锅炉汽包水位控制系统的设计——模糊自整定PID控制器设计

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２００８年第１９期

锅炉汽包水位控制系统的设计

——模糊自整定ＰＩＤ控制器设计

张乐１王有朋２周浚哲３

（１．沈阳理工大学装备工程学院辽宁沈阳１１０１６８；２．山东艾诺仪器公司山东济南２５０１０１；

１１０１６８）３．沈阳理工大学信息工程学院辽宁沈阳

【摘要】本文主要介绍了模糊控制的基本思想及模糊控制系统的基本结构，以锅炉汽包水位控制系统为倒，设计模糊自整定ＰＩＤ控制嚣，

与传统ＰＩＤ控制器相结合。实现实时控制中ＰＩＤ参数的在线整定。

【关键词】锅炉；模糊控制；ＰＩＤ拉制器

１．引言

目前．我国存在很多工业和民用中小型锅炉，其中大部分自动控制水平很低．存在燃烧不彻底、排烟氧含量偏高、排烟热损失大等问题，直接造成了锅炉热效率低下和大量能量的浪费，同时也给环境带来很大的污染，所以实现锅炉的计算机控制具有重要的意义。

工业锅炉控制系统是一个典型的多输人多输出系统．系统存在惯性滞后、非线性、时变、难以建立精确的教学模型等特点，仅仅采用传统的控制理论。如ＰＩＤ控制效果不理想的。而模糊控制与传统的ＰＩＤ控制相比，具有响应快，超调小、鲁棒性强、抗干扰能力强、不需要精确的数学模型等特点，因此，它是解决不确定性系统控制的一种有效途径。

２．概述

在工业生产过程中．许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数．实时改变其控制策略．使控制系统品质指标保持在最佳范围内。但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是ＰＩＤ算法。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中．根据现场实际情况．计算机能自动调整ＰＩＤ参数．这样就出现了智能ＰＩＤ控制器。由于操作者经验不易精确描述．控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径．所以人们运用模糊数学的基本理论和方法．把规则的条件、操作用模糊集表示．并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评价指标、初始ＰＩＤ参数等）作为知识存人计算机知识库中．然后计算机根据控制系统的实际响应情况（即专家系统的输入条件），运用模糊推理，即可自动实现对ＰＩＤ参数的最佳调整，这就是模糊自适应ＰＩＤ控制。模糊自整定ＰＩＤ控制器目前有多种结构形式．但其工作原理基本上一致。

模糊自整定ＰＩＤ控制算法是在ＰｌＤ算法的基础上，以误差ｅ和误差变化置ｅｃ作为模糊控制器的输入量．以满足不同ｅ和ｅｃ对控制器参数的不同要求。根据模糊合成推理设计ＰＩＤ参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算：

也是目前采用较为广泛的一类模糊控制器。本文所采用的模糊自整定ＰＩＤ控制器的结构框图如图ｌ所示。

输入

口

输出

模糊控制器

醯ｌ

扯

Ｐ口

醯ｄ

图１模糊控制器结构

４．精确量的模糊化

模糊控制器的输入和输出信号均是精确量．而进行模糊推理需要模糊量．这样就需要在模糊控制算法实现过程中。能够进行精确量与模糊量之间的相互转换。

如果将每个模糊量对应一个模糊子集．则这样的模糊集就有无限多个。为简化问题．一般在实际应用中将精确量离散化。即将连续取值分为几档，每一档对应一个模糊集。控制系统中的偏差和偏差变化率的实际范围叫做这些变量的基本论域，设偏差的基本论域为卜ｘ．）【】，偏差所取的模糊集的论域为（一玛一ｎ＋ｌ，…ｏ．…＇ｌｌ—ｌ，ｎ），即得给出精确量的模糊化的量化因子ｋ。

