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摘 要:由于电站锅炉系统具有大延迟、非线性、时变等复杂特性,使得采用常规的PID控制难以获得满意的控制效果。本文以某电厂锅炉汽温系统为研究对象,针对锅炉汽温系统的控制特点,在研究了模糊控制、一般模糊-PID控制算法的基础之上,提出了一种改进的模糊-自调整比例常数PID控制算法。在该算法中,比例常数随着偏差大小而变化,有效地解决了在小偏差范围内,一般的模糊-PID控制器无法实现的静态无偏差的问题,提高了蒸汽温度控制系统的控制精度。
关键词:锅炉;蒸汽温度;模糊控制;模糊自调整PID
中图分类号:TM76文献标识码:A 文章编号:1009-0118(2010)-10-00-02
一、引言
锅炉作为火力发电厂最重要的生产设备,其所生产蒸汽的过热汽温是保证电站锅炉机组安全、稳定、经济运行的重要参数和指标之一。然而作为一个典型的复杂控制系统,锅炉所具有大迟延、非线性、时变等特性,使得常规PID控制方案难以获得理想的控制效果,同时在实际运行过程中存在过渡过程时间与超调量之间的矛盾。
本文以母管制蒸汽锅炉系统为控制对象,通过对传统模糊控制算法的研究,在一般模糊-PID控制算法的基础上,提出了一种改进的控制算法:模糊-自调整比例常数PID控制。在该算法中,比例常数随着偏差大小而变化,加强了控制性能。该算法有效地解决了在小偏差范围内,一般的模糊-PID控制器无法实现的静态无偏差问题,提高了蒸汽温度控制系统的控制精度。通过仿真分析、对比调试,将该算法应用到某火力电厂的锅炉改造项目中,实际运行结果显示该系统提高了锅炉过热汽温控制系统的控制品质。
二、模糊控制器的设计
蒸汽温度控制系统要求控制精度比较高,但是在多数温度控制系统中,小偏差范围内往往是控制器的死区或盲区。原因在于模糊控制器本身消除系统稳态误差能力比较差,难以达到较高的控制精度,尤其在离散有限论域设计时,更为明显。
考虑典型的模糊控制器,对于偏差输入信号,要把它转换为偏差论域上的点 ,即: =(1)
式中,是量程转换量化因子,为取整运算。由上式可见,当=0时,仍有|| <0.5即为:||<0.5/。考虑= ,于是上式变为||<。取 ,则有:||=0.07 ,也即 ||在偏差量程最大值的大约0.07以内时,模糊控制器已经将其作为0来处理了,因此||<0.07的稳态误差,模糊控制器无法消除,这是控制点附近的一个控制盲区。
对于控制作用,模糊控制器可以采用它的增量 作为输出,积分后输出给被控对象,这样相当于引入了积分作用,有利于消除稳态误差。然而 是解模糊后的离散点,不连续,因而控制作用不细腻,不利于精调消除稳态误差。把PID控制策略 引入到模糊控制器中,构成模糊-PID复合控制器如图1,是改善模糊控制器稳态性能的一种途径;在PID控制中再引入以偏差为调节量的自调整比例系数控制算法,对系统分区域采用不同的控制策略,即:在大偏差范围内采用模糊控制,在小范围内转换成自调整PID控制,二者的转换由程序根据给定的偏差范围自动实现。
三、模糊――PID控制方法
针对本系统,当偏差 ||1℃时采用模糊控制,即为模糊控制区;当 ||1℃时采用自调整比例系数PID控制,即为确定控制区。
(一)大偏差区域模糊算法及模糊控制器设计
输入变量偏差及偏差变化率的实际范围根据系统在常规PID的控制下从现场数据参数,输出控制量的基本论域根据被控对象提供的数据选定,参考常规控制的 值作为变化量基值。
偏差的基本论域取[-5,5] ,论域划分为13个等级,量化因子为=6/5=1.2 ,模糊集的语言值取为{,} ;偏差变化率的基本论域为[-0.05,0.05],论域划分为13个等级,量化因子为=6/0.05=120 ,模糊集的语言值同;输出控制采用增量形式,控制量的基本论域取[-2,2] ,论域划分为13个等级,比例因子为=6/2=3。模糊集的语言值同。
各模糊集取三角形隶属函数曲线。通过隶属函数,确定论域内元素对模糊语言变量的相应隶属度。对于温度控制系统来说控制对象的控制规则共有49条规则,用30条模糊条件语句来描述,其余区间作为小偏差区域自调整比例常数PID控制。
采用最大隶属度法将模糊量转化为精确量,由上述30条模糊条件语句确定相应模糊关系;并根据输入量的变化,由相应控制规则算出模糊控制量;采用最大隶属度方法,将控制量由模糊量变为精确量。根据各模糊变量的赋值表取值,预先计算好控制量 ,制成如表1所示的模糊查询表。
