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[導(dǎo)讀]摘要:喘振作為高爐鼓風(fēng)機(jī)的一種不穩(wěn)定工況是一種透平機(jī)械所固有特性,是鼓風(fēng)機(jī)安全運行的重大隱患,同時也是高爐正常生產(chǎn)的事故隱患。本論文將探索用模糊PID控制算法來控制高爐鼓風(fēng)機(jī)的運行,以TMS320F2812DSP為硬件

摘要:喘振作為高爐鼓風(fēng)機(jī)的一種不穩(wěn)定工況是一種透平機(jī)械所固有特性,是鼓風(fēng)機(jī)安全運行的重大隱患,同時也是高爐正常生產(chǎn)的事故隱患。本論文將探索用模糊PID控制算法來控制高爐鼓風(fēng)機(jī)的運行,以TMS320F2812DSP為硬件平臺,通過調(diào)節(jié)防喘振閥,對鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量進(jìn)行實時監(jiān)測,當(dāng)發(fā)生喘振時,通過調(diào)控防喘振閥開閉,使高爐鼓風(fēng)機(jī)工作在安全區(qū)域。
關(guān)鍵詞:高爐鼓風(fēng)機(jī);防喘振;模糊PID控制;DSP

    高爐鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)壓和進(jìn)氣流量具有非線性和參數(shù)時變等特點,加上一些外界環(huán)境如溫度變化影響,很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來描述。因此我們采用模糊PID控制原理,進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)防喘振調(diào)節(jié),既可以保證工況點快速脫離喘振區(qū)域,又可以減少因放空引起的壓力大幅度波動而造成的能量損失。通過變送器采集風(fēng)壓、風(fēng)量等模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,經(jīng)過TMS320F2812DSP運算來控制防喘振閥的開閉,使高爐鼓風(fēng)機(jī)工作在安全區(qū)域。

1 鼓風(fēng)機(jī)喘振原理
   
高爐鼓風(fēng)機(jī)普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,尤其煉鋼、煉鐵等方面??諝膺M(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)后,鼓風(fēng)機(jī)對其做功將其從排氣管道排出。當(dāng)機(jī)組工作在正常情況時,防喘振閥處于關(guān)閉狀態(tài),鼓風(fēng)機(jī)排出的空氣傳輸?shù)綗犸L(fēng)爐里;若鼓風(fēng)機(jī)工況點在防喘振線上方時,控制系統(tǒng)將打開防喘振閥進(jìn)行放風(fēng),從而降低鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、增加流量,以使鼓風(fēng)機(jī)回到安全區(qū)域。鼓風(fēng)機(jī)工作時所對應(yīng)的排氣壓力值和進(jìn)氣流量值為該時刻鼓風(fēng)機(jī)的工
況點。所謂鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振是指鼓風(fēng)機(jī)的工況點在喘振線及其上方,這種狀況對系統(tǒng)的危害性很大,因為喘振會使鼓風(fēng)機(jī)軸靜向顫動,容易使動靜葉片發(fā)生碰撞而斷裂。為了使鼓風(fēng)機(jī)既能正常工作又能保護(hù)機(jī)體,防喘振控制是非常必要。如圖1所示。



2 模糊PID控制高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振
2.1 模糊PID算法
   
常規(guī)PID控制器以其成熟的技術(shù)在工業(yè)控制得到廣泛的應(yīng)用,典型常規(guī)PID只能利用一組固定的參數(shù)進(jìn)行控制,不能兼顧動態(tài)和靜態(tài)性能,魯棒性差,對非線性,時變參數(shù)等系統(tǒng)難以獲得控制效果。簡單模糊控制器將采樣時所獲得的誤差及誤差變化信號,根據(jù)其模糊化結(jié)果查詢模糊控制表,轉(zhuǎn)換為精確量后,直接作用于被控對象,極易在平衡點附近產(chǎn)生小振幅振蕩,使整個控制系統(tǒng)不能擁有良好的動態(tài)品質(zhì)差。模糊PID控制克服了常規(guī)PID控制和簡單模糊控制的缺點。模糊PID控制實質(zhì)就是模糊控制技術(shù)與PID控制結(jié)合在一起。
    模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)控制方法,作為智能控制的一個重要分支,在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。模糊控制的核心是模糊控制器,而模糊控制器的關(guān)鍵是模糊控制規(guī)則的確定,即模糊控制規(guī)則表,模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者操作者的手動控制經(jīng)驗總結(jié)出來的一系列控制規(guī)則。
    常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量,因此,一般認(rèn)為這種控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用,而缺少Fuzzy積分控制作用,眾所周知,在線性控制理論中,積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差,但動態(tài)響應(yīng)慢;比例控制作用動態(tài)響應(yīng)快;而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度,又能具有較快的動態(tài)響應(yīng)。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器,構(gòu)成Fuzzy-PI(或PID)復(fù)合控制,使動靜態(tài)性能都得到很好的改善,即達(dá)到動態(tài)響應(yīng)快,超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制和PID控制結(jié)合的形式有多種:
    1)模糊-PID復(fù)合控制
    控制策略是:在大偏差范圍內(nèi),即偏差e在某個閾值之外時采用模糊控制,以獲得良好的瞬態(tài)性能;在小偏差范圍內(nèi),即e落到閾值之內(nèi)時轉(zhuǎn)換成PID(或PI)控制,以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉(zhuǎn)換閾值由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為Fuzzy-PI雙??刂啤?br />     2)比例-模糊-PI控制
    當(dāng)偏差e大于某個閾值時,用比例控制,以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,加快響應(yīng)過程;當(dāng)偏差e減小到閾值以下時,切換轉(zhuǎn)入模糊控制,以提高系統(tǒng)的阻尼性能,減小響應(yīng)過程中的超調(diào)。在該方法中,模糊控制的論域僅是整個論域的一部分,這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓縮,等效于語言變量的語言值即分檔數(shù)增加,提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒有積分環(huán)節(jié),必然存在穩(wěn)態(tài)誤差,即可能在平衡點附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點時切換成PI控制,一般都選在偏差語言變量的語言值為零時,(這時絕對誤差實際上并不一定為零)切換至PI控制。
    3)模糊一積分混合控制
    將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。
    4)參數(shù)模糊自整定PID控制
    PID控制的關(guān)鍵是確定PID參數(shù),該方法是用模糊控制來確定PID參數(shù)的,也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec,用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改。其實現(xiàn)思想是先找出PID各個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系,在運行中通過不斷檢測e和ec,在根據(jù)模糊控制原理來對各個參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足在不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求,使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能,且計算量小。
2.2 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振模糊PID控制
    PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示:
   
