基于模糊—PID參數(shù)自整定控制的循環(huán)流化床床層溫度控制

陳亮

摘要：循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)多變量、大慣性、非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的復(fù)雜控制對象，難以利用傳統(tǒng)PID控制方法實(shí)現(xiàn)床溫自動(dòng)控制。文章采用模糊-PID參數(shù)自整定控制方法來實(shí)現(xiàn)床溫的自動(dòng)控制，仿真結(jié)果表明，模糊-PID自整定控制方法能有效改善床溫控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高抗干擾能力，能夠解決存在的問題，為CFB鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供有利參考。

關(guān)鍵詞：CFB；床溫；模糊控制；自動(dòng)控制

中圖分類號：TK31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0020-03

1 概述

循環(huán)流化床鍋爐（Circulating Fluidized Bed Boiler，CFBB）的床溫是影響鍋爐燃燒效率、脫硫效率，以及氮氧化物、一氧化碳排放的主要因素，一般要求床溫控制在850℃～900℃之間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，不僅燃燒效率高、爐內(nèi)脫硫效果最佳，同時(shí)NOx排放量也比較小，所以維持正常的床溫是循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

然而循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)多變量、大慣性、非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的復(fù)雜控制對象，使得實(shí)現(xiàn)床溫自動(dòng)控制較難。影響床溫的因素很多，主要是煤質(zhì)、給煤量、石灰石量、一次風(fēng)量、床層高度等，床溫的變化同時(shí)又影響著主蒸汽壓、主蒸汽流量、煙氣氧量等。然而主蒸汽壓又同時(shí)影響著床溫的變化，因此整個(gè)CFB鍋爐是一個(gè)床溫-主汽壓強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般將主汽壓子系統(tǒng)和床溫子系統(tǒng)分離，即用燃料控制主汽壓力，一次風(fēng)量控制床溫，然后根據(jù)運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)平衡床溫和主汽壓力的相互耦合作用。本文著重介紹一種床溫控制子系統(tǒng)的優(yōu)化控制方案。

2 床溫系統(tǒng)的辨識模型

CFB的床溫對象中包含著純遲延環(huán)節(jié)和非最小相位的二階慣性系統(tǒng)，且其參數(shù)隨運(yùn)行工況的不斷變化而變化，很難用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此常規(guī)的純PID控制系統(tǒng)無法滿足控制要求。而模糊控制則是一種仿人工智能的控制方法，它不依賴于基于對象的數(shù)學(xué)模型，通過對模糊信息的處理，可以對復(fù)雜對象實(shí)施良好控制。模糊控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是靜態(tài)偏差大且容易震蕩，而PID控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是相對具有較好的靜態(tài)特性，因此結(jié)合兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并采用模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)來解決上述問題，在合適的偏差和偏差變化率時(shí)采用合適的控制策略，可以較好地改善床溫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而較好地控制床溫。

在一次風(fēng)量指令階躍擾動(dòng)下，通過現(xiàn)場辨識，得到其對床溫的傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

當(dāng)鍋爐額定工況時(shí)，增益 Kv基本保持在0.98左右，慣性時(shí)間常數(shù)Tv為126s，階次為2，遲延時(shí)間τv為2s左右。即床溫傳遞函數(shù)為：

根據(jù)傳遞函數(shù)對床溫對象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)額定工況時(shí)，控制對象到達(dá)穩(wěn)態(tài)需要的時(shí)間很長。考慮到CFB內(nèi)各參數(shù)互耦合作用較強(qiáng)，并且對象的大慣性、延時(shí)性質(zhì)，如果采用手動(dòng)調(diào)節(jié)或者純PID控制器對床溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，則難以達(dá)到滿意。

3 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

所謂模糊控制，就是將被控對象的過程量和設(shè)定值之間的偏差和偏差變化率E、Ec送至模糊控制器FLC，通過建立模糊規(guī)則確定模糊查詢表，將E和Ec所對應(yīng)的模糊輸出量作清晰化后送至對應(yīng)的執(zhí)行器來控制被控對象的過程。FLC由模糊化、模糊推理、清晰化這幾個(gè)部分構(gòu)成，具體控制策略由所建立的知識庫來決定。

3.1 模糊-PID參數(shù)自整定系統(tǒng)

它由可調(diào)參數(shù)的PID控制器和模糊控制器FLC組成。模糊控制器分別利用系統(tǒng)誤差絕對值和系統(tǒng)誤差變化率絕對值對PID控制器的P、I、D參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，決策生成的變參數(shù)進(jìn)入PID控制器進(jìn)行PID控制。它可以由以下函數(shù)表示：