(二)小偏差区域自调整比例常数PID算法及控制器设计
根据系统的具体条件适当变化 ,使之根据偏差的不同而不同。原则上就是:偏差越大,比例常数也越大;反之则 也越小。其目的为当被控对象偏离设定值越大,它的偏差被放大的越多,PID控制反应越灵敏,阀门动作也就越快,实现在线自调整的功能。具体如下:
变采用的公式:=+|| (2)其中, 为偏差为零时比例常数的基值,根据现场调试取=2.0×10-5 , 为偏差,为系数。此处设1度为最大偏差,偏差最大时取 =2.3×10-5 ,计算得1.44×10-7 。
四、系统实现及运行结果
系统控制原理图如图2:
现场采用PLC上位机控制系统,上位机采用Wincc6.0,下位机选用Siemens S7-300 PLC,STEP-7梯形逻辑编程语言在线编程调试。
从现场调试来看常规PID方法超调量较大,稳定时间较长,精度偏低,控制效果不很理想,各控制指标为:超调量 σ=4.59%,响应时间280s,控制精度为1.93%;应用模糊自调整比例常数PID控制系统达到了较为理想的控制品质:超调量 σ=1.16%,响应时间120s,控制精度为0.463%。从现场上位机采集的一般自动控制与模糊自调整比例常数PID控制效果对比(如图3、4)
其中纵坐标自左向右分别为:给定温度值,实际温度值以及阀门实际开度。
五、结语
锅炉是一个多变量输入、输出的复杂系统,具有大惯性、大延迟等特性,对于此类被控对象,PID与模糊控制的复合控制能够满足系统的要求,具有良好的快速性与稳态精度。针对模糊控制在小偏差范围内控制精度不高的特点,引入自调整比例常数PID控制算法可以有效地提高精度,增强抗干扰的能力。与一般自动控制相比具有较大的优势。另外针对我国目前大多数投入运行的锅炉控制水平不高,效率普遍低于国家标准的生产状态,该控制方法具有较大的实际推广意义。
参考文献:
[1]孙志英,佟振声.模糊自调整PID过热汽温控制系统[J].华北电力大学学报,2001,28,(4):33-38.
[2]吕剑虹,陈九来.模糊PID控制器及在蒸汽温度控制系统中的应用研究[J].中国电机工程学报,1995,15,(1):16-22.
[3]左燕.侯国莲.复合模糊串级系统在火电厂过热气温控制中的应用[J],现代电力,2002,19,(1):64-69.
[4]胡一倩,吕剑虹.模糊控制在火电厂热力过程自动控制中的应用[J],工业控制计算机,2002,15,(4):25-27.
关键词:锅炉;蒸汽温度;模糊控制;模糊自调整PID
中图分类号:TM76文献标识码:A 文章编号:1009-0118(2010)-10-00-02
一、引言
锅炉作为火力发电厂最重要的生产设备,其所生产蒸汽的过热汽温是保证电站锅炉机组安全、稳定、经济运行的重要参数和指标之一。然而作为一个典型的复杂控制系统,锅炉所具有大迟延、非线性、时变等特性,使得常规PID控制方案难以获得理想的控制效果,同时在实际运行过程中存在过渡过程时间与超调量之间的矛盾。
本文以母管制蒸汽锅炉系统为控制对象,通过对传统模糊控制算法的研究,在一般模糊-PID控制算法的基础上,提出了一种改进的控制算法:模糊-自调整比例常数PID控制。在该算法中,比例常数随着偏差大小而变化,加强了控制性能。该算法有效地解决了在小偏差范围内,一般的模糊-PID控制器无法实现的静态无偏差问题,提高了蒸汽温度控制系统的控制精度。通过仿真分析、对比调试,将该算法应用到某火力电厂的锅炉改造项目中,实际运行结果显示该系统提高了锅炉过热汽温控制系统的控制品质。
二、模糊控制器的设计
蒸汽温度控制系统要求控制精度比较高,但是在多数温度控制系统中,小偏差范围内往往是控制器的死区或盲区。原因在于模糊控制器本身消除系统稳态误差能力比较差,难以达到较高的控制精度,尤其在离散有限论域设计时,更为明显。
考虑典型的模糊控制器,对于偏差输入信号,要把它转换为偏差论域上的点 ,即: =(1)
式中,是量程转换量化因子,为取整运算。由上式可见,当=0时,仍有|| <0.5即为:||<0.5/。考虑= ,于是上式变为||<。取 ,则有:||=0.07 ,也即 ||在偏差量程最大值的大约0.07以内时,模糊控制器已经将其作为0来处理了,因此||<0.07的稳态误差,模糊控制器无法消除,这是控制点附近的一个控制盲区。
