n g - z h i ， L I Z h e n g - m i n g ， S U N J u n ( D e p t o f E l e c t r i c a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g o f J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ) 【 摘要】 锅炉过热蒸汽温度控制具有大惯性、 纯延迟、 时变性难以控制等特点， 针对这种情况本文 在常规 P I D串级控制的基础上， 构成了 模糊自 适应 P I D串级控制系统， 仿真对比表明该系统和常规 P I D 控制系统相比超调量小， 调节时间短， 振荡周期短 ， 平稳速度快， 精度高， 而且系统的静、 动态特性都较好， 控制效果好 ， 自 适 应能力强。 关键词 ： 过热蒸汽 ； 温度控制； P I D控制； 模糊 自适应 P I D控制 【 Ab s t r a c t 】T h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m o f b o i l e r h a s t h e p r o b l e m of g r e a t i n e r t i a ， p u r e d e l a y ， t i m e - v a r y i n g p a r a m e t e r s a n d S O 0 1 2 I n o r d e r t o i m p r o v e i t s c o n t r o l p e ( o r m e ， a s u p e r h e a t e d s t e a m t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n f u z z y s e If - a d a p t i v e P I D s e r i a l c o n t r o 1 C o m p a r i n g w i t h t r a d i t i o n al P I D s e r i al c o n t r o l ， t h i s c o n t r o l s y s t e m h as s m a l l o v e r s h o o t ， s h o r t adj u s t m e n t t i me ， s m o o t h i s f a s t ， 劬 G C C I - r a c y ， a n d t h e s t at i c a n d d y n a mi c c h aract e r i s t i c s ， c o n t r o l p e rf o r manc e and s e lf - ada p t i v e c apaci t y are b e t t e r Ke y wor d s： S upe r h e a t e d s t e a m ； Te m pe r a t ur e c on t r o l ； PI D c o nt r o l ； Fuz z y s e rf - ad a pt i v e PI D c o nt r o l 中图分类号- T H1 6 ， T P 3 6 8 1 ， T K 3 文献标识码 ： A 1 引言 过热蒸汽温度是锅炉的主要参数之一【 l 1 ， 对设备运行的安全 性和经济陛有很大的影响。 通常过热管正常运行温度接近过热管 材料所允许 的最高温度 ， 如果过热蒸汽温度过高 ， 过热器容易损 坏， 造成汽轮机内部器件过度热膨胀， 严重影响运行安全。 过热蒸 汽温度过低， 设备效率下降， 汽轮机最后几级蒸汽湿度增加， 造成 汽轮机叶片磨损 ，因此需将过热蒸汽温度控制在允许的范围内。 然而过热蒸汽温度控制中， 被控对象具有非线性、 时变性、 滞后性 等特点， 而且温度控制易受被控对象、 环境等因素的影响， 难以确 立精确的数学模 型， 难 以选择控制器的参数 。采用传统的 P I D控 制难 以得到满意的动态响应特性 ，因此本文建立 了模糊 自适应 P I D串级控制系统， 提高了系统对非线性、 时变性和不确定性等 的处理能力， 使控制效果得到了明显的改善。 2系统硬件设计 系统硬件总体设计框图， 如图 1 所示。 A R M 9 匦卜 处 理 器 匦卜 AT91 RM92 0o 图1系统总体设计框图 Fi g 1 o v e r a l l d e s i g n d i a g r a m 来稿 日期 ： 2 0 0 9 0 9 1 9 3模糊 自适应 P I D控制系统 3 _ 1 模糊 自适应 P I D控制器结构 传统P I D控制系统投运过程中参数整定困难 ， 操作者的经验 很难被精确描述， 控制进程中各种信号量以及评价指标不易定量 表示， 很难建立对象模型， 工况的变化也常常使控制系统偏离工 作点， 致使整定好的系统品质恶化。模糊自适应整定 P I D控制算法 可以有效解决锅炉过热蒸汽温度控制系统大惯性 、 纯延迟、 时变 性难以控制等问题。 过热蒸汽温度调节系统原理图， 如图2所示。 