吳文進(jìn)

（安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶 246011）

鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究

吳文進(jìn)

（安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶 246011）

針對(duì)鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)，用實(shí)驗(yàn)方法建立了鍋爐溫度數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出一種模糊自整定PID調(diào)節(jié)器，此調(diào)節(jié)器作為鍋爐水溫與流量串級(jí)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，可以使系統(tǒng)同時(shí)具有良好的目標(biāo)值跟蹤特性和干擾抑制特性.仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制相比，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能得到了進(jìn)一步的提高.

模糊自整定PID調(diào)節(jié)器；串級(jí)控制；鍋爐水溫

目前電站鍋爐和供熱鍋爐大量存在，且在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中必不可少，但大多數(shù)鍋爐處于能耗高、浪費(fèi)大和污染環(huán)境等生產(chǎn)狀態(tài).提高熱效率，降低能耗和減少污染是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo).實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，溫度控制對(duì)象一般都具有純滯后和大慣性，并存在諸多干擾，如果采用常規(guī)PID控制算法，其效果不理想，系統(tǒng)的抗干擾能力差，響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程較長(zhǎng).針對(duì)上述情況，眾多學(xué)者提出了基于先進(jìn)控制理論的溫度控制方法，如文獻(xiàn)[1-3]的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制策略、文獻(xiàn)[4]的自適應(yīng)控制方法、文獻(xiàn)[5]的基于組合灰色預(yù)測(cè)控制方法和文獻(xiàn)[6-7]基于PSO優(yōu)化算法的控制方法，以上文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的溫度控制方法與常規(guī)PID控制算法相比確實(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，但方法、理論過(guò)于復(fù)雜，不易在實(shí)際的工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用.為此本文針對(duì)溫度流量串級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種模糊自整定PID控制方法，可以使系統(tǒng)同時(shí)具有良好的目標(biāo)值跟蹤特性和干擾抑制特性，仿真實(shí)驗(yàn)研究證明了它的有效性.

1 系統(tǒng)控制方案

圖1 鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)

鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由外環(huán)控制回路和內(nèi)環(huán)控制回路組成，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng).外環(huán)控制回路中的控制對(duì)象為鍋爐，又稱主對(duì)象，鍋爐的溫度為系統(tǒng)的主控制量，其控制器稱主控制器.內(nèi)環(huán)控制回路中的控制對(duì)象為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，又稱副對(duì)象，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量為系統(tǒng)的副控制量，其控制器稱副控制器.主控制器的輸出作為副控制器的給定，因而內(nèi)環(huán)控制回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng).副控制器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制鍋爐溫度的目的.

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器需要選擇合適的控制方法.如果采用常規(guī)PID控制，系統(tǒng)比例系數(shù)小時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而比例系數(shù)太大時(shí)可能會(huì)引起振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分系數(shù)小時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差不能在較短的時(shí)間內(nèi)較快地消除，而積分系數(shù)大時(shí)系統(tǒng)會(huì)有較大的超調(diào)量.因此本文為了提高系統(tǒng)性能，主調(diào)節(jié)器選擇模糊自整定PID控制.考慮流量變化快，時(shí)間慣性小，應(yīng)較快得到抑制，因而副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)，P調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制閥的開(kāi)度改變流量[8-9].

2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型

圖2 鍋爐水溫階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)是由組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其特性所決定的.被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析控制指標(biāo)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù).因此建模是十分重要的環(huán)節(jié)，其任務(wù)是確定模型的結(jié)構(gòu)和其中的參數(shù)值.建模方法有機(jī)理法、試驗(yàn)法和最小二乘法等.本設(shè)計(jì)由于鍋爐內(nèi)部冷熱水對(duì)流復(fù)雜，利用熱機(jī)理分析非常困難，因此采用試驗(yàn)法和最小二乘法相結(jié)合的建模方法.

以THJ-2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，構(gòu)建鍋爐水溫階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示.通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法可以測(cè)定被控對(duì)象在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù).使用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)最小二乘法原理對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合.在MATLAB的Workspace中可以查看到鍋爐水溫的響應(yīng)曲線.當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x（t）產(chǎn)生階躍的瞬間，其曲線斜率最大，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值y（∞），因而可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似描述該響應(yīng)曲線，因此只需要確定K0和T0.

考慮到加熱過(guò)程中存在4秒的純延遲，最終得出控制對(duì)象的模型為

3 模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊自整定PID控制器是一種自適應(yīng)控制算法，是利用模糊邏輯運(yùn)算和模糊控制規(guī)則對(duì)Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自整定.控制器的輸入為誤差e和誤差變化率ec，對(duì)于不同時(shí)刻的誤差e和誤差變化率ec，控制器可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自整定以滿足其要求.模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示[10].

