PID型自适应模糊控制在锅炉主蒸汽温度控制中的仿真研究_图文

1、24 PID 型自适应模糊控制 在锅炉主蒸汽温度控制中的仿真研究牛培峰 , 任 娟 , 王 帅燕山大学 , 河北 秦皇岛 066004摘 要 通过对 PID 型模糊控制器 、 主蒸汽温度的大惯性和大滞后性以及难以建立精确的数学模型特性的研究 , 提出了一种自适应模糊控制方法 , 其通过在线调节可调因子 , 不断优化控制过程 , 使模糊控制系统具有较强的自适应能力 。 以主蒸汽温度控制系统为例 , 对PID 型自适应模糊控制方法进行了仿真 , 并与模糊 PID 。 结果表明 , 该 方法显著提高了控制系统的动态特性 、 关 键 词 发电厂 ; PID 型 ; 自适应 ; 模糊控制 ; 中图分类号

2、 T K223文献标识码 A文 章 编 号 1002-收稿日期 : 2007-08-03作者简介 : 牛培峰 (1958- , 男 , 吉林人 , 博士 , 燕山大学电气工程学院自动化系教授 , 主要从事复杂工业系统的智能建模与智能控制的教学与研究。 E -m ail :npf882000163. com , 热工过程 往往具有较大的惯性和滞后性 , 而且呈非线性和慢时 变 。 常规的锅炉主蒸汽温度控制系统采用串级或带导 前微分的双回路控制 , 但当工况发生较大变化或外部 扰动较大时 , 该系统难以保证优良的控制品质 , 即出现 系统的稳定性下降 、 调节时间增长 、 超调量变大等问 题 ,

3、需要手动调节 1。模糊控制对非线性或不确定性的被控对象具有良 好的控制效果 , 且已应用于大型火电机组的相关控制 系统中 2,3, 解决了许多常规 PID 控制难以解决的问 题 。 当火电机组负荷发生变化时 , 其被控对象的特性 有较大的改变 , 控制系统的品质会变差 , 而且常规模糊 控制所依赖的模糊控制规则仅依据专家经验确定 , 必 然造成模糊控制规则的不完善 。因此 , 为改善模糊控 制的品质 , 必须使模糊控制器具有随机组工况变化的 自适应能力 , 即能够实时地调整模糊控制规则 。在实 际应用中所采用的模糊控制规则较多 , 且规则的前提 参数和结论参数与控制系统品质之间的关系不很明 显

4、 , 造成了通过直接调整规则参数使控制系统具有自适应能力的方法难于取得应用性的进展 。 利用神经网 络对模糊控制规则进行学习 4,5, 其提出的自适应模糊 控制算法仍十分复杂 , 难以在工程上实现 。 文献 6提 出将模糊控制与常规 PID 控制相结合的方法 。在常 规 PD 型模糊控制系统的基础上 , 通过引入积分环节 , 提出 PID 型的模糊控制器 , 消除了模糊控制系统的稳 态偏差 7,8。 为了改善 PID 型模糊控制系统的自适应 能力 , 本文通过研究模糊控制系统相关可调因子与控 制系统品质之间的关系 , 提出了一种调整可调因子的 模糊校正方法 , 使 PID 型模糊控制系统具有较

5、强的自 适应能力 。 以 Matlab 作为仿真平台 , 构建 PID 型模糊 控制仿真模块 , 并对其进行自适应调整 , 以改善锅炉主 蒸汽温度的控制品质 , 并验证了自适应模糊控制系统 的有效性 。1 PID 型模糊控制系统1. 1 控制系统结构 一般的模糊控制器是以被调量与定值之间的偏差© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 25 和偏差变化率为输入变量 , 因此它具有与常规 PD 控 制器类似的作用 。 采用该类模糊控制器的控制系统可 以获得良好的

6、动态品质 , 但难于消除被调量的稳态偏 差 。 为了消除控制系统的稳态偏差 , 可采用 PID 型模 糊控制系统 (图 1 。 图 1 PID 型模糊控制系统 采用代数积 -加法 -重心模糊推理法 6, 可推导PD 型模糊控制器的输出为 :U =A +PE +D E (1 式中 :A 、 P 、 D 为常数 ; E =K e e; E =K d e 图 1中 , PID u =U +t (+E +(A +PE +D E d t =A +K e Pe +D K d e +A t +K e P e d t +D K d e d t =A +A t +K ePe +D K de +K eP e d