图 2过热蒸汽温度调节系统原理图 Fi g 2 s u p e r h e a t e d s t e a m t e mp e r a t u r e c o ntr o l s y s t e m d i a g r a m 自适应模糊 P I D控制器是在 P I D算法的基础上， 以误差 e 和 误差变化率 e C 作为输入， 利用模糊规则进行模糊推理， 查询模糊 矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的 e 和 e e 对 P I D参数自 整定的要求。利用模糊规则在线对 P I D参数进行修改， 便构成了 自适应模糊 P I D控制器， 其结构框图， 如图3所示。 3 2 P I D控制器参数 自整定原则 采用计算机实现的 P I D控制算法， 其离散 P I D控制规律为： 1 7 4 韦庆志等： 基于模糊 自适应 P I D控制的锅炉过热蒸汽温度控制系统 第 7 期 k-l U ( k ) = K p e ( k ) + e ( ) + K o e ( k ) - e ( k - 1 ) ( 1 ) 式中： ( Jj ) 第 k 个采样时刻控制器输出量； e ( ) 第 个采样时 刻控制器输入量( 偏差信号) ； ，、 K 一 比例、 积分、 微分系数。 图 3模糊 自适应P I D控制器结构 F i g 3 f u z z y s e l f - a d a p t i v e P I D c o n t r o l l e r s t r u c t u r e 根据不同的 e 和 e c 人们总结出了一套 、 ， 、 的整定原则： ( 1 ) 当e较大时， 为使系统有较好的跟踪性能， 应取较大的 和较小的 ， 同时为避免出现较大的超调 ， 应对积分作用加以 限制 ， 通常取 = o 。 ( 2 ) 当e中等时， 为使系统响应具有较小超调， 应取较小的K 的取值要适当， 的取值对系统响应的影响较大， 应取得小一些。 ( 3 ) 当e 较小时， 为使系统能有较好的稳态性能， 和 K ， 均 应取的大些 ， 同时为避免在平衡点附近出现振荡， 并考虑系统抗干 扰陛能 ， 当 e c 较大时 可取的 l = L ； e c 较小时 K j 可取的大一些 。 3 3隶属度 函数的建立 选定 E 、 E C 、 U的论域均为 一 6 ， 一 5 ， 4 ， 一 3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ，语言变量 E 、 E C 、 U均选取 7个语青值： P B， P M， P S ， Z E， N S ， N M， N B 。隶属度函数选用三角形曲线 ， 建立 E、 E C 、 U的隶属 度函数 ， 如图 4 、 图 5所示 。 l O O 6 4 2 0 2 4 6 e 。 图 4输入 e的隶属度函数 Fi g 4 i n p u t e o f me mb e r s h i p f u n c t i o n s 1 0 哩 0 5 e O 一6 4 2 O 2 4 6 U 图 5输 出的隶属度函数 Fi g 5 o u t p u t o f me mb e r s h i p f u n c t i o n s 3 4模糊控制规则和决策方法 模糊控制规则是对专家的理论知识和实践经验的总结， 此处 共有 4 9条规则 ， 如表 1 所示。 表 1主汽温度模糊控制规则表 Ta b 1 ma i n s t e a m t e mp e r a t u r e ，t h e r u l e s o f t h e f u z z y c o n t r o I t a b l e 在线运行过程中 ，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处 理、 查表和运算， 完成对 P I D参数的在线自校正。其工作流程图， 如 图 6 所示。厂 图 6 P I D参数在线 自校正工作流程图 F i g 6 P I D p a r a me t e r s c a l i b r a t i o n wo r k fl o w f r o m o n l i n e 4系统仿真 为了比较模糊 自适应 P I D控制和传统 P I D控制的效果， 对 两种控制方法进行仿真对比。以过热蒸汽温度为被控对象， 在保 持串级控制系统基本结构的前提下， 设计了模糊自适应 P I D汽温 控制系统， 如图 7 所示。 图 7过热蒸汽温度的模糊 自适应控制结构 F i g 7 s u p e r h e a t e d s t e a m t e mp e r a t u r e o f a d a p t i v e f u z z y c o n t r o l s t ru c t u r e 在图7中， 主调节器采用模糊 自适应调节， ( s ) 为副调节 器， W 。 ( s ) 和 W s ) 分别为调节对象及其导前区的传递函数， 分别为减温器出口蒸汽温度和过热器出口蒸汽温度的 测量单元。除主调节器外 ， 其它环节的传递函数分别为： Wd ( S ) = 2 0 Wo 1 ( s ) = 5 ( 1 + l O s ) ， C m A W ( s ) = 1 ， ( 1 + 2 0 s ) ， C mA WH 1 ( S ) = 0 1 ， m A C W, ( s ) - 0 1 ， m 当气温给定值发生阶跃变化时模糊自适应 P I D和传统 P I D 控制系统的响应曲线， 如图8所示。 实际运行中负荷是变化的， 因 此各参数也有一定的变化。在上述控制系统模型基础上，变换 W