基于生物质锅炉的模糊自适应PID控制系统仿真研究VIP

第 4 1卷第 1期 2 O 1 O年 1 月 锅 炉 技 术 B 0I I ER TECHN0L0GY Vo I 4 l，NO 1 J a n ， 2 0l 0 文章编 号 ： C N3 1 1 5 0 8 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 0 9 0 4 基于生物质锅炉 的模糊 自适应 P I D控 制系统仿真研 究 孙君曼 ，谢泽会 ，李莉萍 ，冯广 军 ( 1 郑州轻工业学院 电气信息 工程学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ； 2 开封空分设备集 团公 司，河南 开封 4 7 5 0 0 0 ) 关键词 ： 生物质锅炉；模糊 自适应 P I D控制算法 ；S i mu l i n k 摘 要 ： 在 MA TL AB S I MUL I NK平台上， 通过实验的方法建立 了模糊 自适应 P I D系统的仿真模 型， 给出了 模糊 自适应 P I D仿真的具体实现方法 ， 并进行生物质锅炉控 制子系统仿 真应用研究 ， 通过常 规 P I D控制算法 与模糊 自适应 P I D控制算法对干扰信号 的反应过程仿真结果对 比， 表明了模糊 P I D控制策略使系统具有强抗 干扰性 、 灵活性 和适应性强的优点 ， 又具有控制精度 高的优势 。 中图分类号 ： X7 0 5 文献标识码 ： A 0 前 言 中进行应用。 生物质能是指通过光合作用把太 阳能转化 为 化 学 能后 固定 和 储 存 在 生 物 体 内 的 能 量 ， 生 物 质 能源 是 一 种 理 想 的 可 再 生 清 洁 能 源 ， 来 源 广 泛每 年 都 有 大量 的工 业 农业 及 森 林 废 弃 物 产 出 ， 工 业 锅 炉 是 煤 炭 消 费 大 户 是 环 境 的 重 要 污 染 源 ， 发 展 生 物 质 锅 炉 技 术 提 高 绿 色 可 再 生 能 源利 用 对 促 进我 国节 约 型社 会 主 义 建设 具 有 重 要意 义 。使用 废 弃 生 物 质压 缩 成 型 的 颗粒 燃 料 的锅炉 ， 替代 燃煤 燃油 锅炉 ， 因其 使用 清 洁能 源， 具有节 约能源 、 c O 温 室气体零排 放 、 环保 性 好 符 合 国 家 能 源 发 展 战 略 而 得 到 迅 速 发 展 ， 但 因其 生 物质 燃 料 的 特点 给 锅 炉 的控 制 系 统 带 来 新 问题 。在 生 物 质 锅 炉 控 制 系 统 中 ， 由 于 生 物 质 燃料 湿 度 、 密 度 、 种 类 及 锅 炉 负 荷 变 化 等 干 扰 因 素 不 确 定 性 ， 以 及 时 变 性 、 非 线 性 等 因 素 ， 考 虑 将 先 进控 制 策 略 和 传 统 P I D 控 制 相 结 合 的方 案 ， 进 行 生 物 质 锅 炉 控 制 系 统 研 究 。 模 糊控 制 器 不 要 求 确 定 受 控 对 象 的 精 确 数 学 模 型 ， 而 根 据 控 制 规 则 组 织 控 制 决 策 表 ， 由 控 制 决策表决定控制量的大小。这种将模糊控制 器 和传统 P I D控制相结 合的控制 策略 ， 使系统具 有 模 糊 控 制 的 灵 活 性 和 适 应 性 强 的 优 点 ， 又 具 有 P I D控 制精 度高 的优 势 。尤其 适合 于 在具 有 干 扰 因 素 不确 定 性 的 生物 质 锅 炉 的控 制 系统 1 模糊 自适应 P I D控制器的构成 控 制 系 统 的核 心 部 分 是 模 糊 控 制 器 ， 包 括 模糊化 、 知识库 、 模糊推理 、 解模糊化 和输 入输 出量 化等 部 分 。模糊 化 环 节 把输 入 的精 确 量 转 化 为模 糊 量 ， 输 入 信 号 映 射 到 相 应 论 域 上 的 一 个 点 后 ， 将 其 转 化 为 该 论 域 上 的 一 个 模 糊 子 集 ； 知 识 库 中包 含 了生 物 质 锅 炉 应 用 领 域 中 的 经 验 知 识 和 要 求 的 目标 ， 通 常 由数 据 库 和 模 糊 规 则 库 两 部 分 组 成 ， 数 据 库 主 要 包 括 各 语 言 变 量 的隶 属 度 函 数 ， 尺 度 变 换 因 子 和 模 糊 空 间 的 分 级 数 等 ， 规 则 库 包 括 了用 模 糊 语 言 变 量 表 示 的一 系 列控 制 规 则 ， 它 们 反 映 了 控 制 专 家 的 经 验 和 知 识 ； 模 糊 推 理 是 模 糊 控 制 器 的 核 心 ， 是 基 于模 糊 逻 辑 中 的蕴含 关 系 及 推理 规 则 来 进 行 的 ； 解 模 糊 化 是 将 模 糊 推 理 得 到 的 控 制 量 ( 模 糊 量 ) 变 换 为 实 际 可 用 于 控 制 的 精 确 量 ， 它 包 括 两 部分 内 容 ： ( 1 ) 是 将 模 糊 的 控 制 量 经 解 模 糊 变换 变 成 表 示 在 论 域 范 围 的精 确 量 ； ( 2 ) 是 将 表 示 在 论 域 范 围 的精 确 量经 量 程 转 换 变成 实 际 的控 制 量 。 