其中，e（k）表示系統(tǒng)誤差，ec（k）表示系統(tǒng)誤差變化率。對于CFB床溫，有：

e（k）=Tpv（t）-Tsp（t）

模糊-PID參數(shù)自整定系統(tǒng)輸入量為e（k）、ec（k），系統(tǒng)輸出精確量為y（t）。

3.2 模糊化和模糊分割

在模糊-PID參數(shù)自整定系統(tǒng)中共有P、I、D三個(gè)控制器，e（k）、ec（k）為輸入，Kp、Ti、Td為模糊輸出。分別對e（k）、ec（k）、Kp、Ti、Td進(jìn)行模糊化處理，則各個(gè)語言變量的論域分別為：

系統(tǒng)誤差絕對值e={0，1，2，3，4}，比例因子為2.25；

誤差變化率絕對值ec={0，1，2，3，4}；比例因子為0.25；

輸出Kp：Up={1，2，3，4，5}，比例因子為2.5；

輸出Ti：Ui={1，2，3，4，5}，比例因子為50；

輸出Td：Ud={1，2，3，4，5}，比例因子為0.25。

模糊-PID參數(shù)自整定系統(tǒng)的模糊控制器之間的輸出影響較為復(fù)雜。為了便于實(shí)現(xiàn)，將輸入語言變量e和ec的絕對值的論域取值為大大、大、中、小、零（BB、B、M、S、Z）五種。輸出語言變量Kp、Ti、Td的論域取值為很大、大、中、小、很?。╒B、B、M、S、VS）五種。

3.3 模糊規(guī)則的建立

在模糊-PID參數(shù)自整定系統(tǒng)中，Kp影響的是控制系統(tǒng)的精度和快速性，Ti影響系統(tǒng)的靜態(tài)特性，Td影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，因此結(jié)合e和ec的變化特點(diǎn)，并針對床溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，3個(gè)參數(shù)的整定遵循如下方法：

3.3.1 當(dāng)|e|較小時(shí)，應(yīng)增大比例積分作用，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，則Kp取最大值，Ti取較小值；Td取值由|ec|的大小決定；當(dāng)|e|較大時(shí)，為了增大系統(tǒng)的響應(yīng)速度并防止積分超調(diào)，Kp可取較大值，Td取最小值，Ti取大值。當(dāng)|e|中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)超調(diào)小一些，應(yīng)減弱調(diào)節(jié)程度，利用系統(tǒng)自身慣性平衡偏差，則Kp應(yīng)小一些；Ti取值適中，Td對調(diào)節(jié)作用影響較大，因此需要取較小值。

3.3.2 當(dāng)|ec|較小時(shí)，說明偏差處于穩(wěn)定階段，Kp取值根據(jù)|e|來確定；此時(shí)最適合加強(qiáng)積分作用力圖消除靜態(tài)偏差，Ti取小值；|ec|較大時(shí)，說明系統(tǒng)處于PV加速上升或下降過程中的不穩(wěn)定階段，應(yīng)取較大的Kp來阻止PV的波動(dòng)，同時(shí)為了防止積分超調(diào)，應(yīng)削弱積分作用，Ti取大值；當(dāng)|ec|由較大轉(zhuǎn)為中等大小時(shí)，Kp應(yīng)逐步減小，Ti應(yīng)逐步增大，目的是既能保持較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)又可減少震蕩和積分超調(diào)。Td則完全由|ec|決定，|e|大則Td小，|ec|小則Td大。

根據(jù)以上參數(shù)整定規(guī)則，結(jié)合運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)，得三個(gè)控制器輸出變量Kp、Ti、Td的模糊規(guī)則表為：

3.4 清晰化

清晰化，也叫解模糊。根據(jù)MAX-MIN-重心法進(jìn)行解模糊，可分別得到Kp、Ti、Td的模糊輸出量，如下表所示：

將模糊量轉(zhuǎn)為清晰量，必須將輸出量進(jìn)行變換，即將以上模糊輸出表的各個(gè)元素分別乘以各自的比例因子，即可得Kp、Ti、Td的實(shí)際控制量。

4 仿真及結(jié)果

圖2為模糊-PID自整定控制和純PID控制在床溫控制中的動(dòng)態(tài)靜態(tài)特性仿真曲線。

由圖2可見，將床溫設(shè)定值SP從850℃下調(diào)至830℃后，短時(shí)間內(nèi)由于偏差瞬間變大，模糊-PID控制器需要增強(qiáng)比例作用，減弱積分作用，因此Kp和Ti取大值，則模糊-PID控制器輸出一次風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速指令也比純PID的輸出指令要大，模糊PID控制床溫下降的效果也更明顯。隨著床溫的降低，Kp取值變小，Ti減小，以防止出現(xiàn)過調(diào)；當(dāng)床溫降至830℃左右時(shí)，Kp取最大值，Ti取最小值，實(shí)現(xiàn)了快速消除靜態(tài)偏差，模糊-PID自整定控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靜態(tài)特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)。

圖2

5 結(jié)語

本文針對循環(huán)流化床床溫對象，設(shè)計(jì)采用模糊-PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)，利用三組模糊控制器對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線決策，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，并有效地提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，性能優(yōu)于目前工業(yè)過程中采用的PID控制器，可對床溫進(jìn)行較好的控制，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）