孫宇貞

(1.上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院，上海 200090;2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

隨著火力發(fā)電廠機(jī)組容量的增大，機(jī)組由過去的亞臨界汽包爐機(jī)組逐步過渡到超臨界和超超臨界直流爐機(jī)組，其過熱汽溫被控對象也呈現(xiàn)時變、非線性、大滯后、大慣性等復(fù)雜的對象特性，如果單純采用傳統(tǒng)的串級控制方案，則控制較為困難，且控制效果不理想.［1］

本文選取了模糊與PID并聯(lián)復(fù)合控制方案，將模糊控制器的輸出與PID控制器的輸出共同作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以控制過熱汽溫.該方法綜合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，控制曲線效果超調(diào)小、調(diào)節(jié)時間短，系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性有所增強(qiáng).同時采用改進(jìn)型的Smith預(yù)估算法用以補(bǔ)償對象的大遲延特性，而且改進(jìn)型的Smith預(yù)估器在模型不準(zhǔn)確的情況下也能有較好的適應(yīng)性.

1 復(fù)合模糊PID控制

本控制系統(tǒng)采用的復(fù)合模糊PID控制實(shí)質(zhì)上是將模糊控制器與PID控制器并行工作，共同完成控制.模糊控制是將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則、然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)的一種智能型控制算法，對復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制有較好的適應(yīng)性.［2］而傳統(tǒng)的PID控制在調(diào)整穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)簡單易行上具有無可比擬的優(yōu)勢.

其中模糊變量選擇二輸入一輸出的模式，E(溫度與設(shè)定值之差)和EC(偏差變化速率)作為輸入，噴水閥門的開度U作為輸出.定義的函數(shù)模糊語言變量子集為PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、Z0(零)、NS(負(fù)小)、NM(負(fù)中)、NB(負(fù)大)7個等級，各模糊變量隸屬函數(shù)均選用三角形.

模糊規(guī)則庫采用如下語言形式:

(1)If E is NB，and ECis NB，then U is PB;

(2)If E is NM，and ECis NB，then U is PB;

(3)If E is NS，and ECis NB，then U is PB;

(4)If E is ZO，and ECis NB，then U is PM;

(49)If E is PB，and ECis PB，then U is NB.其模糊規(guī)則庫符合表1所示的模糊規(guī)則.

表1 模糊規(guī)則

研究表明，這類模糊算法的輸入實(shí)際上僅包括了偏差和偏差變化率，類似于PD算法，因而難以保證有較高的穩(wěn)態(tài)精度.［3］將容易穩(wěn)定、并且具有較好穩(wěn)定特性的PID控制器與上述模糊控制算法相結(jié)合，可以提高模糊控制器的控制精度，簡化模糊規(guī)則，修正模糊因子.

本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合模糊PID控制器采用如圖1所示的模糊算法與PID控制器并行的方案.其中模糊控制算法的輸入采用了過熱蒸汽溫度與設(shè)定值之間偏差E和該偏差的變化率EC，PID控制器的輸入采用偏差，通過積分作用保證控制無穩(wěn)態(tài)偏差.模糊算法的輸出和PID控制器的輸出則通過求和器的相加，共同作為控制量來控制噴水閥開度U.

圖1 復(fù)合模糊PID控制器示意

2 改進(jìn)型Smith預(yù)估器

在具有大滯后的系統(tǒng)中，控制往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)，穩(wěn)定時間也會較長，傳統(tǒng)的控制技術(shù)已經(jīng)無法滿足控制系統(tǒng)的要求，可以采用具有預(yù)估補(bǔ)償作用的Smith預(yù)估控制器.比較具有Smith預(yù)估器和不具有Smith預(yù)估器的復(fù)合控制，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，在超調(diào)量和穩(wěn)定時間上，前者優(yōu)于后者.

傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案的主要原理是預(yù)先估出被控過程動態(tài)模型，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過程上，使其對過程中的純遲延特性進(jìn)行補(bǔ)償，力圖將被遲延時間τp的被控量提前送入控制器，因而控制器能提前動作，這樣就消除了純遲延特性在閉環(huán)中的影響.一般的Smith補(bǔ)償系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 一般的Smith補(bǔ)償系統(tǒng)

圖 2 中，Gp(s)e－τps為廣義被控對象的數(shù)學(xué)模型，其中Gp(s)為不包括純遲延時間τp的對象模型，GS(s)為Smith預(yù)估補(bǔ)償器.但在實(shí)際應(yīng)用中，Smith預(yù)估器需要確知對象的精確數(shù)學(xué)模型，而且模型有偏差就會產(chǎn)生顯著的動態(tài)和靜態(tài)誤差，甚至產(chǎn)生振蕩.這會影響Smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能.［4］