模 糊 自适 应 P I D控 制 器 是 由可调 整 P I D控 制 器和模糊控制器构 成， 在常规 P I D控制的基 础 上 ， 以误差 E 和 误 差 变 化 率 Ec 作 为 输 入 ， 通 过 模糊 推 理输 出 K。 ， K ， K 的 调整 值 ， 以 实现 在 收 稿 日期 ： 2 0 0 8 1 2 2 8 作者简介 ： 孙君曼( 1 9 6 9一 ) ， 女 ， 副教授 、 在职博士研究生， 主要研究网络化控制系统， 复杂动态对象测控 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 锅 炉 技 术 第 4 1卷 线整定 ， 满足不 同的 E和 E f 对 P I D参数 K。 、 Ki 和 K 的要求， 而使被控对象具有 良好 的动 、 静 态 性能 。 图 1 模糊 自适应 P I D控制器的结构框 图 2 模糊 自适应 P I D控制器的实现 2 1模糊 自适应控 制算法研 究 首先确定模糊控制器的维数， 根据实际需要 确定 各个输 入 、 输 出变 量 的变 化 范 围 ， 然 后 确 定 它们 的量化 等级 、 量 化 因子 、 比例 因子 ； 在 每个 变 量的量化论域内定义模糊子集 ； 确定模糊子集个 数及 每个模糊 子集 的语 言 变量 ， 为各 语 言 变量 选 择隶属 度 函数 ； 确定 模糊 控制 规 则 的原 则是 保证 控制器的输 出能够使系统输 出响应的动静态性 能达到最 佳 ； 编 制 模 糊控 制 表 ， 根据 模 糊 控 制 规 则 和确定 的输人 、 输 出变 量求 出模 糊控 制 器 的输 出 。这些输 出值是 P I D参数 的调整 量 ， 把 它 们 与 输 人量 在 1个 表 中按 一 定 关 系列 出就 构成 了模 糊 控制表 。P I D 3个 参数 一 般 是 独立 调 整 ， 所 以 有 3 个模糊控制表 ； 把采样得到的偏差、 偏差变 化率经过整理后 ， 代人模糊控制规则表， 得 出新 的 P I D参数， 再经过 P I D算法的计算就得出了最 后 的输 出量 ， 也就 是 系 统 的控 制 量 ； 根 据 仿 真 效 果或实 验结果分 析模糊 P I D 的控 制性 能 ， 再 对量 化 因子 和 比例 因子 进行 调整 以达 到 理 想 的控 制 效 果 。 2 2 各参 数隶属 函数的确 定 设模糊控制器各语言变量的论域为： E： 一3 ， 3 Ec ： 一3 ， 3 K。 ： 一0 3 ， 0 3 Kd ： 3 ， 3 输入输 出语 言 变量 的论 域语 言值 为 “ 大” ( P B ) “ 中” ( P M) “ J 、 ” ( P S ) “ 零 ” ( Z 0) “ 负 J 、 ” ( NS ) “ 负中” ( NM) “ 负大” ( NB ) 各语言值 的定义由隶 属 函数表 示如下 。 图 2 输人变量 E的隶属函数 图 3 输入变量 E c的隶属 函数 七 p 图 4 输 出变量 K 的隶属 函数 图 5 输 出变量 K 的隶 属函数 图 6 输出变量 Ka 的隶 属函数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 孙君曼 ， 等 ： 基 于生物质锅炉的模糊 自适应 P I D控制系统仿真研究 1 1 2 3 建立模糊 控制规 则表 参数 的整定 规 则是 模糊 控 制 的核 心 ， 依 据专 家 的经验 建 立 模 糊 控制 规 则 ， 本 设 计 采 用 4 9条 模 糊语言 规则 。 表 1 J ( 。的模糊控 制规 则 K P 、 E C NB NM NS Z0 PS PM PB NB PB PB PM PM PS Z0 Z0 NM PB PB PM PS PS Z0 NS NS PM PM PM PS Z0 NS NS Z0 PM PM PS Z0 NS NM NM PS PS PS Z0 NS NS NM NM PM PS Z0 NS NM NM NM NB PB Z0 Z o NM NM NM NB NB 表 2 J ( 的模 糊控 制规则 KI EC NB NM NS Z0 PS PM PB NB NB NB NM NM NS Z0 Z0 NM NB NB NM NS NS Z0 Z0 NS NB NM NS