ｋ＝！Ｌ

Ｘ

实际应用中，如果取模糊集设在卜６，＋６】之间，一般将其分为几档，每梢对应一个模糊集．而后进行精确量模糊化处理。当实际测量值与所设【＿６，＋６】范围不一致，而在【ａ，ｂ】之间范围。可以由变换式在【－６，＋６】间变化的变量ｘ转化为【－６，６】之间的量ｙ

产普【ｘ．等】

在锅炉汽包水位控制系统中。取汽包水位误差ｅ和误差变化量∞，将其模糊化到相应论域。模糊化过程是通过比例变换因子将采样获得的具体值论域变换到模糊语言变鼍论域，取输人语言变量ｅ和∞的论域均为ｅ√∞＝｛－６，－４。一２＇ｏ，２，４，６｝，其模糊子集为ｅ，ｅｃ＝ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ＇ｚ０，Ｐｓ，ＰＭ，ＰＢ。假设锅炉运行中要求汽包水位稳定在±５０ＩＩ蚰，则误差量化因子为：Ｉ【ｅ＝６／０．０５＝１２０．误差变化量可整定为【－０．０７５’ｏ．０７５】，则误差变化量的量化因子为：ｋ。＝６／０．０ｒ７５＝舳，输出语言变量△ｋ和△ｋ的论域均为△ｋ，△ｋＦ卜６，—４，一２，Ｏ，２＇４．６ｌ

ｋ产ｌ●△ｋ，

ｋｉ－Ｉ【ｉ．＋△ｋｉｋｄ＝Ｎ＋△ｋｄ

式中．ｋｐ、ｋｉ、ｋ厂ＰＩＤ三个控制参数的取值，ｋ？、ｋ。‘、玎一ＰＩＤ参数基准值，△ｋ。、△ｋ。△ｋ广ＰＩＤ参数校正值。

３．模糊自整定ＰＩＤ控制器结构的设计模糊控制器的结构设计就是要确定模糊控制器的输人变量和输出变量。究竟选择何种信息作为模糊控制器的变量，必须深入研究手动控制过程中有经验的操作人员重要根据哪些信息来控制被控对象向预期目标逼近。

在确定性控制系统中．根据输入变量和输出变量的个数．可分为单变量控制系统和多变量控制系统。在模糊控制系统中也可分类似地划分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。按照输入变量的个数分为一维、二维、三维模糊控制器。

在锅炉汽包水位控制系统中．输入变量选择为汽包水位的偏差值ｅ和偏差值的变化量ｅｃ，输出变量选择为ＰＩＤ参数的校正值，即△ｋ。、△ｋ。和△ｋｄ。在模糊自整定ＰＩＤ控制器中，采用的是二维模糊控制器。

模糊子集为△ｋ。△ｋｉ，△ｋｌ＝ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ｚＯ，Ｐｓ，ＰＭ，朋

输出量△ｋ－、△ｋ．和△ｌ【ｄ的比例因子ｋ－、ｋｚ和ｂ均为ｌ，３。ｅ、∞、△ｋ．、△ｋ。、△ｋｄ语言变量的隶属度函数均采用二角形隶属度函数。

量化因子ｋ和ｋ和比例因子ｋ－、ｋ：、ｋ，称为模糊控制器的参数．它对模糊控制器的特性有着重大影响，当ｋ增加时．上羽速度加快．超调量也随之增大，但稳态误差减少；ｋ的大小不仅影响特性曲线的上升段，而且对过渡时间也有影响；ｋ－、ｋ：、ｂ所决定的输出越大．对系统快速性有利，而对稳态工作不利，反之情况正好相反。本系统中的蕈化因子和比例因子由等级划分初步确定，在系统仿真和现场调试中根据具体情况进行优化调整。

５．建立模糊控制规则

模糊控制的实质是模仿人的智能和经验，其控制规则实际卜．是将这些人的思维活动和经验加以总结整理，形成以语言和模糊数学描述的控制策略，据此达到用机器代替人对复杂工业过程Ｉ下转第６７页）

心

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