1、.本文檔下載自樂檔網，更多免費文檔請訪問網址PID型自適應模糊控制在鍋爐主蒸汽溫度控制中的仿真研究PID型自適應模糊控制在鍋爐主蒸汽溫度控制中的仿真研究牛培峰,任娟,王帥燕山大學,河北秦皇島066004摘要通過對PID型模糊控制器、主蒸汽溫度的大慣性和大滯后性以及難以建立精確的數學模型特性的研究,提出了一種自適應模糊控制方法,其通過在線調節可調因子,不斷優化控制過程,使模糊控制系統具有較強的自適應能力。以主蒸汽溫度控制系統為例,對PID型自適應模糊控制方法進行了仿真,并與模糊PID。結果表明,該方法顯著提高了控制系統的動態特性、關鍵詞發電廠;PID型;自適應;模糊控制;中圖分類號TK223文獻

2、標識碼A文章編號1002-,熱工過程往往具有較大的慣性和滯后性,而且呈非線性和慢時變。常規的鍋爐主蒸汽溫度控制系統采用串級或帶導前微分的雙回路控制,但當工況發生較大變化或外部擾動較大時,該系統難以保證優良的控制品質,即出現系統的穩定性下降、調節時間增長、超調量變大等問題,需要手動調節1。模糊控制對非線性或不確定性的被控對象具有良好的控制效果,且已應用于大型火電機組的相關控制系統中2,3,解決了許多常規PID控制難以解決的問題。當火電機組負荷發生變化時,其被控對象的特性有較大的改變,控制系統的品質會變差,而且常規模糊控制所依賴的模糊控制規則僅依據專家經驗確定,必然造成模糊控制規則的不完善。因此,

3、為改善模糊控制的品質,必須使模糊控制器具有隨機組工況變化的自適應能力,即能夠實時地調整模糊控制規則。在實際應用中所采用的模糊控制規則較多,且規則的前提參數和結論參數與控制系統品質之間的關系不很明顯,造成了通過直接調整規則參數使控制系統具有自適應能力的方法難于取得應用性的進展。利用神經網絡對模糊控制規則進行學習4,5,其提出的自適應模糊控制算法仍十分復雜,難以在工程上實現。文獻6提出將模糊控制與常規PID控制相結合的方法。在常規PD型模糊控制系統的基礎上,通過引入積分環節,提出PID型的模糊控制器,消除了模糊控制系統的穩態偏差7,8。為了改善PID型模糊控制系統的自適應能力,本文通過研究模糊控制

4、系統相關可調因子與控制系統品質之間的關系,提出了一種調整可調因子的模糊校正方法,使PID型模糊控制系統具有較強的自適應能力。以Matlab作為仿真平臺,構建PID型模糊控制仿真模塊,并對其進行自適應調整,以改善鍋爐主蒸汽溫度的控制品質,并驗證了自適應模糊控制系統的有效性。1PID型模糊控制系統1.1控制系統結構一般的模糊控制器是以被調量與定值之間的偏差24收稿日期:2007-08-03作者簡介:牛培峰(1958-),男,吉林人,博士,燕山大學電氣工程學院自動化系教授,主要從事復雜工業系統的智能建模與智能控制的教學與研究。E-mail:npf882000? 1994-2009 China Aca

5、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 和偏差變化率為輸入變量,因此它具有與常規PD控制器類似的作用。采用該類模糊控制器的控制系統可以獲得良好的動態品質,但難于消除被調量的穩態偏差。為了消除控制系統的穩態偏差,可采用PID型模糊控制系統(圖1)。差變化率e作為輸入語言變量,輸出量為系統控制值U,構成一個二維模糊控制器。選定控制偏差E的離散論域為-11,11,偏差變化率EC及控制作用U的離散論域為-8,8。在輸入語言變量E、EC和輸出語言變量U的可調域內取PB、PM、PS、ZO、NS、NM和NB7個模糊子集,