NS Z0 PS PS Z0 NM NM NS Z0 PS PM PM PS NM NS Z0 PS PS PM PB PM Z0 Z0 PS PS PM PB PB PB Z0 Z0 PS PM PM PB PB 表 3 II ( 的模 糊控 制规则 K E C NB NM NS Z0 PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS Z0 NS Z0 NS NM NM NS NS ZO Z0 Z0 NS NS NS NS NS Z0 PS Z0 Z0 ZO Z0 Z0 Z0 Z0 PM PB NS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 2 4 P I D参数 的整定 设 计 P I D控制器 ， 采用 Z i e g l e r 与 Ni c h o l s 的 P I D调节器设 计 方法 。先 置 K 一K 一0 ， 然 后 增 加比例系数直至系统开始震荡( 即闭环系统极点 在 j 轴上) 。再将该 比例系数乘 以 0 6 ， 而其他 参数按下式计算得 K 一 0 6 K Kd = Ki 一 K p c om q ： O J m 丌 式 中 ： K 系 统开始振 荡 时的 K 值 ； 振荡频率。 该 设计 方 法 在 设 计 过 程 中 没 有 考 虑 任何 特 性 要求 。Z i e g l e r 与 Ni c h o l s 发 现这种 设计方 法给 予过程控制器提供 了好 的工作性能。工程师们 的多年经 验证 明 ， 这 种设 计方 法 的确 是 一种 好 的 方法 。 设计 P I D控制器的程序如下 ： n c - - 0 0 5 2 9 ； d c = 8 5 ， 1 ， O ； t s =0 2 5 ； n z l ， d z l l c 2 d m( n c ， d c ， t s ) ； a x i s ( s q u a r e ) ， z g r i d ( n e w ) ， r l o c u s ( n z l ， d z 1 ) 设计 跟轨迹 图 k m， p o l e 一r l o c f i n d ( n z l ， d z 1 ) ； 获取系统 全部极点信息 wma n g l e ( p o l e ( 1 ) ) t s ； k p k m0 6。 k dk pp i ( 4wm) ， k i k pwm p i e n d 设计最 终采用 的 P I D参数为 K。 一5 0 0 ， K 一0 5 ， Kd 一4 0 0取 量 化 因子 k e 一0 3 ， k e c 一0 1 取 K。 ， K ， Kd的 比例 因子 为 K 一2 ， K2 0 0 05， K3 2 5。 3 仿真研究 在 Ma t l a b s i mu l i n k环 境 下 构 建 模 型 ， 整 个 模 块 图 由模糊 控 制器 、 P I D 控 制 模 块 、 控 制 对 象 及输入输 出等组成。使用 的模 块主要有 S i mu l i n k ( 基本库 ) 、 S i mu l i n k E x t r a s ( 扩 展库 ) 和 F u z z y l o g i c t o o l b o x ( 模 糊逻辑 库) 。 3 1模糊 控 制器的编 辑 在 MAT L AB命令窗 口输入 f u z z y 命令打开 模糊编辑窗口， 建立模糊控制器 。在 ma t l a b命令 窗口输入 p l o t f i s ( a ) 观察模糊控制系统的构成 ， 如 图 7所示 。 图 7 模糊 P I D控制系统构成图 分别输 入 E， E f ， K。 ， Ki ， Ka 的隶属 函数 及模 糊 规 则 ， 取 a n d me t h o d为 mi n ， o r me t h o d为 ma x ， i mp l i c a t i o n ( 推 理) 为 mi n ， a g g r e g a t i o n( 合 成 ) 为 ma x ， 取 d e f u z z i f i c a t i o n ( 去 模糊 化 方 法 ) 为 c e n t r o i d ( 加权平均法) 。建好模糊 控制系统后 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技术 第 4 1 卷 以“ f p i d s i mu l i n k f i s ” 存盘 。在仿真 的时候将 其加 载到工作 空间 中 ， 即可 在 s i mu l i n k环 境 中对模 糊 控制器进行仿真。 