詮釋模糊控制在鍋爐中的應用

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摘要:目前,我國現有很多工業和民用中小型鍋爐,其中大部分自動控制水平很低,存在燃燒不徹底、排煙氧含量偏高、排煙熱損失大等問題,直接造成了鍋爐熱效率低下和大量能源的浪費,同時也給環境帶來很大的污染,所以實現鍋爐的計算機控制具有重要的意義。采用西門子300PLC為開發平臺,設計模糊自整定PID控制器應用于工業鍋爐控制系統克服了鍋爐控制系統的大慣性、非線性等特點,并結合PID控制穩態精度高的特點,使控制系統有良好的控制效果。在研究模糊控制與傳統PID控制相結合的基礎上,以工業鍋爐為對象,設計了一套完善、實用的自動控制系統。

關鍵詞:模糊控制;PID;自整定;鍋爐;PLC

1控制系統方案設計將鍋爐汽包水位控制系統作為主要研究內容,汽包水位是鍋爐運行論文中的一個重要參數,它體現出鍋爐產生的蒸汽量和給水量之間的動態平衡關系,是鍋爐安全運行的重要條件。汽包水位高會使過熱器的受熱面結垢而被燒壞;而汽包水位過低則會破壞汽水循環,造成水冷壁管供水不足而被燒毀,甚至引起鍋爐爆炸。鍋爐水位自動控制的任務就是控制給水流量,使其適應蒸發量的變化,維持汽包水位在允許的范圍內。將模糊控制算法引入該系統,利用模糊控制易于實現對復雜對象控制的特點,將有經驗的操作人員和專家的控制經驗應用于控制過程,根據人工控制規則組織控制決策表,然后由該表決定PID參數的輸出值,與傳統的PID控制相結合,根據鍋爐汽包水位運行過程中出現的不同狀態和擾動,在線實時的對PID參數整定,使系統運行中保持合適的瞬態參數,易于維持汽包水位在設定值。針對鍋爐汽包水位控制系統特點,將蒸汽流量作前饋信號和給水流量作控制信號,設計了三沖量控制系統。1.1鍋爐汽包水位的三沖量控制方式。汽包水位采用三沖量控制,將蒸汽流量作為前饋信號,把給水流量作為控制信號,組成汽包水位的三沖量控制系統。1.2系統硬件配置?？刂破髦饕蒔LC構成,采用西門子300PLC為開發平臺。輸入輸出系統采用分布式I/O(ET200M),通過輸入輸出模塊將現場采集的信號送入到PLC控制器。

2模糊自整定PID控制器設計2.1設計原理。模糊自整定PID控制算法是在PID算法的基礎上,以誤差e和誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入量,以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求,根據模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表。在鍋爐汽包水位控制系統中,輸入變量選擇為汽包水位的偏差值。和偏差值的變化量ec,輸出變量選擇為PID參數的校正值,即△kp,△ki和△kdd。在模糊自整定PID控制器中,采用的是二維模糊控制器。2.2模糊控制器設計過程的四個步驟2.2.1構造系統結構,根據采樣得到的系統輸出值,計算所選擇的系統的輸入變量。該步驟所完成的工作就是確定模糊控制器的輸入量和輸出量。2.2.2“模糊化”,即實現輸入量或輸出量的模糊化,通過量化因子和比例因子將精確量變化的范圍(基本論域)模糊化成在模糊集論域范圍內。我們可以把精確量用“正大”“、正中”“、負中”“、負小”等模糊語言來分成數個檔。這些檔的大小關系我們就用在模糊論域上的模糊子集來表示。而模糊子集的大小就和隸屬函數有關,隸屬函數通常采用:三角形隸屬函數、正態分布隸屬函數和梯形隸屬函數等。不同的隸屬函數代表著不同的系統特性,我們一般在系統誤差較大時采用具有低分辨率隸屬函數,而在系統誤差較小時采用具有高分辨率的隸屬函數。2.2.3模糊控制表的運算合成,有了前兩個步驟的工作,得到輸入量和輸出量的模糊數,結合操作經驗或數據,我們就可以將輸入量和控制量的模糊數安排到由一系列的if-then控制規則組成的集合中,利用這些規則信息,采用極大極小值合成法或其他合成算法,我們就可以合成得到控制表。該控制表儲存于計算機中,供程序查詢輸出。2.2.4查詢輸出和輸出量精確化,計算機控制程序通過查詢該控制表,即可以找到對應于某模糊數輸入量的控制量模糊數,再通過輸出量比例因子將模糊輸出控制量轉換成進行控制量的精確化輸出,這實際上是在一個輸出范圍內,找到一個被認為最具有代表性的、可直接驅動控制裝置的確切的輸出控制值。2.3模糊自整定PID控制算法在PLC中編程實現。模糊自整定PID控制算法在西門子300PLC上采用語句表編程方式編程實現。采集誤差信號和誤差變化量信號,將其模糊化到語言變量的論域,采用離線計算的方式將模糊規則制成模糊查詢表,通過在線的方式查詢模糊控制量輸出,最后將PID參數校正值與基準值相加,獲得PID參數瞬時值,最后進行PID運算,計算得控制量到控制對象執行器。在PLC中,使用FB功能塊和DB數據塊來實現模糊控制算法。首先離線計算好模糊關系查詢表,把比例因子值、誤差的上下限值和模糊關系查詢表R送到DB數據塊中存儲起來。在DB數據塊中,模糊關系R要按傾序排放,即按順序先輸入第一列,再輸入第二列,第三列,然后在FB功能塊中完成計算查詢表功能。值得注意的是,在這里采用取整將E單點模糊化,然后,由模糊化子集和模糊關系風求出模糊決策。在程序里,這部分使用比較指令和循環嵌套來完成。最后,用最大隸屬度法,由模糊決策求出△kp,△ki,△kd,再進行PID增量式運算得輸出控制量。

3結論根據鍋爐控制系統的特點,分析了鍋爐汽包水位控制系統的控制任務及控制目標,針對工業過程中出現的非線性、大滯后、強耦合、難于控制的工業鍋爐控制對象的特點,在傳統PID控制器難以達到理想控制效果的前提下,結合當前發展比較迅速的模糊控制理論,使用模糊控制理論和PID相結合的控制器來改造原有的ID控制方式,結合PID控制中穩態精度高的優點,設計了模糊自整定PID控制器,實現了PID參數的在線自整定,使系統保持最優的瞬態參數,使模糊控制與PID控制有機的結合起來,易于達到滿意的控制效果。

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