7、t +D K d e =A +A t +(K e P +K d D e +K e P e d t +K d De (2式中 K e 、 K d 、 为系统可调因子 。 PID 型模糊控制 器的输出 u 为 乘以 PD 模糊控制器输出 U 与 乘以 对 U 的积分之和 , 加入此积分项 , 可以消除系统的稳 态偏差 。由式 (2 , PID 型模糊控制器的输入 、 输出关系可 近似看作是一个比例 、 积分 、 微分关系 , 其中比例 、 积分 、 微 分 增 益 的 因 子 分 别 为 K e P 、K d D 、 K e P 、 K d D 。 K e 影响 PID 型模糊控制器的比例和积分成

8、 分 , 影响控制器的比例和微分成分 。 因此 , 通过调整 这 2个参数就可实现对 PID 型模糊控制器比例 、 积分 和微分的综合调整 , 从而实现 PID 型模糊控制系统的 自适应 11。1. 2 PID 型模糊控制器的设计模糊控制器是以定值与被调量之间的偏差 e 和偏差变化率 e 作为输入语言变量 , 输出量为系统控制值 U , 构成一个二维模糊控制器 。选定控制偏差 E 的离 散论域为 -11,11, 偏差变化率 EC 及控制作用 U 的 离散论域为 -8,8。在输入语言变量 E 、 EC 和输出 语言变量 U 的可调域内取 PB 、 PM 、 PS 、 ZO 、 N S 、 N M

9、 和 N B 7个模糊子集 , 其分别对应正大 、 正中 、 正小 、 零 、 负小 、 负中和负大 。 各模糊隶属度的选取可参考文 献 6。 模糊规则库采用表 1中的控制规则 。表 1 模糊控制规则e (k e (k N B PB PL PL PM PS PS PS N MPB PL PM PM PS N S N M N S PB PM PM PS N S N M N M ZO PM PM N S N M N M PS N M N M N B N S M N M N M N B N N SN SN BN BN BN B2 PID 型自适应模糊控制系统2. 1 控制系统结构 图 2为 PID

10、型自适应模糊控制系统结构 , 其中 e 、e 分别为偏差和偏差变化率 , 模糊控制器是对 U 进行调整 ; 参数模糊调整器是根据系统实际运行情况对模糊控制器 (与 PID 型模糊控制器相同 的 K e 和 进行 在线调整 , 以实现自适应模糊控制效果 。图 2 PID 型自适应模糊控制系统结构2. 2 参数模糊调整器 2. 2. 1 参数校正原则在 PID 型模糊控制系统基础上 , 通过逐步增大 、 减小 K e 和 , 可得到对主蒸汽温度控制系统性能的影 响 :K e 越大 , 控制速率上升越快 , 易产生系统振荡 ; 当 K e 减小 , PID 型模糊控制器的积分和比例均减小 , 控 制

11、系统趋向于稳定 ; 当 增大 ,PID 型模糊控制器的动 作速度加快 , 但被调量的输出响应更加平稳 , 控制系统© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 26 趋于稳定 。 这是由于当 增大时 , PID 型模糊控制器 的微分作用增加较快 , 虽然比例作用也有所增加 , 但由 于 K e 较小 , 比例增加很小 。 所以 , 当 增加时 , 整个控 制系统将趋于稳定 。在实际运行中 , 根据控制系统的 e 和 e 及时地调 整可调参数 , 可使 PID 型

12、模糊控制器具有较好的自适 应能力 。 K e 和 的调整原则 8:当控制系统被调量的 e 较小时 , 控制器的比例和积分作用较小 , 为了有效抑 制被调量的动态偏差 , 必须通过加大控制器的微分作 用及时改变控制器的输出 。因此 , 当被调量的动态偏 差较小时 , 可以适当增加 。由于比例和积分作用不 大 , 为保证控制系统具有更好的稳定性 , 可以适当减小 比例和积分系数 , 即可适当减小 K e 。当被调量动态偏 差达到最大时 , 为了使被调量能快速回调 , 可适当增加 比例作用和积分作用 , 微分作用可取较小的值 , 即 K e取较大值 ,取较小值 。当被调量动态偏差已逐步减 小时 (被