6、其分別對應正大、正中、正小、零、負小、負中和負大。各模糊隸屬度的選取可參考文獻6。模糊規則庫采用表1中的控制規則。表1模糊控制規則e(k)e(k)NBPBPLPLPMPSPSPSNMPBPLPMPMPSNSNM圖1PID型模糊控制系統NSPBPMPMPSNSNMNM采用代數積-加法-重心模糊推理法6ZOPMPMNSNMNM,可推導PSNMNMNBPD型模糊控制器的輸出為:NSMNMNMNBU=A PE DE(1)NNSNSNBNBNBNB式中:A、P、D為常數;E=Kee;E=Kde圖1中,PID2PID型自適應模糊控制系統u=U t( E) 2.1控制系統結構(A PE DE)dt=A Ke

7、Pe 圖2為PID型自適應模糊控制系統結構,其中e、DKde At KePedt DKde分別為偏差和偏差變化率,模糊控制器是對U進行edt=調整;參數模糊調整器是根據系統實際運行情況對模A At KPe DKe KPedt 糊控制器(與edePID型模糊控制器相同)的Ke和進行在線調整,以實現自適應模糊控制效果。DKde=A At (KeP KdD)e KePedt KdDe(2)式中Ke、Kd、為系統可調因子。PID型模糊控制器的輸出u為乘以PD模糊控制器輸出U與乘以對U的積分之和,加入此積分項,可以消除系統的穩態偏差。由式(2),PID型模糊控制器的輸入、輸出關系可近似看作是一個比例、積

8、分、微分關系,其中比例、積圖2PID型自適應模糊控制系統結構分、微分增益的因子分別為KeP、KdD、KeP、KdD。Ke影響PID型模糊控制器的比例和積分成2.2參數模糊調整器分,影響控制器的比例和微分成分。因此,通過調整2.2.1參數校正原則這2個參數就可實現對PID型模糊控制器比例、積分在PID型模糊控制系統基礎上,通過逐步增大、和微分的綜合調整,從而實現PID型模糊控制系統的減小Ke和,可得到對主蒸汽溫度控制系統性能的影自適應11。響:Ke越大,控制速率上升越快,易產生系統振蕩;當Ke減小,PID型模糊控制器的積分和比例均減小,控1.2PID型模糊控制器的設計制系統趨向于穩定;當增大,P

9、ID型模糊控制器的動模糊控制器是以定值與被調量之間的偏差e和偏作速度加快,但被調量的輸出響應更加平穩,控制系統? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 25趨于穩定。這是由于當增大時,PID型模糊控制器的微分作用增加較快,雖然比例作用也有所增加,但由于Ke較小,比例增加很小。所以,當增加時,整個控制系統將趨于穩定。在實際運行中,根據控制系統的e和e及時地調整可調參數,可使PID型模糊控制器具有較好的自適應能力。Ke和的調整原則8:當控制系統被調量的e較小時,控制器的比

10、例和積分作用較小,為了有效抑制被調量的動態偏差,必須通過加大控制器的微分作用及時改變控制器的輸出。因此,當被調量的動態偏差較小時,可以適當增加。由于比例和積分作用不大,為保證控制系統具有更好的穩定性,可以適當減小比例和積分系數,即可適當減小Ke。當被調量動態偏差達到最大時,為了使被調量能快速回調,可適當增加比例作用和積分作用,微分作用可取較小的值,即Ke取較小值。當被調量動態偏差已逐步減取較大值,小時(被調量已回調),率的變化方向不一致時,大的超調,e。2.2.2的模糊校正規則根據參數校正原則,可得出Ke、(表2)。表2中,B、(M)、(S)表示M、S表示Ke;(B)、。表2Ke和的模糊校正規

11、則e(k)NBNMNSZOPSPMPBe(k)NBB(S)B(S)B(S)B(S)M(S)M(S)S(S)NMB(M)B(S)M(S)M(S)M(S)S(S)S(M)NSB(B)M(B)M(M)M(S)S(M)S(B)S(B)ZOS(B)S(B)S(B)S(M)S(B)S(B)S(B)PSS(B)S(B)S(M)M(S)M(M)M(B)B(B)PMS(M)S(S)M(S)M(S)M(S)B(S)B(M)PBS(S)M(S)M(S)B(S)B(S)B(S)B(S)3PID控制的效,。以鍋爐主蒸汽9(汽溫)為被控對象,選擇實測汽溫偏差和偏差變化率的范圍分別為(-15 15)和(-2 2)/s,控制

