锅炉燃烧器模糊-PID复合控制器的设计.doc

锅炉燃烧器模糊-PID复合控制器的设计关学忠1，高杉1，曾凡军2(1大庆石油学院自控系，大庆163318；2.大庆石油管理局基建集团，大庆163453) 摘 要：将模糊-PID复合控制器应用于锅炉燃烧器控制器的设计中，并用C8051F020 MCU及其外部接口电路来实现控制。从仿真结果表明，使用这种模糊-PID复合控制器可以获得很好的控制效果。 关键词：模糊；PID；控制；偏差1引言 常规的PID调节器控制原理简单，容易实现，稳态无静差，因此长期以来广泛应用于工业过程控制，并取得了良好的控制效果。即使在控制理论飞速发展的今天，使用最多的控制方式还是PID控制。然而，大多数工业过程都不同程度的存在非线性、参数时变性、模糊不确定性等问题，模糊控制器具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方，因此，模糊-PID复合控制不仅引入了经典PID调节器的原理简单、调节细腻的特点，而且具有模糊控制器的灵活性和适应性，提高了系统的控制精度。 本文将模糊-PID复合控制器应用于燃气(油)炉的锅炉燃烧器控制器的设计中，并用单片机及其外部接口电路来实现控制。从实验结果表明，使用这种模糊-PID复合控制器可以获得很好的控制效果。2锅炉燃烧器模糊-PID复合控制器的设计 燃气(油)锅炉是一种多变量系统，锅炉燃烧过程具有明显的纯滞后性和非线性特性，被控量时变性大、影响因素多、内部关联强、外部扰动频繁，建立准确实用的数学模型比较困难。 常规的二维模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量，因此一般认为这种控制器具有模糊比例-微分控制作用，但缺少模糊积分作用，这种模糊控制系统的稳态性能不能令人满意。 积分作用能消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快，而比例积分控制作用能获得较高的稳态精度，又具有较快的动态响应。因此把PID控制策略引入模糊控制器，构成模糊-PID复合控制器，是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。这种复合策略是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制，二者的转换由程序根据事先给定的偏差范围自动实现。2.1模糊-PID复合控制器及锅炉燃烧器的结构 由图1可以看出程序根据偏差e来判断系统应该切向PID调节器或模糊控制器。由图2可看出模糊控制器由4个部分组成的，首先输入量包括两个：一个是偏差e，即温度传感器实测的温度与期望值的差值；一个是偏差变化率ec。这两个量经过模糊化，转换成模糊语言变量输入到模糊关系矩阵中，经过运算给出输出信号的模糊量。最后将模糊输出控制量转换成精确的控制量，控制气阀与风阀的开度。气阀与风阀的开度之间的相关关系可参考最佳空燃比曲线与锅炉效率与含氧量的关系曲线，如图4。锅炉燃烧系统简化示意图可参见图3。2.2模糊-PID复合控制方法 这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除其系统稳态误差的能力比较差，难以达到较高的控制精度。尤其是在离散有限论域设计时，更为明显。这可以从它处理输入输出的方法来分析。考虑典型的模糊控制器。对于偏差输入信号，要把它转化为偏差论域上的点，即：nk=INT(keek05)，式中ek为某时刻k的偏差，ke是偏差的量程转换比例因子，INT为四舍五入取整运算，nk为转化到偏差论域上的点。由上式可见，当nk=0时，仍有keek05即：ek05ke。式中ke是偏差信号的物理范围-e，e到偏差论域-n,-(n-1),，0，n-1，n量程转换的比例因子，考虑ke=ne。于是上式变为：一般规范化的离散论域形式中常常取n=6或7，因此大约有：ek007e，也就是说ek在偏差量程最大值e的大约007以内时，模糊控制器已经把它当作0来对待了，因此ek007e的稳态误差，模糊控制器无法消除，这是控制点附近的一个控制上的盲区和死区。 对于控制作用，模糊控制器可以采用它的增量ui作为输出，积分后输出给被控对象，这样相当于引入了积分作用，有利于消除稳态误差。然而yi是解模糊后的离散点，不连续，因而控制作用不细腻，不利于精调消除稳态误差。例如，到某一稳态时刻kn，偏差为0，维持在这一点的控制作用应该是某一稳态值设为un，那么希望模糊控制器的控制输出此时等于un，即希望为控制作用量程转换的比例因子，由于yi不连续，上式一般不能精确的成立，这就造成控制对象的状态还会变化，偏差不能自此时刻起就维持为0。 (1)针对本系统，当偏差e6时采用模糊控制，即为模糊控制区；当偏差e6时采用PID控制，即为确定控制区。 (2)此处偏差e指期望温度与实测温度之间的差值。在模糊控制区内，偏差e的基本论域采用-6，6，划分为13个等级，即E=-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，则偏差e的量化因子ke=66=1。模糊集取7个语言值，分别为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB;偏差变化率ec的基本论域采用-40，40， 划分为13个等级，即EC=-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，则偏差变化率的量化因子kec=640=015，把模糊集的7个语言值取为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB。考虑对论域的覆盖程度、灵敏度、稳定性与鲁棒性原则，各模糊集以正态分布曲线为隶属度函数曲线，下图为隶属度函数曲线。 (3)控制采用增量形式，控制量u的基本论域采用-10,10，划分为13个等级，即U=-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，则控制量U的量化因子ku=106167。模糊集U的7个语言值取为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，相应的隶属度函数曲线见图6。 (4)对于温度控制对象来说控制对象的控制规则如表1所示，共有49条规则。 (5)此处采用最大隶属度法进行解模糊，按上述规则可得模糊控制表(见表2)。3模糊-PID复合控制在锅炉燃烧器系统中的应用3.1锅炉燃烧器模糊-PID控制器系统的实现 为了使控制器更具人性化，并且更易于操作，我们采用55液晶触摸屏进行人机信息交换。单片机选用Cygnal公司生产的高性能单片机C8051F020。我们编程采用当今世界流行的C51语言，用C语言的强大功能为嵌入式硬件作强大支持。采用JTAG接口在线调试程序，大大增强了编程调试的效率。用PROTEL99SE作为原理图和电路板的设计软件。 根据实际需要该控制器大体由以下几个部分组成：8路模拟信号输入电路、16路开关量输入电路、2路DA转换信号电路、16路开关量输出电路、晶振电路、电源转换电路及单片机与触屏信号通讯电路。 从锅炉传来的信号经过AD转换，单片机按照模糊控制程序中的控制规律进行运算处理，再将输出信号经过DA转换为输出控制信号，送给各个阀门的执行机构。3.2模糊-PID控制程序 由于源程序中有很大一部分是用于生成交互界面，如：管理员和操作工的口令输入验证、各个阀门的控制状态、仪表的读数以及显示水温的棒图等等，这里就不再讲述。其中模糊-PID控制程序流程图如图7所示。3.3仿真测试 由于在现场需用锅炉调试的条件还不具备。通过分析认为选用这样的二阶传递函数对于所研究的6吨锅炉比较合适。在此应用Matlab中的Simulink对本系统进行仿真，结构图参见图8。期望温度设定为80。当e6偏差采用模糊逻辑控制，e6时采用PID控制。对于阶跃响应的控制结果见图9，超调量=39，控制精度为35。4结论 对于具有大惯性环节、难以建立准确数学模型的被控对象，PID与模糊控制的复合控制能够满足系统要求，具有良好的快速性和稳态精度，且抗干扰能力强，是一种良好的控制方案。参考文献：李士勇，等编著.模糊控制和智能控制理论与应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990章卫国，杨向忠,编著.模糊控制理论与应