13、调量已回调 , 率的变化方向不一致时 , 大的超调 , e 。 2. 2. 2 言变量 e 、 e , 对其进行模糊化 , 将各自的论域分为 7个 模糊等级 :PB 、 PM 、 PS 、 ZO 、 N S 、 N M 、 N B ; 输出变量 为可调因子 和 K e , 选定控制作用 的离散论域为 0,8, K e 的离散论域为 0,6, 对其进行模糊化 , 并分 为 3个等级 :B (大 、 M (中 、 S (小 。 图 3、 图 4分别为 输入 e 、 输出 K e 的隶属函数 。图 3 输入 e 的隶属函数图 4 输出的隶属函数 根据参数校正原则 , 可得出 K e 、的模糊校正规则

14、 (表 2 。 表 2中 , B 、 M 、 S 表示 K e ; (B 、 (M 、 (S 表示 。表 2 K e 和 的模糊校正规则e (k e (k N B N M N S ZO PS PM PB N B B (S B (M B (B S (B S (B S (M S (S N M B (S B (S M (B S (B S (B S (S M (S N S B (S M (S M (M S (B S (M M (S M (S ZO B (S M (S M (S S (M M (S M (S B (S PS M (S M (S S (M S (B M (M M (S B (S PM M

15、(S S (S S (B S (B M (B B (S B (S PBS (S S (M S (B S (B B (B B (M B (S 3 PID 控制的效 , 。以锅炉主蒸汽 9(汽温 为被控对象 , 选择实测汽温偏差和偏差 变化率的范围分别为 (-15+15 和 (-2+2 /s , 控制输出的范围为 (010 mA , 此汽温的偏差 和偏差变化率为两种极限情况 (在设计时已考虑 , 在实 际应用中一般不出现 。在正常情况下汽温偏差和偏 差变化率为 (-7+7 和 (-0. 5+0. 5 /s 。在 保持串级控制系统基本结构的前提下 , 设计了自适应 模糊汽温控制系统 (图 5 。图

16、5 主蒸汽温度的自适应模糊控制系统结构 在图 5中 , 主调节器采用自适应模糊调节 , W a1(s 为副调节器 , W 01(s 和 W 02(s 分别为调节对象及其导 前区的传递函数 , W H1(s 、 W H2(s 分别为减温器出口 蒸汽温度和过热器出口蒸汽温度的测量单元 。除主调 节器外 , 其它环节的传递函数分别为 :W a1(s =25W H1(s =0. 1, mA/ W H2(s =0. 1, mA/W 01(s =(1+15s 2, / mA© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House

17、. All rights reserved. 27 W 02(s =(1+25s 3, /mA 当设定值信号增加 l mA 的阶跃变化时 , 自适应 模糊控制系统与模糊 PID 控制系统的响应曲线见图 6 。图 6 汽温输出响应曲线在实际运行中 , 由于锅炉负荷是变化的 , 因此上述模型各参数也有一定的变化范围 。 在上述控制系统模 型基础上 , 变换 W 02(s =(1+s 3的静态增益 k 和 时间常数 , 比较自适应模糊控制和模糊 参数变化下的响应情况 :为原参数 ,1s 时将 s 1. 0. 86, =25不变 ; , s 将 从 25变为 17, k =0. 86不变 ; , 在

18、1000s 将 k 从 0. 86变为 1. 2, =17不变 , 系统仿真到 1500s 。自适应模糊控制系统与模糊 PID 控制系统的响应曲线见 图 7 。图 7 参数变化时汽温输出响应曲线 由仿真比较可知 , 对 K e 和 进行模糊校正后 , 在 没有降低控制器输出变化速率的情况下 , 有效地抑制 了控制系统的超调量 , 提高了控制系统的稳定性 , 很好 地协调了控制器动作快速性和控制系统稳定性之间的 矛盾 ; 当被控对象模型参数改变后 , 由自适应模糊控制 系统和模糊 PID 控制系统仿真曲线比较可知 , 自适应模糊控制系统能够更快地稳定系统 、 超调量小 。该仿 真验证了自适应模糊

