王麗華

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

模糊PID控制器在石灰窯溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王麗華

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

石灰窯的溫度控制受外界許多多變參數(shù)的影響，傳統(tǒng)PID不能滿足控制要求。采用模糊PID算法，將窯尾溫度的偏差及其變化作為輸入變量，重油流量調(diào)節(jié)閥的流量變化作為輸出變量，經(jīng)系統(tǒng)仿真得出，模糊PID控制能達(dá)到良好的控制效果，可縮短過程控制的調(diào)整時(shí)間，窯尾溫度有較好的魯棒性。

石灰窯； 模糊PID； 溫度控制

0 前言

PID控制器因穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但常規(guī)PID控制器是建立在被控對(duì)象精確模型的基礎(chǔ)上，而回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)過程存在眾多干擾因素，如：重油流量、物料重量、石灰石的分解率及外界溫度。不僅如此，其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程還具有超調(diào)量大、滯后時(shí)間長等問題。當(dāng)生產(chǎn)中任一因素發(fā)生變化時(shí)，常規(guī)PID控制必須重新整定，顯然不能滿足實(shí)時(shí)高效的生產(chǎn)需求。本文根據(jù)回轉(zhuǎn)窯工藝特點(diǎn)和控制要求，提出了基于模糊PID的窯溫控制方法，以解決回轉(zhuǎn)窯的控溫精度問題。

1 模糊PID控制原理

模糊PID的結(jié)構(gòu)形式就是用條件和結(jié)果形式即IF和THEN的模糊規(guī)則去替代相關(guān)的操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，而這樣形成的規(guī)則以及如PID初始值這類參數(shù)就被存入數(shù)據(jù)庫中。再利用這些數(shù)據(jù)將原有PID的相關(guān)參數(shù)在線修改為滿足模糊控制規(guī)則的形式，按這種方式構(gòu)成的控制器稱為模糊PID控制器。這種控制器能夠以輸入誤差(e)以及誤差變化(ec)，實(shí)現(xiàn)每一時(shí)刻e和ec的控制器參數(shù)自整定。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

具體說，PID參數(shù)模糊自整定是找出PID 3個(gè)參數(shù)(kp、ki、kd)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷改變e和ec，來對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同e和ec的要求，而使被控對(duì)象始終處于穩(wěn)定可靠與實(shí)際接近狀態(tài)。

2 論域、量化因子、比例因子的選擇

本文采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式，選取回轉(zhuǎn)窯的溫度偏差e和偏差變化率ec為輸入量，設(shè)模糊語言變量分別為e，ec。輸出量PID參數(shù)的修正量為kp，ki，kd。通過以往經(jīng)驗(yàn)確定其論域：

e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}；
kp={-1.2，1.2}；
ki={-0.6，0.6}；
kd={-3，3}；

劃分等級(jí)與e，ec相同。

其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

子集中各元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大(下文同)。

設(shè)e，ec和kp，ki，kd均服從高斯正態(tài)分布，得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)e，ec，kp，ki，kd的量化論域，分別選擇高斯隸屬度函數(shù)的中心點(diǎn)和函數(shù)曲線的寬度。

3 建立模糊規(guī)則表

(1)比例系數(shù)kp在控制過程中采用如下方法：初期，將kp調(diào)整到較大來提高相應(yīng)速度；中期，考慮到穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度，再適當(dāng)放大kp；后期，為提高控制精度減小靜差，將kp調(diào)整到較大檔。比例系數(shù)kp的模糊規(guī)則見表1。

表1 kp的模糊規(guī)則表

(2)積分系數(shù)ki在控制過程中采用如下方法：初期，ki應(yīng)弱一些;中期，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，ki應(yīng)調(diào)整適中；后期，減小調(diào)節(jié)靜差，增強(qiáng)ki。積分系數(shù)ki的模糊規(guī)則見表2。

表2 ki的模糊規(guī)則表

(3)微分系數(shù)kd在控制過程中采用如下方法：初期，加大kd避免超調(diào)；中期， 調(diào)節(jié)特性對(duì)kd的變化比較靈敏，kd應(yīng)適當(dāng)小并保持不變；后期，kd減小，以便縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。微分系數(shù)kd的模糊規(guī)則見表3。

表3 kd的模糊規(guī)則表

該規(guī)則庫有3個(gè)子規(guī)則庫組成，每個(gè)子規(guī)則庫有雙輸入單輸出組成，且每個(gè)子規(guī)則庫互相獨(dú)立，共有49條模糊規(guī)則，對(duì)kp、ki、kd進(jìn)行在線自調(diào)整[1]。