对于控制作用,模糊控制器可以采用它的增量 作为输出,积分后输出给被控对象,这样相当于引入了积分作用,有利于消除稳态误差。然而 是解模糊后的离散点,不连续,因而控制作用不细腻,不利于精调消除稳态误差。把PID控制策略 引入到模糊控制器中,构成模糊-PID复合控制器如图1,是改善模糊控制器稳态性能的一种途径;在PID控制中再引入以偏差为调节量的自调整比例系数控制算法,对系统分区域采用不同的控制策略,即:在大偏差范围内采用模糊控制,在小范围内转换成自调整PID控制,二者的转换由程序根据给定的偏差范围自动实现。
三、模糊――PID控制方法
针对本系统,当偏差 ||1℃时采用模糊控制,即为模糊控制区;当 ||1℃时采用自调整比例系数PID控制,即为确定控制区。
(一)大偏差区域模糊算法及模糊控制器设计
输入变量偏差及偏差变化率的实际范围根据系统在常规PID的控制下从现场数据参数,输出控制量的基本论域根据被控对象提供的数据选定,参考常规控制的 值作为变化量基值。
偏差的基本论域取[-5,5] ,论域划分为13个等级,量化因子为=6/5=1.2 ,模糊集的语言值取为{,} ;偏差变化率的基本论域为[-0.05,0.05],论域划分为13个等级,量化因子为=6/0.05=120 ,模糊集的语言值同;输出控制采用增量形式,控制量的基本论域取[-2,2] ,论域划分为13个等级,比例因子为=6/2=3。模糊集的语言值同。
各模糊集取三角形隶属函数曲线。通过隶属函数,确定论域内元素对模糊语言变量的相应隶属度。对于温度控制系统来说控制对象的控制规则共有49条规则,用30条模糊条件语句来描述,其余区间作为小偏差区域自调整比例常数PID控制。
采用最大隶属度法将模糊量转化为精确量,由上述30条模糊条件语句确定相应模糊关系;并根据输入量的变化,由相应控制规则算出模糊控制量;采用最大隶属度方法,将控制量由模糊量变为精确量。根据各模糊变量的赋值表取值,预先计算好控制量 ,制成如表1所示的模糊查询表。
(二)小偏差区域自调整比例常数PID算法及控制器设计
根据系统的具体条件适当变化 ,使之根据偏差的不同而不同。原则上就是:偏差越大,比例常数也越大;反之则 也越小。其目的为当被控对象偏离设定值越大,它的偏差被放大的越多,PID控制反应越灵敏,阀门动作也就越快,实现在线自调整的功能。具体如下:
变采用的公式:=+|| (2)其中, 为偏差为零时比例常数的基值,根据现场调试取=2.0×10-5 , 为偏差,为系数。此处设1度为最大偏差,偏差最大时取 =2.3×10-5 ,计算得1.44×10-7 。
四、系统实现及运行结果
系统控制原理图如图2:
现场采用PLC上位机控制系统,上位机采用Wincc6.0,下位机选用Siemens S7-300 PLC,STEP-7梯形逻辑编程语言在线编程调试。
从现场调试来看常规PID方法超调量较大,稳定时间较长,精度偏低,控制效果不很理想,各控制指标为:超调量 σ=4.59%,响应时间280s,控制精度为1.93%;应用模糊自调整比例常数PID控制系统达到了较为理想的控制品质:超调量 σ=1.16%,响应时间120s,控制精度为0.463%。从现场上位机采集的一般自动控制与模糊自调整比例常数PID控制效果对比(如图3、4)
其中纵坐标自左向右分别为:给定温度值,实际温度值以及阀门实际开度。
五、结语
锅炉是一个多变量输入、输出的复杂系统,具有大惯性、大延迟等特性,对于此类被控对象,PID与模糊控制的复合控制能够满足系统的要求,具有良好的快速性与稳态精度。针对模糊控制在小偏差范围内控制精度不高的特点,引入自调整比例常数PID控制算法可以有效地提高精度,增强抗干扰的能力。与一般自动控制相比具有较大的优势。另外针对我国目前大多数投入运行的锅炉控制水平不高,效率普遍低于国家标准的生产状态,该控制方法具有较大的实际推广意义。
参考文献:
[1]孙志英,佟振声.模糊自调整PID过热汽温控制系统[J].华北电力大学学报,2001,28,(4):33-38.
[2]吕剑虹,陈九来.模糊PID控制器及在蒸汽温度控制系统中的应用研究[J].中国电机工程学报,1995,15,(1):16-22.
[3]左燕.侯国莲.复合模糊串级系统在火电厂过热气温控制中的应用[J],现代电力,2002,19,(1):64-69.
[4]胡一倩,吕剑虹.模糊控制在火电厂热力过程自动控制中的应用[J],工业控制计算机,2002,15,(4):25-27.