pid 型自适应模糊控制在锅炉主蒸汽温度控制中仿真的研究[j]

1、.本文档下载自乐档网，更多免费文档请访问网址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TK223文献

2、标识码A文章编号1002-,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,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,

3、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,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

4、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。1PID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24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-mail:npf882000? 1994-2009 China Aca

5、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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)。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、NS、NM和NB7个模糊子集,

6、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)NBPBPLPLPMPSPSPSNMPBPLPMPMPSNSNM图1PID型模糊控制系统NSPBPMPMPSNSNMNM采用代数积-加法-重心模糊推理法6ZOPMPMNSNMNM,可推导PSNMNMNBPD型模糊控制器的输出为:NSMNMNMNBU=A PE DE(1)NNSNSNBNBNBNB式中:A、P、D为常数;E=Kee;E=Kde图1中,PID2PID型自适应模糊控制系统u=U t( E) 2.1控制系统结构(A PE DE)dt=A Ke

7、Pe 图2为PID型自适应模糊控制系统结构,其中e、DKde At KePedt DKde分别为偏差和偏差变化率,模糊控制器是对U进行edt=调整;参数模糊调整器是根据系统实际运行情况对模A At KPe DKe KPedt 糊控制器(与edePID型模糊控制器相同)的Ke和进行在线调整,以实现自适应模糊控制效果。DKde=A At (KeP KdD)e KePedt KdDe(2)式中Ke、Kd、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

8、分、微分关系,其中比例、积图2PID型自适应模糊控制系统结构分、微分增益的因子分别为KeP、KdD、KeP、KdD。Ke影响PID型模糊控制器的比例和积分成2.2参数模糊调整器分,影响控制器的比例和微分成分。因此,通过调整2.2.1参数校正原则这2个参数就可实现对PID型模糊控制器比例、积分在PID型模糊控制系统基础上,通过逐步增大、和微分的综合调整,从而实现PID型模糊控制系统的减小Ke和,可得到对主蒸汽温度控制系统性能的影自适应11。响:Ke越大,控制速率上升越快,易产生系统振荡;当Ke减小,PID型模糊控制器的积分和比例均减小,控1.2PID型模糊控制器的设计制系统趋向于稳定;当增大,P

9、ID型模糊控制器的动模糊控制器是以定值与被调量之间的偏差e和偏作速度加快,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. 25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Ke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型模糊控制器具有较好的自适应能力。Ke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

10、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Ke。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Ke取较小值。当被调量动态偏差已逐步减取较大值,小时(被调量已回调),率的变化方向不一致时,大的超调,e。2.2.2的模糊校正规则根据参数校正原则,可得出Ke、(表2)。表2中,B、(M)、(S)表示M、S表示Ke;(B)、。表2Ke和的模糊校正规

11、则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

12、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)。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、NS、NM、NB;输出变量为可调因子和Ke,选定控制作用的离散论域为0,8,Ke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Ke的隶属函数。图5主蒸汽温度的自适应模糊控制系统结构图3输入e的隶

13、属函数26图4输出的隶属函数在图5中,主调节器采用自适应模糊调节,Wa1(s)为副调节器,W01(s)和W02(s)分别为调节对象及其导前区的传递函数,WH1(s)、WH2(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: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模糊控制系统能够更快地稳定系统、超调量小。

14、该仿02(s)=(1 25s)3,/mA真验证了自适应模糊控制在模型参数变化一定范围内当设定值信号增加lmA的阶跃变化时,自适应的有效性。模糊控制系统与模糊PID控制系统的响应曲线见图6。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图6汽温输出响应曲线主汽温系统中的应用J.华北电力大学学报,2005,9(1):在实际运行中,由于锅

15、炉负荷是变化的,因此上述48-51.4JangJSR.Self-fcontrollersbasedontem2模型各参数也有一定的变化范围。在上述控制系统模poralbackJTran.NeuralNet2型基础上,变换W02(s)=()-(1 s)3的静态增益k和过热蒸汽温度单神经元模糊自适应控制时间常数,比较自适应模糊控制和模糊J.材料与冶金学报,2005,3(5):77-80.参数变化下的响应情况:6WuZhiQiao,MasaharuMizumoto.PIDtypefuzzycon2为原参数,1s时将s1.0.86,trollerandparametersadaptivemethodJ

16、.FuzzySets=25不变;,s将从25变为andSystems,1996,78(1):23-35.17,k=0.86不变;,在1000s将k从7张化光.热工过程的模糊辨识与控制M.南京:东南大0.86变为1.2,=17不变,系统仿真到1500s。自适学,1991.应模糊控制系统与模糊PID控制系统的响应曲线见8胡一倩,吕剑虹.一类自适应模糊控制方法研究及在锅炉图7。汽温控制中的应用J.中国电机工程学报,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

17、控制中的应用J.动力工程,2005,4(2):231-234.11ZhiWeiWo,HuangYuanChung,JinJyeLin.APIDtypefuzzycontrollerwithserf-tuningscalingfactorsJ.Fuzzysetandsystem,2000,115(2):321-326.图7参数变化时汽温输出响应曲线12James,Carvajar,GuangrongChen.FuzzyPIDControl2由仿真比较可知,对KlerDesign,performanceevaluation,andstabilityanalysise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J.InformationSciences,2000,123(3):249-270.了控制系统的超调量,提高了控制系统的稳定性,很好13袁绍军,杨铁军.双层隔振系统可调因子模糊自调整主动控制技术研究J.振动工程学报,2005,18(2):208-211.地协调了控制器动作快速性和控