    其中:u(t)一控制器的輸出
          e(t)一控制器輸入,它是給定值和被控對象輸出值的差,稱偏差信號。
          Kp一控制器的比例系數(shù)。
          Ti一控制器的積分時間。
          Td一控制器的微分時間。
    利用模糊控制原理和常規(guī)PID控制結(jié)合在一起,通過知識庫輸出調(diào)整PID的參數(shù)值,以達(dá)到最佳的控制效果。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)對象特性和模糊控制設(shè)計規(guī)則,并規(guī)則好的調(diào)整方法及調(diào)整參數(shù)存儲起來。通過對系統(tǒng)偏差△E(k)和系統(tǒng)輸出的識別,以了解被控制對象過程動態(tài)特性的變換,在線調(diào)整P、I、D 3個參數(shù),使鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)在防喘振工作區(qū)域。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應(yīng)技術(shù),其目的就是為了處理過程中出現(xiàn)的不確定性。如圖2所示。


    以鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的偏差e及其變化△e為特征變量,e(k)表示高爐鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓離散化的偏差值,e(k-1)、e(k-2)分別表示前一個和前兩個采樣時刻的偏差值,則
    △e(k)=e(k)-e(k-1);
    △e(k-1)=e(k-1)-e(k-2)
    在高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)中,采用產(chǎn)生式規(guī)則描述過程的因果關(guān)系,并帶有調(diào)整參數(shù)的控制規(guī)則,來建立控制規(guī)則集,即:“IF A AND B THEN C”。高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)共有7條推理規(guī)則:
    1)IF e(k)≥Nmax THEN防喘振閥全開;
    2)IF e(k)≤Nmin THEN防喘振閥全閉;
    3)IF e(k)*△e(k)>0 AND e(k)≥Ma THEN對防喘振閥進(jìn)行較強(qiáng)的PID控制。參數(shù)為:P1、I1、D1;
    4)IF e(k)*△e(k)>0 AND e(k)≤Ma THEN對防喘振閥進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜ID控制。參數(shù)為:P2、I2、D2;
    5)IF e(k)*△e(k)<0 AND e(k)*△e(k-1)>0 THEN對防喘振閥進(jìn)行較弱的PID控制。參數(shù)為:P3、I3、D3;
    6)IF e(k)*△e(k)<0 AND e(k)*△e(k-1)<0 THEN對防喘振閥進(jìn)行較強(qiáng)的PID控制。參數(shù)為:P4;
    7)IF e(k)=0 THEN防喘振閥控制不變。
    其中Nmax、Nmin、Ma是為設(shè)定的誤差極限,且Nmax>Ma>Nmin;Nmax、Nmin、Ma參數(shù)以及PID參數(shù)都是工程師根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)實際運行情況確定的。
2.3 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振模糊PID控制硬件平臺
   
系統(tǒng)硬件平臺是基于DSP的4~20 mA電流環(huán)電路,TMS320F2812DSP是TI公司出品高性能芯片,其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,性能優(yōu)越,特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的控制場合,如數(shù)據(jù)采集,工業(yè)自動化控制等。在工業(yè)過程控制中,與電壓信號相比,4~20 mA電流環(huán)具有強(qiáng)大的抗干擾能力。而且防喘振閥也是采用4~20 mA電流控制。當(dāng)輸入電流為4 mA時,防喘振閥全開;當(dāng)輸入電流20 mA時,防喘振閥全閉。系統(tǒng)電路原理如圖3所示。


    在系統(tǒng)中,鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量傳感器產(chǎn)生的4~20 mA電流信號,再通過I/U轉(zhuǎn)換器,把4~20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為0~3 V電壓信號。信號進(jìn)入TMS320F2812DSP中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,CPU經(jīng)過計算相應(yīng),輸出相應(yīng)信號,經(jīng)過D/A和芯片XTR110轉(zhuǎn)化后為轉(zhuǎn)換為4~20 mA電流信號。
2.4 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振模糊PID控制軟件設(shè)計
   
通過采集到的風(fēng)量、風(fēng)壓信號進(jìn)過DSP中進(jìn)行模糊PID調(diào)節(jié)控制。在模糊PID控制對變參數(shù)PID的量化因素Kp,Ki,Kd進(jìn)行及時調(diào)整。圖4為系統(tǒng)軟件流程圖。



3 結(jié)束語
   
利用模糊PID控制鼓風(fēng)機(jī)防喘振其效果具有很好的動態(tài)特性和出色的穩(wěn)態(tài)特性,抗干擾強(qiáng),有較強(qiáng)的魯棒性,非常適合風(fēng)量、風(fēng)壓非線性、時變、強(qiáng)干擾的不確定復(fù)雜因數(shù)的系統(tǒng)。

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