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集氣管壓力系統(tǒng)模糊PID控制研究

2010-04-16 02:37喬維德
電氣傳動自動化 2010年6期
關(guān)鍵詞:焦?fàn)t變化率模糊控制

喬維德

(常州市廣播電視大學(xué),江蘇 常州 213001)

1 引言

焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)是焦?fàn)t系統(tǒng)的重要組成部分,焦?fàn)t壓力的正常與否,直接關(guān)系到焦?fàn)t的安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)境保護等問題。壓力過高,煤氣會大量從爐內(nèi)溢出,嚴(yán)重影響環(huán)境,并造成煤氣的大量損失;壓力過低,空氣又會進入爐體,容易引起焦炭燃燒,焦炭質(zhì)量下降,同時也會損失爐體,存在引起爆炸的隱患。因此,安全、合理、有效地控制焦?fàn)t集氣管壓力非常必要和至關(guān)重要。

PID控制中一個關(guān)鍵問題就是PID參數(shù)的整定,傳統(tǒng)的方法是在獲取控制對象模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)某一原則確定參數(shù),但是焦?fàn)t集氣管中的壓力在控制過程中受多種因素的影響,其過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)都會隨時間和工作環(huán)境的變化而變化,控制系統(tǒng)對變化的跟蹤性能差。如仍采用基于模型的控制,很難取得良好的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制,不需要建立對象的數(shù)學(xué)模型,能夠很好地克服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素,具有較強的魯棒性。但普通模糊控制存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差,穩(wěn)態(tài)精度低。本文將模糊控制中的模糊推理思想和傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合起來,在焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)中采用模糊PID控制算法,以集氣管的實際輸出壓力和給定壓力之間的偏差和偏差變化率作為模糊推理機的輸入,在集氣管壓力控制過程中,對PID的三個參數(shù)進行在線整定,從而實現(xiàn)對焦?fàn)t集氣管壓力的實時、高精度控制,保證其實際壓力穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi),極大提高了焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。

2 焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)工藝流程

圖1 焦?fàn)t集氣管壓力工藝流程圖

某焦化廠焦化車間煤炭工藝流程如圖1所示。一號焦?fàn)t與二號焦?fàn)t為80型焦?fàn)t,它們共用一組冷卻和鼓風(fēng)系統(tǒng)。每座焦?fàn)t的炭化室發(fā)生的煤氣先進入各自的煤氣管,經(jīng)過集氣管蝶閥控制后匯合進入煤氣總管道,再經(jīng)鼓風(fēng)機和冷卻器等外送至貯氣罐。鼓風(fēng)機對集氣管道產(chǎn)生吸力吸出焦?fàn)t氣,可以根據(jù)當(dāng)前壓力對集氣管閥門和鼓風(fēng)機吸力進行調(diào)整,能使集氣管壓力維持在給定期望壓力范圍內(nèi)。但實際現(xiàn)場情況往往存在諸多非線性復(fù)雜因素,如添加焦煤時壓力會大幅度減弱等,而且兩集氣管相互之間存在著嚴(yán)重的壓力耦合關(guān)系,對其中任一對象的調(diào)節(jié)都將影響另一對象并進而影響整個管路系統(tǒng)的穩(wěn)定,使得本系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)變得非常困難。因此,焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)是一個多變量、多擾動、強耦合的嚴(yán)重非線性時變系統(tǒng)。

3 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了使焦?fàn)t集氣管壓力能夠快速穩(wěn)定地跟蹤設(shè)定壓力值,將傳統(tǒng)PID和模糊控制相結(jié)合,利用模糊推理的策略,根據(jù)不同的偏差、偏差變化率對PID參數(shù)kp、ki、kd進行在線自調(diào)整。系統(tǒng)首先計算出實際壓力F0和設(shè)定壓力Fr的偏差e和偏差變化率ec,然后將它們模糊化,模糊化后的E和EC由模糊控制規(guī)則推理和解模糊后得到kp、ki和kd。在控制過程中,在線實時修改常規(guī)PID控制器的參數(shù),最后由常規(guī)PID控制器輸出碟閥開度控制量,控制碟閥開度,調(diào)節(jié)集氣管壓力。

焦?fàn)t集氣管壓力的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中Fr為系統(tǒng)的給定壓力值(精確量),F(xiàn)0為集氣管的實際輸出壓力(精確量),e和ec分別為系統(tǒng)壓力偏差和偏差變化率(精確量),E、EC分別為反映壓力偏差、偏差變化率的模糊輸入變量;kp、ki、kd為模糊控制器的輸出變量。