3 2 模糊 自适应 P I D控 制的仿真 目前 ， 中型生物质蒸汽锅炉控制回路包括汽 包水 位控 制 、 炉 排 控 制 、 鼓 风 控 制 、 引 风 控 制 、 用 于发 电锅 炉 还 需 要 主蒸 汽 温 度 等 回路 。选 取 某 供 汽量为 1 2 0 t h的锅 炉 汽包 为 被控 对 象 ， 其 给 水流量与水位的传递函数为： G( s ) 一0 0 5 2 9 8 5 S + S 输 出 图 8 模糊 自适应 P I D控制仿 真模型 图 增 量式 P I D控制算 式为 “( 走) 一 “( 忌一 1 ) + Au( 是) Au ( 尼 ) 一 K。 Ae ( 1 e ) +Ki e ( k ) +忌 d X l ( 忌 ) P ( 是 一1 )l ( 1 ) 式 中 ： ( ) =P ( 忌 ) 一P ( 最 一1 ) K 、 K 和 K 的整定方法如下 ， 式中 A k 为 模糊控 制器 的输 出。 志 一 志 ( 0) + Ak ( 2) 可 变参数 P I D控制器模 型如 图 9所示 图 9 P I D控制器模块图 4 仿真 结果分析 分别对模糊 P I D控制进行 阶跃 响应仿真， 并 将仿真结果与 P I D仿真进行对比。仿真时间为 2 0 S ， 在 1 5 S处 加周 期 为 1 5 S ， 占空 比为 5 ， 幅 度为 1 0的脉 冲 信 号 ， 研 究模 糊 P I D对 干 扰 的 抑 制能力 。其仿 真结果分 别如下 图所示 。 图 1 0 模糊 P I D与 P I D阶跃 响应对 比 图 l 1 克服干扰的阶跃 响应对 比 可以看 出 ， 模糊 自适应 P I D 控 制器 的响应 速 度更快 ， 超调量 比 P I D控制器要小， 振荡 时间更 短 ， 很快 的趋 于稳 定 状 态 ， 显 示 出 良好 的动 态 性 能和稳定精度 。同时从加 干扰后 的仿真 图中可 以看 出来模 糊 P I D控 制 器 对 干 扰有 很 好 的抑 制 能力 。 参 考文献 ： 1 T M I Ma h l i a ，M z Ab d u l mu i n ， T M I Al a ms y a h ， e t a 1 Dy n a mi c mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f a p a l m wa s t e s b o i l e r J E n e r g y ，2 0 0 3 ( 2 8 ) ： 1 2 3 5 1 2 5 6 E 2 K i a m H e o n g A n g ， Gr e g o r y C h o n g ， Y u n L i P I D C o n t r o l S y s t e m A n a l y s is D e s ig n ， a n d T e c h n o lo g y J I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e ms T e c h n o l o g y，2 0 0 5，4 ( 1 3 ) ：5 5 9 5 7 6 3 何斌 ， 邹江峰 ， 杜晓磊， 等锅炉燃烧 系统模糊控制理论的研 究 J 湖北电力， 2 0 0 6 ( 1 ) 4 徐湘元自适应控 制理 论与应用 M 成 都： 电子工业出版 社 ， 2 0 0 7 ( 下转第 l 5页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 周一： 两种安全阀在超临界锅炉中的应用 l 5 旁路系统 ， 其初投资成本 高， 炉侧除 了在再热器 出 口设置大 口径 可调式 安 全 阀及 其 排汽 管 道外 ， 在过热器出 口和再热器进 口之间还要设 置高压 旁路系统， 在过热器出 口管道上要设置高旁 阀， 将过 热蒸汽减 温减 压后 送 入 再热 器 系 统 。但 是 ， 这种配置能使整套机组具有较高的运行灵活性 ， 以加快机组的启动速度， 缩短启动时间， 能够实 现 F C B工 况 ， 并 具 有较 好 的 调 峰 能力 。 同时 ， 机 组具 有 良好 的适应 甩 负荷 的能力 ， 即使 在大 幅度 甩负荷时， 配合再热器安全阀能满足要求。 