PDF《模糊 PID 在热水锅炉温度控制系统中的应用》

《 工业控制计算机》

2007 年20 卷第

2 期PID 控制由于结构简单、 稳定性好、 可靠性高, 在工业控制 中得到广泛的应用.

然而在热水锅的温度控制中, 被控对象具有 非线性、 时变性、 滞后性等特点, 而且温度控制受到被控对象、 环 境和燃料等很多因素的影响, 难以建立精确的数学模型, 难以选 择控制器的参数.因此传统的 PID 控制器难以获得良好的控制 效果.而模糊 PID 控制是基于智能控制理论, 并与常规 PID 控 制有机结合, 能够很好地控制锅炉的出水温度. 模糊 PID 的优点 是它不要求掌握受控对象的数学模型,而根据人工控制规则组 织控制决策表,然后采用模糊推理的方法实现 PID 参数 kp、 ki 和kd 的在线自整定, 不仅保持了常规 PID 控制系统原理简单、 使用方便、 鲁棒性较强、 控制精度高等优点, 而且具有模糊控制 的灵活性、 适应性强等优点. 本文设计一个参数自整定模糊 PID 控制器来完成对热水锅炉 的温度控制, 并结合 MATLAB 的SIMULINK对其进行仿真研究.

1 模糊 PID 控制器的设计 1.1 模糊 PID 控制器 模糊 PID 控制器是以常规 PID 为基础, 采用模糊推理思想 根据不同的 e 和ec 对PID 参数进行在线自整定,控制器由两 部分组成, 即常规 PID 控制部分和模糊推理的参数校正部分. 模糊PID 控制器的结构如图

1 所示. 图1自整定模糊 PID 控制器结构图 图1中e为误差;

ec 为误差变化率;

e !为模糊化后的误差;

e " c 为模糊化后的误差变化率. 比例系数 kp=kp'+{ E, EC} p, 积分 系数 ki=ki'+{ E, EC} i, 微分系数 kd=kd'+{ E, EC} d.其中{ E, EC} p、 { E, EC} i、 { E, EC} d 为模糊推理的结果,即参数校正量, kp'、 ki'、 kd' 为参数的初值. 本模糊 PID 控制器的设计核心是应用模糊集合理论建立参 数kp、 ki 和kd 与系统误差 e 和系统误差变化率 ec 之间的二元 连续函数关系, 并用不同 e 和ec 在线自整定 PID 参数. 1.2 模糊控制的输入、 输出变量及其语言描述 根据 PID 参数自整定原则, 用于 PID 参数调整的模糊控制 器采用二输入三输出的模糊控制器,该控制器以误差 e 和误差 变化率 ec 为输入语言变量, 而以 kp、 ki 和kd 为输出语言变量. 各变量的模糊论域为>- 6, - 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6E, 各变量的语言值为>NB, NM, NS, Z, PS, PM, PBG. 其考虑到对论 域的覆盖程度和灵敏度, 稳定性与鲁棒性原则, 各模糊子集采用 三角形隶属函数.其各变量的隶属度函数曲线如图

2 所示. 图2变量的隶属度函数曲线 1.3 模糊控制规则 模糊控制器的核心是" IF...THEN" 形式的模糊控制规则, 控 制规则的选取直接关系到系统控制性能的优劣, 是设计的关键. PID 控制中 kp、 ki 和kd 具有以下特点: 1) 比例增益 kp 增大, 可以加快响应速度, 减小系统稳态误 差, 提高控制精度, 但是过大会使系统产生超调, 甚至导致不稳 定;

2) 积分作用主要是消除系统静态误差, 加强积分作用, 有利 于减小系统静差, 但是 ki 过大, 会加大超调, 甚至引起振荡;

3) 微分作用可以改善动态性能, 增大微分增益 kd, 有利于 加快系统响应, 使系统超调量减小, 稳定性增加, 但对扰动敏感, 抑制外扰能力减弱. 若kd 过大, 会使调节过程出现超调减速, 调 节时间增长;

反之, 若kd 过小, 系统响应变慢, 稳定性变差. 根据上述分析同时考虑到三个参数之间的相互影响,本文 模糊 PID 在热水锅炉温度控制系统中的应用 李磊白瑞祥 ( 天津科技大学电子信息与自动化学院, 天津 300222) Application of Fuzzy- PID Control in Hot Water Boiler Temperature Control System 摘要针对热水锅炉温度控制的特点, 采用模糊 PID 控制策略. 将SIMULINK 与FUZZY TOOL BOX有机地结合设计模糊自 整定 PID 控制器.系统的仿真结果表明该控制方法提高了对非线性、 滞后系统的控制效果.经过在丹东燃煤热水锅炉供暖 工程的实际运行, 证明系统的控制效果良好. 关键词: 锅炉, 模糊 PID 控制器, 仿真, 温度控制 Abstract A fuzzy and PID control method is presented for characteristics of boilers temperature control system.This paper intro- duces origanic combination of SIMULINK and FUZZY TOOL BOX of the MATLAB makes self- adjusting fuzzy PID controller. The results of simulation show that the control method has improved quality of nonlinear and dead time system.It is proved that effect is good through application in project of coal firing and hot water boiler in DanDong. Keywords:boiler,fuzzy- PID controller,simulation,temperature control