系統(tǒng)模糊規(guī)則設(shè)計(jì)原則是誤差|e|較小時(shí)，Kp和Ki取較大值，這樣可以使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差最小甚至為零，穩(wěn)態(tài)性能提高，此時(shí)，Kd的取值要恰當(dāng)，以免在平衡點(diǎn)出現(xiàn)振蕩.誤差|e|中等時(shí)，Kp取較小值，這樣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量較??；Kd和Ki取值要適當(dāng)，特別是此時(shí)Kd的取值對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大.誤差|e|較大時(shí)，Kp取較大值，Kd取較小值，以使系統(tǒng)響應(yīng)加快，此時(shí)應(yīng)使Ki=0，目的是避免出現(xiàn)較大的超調(diào).e模糊集合為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，ec的模糊集合為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，Kp的模糊集合為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，Ki的模糊集合為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，Kd的模糊集合為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝.根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則表如表1、表2、表3所示[11].

表1 Kp的模糊控制規(guī)則表

表2 Ki的模糊控制規(guī)則表

表3 Kd的模糊控制規(guī)則表

圖3模糊自整定PID控制器的結(jié)構(gòu)圖

4 仿真試驗(yàn)

在MATLAB中建立鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真模型，被控對(duì)象如式（2）所示.系統(tǒng)輸入r(t)=1(t)，擾動(dòng)輸入d(t)=1(t-400)，在主控制器分別設(shè)為模糊自整定PID控制和常規(guī)PID控制時(shí)，仿真結(jié)果如圖4所示.

在圖4中，（a）為設(shè)定值響應(yīng)曲線，（b）為擾動(dòng)響應(yīng)曲線，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器采用模糊自整定PID控制與采用常規(guī)PID控制相比，其設(shè)定值跟蹤性能和抗干擾性能有了較明顯的增強(qiáng).

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了鍋爐水溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立了控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)主控制器采用模糊自整定PID控制.模糊自整定PID控制器可以通過(guò)模糊控制規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的在線整定，而常規(guī)PID控制器只能離線整定；且在高階或系統(tǒng)模型難以確定的系統(tǒng)中，采用模糊自整定PID控制要比采用常規(guī)PID控制的效果要好，系統(tǒng)的性能得到了進(jìn)一步的改善.

圖4 系統(tǒng)仿真曲線（其中實(shí)線為模糊自整定PID控制響應(yīng)曲線，虛線為常規(guī)PID控制響應(yīng)曲線）

[1]張強(qiáng)，馮樹(shù)興，岳巍強(qiáng).基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大容積環(huán)境溫度模擬系統(tǒng)的控制策略[J].控制理論與應(yīng)用，2006，23（3）：429-432.

[2]文生平，江靜.料筒溫度RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器設(shè)計(jì)及仿真[J].控制工程，2007，14（4）：369-372.

[3]譚梅，李曉秀，呂聰.自適應(yīng)神經(jīng)PID在擠塑機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程，2006，13（3）：250-255.

[4]李靜，王京，楊磊，等.熱處理爐鋼板溫度的自適應(yīng)混沌粒子群算法最小二乘法支持向量機(jī)優(yōu)化預(yù)報(bào)算法[J].控制理論與應(yīng)用，2011，28（12）：1825-1830.

[5]王偉，吳敏，曹衛(wèi)華，等.基于組合灰色預(yù)測(cè)模型的焦?fàn)t火道溫度模糊專家控制[J].控制與決策，2010，25（2）：185-190.

[6]于洋，王子帥，楊青.改進(jìn)PSO-PID算法在溫度控制中的快速性研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（1）：9-11.

[7]王安娜，陶子玉，姜茂發(fā)，等.基于PSO和BP網(wǎng)絡(luò)的LF爐鋼水溫度智能預(yù)測(cè)[J].控制與決策，2006，21（7）：814-820.

[8]吳文進(jìn)，葛鎖良，江善和，等.基于粒子群優(yōu)化算法的PID液位控制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，32（11）：1674-1677.

[9]吳文進(jìn)，張杰.基于MCGS組態(tài)軟件的PID液位控制[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，14（3）：50-53.

[10]王海青，姬長(zhǎng)英，劉同召，等.模糊自整定PID溫度控制系統(tǒng)的建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（7）：233-235.

[11]于秀麗，王大志.模糊自適應(yīng)整定PID控制系統(tǒng)[J].沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23（2）：41-44.

Design and Simulation of the Boiler Temperature Control System

WU Wen-jin
(School of Physics and Electrical Engineering,Anqing Normal College,Anqing 246011,China)

For the cascade control system of boiler temperature and flow,the boiler water temperature model is established.The fuzzy self-tuning PID regulator is designed and it is the main controller of the cascade control system.A very good dynamic response performance of both the command tracking and disturbance rejection characteristics can be achieved simultaneously.Compared with the conventional PID regulator,the proposed con?trol scheme has been proved valid according to the simulation results.

fuzzy self-tuning PID regulator;cascade control;boiler water temperature

TP273.1

A

1008-2794（2013）04-0091-04

2013-05-18

吳文進(jìn)，副教授，博士研究生，研究方向：新能源技術(shù)、現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用，E-mail：wuwenjinaq@163.com.