改進(jìn)型Smith預(yù)估器見圖3.其中 G′p(s)為不包括遲延時間的實(shí)際對象模型;Gp(s)為不包括純遲延時間的預(yù)估器模型;e－τ'ps為對象實(shí)際滯后環(huán)節(jié);e－τps為預(yù)估滯后環(huán)節(jié).在全補(bǔ)償情況下，預(yù)估器模型與一般Smith預(yù)估補(bǔ)償器所得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式相同.而當(dāng)預(yù)估模型與實(shí)際對象模型不一致、存在較大偏差時，可以通過模型輸出偏差的比較和修改，減小模型偏差，使系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)均得到改善.［5］

圖3 改進(jìn)型Smith預(yù)估方案

3 過熱汽溫的控制仿真

過熱汽溫對象具有非線性、大慣性、大遲延的特點(diǎn)，并且受到如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、進(jìn)入過熱器的蒸汽溫度變化、流過過熱器的煙汽溫度和流速變化等諸多因素影響，因而其控制算法需要有較好的適應(yīng)性和動態(tài)特性，而傳統(tǒng)的控制技術(shù)難以取得理想的控制效果.

將改進(jìn)型Smith預(yù)估方案和復(fù)合模糊控制器相結(jié)合，可以得到如圖4所示的控制系統(tǒng).

圖4 改進(jìn)型Smith預(yù)估復(fù)合模糊控制方案

該控制方案中，采用改進(jìn)型Smith預(yù)估器以改善對象大遲延特性，采用模糊控制方案以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，同時通過傳統(tǒng)的PID控制器來保證控制算法整定簡單易行，并能保證較高的穩(wěn)態(tài)精度.

在文獻(xiàn)［6］中，某電廠噴水減溫調(diào)節(jié)方式下過熱汽溫的動態(tài)特性為:

本文改進(jìn)型Smith預(yù)估復(fù)合模糊控制的Smith預(yù)估器模型的時間常數(shù)設(shè)為遲延時間τ=180 s，線性部分僅為一階慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)T=150 s.在與被控對象有一定偏差的情況下，設(shè)定值擾動為5℃時，仿真模擬了復(fù)合模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制的響應(yīng)情況，仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 時間常數(shù)偏差時的控制效果對比

通過仿真結(jié)果可知，改進(jìn)型Smith預(yù)估器有較好的模型適應(yīng)性，而且在模型不精確的情況下，依然能獲得較好的響應(yīng)特性.

將對象的增益從0.132變?yōu)?.2，而Smith預(yù)估模型保持原狀不變，其控制效果如圖6所示.

圖6 改變對象增益的控制效果對比

由圖6可以看出，傳統(tǒng)的Smith預(yù)估器在此時已難以保證獲得理想的效果，但改進(jìn)后的控制器仍能保證系統(tǒng)有穩(wěn)定的動態(tài)響應(yīng)，表明此時傳統(tǒng)的PID控制已接近不穩(wěn)定.

理論上，模糊控制器可以在響應(yīng)初期獲得較快的響應(yīng)速度，并接近設(shè)定值，而PID控制器能夠保證系統(tǒng)有較好的跟蹤設(shè)定值的能力.而在仿真過程中，實(shí)際過熱汽溫對象要求溫度動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均較小，并給PID控制器保留了較大的穩(wěn)定裕量，導(dǎo)致系統(tǒng)初期響應(yīng)速度比PID控制要慢，但通過模糊控制減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間明顯加快，而且衰減率大大增加，也就是說穩(wěn)定裕量大大增強(qiáng).圖5可以明顯看出復(fù)合模糊控制器有著較小的動態(tài)偏差、快速的調(diào)整時間及接近100%的衰減率.由此說明改進(jìn)型Smith復(fù)合模糊控制器具有理想的動態(tài)特性.

4 結(jié)語

本文采用了改進(jìn)型Smith預(yù)估復(fù)合模糊控制方法，仿真結(jié)果表明，該Smith預(yù)估方案有著較理想的魯棒性，能夠適應(yīng)補(bǔ)償模型與實(shí)際對象之間無論是時間常數(shù)還是系統(tǒng)增益的偏差.而模糊控制方案與PID控制器的并行控制，利用了模糊控制在大偏差時的快速性，小偏差下理想的動態(tài)特性，從而增加了PID控制器較高的穩(wěn)態(tài)精度，保證了系統(tǒng)較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性.

［1］楊錫運(yùn)，徐大平，柳亦兵，等.過熱汽溫多模型預(yù)測函數(shù)控制策略的研究［J］.動力工程，2005，25(4):537-540.

［2］趙峻彥.模糊控制現(xiàn)狀與展望［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，22(9):1-4.

［3］劉紅波，李少遠(yuǎn)，柴天佑.一種基于模糊切換的模糊復(fù)合控制器及其應(yīng)用［J］.控制與決策，2003，18(5):12-15.

［4］金以慧.過程控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1993:136-140.

［5］胡中功，宗毅，徐利新.Smith預(yù)估器的一種改進(jìn)方案及其仿真研究［J］.武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，23(4):75-77.

［6］李旭.過熱汽溫的動態(tài)特性與控制［J］.動力工程，2007，27(2):199-203.