基于模糊控制的锅炉主控调节方法

郭石开 李菲

摘 要：针对火电机组的主蒸汽压力控制对象存在大惯性、大延迟且模型不确定的特点，可以将模糊控制与传统PID控制相结合，构成一种基于模糊控制的锅炉主控调节方法，通过现场实际应用，该控制方法对大惯性、大延迟且模型不确定的控制对象有很好的控制效果。

关键词：模糊控制；PID控制；锅炉主控

中图分类号：TP273.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0050-02

Main Control Adjustment Method of Boiler Based on Fuzzy Control

GUO Shikai1，LI Fei2

（1.Inner Mongolia Jinghai Coal Gangue Power Generation Co.，Ltd.，Wuhai 016000，China；

2.Wuhai Vocational and Technical School，Wuhai 016000，China）

Abstract：According to the characteristics of large inertia，large delay and uncertain model，the fuzzy control and traditional PID control are combined to form a boiler main control regulation method based on fuzzy control. The control method has a good control effect on the control objects with large inertia，large delay and uncertain model.

Keywords：fuzzy control；PID control；boiler master control

1 模糊参数自整定PI控制

1.1 PI控制器原理

PI控制器作为一种经典的控制器，应用十分广泛，其数学模型可以用下式表示：

式中，e（t）为调节器输入给定值与反馈值的偏差；u（t）为调节器的输出函数；KP为比例系数，TI为积分时间常数（KI为积分系数，与TI概念相反）。KP越大，系统响应越快，得到小的静态偏差，但是容易产生超调，甚至导致系统发散。TI越大，积分的作用减小，偏差存在的时间越长，但是系统稳定，不容易发散；TI越小，积分的作用越大，偏差存在的时间越短，但是系统不稳定，容易发散或者振荡。

1.2 模糊控制器的结构

本文模糊PI控制器采用二维控制器，由检测到的机前压力偏差e及其变化率ec，在已经制定的模糊规则下进行模糊推理，按照模糊规则得到动态的KI、KP，动态调整控制器参数达到最优参数，满足压力偏差及偏差变化率对控制器参数整定的要求，从而保证了被控对象的控制性能，模糊PID方框图如图1所示。

模糊PI控制器参数动态整定公式为：

其中，KP0、KI0为参数初始值，ΔKP、ΔKI分别为比例和积分作用系数的模糊修正项。

1.3 参数整定规则与模糊推理

将控制器的输入模糊化，输入控制器后求解得到输出值，其主要作用是将真实的确定量输入转换为模糊矢量。偏差以及变化量ec输出量和输出量ΔKP、ΔKI可用七个模糊状态表示，可概括为[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，并记为[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]。当输入值偏差大时，为了加快系统的响应速度，避免由于偏差迅速变大导致控制作用超出许可范围，应选取较大的输出；当偏差值和偏差微分值为中等数值时，为了提高响应速度，同时减小系统的超调量，输出应取小些；当偏差变化较小时，为了使系统具有良好的稳态性能，应增大输出。按照以上原则，确定相关模糊规则，并建立模糊控制规则表。

为了满足控制对象的控制要求，模糊控制器控制规则要根据控制对象和控制要求确定，但是在设计模糊控制器时，要有一个总的原则，在误差较大时，控制器应该较快地减小误差，同时避免误差进一步变大；当误差较小时，在保证系统稳定性的前提下，尽快消除误差，同时尽量不产生超调或者振荡。比例环节的作用主要是加快系统的响应速度，提高系统的动态性能。KP值越大，系统的响应速度越快，但同时也会产生超调，因此要选取合适的值。当偏差e较大时，增大KP值，提高响应速度；当偏差e较小时，可以适当减小KP值，在保证系统稳定的前提下减小超调量，同时也要考虑偏差变化率ec的影响，当e和ec同方向时，说明系统在向着恶化的方向发展，应该增大KP值；反之，适当减小KP值。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。在控制器调节的前期可以以比例作用为主，在后期以积分作用为主。ΔKP和ΔKI的模糊规则表如表1和表2所示。

2 锅炉主控模糊控制前馈

由于PID内部微分很难准确把握幅值和升降速率的尺度，容易出现微分振荡或微分超调现象，所以在工程实际应用中较少使用。因此，锅炉主控增加了以主汽压力偏差为基础的前馈，分别是主汽压力偏差值和主汽压力偏差微分值，它们共同构成了前馈部分。模糊控制前馈FF中，主汽压力偏差信号用a（主汽压力信号减去主汽压力设定值）表示，主汽压力偏差微分信号用b表示，由此构成的二维模糊控制规则表如表3所示。

此控制规则表是根据某电厂330MW循环流化床汽包炉机组实际运行数据分析得出的，具有很好的指导作用。

FF=β×M（a）+（1-β）×N（b） （4）

其中，β为主汽压力偏差信号a和主汽压力偏差微分信号b在此前馈中所占比例的权重系数，此数值应根据不同的现场情况进行设置。M（a）是主汽压力偏差信号a在该运行工况中所对应煤量的函数，N（b）为主汽压力偏差微分信号b在该运行工况中所对应煤量的函数。M（a）和N（b）两个函数的设置可根据先前制定的控制规则制定。综合计算后即可得出较为准确的锅炉主控前馈。

3 結 论

本文提出的模糊PID复合控制将模糊技术与常规PID控制算法相结合，优势互补，能够达到较好的控制作用。当温度偏差较大时，采用模糊控制能够快速响应，满足现场要求，提高控制系统的动态性能；当温度偏差较小时，采用PID控制，减小超调量，控制器能够快速消除偏差，提高系统的控制精度。因此，将两者相结合既能够快速响应，又能够提高控制精度，可以对复杂对象实施精确控制，较好地解决了控制系统大惯性、大延迟问题，得到了一种适应性更强的锅炉主控调节方法。通过实际应用，该控制方法在控制品质上优于传统PID控制方法，提高了控制系统的鲁棒性。针对模糊控制自身存在的缺点，也采取了相应的方法，即尽量多的采集数据来获得精确的模糊规则及隶属函数。

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作者简介：郭石开（1985-），男，汉族，内蒙古丰镇人，工程师，高级技师，华北电力大学控制与计算机工程学院控制工程专业，硕士研究生，研究方向：330MW循环流化床锅炉电热检修维护管理。