高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振模糊PID控制算法

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(yùn)行的重大隱患，同時(shí)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(yùn)行，以TMS320F2812DSP為硬件平臺(tái)，通過調(diào)節(jié)防喘振閥，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生喘振時(shí)，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(shí)變等特點(diǎn)，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(diǎn)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(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過TMS320F2812DSP運(yùn)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(duì)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(shí)，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(diǎn)在防喘振線上方時(shí)，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(shí)所對(duì)應(yīng)的排氣壓力值和進(jìn)氣流量值為該時(shí)刻鼓風(fēng)機(jī)的工
況點(diǎn)。所謂鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振是指鼓風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)在喘振線及其上方，這種狀況對(duì)系統(tǒng)的危害性很大，因?yàn)榇駮?huì)使鼓風(fēng)機(jī)軸靜向顫動(dòng)，容易使動(dòng)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，魯棒性差，對(duì)非線性，時(shí)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(shí)所獲得的誤差及誤差變化信號(hào)，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(duì)象，極易在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生小振幅振蕩，使整個(gè)控制系統(tǒng)不能擁有良好的動(dòng)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(diǎn)。模糊PID控制實(shí)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(jì)算機(jī)控制方法，作為智能控制的一個(gè)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(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)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(dòng)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(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)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(gè)閾值之外時(shí)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(shí)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(dòng)實(shí)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?。
    2)比例-模糊-PI控制
    當(dāng)偏差e大于某個(gè)閾值時(shí)，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(shí)，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(gè)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(diǎn)附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成PI控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時(shí)，(這時(shí)絕對(duì)誤差實(shí)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(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)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(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)。
          Kp一控制器的比例系數(shù)。
          Ti一控制器的積分時(shí)間。
          Td一控制器的微分時(shí)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(shí)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(duì)象特性和模糊控制設(shè)計(jì)規(guī)則，并規(guī)則好的調(diào)整方法及調(diào)整參數(shù)存儲(chǔ)起來。通過對(duì)系統(tǒng)偏差△E(k)和系統(tǒng)輸出的識(shí)別，以了解被控制對(duì)象過程動(dòng)態(tài)特性的變換，在線調(diào)整P、I、D 3個(gè)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(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)際運(yùn)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(tái)
    系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(chǎng)合，如數(shù)據(jù)采集，工業(yè)自動(dòng)化控制等。在工業(yè)過程控制中，與電壓信號(hào)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(shí)，防喘振閥全開；當(dāng)輸入電流20 mA時(shí)，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(hào)，再通過I／U轉(zhuǎn)換器，把4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3 V電壓信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入TMS320F2812DSP中進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，CPU經(jīng)過計(jì)算相應(yīng)，輸出相應(yīng)信號(hào)，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(hào)。
2．4 高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振模糊PID控制軟件設(shè)計(jì)
    通過采集到的風(fēng)量、風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)過DSP中進(jìn)行模糊PID調(diào)節(jié)控制。在模糊PID控制對(duì)變參數(shù)PID的量化因素Kp，Ki，Kd進(jìn)行及時(shí)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(dòng)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(shí)變、強(qiáng)干擾的不確定復(fù)雜因數(shù)的系統(tǒng)。