12、輸出的范圍為(010)mA,此汽溫的偏差和偏差變化率為兩種極限情況(在設計時已考慮,在實際應用中一般不出現)。在正常情況下汽溫偏差和偏差變化率為(-7 7)和(-0.5 0.5)/s。在保持串級控制系統基本結構的前提下,設計了自適應模糊汽溫控制系統(圖5)。言變量e、e,對其進行模糊化,將各自的論域分為7個模糊等級:PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB;輸出變量為可調因子和Ke,選定控制作用的離散論域為0,8,Ke的離散論域為0,6,對其進行模糊化,并分為3個等級:B(大)、M(中)、S(小)。圖3、圖4分別為輸入e、輸出Ke的隸屬函數。圖5主蒸汽溫度的自適應模糊控制系統結構圖3輸入e的隸

13、屬函數26圖4輸出的隸屬函數在圖5中,主調節器采用自適應模糊調節,Wa1(s)為副調節器,W01(s)和W02(s)分別為調節對象及其導前區的傳遞函數,WH1(s)、WH2(s)分別為減溫器出口蒸汽溫度和過熱器出口蒸汽溫度的測量單元。除主調節器外,其它環節的傳遞函數分別為:Wa1(s)=25WH1(s)=0.1,mA/WH2(s)=0.1,mA/W01(s)=,/mA(1 15s)2? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. W模糊控制系統能夠更快地穩定系統、超調量小。

14、該仿02(s)=(1 25s)3,/mA真驗證了自適應模糊控制在模型參數變化一定范圍內當設定值信號增加lmA的階躍變化時,自適應的有效性。模糊控制系統與模糊PID控制系統的響應曲線見圖6。參考文獻1楊濤,高偉,黃樹紅.基于Matlab的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統仿真J.華中科技大學學報,2003,31(4):63-65.2呂劍虹,王建武.200MW及以下容量機組除氧器和凝汽器水位多變量模糊控制系統J.中國電力,2001,34(1):55-58.3劉紅軍,韓璞,王東風.T-S模糊系統的辨識方法及其在圖6汽溫輸出響應曲線主汽溫系統中的應用J.華北電力大學學報,2005,9(1):在實際運行中,由于鍋

15、爐負荷是變化的,因此上述48-51.4JangJSR.Self-fcontrollersbasedontem2模型各參數也有一定的變化范圍。在上述控制系統模poralbackJTran.NeuralNet2型基礎上,變換W02(s)=()-(1 s)3的靜態增益k和過熱蒸汽溫度單神經元模糊自適應控制時間常數,比較自適應模糊控制和模糊J.材料與冶金學報,2005,3(5):77-80.參數變化下的響應情況:6WuZhiQiao,MasaharuMizumoto.PIDtypefuzzycon2為原參數,1s時將s1.0.86,trollerandparametersadaptivemethodJ

16、.FuzzySets=25不變;,s將從25變為andSystems,1996,78(1):23-35.17,k=0.86不變;,在1000s將k從7張化光.熱工過程的模糊辨識與控制M.南京:東南大0.86變為1.2,=17不變,系統仿真到1500s。自適學,1991.應模糊控制系統與模糊PID控制系統的響應曲線見8胡一倩,呂劍虹.一類自適應模糊控制方法研究及在鍋爐圖7。汽溫控制中的應用J.中國電機工程學報,2003,15(1):136-140.9馬永光,趙建軍.主汽溫系統的模糊PID控制及仿真J.儀器儀表與分析檢測,2006,1(1):1-4.10林梅金,羅飛.模糊PID控制器在火電廠主汽溫

17、控制中的應用J.動力工程,2005,4(2):231-234.11ZhiWeiWo,HuangYuanChung,JinJyeLin.APIDtypefuzzycontrollerwithserf-tuningscalingfactorsJ.Fuzzysetandsystem,2000,115(2):321-326.圖7參數變化時汽溫輸出響應曲線12James,Carvajar,GuangrongChen.FuzzyPIDControl2由仿真比較可知,對KlerDesign,performanceevaluation,andstabilityanalysise和進行模糊校正后,在沒有降低控制器輸出變化速率的情況下,有效地抑制J.InformationSciences,2000,123(3):249-270.了控制系統的超調量,提高了控制系統的穩定性,很好13袁紹軍,楊鐵軍.雙層隔振系統可調因子模糊自調整主動控制技術研究J.振動工程學報,2005,18(2):208-211.地協調了控制器動作快速性和控