4 模糊PID控制器在石灰窯溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

4.1 石灰窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在活性石灰生產(chǎn)過程中，窯溫必須保證維持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，否則會(huì)出現(xiàn)生燒或過燒情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，輸入的重油流量、物料成分及重量、石灰石的分解率和外部溫度等因素都對(duì)窯尾溫度有影響，其中又以重油流量為主要影響因素。在工程中，通過調(diào)節(jié)安裝在重油管道上的流量調(diào)節(jié)閥的閥門開度來進(jìn)行流量控制。由此得出石灰窯煅燒的溫度控制設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中設(shè)窯尾溫度為被控參數(shù)，調(diào)節(jié)閥的開度為調(diào)節(jié)器的輸出控制參數(shù)；T0、η分別為外部溫度和石灰石的分解率。

4.2 溫控過程的數(shù)學(xué)模型

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)石灰窯溫度達(dá)到一定時(shí)會(huì)保持不變這一特征，并且考慮到重油在管道輸送中存在的延遲現(xiàn)象，選擇整個(gè)溫度控制系統(tǒng)被控對(duì)象的近似模型為[2]:

G(S)=G1(S)G2(S)e-τs=K1K2e-τs/(TS+1)

(1)

式中：K1、K2為石灰窯溫度的放大倍數(shù)，T為石灰窯溫度的時(shí)間常數(shù)，τ為石灰窯溫度的延長時(shí)間。

4.3 控制系統(tǒng)仿真的結(jié)果

在此仿真系統(tǒng)中，取石灰窯的各項(xiàng)參數(shù)(如重油燃燒值、重油密度等)進(jìn)行仿真計(jì)算[3]，得出：

K1K2=1.26×86.40=108.864

(2)

由眾多生產(chǎn)實(shí)踐個(gè)案總結(jié)出，如果改變重油流量，需要大約10 s的管道傳輸時(shí)間才能影響到窯尾的溫度，即在建模中系統(tǒng)存在10 s的純滯后，因此，仿真模型為:

G(S)=108.864e-10s/(162.5S+1)

(3)

其中增益系數(shù)為108.864；時(shí)間常數(shù)T為162.5 s；滯后時(shí)間τ為10 s。

仿真過程中，采樣時(shí)間為0.1 s， 當(dāng)系統(tǒng)輸入量是幅值為1的階躍信號(hào)時(shí)，分別采用常規(guī)PID控制和模糊PID控制，得到如圖4、圖5的仿真結(jié)果。由圖4、圖5看出，模糊PID控制器對(duì)溫度的跟蹤效果較好，當(dāng)在t=350 s加入階躍干擾時(shí)，模糊PID控制器也能使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)定性，快速地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)且系統(tǒng)波動(dòng)很小?？傮w來說，采用模糊PID控制時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快，精度的穩(wěn)定性也得到了改善，仿真結(jié)果表明參數(shù)規(guī)則表合理，基本滿足了焙燒溫度曲線的控制要求。通過仿真，還觀察到模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成，如圖6。

圖4 常規(guī)PID控制階躍響應(yīng)

圖5 模糊PID控制階躍響應(yīng)

模型系統(tǒng)包含：2個(gè)入口，3個(gè)出口，49個(gè)規(guī)則圖6 模糊PID控制系統(tǒng)構(gòu)成

5 結(jié)束語

在PID模糊理論基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)回轉(zhuǎn)窯非線性、慣性大、純滯后等問題,提出了窯溫解決控制方法。對(duì)比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行整定,建立模糊規(guī)則表。在滿足石灰石生產(chǎn)的技術(shù)要求下，建立數(shù)學(xué)模型并且仿真，結(jié)果表明與常規(guī)PID相比，模糊控制PID的調(diào)整時(shí)間為100 s，是常規(guī)PID調(diào)整時(shí)間120 s的5/6，具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于類似回轉(zhuǎn)窯之類的大時(shí)滯、大慣性的復(fù)雜工況。

與此同時(shí)，由于本文仿真所選模型為典型的一階和二階加滯后的形式，在模型選取上存在不準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的各種影響因素也不能完全考慮周全。因此，今后有必要在控制對(duì)象的非線性、多噪聲干擾以及大時(shí)延等相關(guān)問題上進(jìn)行更深入的研究。

[1] 吳勝彪，王祖麟，肖敏. Smith預(yù)估自適應(yīng)Fuzzy PID控制器在乳化液溫度控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)[J]. 有色設(shè)備，2012(1)：27-31.

[2] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真(第3版)》[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 王麗華．回轉(zhuǎn)窯模擬PID控制[C]．北京工業(yè)大學(xué)，2007．

ApplicationofFuzzyPIDControllerinLimeKilnTemperatureControlSystem

WANG Li-hua

Since the lime kiln temperature control is affected by various parameters outside, the traditional PID controllers cannot match it. Fuzzy PID calculation which using deviation and variation of kiln tail temperature as input variable, flow variation of heavy oil control valve as output variable, is adopted in this paper. After the simulation, fuzzy PID controller can get a favorable result: the adjusting time of process control is shortened and the robustness of kiln tail temperature is better.

lime kiln; fuzzy PID; temperature control

2014-10-21

王麗華(1982—)，女，安徽合肥人，大學(xué)本科，工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。

TP273.4

A

1008-5122(2015)01-0038-04