圖2 焦?fàn)t集氣管壓力模糊PID控制結(jié)構(gòu)

偏差E、偏差變化率EC分別用7個語言值來描述,它們的模糊子集是 E={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},EC={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},kp、ki、kd的模糊子集也定義為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。其中各模糊子集的含義為:Z—零,PS—正小,PM—正中,PB—正大,NB—負(fù)大,NM—負(fù)中,NS—負(fù)小。設(shè)定 E、EC 和 kp、ki、kd的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},隸屬度函數(shù)采用三角形的分布函數(shù)。

kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大時,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高,但系統(tǒng)容易產(chǎn)生超調(diào),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。反之,kp越小時,系統(tǒng)響應(yīng)速度減慢,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度降低,調(diào)節(jié)時間變長,從而降低了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。kp的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 kp的模糊控制規(guī)則表

ki的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki越大時,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快,但ki過大時,在系統(tǒng)響應(yīng)初期容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,從而使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)。ki越小時,將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差很難消除,因而會影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。ki的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 ki的模糊控制規(guī)則表

kd的作用主要是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,在響應(yīng)過程中提前抑制偏差向任何方向的變化,對偏差變化進行提前預(yù)報,降低系統(tǒng)超調(diào),增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是當(dāng)kd過大時,會使系統(tǒng)響應(yīng)過程提前制動,調(diào)節(jié)時間延長,并降低系統(tǒng)的抗干擾性能。kd的模糊控制規(guī)則如表3所示。

表3 kd的模糊控制規(guī)則表

根據(jù)焦?fàn)t集氣管壓力控制特點,歸納出的kp、ki和kd模糊控制規(guī)則經(jīng)過模糊推理推導(dǎo)其內(nèi)在的模糊關(guān)系,根據(jù)模糊關(guān)系和輸入變量E、EC的情況進行推理合成得到輸出kp、ki和kd的語言變量,然后經(jīng)過解模糊化操作將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)能夠接受的精確壓力值。

模糊推理采用CRI的Mandani推理方法中的max-min合成法,即推理時,根據(jù)模糊蘊涵關(guān)系,選擇模糊算子min和max,選擇“極大與極小”運算作為合成運算,求出模糊輸出值。解模糊采用的方法為常用的重心法,即加權(quán)平均法。為實現(xiàn)實時控制,滿足系統(tǒng)控制快速性要求,這里采用離線計算形式,即把模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)換為控制查詢表,推理過程簡化為查表運算,通過查表很方便地實現(xiàn)模糊控制器的實時控制,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 結(jié)果分析

為了驗證采用模糊PID控制器作為焦?fàn)t集氣管壓力控制的優(yōu)越性,本文運用MATLAB計算機工具軟件進行仿真分析,然后現(xiàn)場試驗。圖3為1號焦?fàn)t集氣管壓力控制前壓力變化曲線,圖4-6為一號焦?fàn)t集氣管壓力分別采用傳統(tǒng)PID控制、模糊控制以及模糊PID控制后的壓力變化曲線(二號焦?fàn)t壓力曲線與一號焦?fàn)t相差不大)。從仿真結(jié)果可以看出,應(yīng)用本文提出的模糊PID控制后,焦?fàn)t集氣管壓力大幅度波動和振蕩現(xiàn)象得到明顯控制和改善。通過現(xiàn)場試驗,實際效果與仿真結(jié)果基本吻合,煤氣壓力始終能穩(wěn)定在設(shè)定值100±10Pa左右,減少煤氣泄漏和損失,提高了焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量。

圖3 一號焦?fàn)t集氣管壓力控制前曲線

圖4 傳統(tǒng)PID控制壓力曲線

圖5 模糊控制壓力曲線

圖6 模糊PID控制壓力曲線

5 結(jié)束語

將模糊PID控制技術(shù)引入到焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)中,在控制過程中,模糊PID控制器根據(jù)系統(tǒng)實際的壓力狀態(tài),實時調(diào)整PID參數(shù)。經(jīng)仿真實驗和現(xiàn)場實際應(yīng)用結(jié)果表明,利用PID控制算法可使壓力控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能得到明顯改善,其動態(tài)和靜態(tài)特性均優(yōu)于常規(guī)PID控制和模糊控制,有效地彌補了常規(guī)PID控制和單純模糊控制的不足,極大提高了焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能和魯棒性,從而為實現(xiàn)焦?fàn)t集氣管壓力的智能化控制開辟了一條有效途徑。

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