41 模糊 PID 在热水锅炉温度控制系统中的应用 建立了如表

1 所示的控制规则表: ( 其中依次为 kp、 ki 和kd 的 控制规则) . 表1模糊控制规则表

2 锅炉温度控制系统的设计及其仿真 根据系统的工艺要求,选用由工控机 ( 研华 IPC_610P4L_ ACN) 和PLC( 西门子 S7- 300) 组成集散控制系统. 模糊 PID 控 制器的输入量为设定温度与锅炉供水温度的偏差 e 和偏差的变 化率 ec, 输出量为锅炉的供水温度.出水温度设定值随室外环 境温度的变化自动调节.模糊控制策略在上位机( IPC) 上实现, 传统的 PID 控制策略利用下位机实现.上位机的输出作为下位 机的优化信号直接影响下位机控制信号的输出,而性能稳定可 靠的 PLC 作为下位机直接与执行机构相连.这种控制系统保证 了一旦上位机出现故障,下位机仍能通过 PID 常规控制手段保 证系统安全运行. 2.1 构造 FIS 编辑器 1) 在MATLAB 中健入 fuzzy 命令进入模糊逻辑工具箱, 通 过具有交互式图形界面的模糊推理系统编辑器和隶属函数编辑 器, 依照上述结果, 选择输入、 输出模糊变量的论域范围、 各个语 言变量的隶属度函数形状等参数,选择解模糊用重心平均法 ( centroid) . 2) 从Edit 菜单中选择 Rules 打开模糊规则编辑器, 在规则 编辑器即 RuleEditor 中按表

1 所示输入规则. 3) 将设计好的模糊控制器保存( export to workspace) . 以"fuzzy.fis" 的名字保存在 workspace 中, 以备仿真时调用. 2.2 创建模糊 PID 控制器 1) 在SIMULINK 的菜单中, 选择 Fuzzy Logic Toolbox 中的Fuzzy Logic Controller 模块, 双击此模块, 在弹出的对话框 中键入 fuzzy.这样就完成了 Fuzzy Logic Controlle 模块与 SIMULINK 的连接. 其中 e 和ec 的量化因子为

1 和3. kp、 ki 和kd 的比例因子分别为 0.

4、 0.

02、 0.4.模糊控制器如图

3 所示. 图3模糊和 PID 控制器 2) 在SIMULINK 中选 File /New /Modal 设计 PID 控制器如 图3所示. 3) 将模糊控制器封装成子模块, 并同 PID 控制器子系统再 次封装成自调整 PID 控制器. 2.3 仿真与分析 从SIMULINK 中选择所需的模块组成如图

4 所示的自调整 模糊 PID 控制系统. 根据工程中被控物性对象―温度的特性, 选 用二阶惯性环节加滞后来表示. 因此选仿真对象的传递函数为: G( S) =5* e - 2s /( 1.6s

2 +4.4s+1) . 图4自整定模糊 PID 控制系统 仿真曲线如图

5 所示. 由仿真结果知, 模糊 PID 控制器比传 统的 PID 控制器相应时间短、 超调小和稳态性能好, 大大改善了 控制性能. 图5系统阶跃响应曲线

3 结束语 模糊 PID 控制算法充分利用了模糊控制和 PID 控制的优 点, 避开了建立对锅炉建立精确的数学模型这一难题. 可以在线 自调整 PID 的参数.从仿真结果看, 模糊 PID 控制提高了系统 的稳态特性.本系统在沈阳丹东稳压给水设备厂燃煤热水锅炉 上运行后, 在保证各项控制指标的基础上, 不但提高了锅炉的热 效率, 而且大大减少了煤炭和电能的使用量, 降低了烟气中污染 物的含量, 达到了节能、 经济、 环保运行的目的. 参考文献 [ 1] 廉小亲.模糊控制技术[M].北京: 中国电力出版社,

2003 [ 2] 刘金琨.先进 PID 控制 MATLAB 仿真[M].北京: 电子工业出版社,

2004 [ 3] 黄忠霖.控制系统 MATLAB 计算及仿真[M].北京: 国防工业出版社,

2003 [ 4] 崔淑泥, 徐向东.模糊控制在煤粉炉燃烧控制中的应用研究[J].清华 大学学报, 1999( 9) [ 5] 孙茂松, 等.模糊控制在小型热水锅炉温度控制中的应用[J].机床电 器, 2001( 4) [ 6] 潘祥高, 等.模糊 PID 控制在工业锅炉控制系统中的应用[J].工业炉, 2004( 3) [ 收稿日期: 2006.7.6] 42