模糊PID在热水锅炉温度控制系统中的应用

张馨

【摘要】模糊PID控制方法在热水锅炉温度控制系统中的应有有着十分明显的优势。本文首先概述了模糊PID控制，然后分析了锅炉温度控制系统控制器的设计，最后在探讨了模糊PID控制规则的基础上，对参数自整定的模糊PID控制器的设计和仿真研究做了研究。

【关键词】模糊PID；热水锅炉；温度；控制系统；应用

一、前言

模糊PID控制的优点十分明显，它不仅具有极佳的稳固性，而且在实际使用过程中的牢固性也十分出色。正是得益于它的这些特点，才更应该在遵循其控制原则的基础上，被应用在热水锅炉温度控制系统中。

二、模糊PID控制概述

在热水锅的温度控制中，被控对象具有非线性、时变性、滞后性等特点，而且温度控制受到被控对象、环境和燃料等很多因素的影响，难以建立精确的数学模型，难以选择控制器的参数。因此传统的PID控制器难以获得良好的控制效果。而模糊PID控制是基于智能控制理论，并与常规PID控制有机结合，能够很好地控制锅炉的出水温度。模糊PID的优点是它不要求掌握受控对象的数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后采用模糊推理的方法实现PID参数kp、ki和kd的在线自整定，不仅保持了常规PID控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强、控制精度高等优点，而且具有模糊控制的灵活性、适应性强等优点。

模糊PID控制算法充分利用了模糊控制和PID控制的优点，避开了建立对锅炉建立精确的数学模型这一难题。可以在线自调整PID的参数。从仿真结果看，模糊PID控制提高了系统的稳态特性。本系统在沈阳丹东稳压给水设备厂燃煤热水锅炉上运行后，在保证各项控制指标的基础上，不但提高了锅炉的热效率，而且大大减少了煤炭和电能的使用量，降低了烟气中污染物的含量，达到了节能、经济、环保运行的目的。

三、锅炉温度控制系统控制器设计

1.锅炉温度控制系统结构分析

锅炉温度控制系统的主要任务是精确控制锅炉的温度流量，确保炉内污水按设定值排出。从电动执行机构到流量计阶段可分为分为两个过程，首先是电动执行机构调解流量过程。输入为电流信号，输出为排污流量，此过程在动态特性上是一个二阶惯性加滞后环节，调解过程具有纯滞后时间T。其次是污水流经中间温度管过程，输入为电动执行机构出口处流量，输出为流量计入口处流量。

2.模糊自整定PID控制器的实现

模糊自整定PID控制器由模糊控制器和PID控制器两部分组成。其思想是在传统PID控制的基础上，采用模糊逻辑推理建立PID控制参数与流量偏差和流量偏差的变化率之间函数关系，根据不同的流量偏差和流量偏差变化率对PID控制器控制参数进行在线调整，提升控制系统的控制性能。结合锅炉温度控制系统实际情况、专家经验和模糊自整定控制算法，制定锅炉温度模糊自整定控制系统。

四、模糊PID控制规则

参数调整的模糊规则由专家及操作人员长期实践经验得出，总的来说：当偏差较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大Kp，同时为了防止因为开始时偏差的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较小的Kd。另外，为了防止系统响应出现较大的超调产生积分饱和，对积分环节要限制，一般取Ki=0，去掉积分作用。当偏差较小时，为了使系统具有较好的稳态性能，应增大Kp、Ki值，同时为避免输出响应在设定值附近振荡，以及考虑系统的抗干扰能力应适当选取Kd，这里Kd取值比较重要。

1.实际控制过程中的经验证明，调节初期适当地把PID调节器的Kp放大到较大的档次以提高响应速度；在调节中期，把Kp适当减小一些，从而兼顾稳定性与调节精度；在调节过程的后期，把Kp调整到较大的档次以减小静差，提高控制的精度。由此可构造参数ΔKP。

2.在控制过程中，积分调节规律主要作用于消除控制静差。但容易在调节过程初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，Ki取值当小一些；在调节过程的中期为避免影响稳定性，Ki取值应调整得适中，而在调节过程的后期，应加大Ki，以减小调节静差，从而提高调节精度。因此构造出参数ΔKi，调整规则。

3.根据实际控制过程操作经验，在调节过程初期，加大Kd，可以减小甚至避免超调；在调节过程中期，由于调节特性对Kd的变化比较敏感，因此，Kd取值应适当小一些并保持固定不变；在调节后期，应减小Kd，从而减小被控过程的制动作用，以补偿在调节过程初期由于Kd较大所造成的调节过程时间延长。构造出参数ΔKd调整规则。

五、参数自整定的模糊PID控制器的设计

1.参数自整定模糊PID控制系统结构

延迟、参数、干扰等因素的测量分析是通过智能控制器实现的，智能控制器即参数自整定模糊PID控制器，PID三个参数Kp、Ki和Kd的整定是通过模糊推理方法在线整定的。该系统是由常规PID控制器和具有模糊推理的参数校正部分组成。模糊系统的输入分别是偏差的变化率EC与偏差E，模糊系统的输出是三个PID参数的变化值，PID参数的自整定通过参数校正和在线不断变化PID参数值来实现的。

2.加热炉控制系统参数自整定模糊PID控制

实现PID参数自整定首先确立模糊关系，即偏差e、三个参数、偏差变化率ec之间，程序运行中不断的测量e和ec，3个参数的在线整定是通过模糊控制原理实现的，从而来满足智能控制器参数的要求。实现PID参数的自整定一定考虑到不同的时间三个参数的相互作用与关系。通过总结专业人员的技术知识来实现模糊控制的设计，从而才能形成模糊规则表。

3.模糊控制规则的确定

对于本文设计的模糊控制器，采用经验归纳法设计模糊控制规则，再结合现场调试经验作局部调整。例如，当温度的偏差E为负大，温度的偏差的变化率EC也为负大的时候，此时，应该尽快消除偏差，使控制量快速增加，所以控制量應取正大。

4.模糊决策

模糊逻辑推理是建立在模糊逻辑基础上的，用于给定的规则输入信息中产生规则输出。通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合，模糊判决就是将在推理中得到的模糊集合转变成能代表这个集合的单值的数学过程。在实际使用中，特别是在模糊逻辑控制中，被控过程只能接受一个精确的控制量。

六、模糊PID控制器的仿真研究

1.模糊-PID复合控制器设计

模糊-PID复合控制是模糊技术与常规PID控制算法相结合的控制方法，当温度偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；当温度偏差较小时采用PID控制，使其静态性能好，满足系统控制精度，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。由于锅炉再热蒸汽温度本身具有较大的时变性、非线性和时滞性，采用PID控制会产生较大的超调，控制效果非常不理想，而模糊-PID復合控制对于时滞较大的被控对象表现出较好的控制效果。

2.模糊-PID复合控制器仿真

为了模拟锅炉再热器温的实际情况，控制规则采用上节的控制规则，应用模糊逻辑工具箱设计模糊控制器，控制算法的切换使用阀值开关来实现，阀值设定为系统进行算法切换的偏差值，当偏差大于等于阀值时，开关的输出与模糊控制器相连，当偏差小于阀值时，开关的输出与PID控制器相连，这样就实现了控制算法的自动切换。

七、结束语

通过对模糊PID控制的探讨，我们可以发现在这种方法的控制下，热水锅炉温度控制系统的性能能够得到很大程度上的提示，这对于生产的正常进行有着至关重要的作用。与此相关的人员应该深入研究，科学把握，以最大程度地保持温度控制系统的运转。

参考文献

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