19、控制在模型参数变化一定范围内 的有效性 。参 考 文 献 1 杨涛 , 高伟 , 黄树红 . 基于 Matlab 的锅炉过热汽温模糊控制系统仿真 J.华中科技大学学报 , 2003,31(4 :63-65.2 吕剑虹 , 王建武 . 200MW 及以下容量机组除氧器和凝汽器水位多变量模糊控制系统 J.中国电力 ,2001,34(1 :55-58.3 刘红军 , 韩璞 , 王东风 . T -S 模糊系统的辨识方法及其在主汽温系统中的应用 J.华北电力大学学报 ,2005,9(1 :48-51.4 J ang J SR. Self -f controllers based on tem 2pora

20、l back J Tran. Neural Net 2( -过热蒸汽温度单神经元模糊自适应控制J.材料与冶金学报 ,2005,3(5 :77-80.6 Wu Zhi Qiao , Masaharu Mizumoto. PID type f uzzy con 2troller and parameters adaptive method J .Fuzzy Sets and Systems , 1996, 78(1 :23-35.7 张化光 . 热工过程的模糊辨识与控制 M .南京 :东南大学 ,1991.8 胡一倩 , 吕剑虹 . 一类自适应模糊控制方法研究及在锅炉汽温控制中的应用 J.中国电机

21、工程学报 ,2003,15(1 :136-140.9 马永光 , 赵建军 . 主汽温系统的模糊 PID 控制及仿真 J.仪器仪表与分析检测 ,2006,1(1 :1-4.10 林梅金 , 罗飞 . 模糊 PID 控制器在火电厂主汽温控制中的应用 J.动力工程 ,2005,4(2 :231-234.11 Zhi Wei Wo , Huang Yuan Chung , Jin J ye Lin. A PIDtype f uzzy controller with serf -tuning scaling factorsJ.Fuzzy set and system , 2000, 115(2 :321

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23、页 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 72 MECHANICAL PERFORMANCE VARIATION WITH TUBE MATERIAL SQUAL ITY AN D COMPOSITION OFTHE REHEATERS MADE FROM T91STEE LZHAN G Dao -gang 1,J I Yan -zhao 2, KE Hao 11. Hebei Provincial Electric Power Research Ins

24、tit ute ,Shijiazhuang 050021, Hebei Province ,PRC ; 2. Xibaipo Power Generation Co Lt d ,Pingshan 050040, Hebei Province ,PRCAbstract :For reheaters made from T91steel put into operation of 55000h and 1000h ,the mechanical performance of material s quali 2ty after tube -burst had been studied. Resul

25、ts of study show that the formed carbide grid was increasingly serious due to ageing of tube material in operation ,the tensile strength and toughness of material had decreased ,the spicular characteristics being obviously weakened ,and the ferritic blocks being increased. The difference between ten

26、sile curve of new tube and that of tube material after op 2eration was remarkable.K ey w ords :high -temperature reheater ;tube -burst ;metallographic composition ; T91steel ;mechanical performance(上接第 27页 EMU LATION STU DY ON PID CONTROL INTHE MAIN CONTROL OF BOIL ERS-,R EN J uan ,WAN G Shuai,Qinhu

27、angdao 066004, Heibei Province ,PRCAbstract :Through study on PID type f uzzy controller ,the high inertia and large delay of main steam temperature ,as well as the fea 2tures of difficulty in establishing precise numerical model ,an adaptive f uzzy control method has been put forward ,making the f

28、uzzy control system to have stronger adaptive capability through on -line regulation of the adjustable factors and continuous optimization of the controlling process. Taking the control system of main steam temperature as an example ,an emulation of the PID type adaptive f uzzy control method has be

29、en carried out ,and a comparison with the f uzzy PID control being made. Results show that the said method has substantially improved the dynamic property ,the steady state precission ,and the robustness of said control system. K ey w orks :power plant ; PID type ;adaptive f uzzy control ,main steam temperature ;emulation(上接第 59页 STU DY ON SPECIAL PURPOSE SPEED CONTROLL ING VAL VEFOR H YD RO -VISCOUS D RIVE SETC H EN Ning ,XU J un -min , YU AN BinZhejiang College of Science &Technology , Hangzhou 310023,Zhejiang Provin