参考 文献 ： 1 樊 泉 桂，阎维 平 锅 炉 原 理 J 北 京 ： 中 国 电 力 出 版 社 ， 2 0 0 4 2 王晓东电站锅炉安全 阀 的在 线调查 J 华北 电力技术 ， 2 0 0 7 ( 增 刊 2 ) 3 董万印弹簧式安全阀在线整定技术分析与探讨E J 阀门， 2 O 0 4( 4) Pr a ct i c e o f S a f et y Va l v e s i n S up e r c r i t i c a l Boi l e r s ZH OU Yi ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o we r En g i n e e r i n g ，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a ) K e y wo r d s ：s a f e t y v a l v e ； s u p e r c r i t i c a l ； b y p a s s ；HP b y p a s s v a l v e Ab s t r a ct ： Re c e n t l y，wi t h t he d e v e l o pme n t o f hu ge v ol u m e a nd hi ghl y de ma nd e d v a p o r o n t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e i n t h e f i e l d o f p o we r p l a n t b o i l e r ，s a f e t y v a l v e ，a n i mp o r t a n t p a r t i n p o we r p l a n t b o i l e r s ，r u n s i n 2 d i r e c t i o n s Th e s e l e c t i o n o f b y p a s s i n s u p e r c r i t i c a l p o we r pl a nt wi l l h a v e a l o n g e f f e c t i n i t s r u nn i n g e c on o m y a nd e nv i r o n m e nt Di f f e r e n t b y pa s s e s c ho o s e d i f f e r e n t t yp e s o f s a f e t y v a l v e s ，t h e a u t h or c o mpa r e s 2 b y pa s s mo de s a nd t he i r a dv a n t a g e i n d e t a i l a f t e r ma n y y e a r s p r a c t i c e i n p o we r p l a n t b o i l e r a r r a n g e me n t d e s i g n ( 上接 第 1 2页) E 5 J e r r y MMe n d e l ，G e o r g e C Mo u z o u r i s D e s i g n i n g F u z z y L o g i c S y s t e m J I E E E， T r a n s Ac t i o n s o n C i r c u i t s a n d S y s t a m ，1 9 9 7。1 1 ( 4 4 )：8 8 5 8 9 5 E 6 c HL e e ，S D Wa n g A S e l f Or g a n i z in g Ad a p t i v e F u z z y C o n t r o l l e r J F u z z y S e t s a n d S y s t e ms ，1 9 9 6 ， 8 0 ( 3 ) ： 2 9 5 3 l 4 Si mul a t i o n R e s e a r c h o n F u z z y S el f - a d a p t i v e P I D Ce n t r ol S y s t e m o f Bi o ma s s B oi l er S UN J u n ma n ， ( 1 Co l l e ge of El e c t r i c a n d Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2，Ch i n a ； XI E Ze hu i ，LI Li pi n g ， I nf or ma t i on Eng i ne e r i ng，Zhe ngz ho u 2Ka i f e n g Ai r Se p ar a t i on Gr o up Co FE NG Gu a n g j u n Un i v e r s i t y o f Li g ht I nd us t r y， ，Lt d ，Ka i f e n g 4 75 0 00，Chi na ) Ke y wo r ds： b i o ma s s bo i l e r； Fuz z y Se l f a d a pt i v e PI D ； Si mu l i nk Ab s