基于模糊PID的串級溫度控制系統(tǒng)研究

0引言

當前PID控制仍然是控制過熱汽溫的主流方法?；谶^熱汽溫大遲延、大慣性和時變等特點,當運行工況發(fā)生較大變化時,其對過熱汽溫對象的模型參數(shù)有較大影響。因此,常規(guī)的PID控制難以取得令人滿意的控制效果^[1]。

針對以上問題,本文提出一種新的過熱汽溫系統(tǒng)的控制方案:將模糊控制器和常規(guī)的PID控制器相結合作為主控制器。結果表明,新的控制方案較傳統(tǒng)的PID控制方案有更好的控制品質(zhì),即使在變工況的條件下也能達到較好的控制效果。

1 串級控制系統(tǒng)的設計

1.1過熱汽溫串級控制系統(tǒng)

過熱汽溫采用串級PID控制的原理框圖如圖1所示。

某機組鍋爐過熱汽溫采用噴水減溫調(diào)節(jié)手段,控制系統(tǒng)的被控對象為一個帶有大遲延和大慣性的非線性控制對象。通過現(xiàn)場動態(tài)特性試驗得知:隨運行工況的不同,對象動態(tài)特性會發(fā)生較大范圍的變化。具體變化情況如表1所示。

衰減曲線法是一種閉環(huán)整定方法,整定的依據(jù)是在純比例調(diào)節(jié)下的試驗數(shù)據(jù),其試驗數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)的衰減振蕩,且衰減比特定(通常為4:1或10:1,本文為4:1),利用表2的經(jīng)驗公式,求取調(diào)節(jié)器相應的整定參數(shù)。

在衰減比4:1下分別調(diào)節(jié)主副回路:根據(jù)表2衰減曲線法整定計算公式,結合表1四種典型工況下的對象特性,計算出四種典型工況下的主控制器整定參數(shù)如表3所示。

當運行工況大幅度變動時(即37%~100%負荷范圍內(nèi)),過熱汽溫對象的非線性、時變性非常明顯:根據(jù)某一特定工況得到的PID控制器整定參數(shù),在各種工況下很難實現(xiàn)較為理想的控制效果;不同工況的過熱汽溫對象的數(shù)學模型參數(shù)變化也很大。

以75%工況為例,根據(jù)表3中的參數(shù),在Matlab中仿真得到各工況下的曲線如圖2所示。

由圖2分析比較可知,在變工況情況下,系統(tǒng)負荷由75%下降到50%時,系統(tǒng)超調(diào)量增大,調(diào)節(jié)時間變長;在系統(tǒng)負荷由75%上升到100%的過程中,系統(tǒng)反應變慢,積分作用表現(xiàn)得越來越弱,調(diào)節(jié)時間也略微增長。雖然系統(tǒng)以75%工況下整定的參數(shù)為基準升降負荷時最終會趨于穩(wěn)定,但其控制效果已經(jīng)變得越來越差。

因此,下文引入了模糊PID串級汽溫控制策略,以改善過熱汽溫的控制品質(zhì)。

1.2 串級控制系統(tǒng)的改進——模糊PID串級控制系統(tǒng)

針對過熱汽溫被控對象的特性,本文采用模糊 PID控制器作為過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器,以改善過熱汽溫被控對象在鍋爐負荷發(fā)生變化等情況下的動態(tài)性能。其控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

當過熱汽溫被控對象受到如鍋爐負荷變化等因素影響時,過熱汽溫測量值θ₁與設定值θ₁₀相差較大,模糊PID控制器將kp、ki和kd三個參數(shù)根據(jù)誤差e和誤差變化率e_c進行調(diào)整,進而改變了模糊整定控制器輸出信號,最終使得過熱汽溫保持在額定值^[2]。

2模糊PID串級控制系統(tǒng)的設計

2.1模糊控制器隸屬函數(shù)曲線的設置

模糊控制器采用雙輸入單輸出的二維結構,輸入分別為誤差e和誤差的變化率ec,輸出為u。其模糊集為:{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}。模糊控制器的隸屬函數(shù)曲線均采用反應較為靈敏的三角形函數(shù),論域均為[—6,6],三個變量的隸屬度曲線相同,如圖4所示。

2.2模糊控制器規(guī)則的設計

模糊控制規(guī)則是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場操作人員或者專家經(jīng)驗得到的。規(guī)則表反映了實際的操作經(jīng)驗,規(guī)則表的好壞直接決定了控制的品質(zhì)。模糊控制規(guī)則是否完備,直接決定著模糊控制效果的好壞。它的提取和選擇是一個復雜綜合的過程^[3—4]。本文選取常用的模糊控制規(guī)則,如表4所示。

2.3模糊PID串級控制系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定

由于模糊控制器的輸入為誤差和誤差的變化率,故模糊控制器可以等同為一個PD控制器。從控制性能分析可知PD控制器是有差控制器,無法消除靜差。為了得到一個誤差輸出曲線,需要在模糊控制器上并聯(lián)一個積分控制器,即得到模糊PID控制器。系統(tǒng)采用串級結構,內(nèi)回路為比例調(diào)節(jié),外回路由模糊控制器和常規(guī)PID并聯(lián)組成混合控制器^[5—7]。仿真結構圖如圖5所示。

以75%工況為例 ,采用模糊PID控制系統(tǒng)在 Matlab中仿真得到各工況下的曲線如圖6所示。

3 結論

針對過熱汽溫被控對象大遲延、大慣性和時變等特點,本文在常規(guī)的過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的基礎上,引入模糊PID控制器作為串級控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器,用Matlab對該模糊PID串級控制系統(tǒng)進行了仿真。結果表明,與常規(guī)的串級控制系統(tǒng)相比,模糊PID 串級控制系統(tǒng)對象的參數(shù)或結構發(fā)生變化時,有快速響應、無超調(diào)、無靜差等優(yōu)良性能。

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2024年第12期第12篇