黃金霖, 宣 艷, 張 莉, 劉太鋼

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院,蕪湖241000;2.江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,江西 贛州341000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源的緊缺,鍋爐使用電加熱方式由于節(jié)能環(huán)保、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用在供暖設(shè)備上[1]。而電鍋爐內(nèi)的溫度控制由于其慣性大、非線性等特點(diǎn),很難建立精確的數(shù)學(xué)模型,傳統(tǒng)的PID控制又存在控制精度低的缺點(diǎn)[2]。所以有學(xué)者將模糊算法與PID控制相結(jié)合,通過(guò)人為給定模糊規(guī)則,通過(guò)在線整定PID參數(shù),可以提高一定的控制精度。但是模糊控制系統(tǒng)中專(zhuān)家確定后的模糊規(guī)則和量化因子無(wú)法改變,自適應(yīng)能力差[3]。

以溫度控制為主線,采用S7-300作為核心,對(duì)電鍋爐內(nèi)的溫度進(jìn)行研究控制,設(shè)計(jì)模糊預(yù)測(cè)PID控制器,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。

1 電鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理

電鍋爐系統(tǒng)主要由主控制器、傳感器、三相調(diào)壓模塊、人機(jī)通信模塊和電熱鍋爐等組成[4]。電熱鍋爐包括加熱層和冷卻層,溫度傳感器、固態(tài)繼電器SSR和加熱絲對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制。加熱層和冷卻層的溫度由各自的鉑電阻溫度傳感器采集,并通過(guò)變送器傳送至PLC的模擬量模塊中,在PLC中將檢測(cè)的冷卻層溫度與目標(biāo)溫度經(jīng)過(guò)相關(guān)算法處理,控制三相調(diào)壓模塊的端電壓,控制電熱管的溫度,最終控制冷卻層的溫度。人機(jī)通信模塊主要通過(guò)以太網(wǎng)模塊由MCGS觸摸屏控制,能夠在上位機(jī)對(duì)溫度和液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制,進(jìn)一步提升電鍋爐的智能化。如圖1所示。

圖1 電鍋爐總體結(jié)構(gòu)圖

2 模糊預(yù)測(cè)PID控制

2.1 傳統(tǒng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)從而廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)MCGS觸摸屏設(shè)定冷卻層溫度目標(biāo)值r(t),通過(guò)傳感器檢測(cè)的冷卻層實(shí)際溫度為y(t),則兩者的差值e(t)為:

傳統(tǒng)PID控制算法如式(2)所示:

式中e(t)是當(dāng)前檢測(cè)值與目標(biāo)值的差值,K p是比例系數(shù),K i是積分系數(shù),K d是微分系數(shù)。

通常需要將式(2)進(jìn)行離散化[7]。離散后的數(shù)學(xué)模型為:

式中:k為采樣時(shí)刻,e(t)為t時(shí)刻控制對(duì)象的偏差;T d為微分時(shí)間;K p為比例系數(shù);T i為積分時(shí)間;T為采樣周期。

2.2 模糊預(yù)測(cè)PID控制

電鍋爐系統(tǒng)具有時(shí)變性特點(diǎn),而傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)固定不變,無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)的變化做出自適應(yīng)調(diào)整[5]。模糊控制算法可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員具體經(jīng)驗(yàn)制定出相應(yīng)的規(guī)則,進(jìn)而對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為了提高電鍋爐系統(tǒng)的控制精度,提出一種基于模糊PID的控制方法[6]。

在模糊控制系統(tǒng)中,將溫度的偏差E和偏差變化率EC作為模糊控制器的輸入。溫度的偏差E和偏差變化率EC選用7個(gè)語(yǔ)言值:其模糊子集論域分別為

e的基本論域?yàn)閇-40,40],隸屬函數(shù)選擇三角函數(shù),制定控制規(guī)則表如圖3所示。

圖3 模糊控制規(guī)則表

電鍋爐系統(tǒng)具有大時(shí)滯性和非線性等特點(diǎn),預(yù)測(cè)算法可以解決系統(tǒng)滯后的缺點(diǎn)。預(yù)測(cè)控制算法采用多步預(yù)測(cè)技術(shù),通過(guò)預(yù)測(cè)出的數(shù)學(xué)模型域來(lái)預(yù)估偏差值,再運(yùn)用滾動(dòng)式方法預(yù)測(cè)控制輸入量,最后實(shí)時(shí)對(duì)比,在線校正[8]。

模糊預(yù)測(cè)PID控制的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 模糊預(yù)測(cè)PID結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型表示為:

式中b是動(dòng)態(tài)系數(shù),p是模型時(shí)域長(zhǎng)度。

n步預(yù)測(cè)估計(jì)值為:

矩陣表達(dá)式為:

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和控制增量決定預(yù)測(cè)模型,選用的控制增量為:

式中:

在t時(shí)刻控制后,t+1時(shí)刻的實(shí)際輸出與預(yù)測(cè)輸出不一定一致,形成的預(yù)測(cè)誤差為:

采用啟發(fā)式加權(quán)方法預(yù)測(cè)未來(lái)輸出誤差,并補(bǔ)償模型的預(yù)測(cè),得到校正后的預(yù)測(cè)向量為:

3 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用S7-300 PLC為核心,CPU選用315-2DP,CP343-1是以太網(wǎng)模塊,實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。選用SM323 DI8/DO8×24V DC(數(shù)字量輸入/輸出模塊)、SM331 AI4×24V DC(模擬量輸入模塊)和SM332 AO4×24V DC(模擬量輸出模塊)實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍋爐系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)硬件配置圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件配置圖

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)試制S7-300 PLC程序設(shè)計(jì)。S7-300 PLC編程采用STEP7軟件編程,采用模塊化編程,OB1是主程序,FB41是PID模塊(系統(tǒng)預(yù)先編制好的函數(shù)塊),OB35是默認(rèn)時(shí)間間隔為100ms的循環(huán)中斷。

預(yù)測(cè)模型算法程序流程圖如圖7所示。

圖7 預(yù)測(cè)算法控制流程圖

5 仿真分析

為了驗(yàn)證模糊預(yù)測(cè)PID控制對(duì)于電鍋爐溫度控制效果,在MATLAB中利用Simulink工具對(duì)傳統(tǒng)PID控制、模糊PID控制和模糊預(yù)測(cè)PID控制進(jìn)行仿真,對(duì)比三者的控制效果,發(fā)現(xiàn)模糊預(yù)測(cè)PID控制效果最佳。仿真曲線如圖8所示。

圖8 仿真曲線圖

由圖可知,傳統(tǒng)PID控制對(duì)于電鍋爐溫度調(diào)整能力較強(qiáng),但超調(diào)量很大;模糊PID控制相比較傳統(tǒng)PID控制超調(diào)量有所減少,但溫度變化還是不夠平滑,不能滿足控制系統(tǒng)的要求。模糊預(yù)測(cè)PID控制超調(diào)量很小,曲線平滑,收斂速度快。通過(guò)對(duì)比可以看出,模糊預(yù)測(cè)PID控制能夠提高電鍋爐溫度控制精度,使溫度快速趨于穩(wěn)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

將模糊預(yù)測(cè)PID控制器運(yùn)用到電鍋爐溫度控制中,以S7-300為核心,對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì),結(jié)果表明,模糊預(yù)測(cè)PID控制算法能夠快速整定出最優(yōu)PID控制參數(shù),系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都很小,滿足電鍋爐溫度控制的要求,進(jìn)一步提升自動(dòng)化程度。