基于单冲量锅炉汽包水位的高性能制器设计

2017-09-05 22:40兰扬陈雪华
大陆桥视野·下 2017年7期
关键词:模糊PID仿真

兰扬++陈雪华

【摘 要】针对小型的工业锅炉汽包水位系统,设计改进的不完全微分结构与模糊PID结合的复合控制器。通过Matlab仿真:所设计的复合控制能很好抑制因扰动突变引起的振荡,系统无超调,快速性更好,性能优于传统的模糊PID控制。

【关键词】汽包水位;不完全微分;模糊PID;仿真

工业锅炉是现代工业的重要动力源,其广泛应用于炼油、发电、化工、冶金、核工業等重要领域[1],具有大滞后、非线性、多变量、强势变等特点。锅炉汽包水位是整个锅炉系统的重要控制量之一,若水位过高,蒸汽中的含水量增加,蒸汽品质降低,不仅影响生产,还使过热器管壁结垢,严重时会损坏设备;如果水位过低,当负荷急剧增大时,水汽化的速度加快,若不及时控制,很容易形成“干烧”甚至爆炸[2]。目前,国内外针对汽包水位主要采用的控制方式有PID控制、模糊PID控制、神经网络控制、内模控制、预测控制等[3]。本文结合各种控制方法的优点,针对小型燃气锅炉水位控制系统,设计一种改进的不完全微分模型,并与模糊PID结合形成复合控制器,对锅炉汽包水位实现精确快速控制。

1.控制对象模型构建

小型工业燃气锅炉汽包的“虚假水位”现象不明显,因此采用单冲量控制系统对其进行控制即可,所谓单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号,即水位测量信号经变送器送到水位调节器,调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀,改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内,作为被控对象的锅炉汽包水位的数学模型为G(S)=0.0125/S(11.5S+1)[4]。

2.控制系统的设计

2.1 设计思想

对于工业锅炉汽包水位这样一个非线性、大滞后、多扰动系统,传统的PID控制效果不太理想,本文设计改进的不完全微分结构与模糊PID相结合,形成不完全微分-模糊PID复合控制。模糊PID控制利用模糊推理实现系统参数的自整定,不完全微分用于抑制扰动突变,提高控制品质,其结构原理图如图1 所示。

2.2 不完全微分结构的设计

不完全微分其实质是在控制器的基础上增加一个低通滤波器,即一阶微分环节,从而抑制系统的突变。锅炉汽包水位是一个多扰动系统,当各种扰动主要以突变的形式产生,因此引入不完全微分有助于抑制扰动引起的振荡,提高控制品质。目前工程上常用的不完全微分结构形式如图2所示[5],长期的工程实践表明,该结构对扰动突变有较好的抑制,但是此结与模糊PID控制结合形成的复合控制器无法对微分参数进行在线整定,因此本文设计如图3所示的改进型不完全微分结构,这样既可以抑制系统扰动,在与模糊PID形成复合控制器时,又能对Kp、Ki、Kd三个重要控制参数均实现在线自整定,相比图2结构而言,还可以对系统误差变化趋势进行抑制,使系统的控制性能更优。

2.3 模糊PID控制器的设计

设计模糊PID控制器的设计时,首先根据初始条件下误差e和误差变化率ec整定Kp、Ki、Kd三个参数;在实际控制过程中,误差e和误差变化率ec会不断变化,始终用固定的参数进行控制不易得到满意的结果,因此需要再设计一个模糊推理系统,根据e 和ec不断变化,得到P、I、D三个参数的变化量△Kp、△Ki、△Kd与初始整定参数叠加,从而实现了控制过程中参数的自调整,从而提高控制性能。

设计模糊推理系统时,控制器的输入误差E、误差变化率EC、输出控制量△Kp、△Ki、△Kd的语言变量值均取(负大、负中、负小、零、正小、正中、正大),用符号表示分别为(NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB),其论域均设定为[-6,6],量化等级均取{- 6 ,- 5 ,- 4 ,- 3 ,- 2 ,- 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 } ,所有语言变量的各模糊子集的隶属函数均取三角形隶属函数,如图4所示。根据专家经验建立模糊控制则表[6],如

表1所示,采用重心法进行解模糊,得到精确的参数变化量△Kp、△Ki、△Kd。

3 .控制系统的仿真

本文采用SIMULINK对设计的控制系统进行仿真,首先采用工程上常用的临界比例法整定Kp、Ki、Kd,根据经验不完全微分环节的参数选取为:Tα=10,Tf =0.5。在单位阶跃响应作用下,其响应曲线如图5所示,仿真结果可知,改进的不完全微分-模糊PID复合控制器有效的抑制了因扰动而产生的超调,具有更好的快速性和稳定性。

4.结论

本文针对小型工业燃气锅炉汽包水位系统, 设计了改进型不完全微分与模糊PID形成复合控制器,该控制器既能实现控制参数的实时整定,又能抑制汽包水位系统因扰动突变产生的振荡和不稳定。仿真结果表明,复合控制器的控制几乎无超调,快速性和稳定性更高,效果优于单纯的模糊PID控制器。

参考文献:

[1] 刘美,陈山羊,张翼诚.基于PCS7的锅炉控制系统设计与实现[J]. 广东石油化工学院学报,2015,25(6):50-53.

[2] 王富强. 工业燃气锅炉控制系统的研究和设计[D].东华大学,2011.

[3] 杨长亮 .基于模糊 PID 控制的燃气热水锅炉控制系统的研究[D]. 电子科技大学,2010.

[4] 李祖欣. MATLAB 在模糊控制系统设计和仿真的应用[J].系统仿真学报,2003.15(1):132-134.

[5] 袁浪,周少林,刘伟伟. 不完全微分 PID 算法在线材活套控制中的分析与运用[J].电气自动化,2014,36(2):25-27,42.

[6] 宋乐鹏,董志明,向李娟,等. 变量喷雾流量阀的变论域自适应模糊PID控制[J].农业工程学报,2010,26(11):114-118.

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