基于PID控制器的配煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)﹡

劉春梅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

焦化廠在生產(chǎn)過程中，往往需要根據(jù)煤炭的品質(zhì)，如是否為“肥煤”或“瘦煤”，或者是“高硫煤”等，不同品質(zhì)的煤炭需要進(jìn)行合理的配比，才能夠確保生產(chǎn)的煉焦產(chǎn)品符合預(yù)期的要求[1-3]。由于焦化廠在煉焦過程中所采購(gòu)的煤炭品質(zhì)往往會(huì)隨著不同批次而發(fā)生變化，為了能夠確保焦化廠生產(chǎn)的煉焦產(chǎn)品符合預(yù)期的生產(chǎn)指標(biāo)，因此需要對(duì)焦化廠的煉焦過程中輸入的煤炭進(jìn)行合理的動(dòng)態(tài)調(diào)整和配比才能達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)要求[4-5]。目前實(shí)現(xiàn)焦化廠煉焦煤炭配比控制的系統(tǒng)一般是由配料秤來實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用配料秤進(jìn)行物料配比廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，然而如何提高配料秤的自動(dòng)化程度，提高配料秤的配料精度是目前研究的熱點(diǎn)。比如：齊美星，張愉，孫偉針對(duì)井下配煤過程的多變量、大滯后、非線性和難建模等問題，設(shè)計(jì)了一種基于專家系統(tǒng)和PID控制器的自動(dòng)配煤系統(tǒng),整個(gè)配煤系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下配煤過程的自動(dòng)化智能控制[6]。謝淼舟，王冬梅,賀麗華等人設(shè)計(jì)了PID調(diào)節(jié)控制應(yīng)用在包鋼焦?fàn)t備煤車間，詳細(xì)分析了焦化廠自動(dòng)配煤的過程，研究了采用PID調(diào)節(jié)配煤量的具體實(shí)現(xiàn)方法以及參數(shù)控制的優(yōu)化方案[7]。鄧俊，賴旭芝，吳敏，曹衛(wèi)華等人分析了煉焦配煤過程中的多種不確定性因素，設(shè)計(jì)了煉焦配煤配比智能優(yōu)化模型，通過建立配合煤和焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型,運(yùn)用模擬退火算法對(duì)配煤比進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了煉焦配煤過程中的配煤精確控制[8]。

文中為了解決焦化廠煉焦過程中對(duì)輸入的煤炭品質(zhì)進(jìn)行合理的配比，使其滿足煉焦生產(chǎn)的需求，研究和設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PID控制的配煤控制系統(tǒng)。通過引入PID控制器提高配煤過程中對(duì)各種煤炭配料動(dòng)態(tài)調(diào)整的自動(dòng)化調(diào)整的程度和精度。

1 配煤系統(tǒng)設(shè)詳細(xì)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)焦化廠配煤控制過程的配煤自動(dòng)化，文中設(shè)計(jì)了基于 PID控制器的焦化廠自動(dòng)配煤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1可以看出，焦化廠配煤控制系統(tǒng)首先通過上層用戶控制端接受用戶對(duì)煉焦配煤的質(zhì)量要求，既也相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)對(duì)配煤控制過程的參數(shù)設(shè)定。然后通過煤質(zhì)采樣模塊周期性的對(duì)配煤原料品質(zhì)進(jìn)行采樣，獲取配煤原料的品質(zhì)詳細(xì)信息，之后通過PID控制器向底層的配煤控制系統(tǒng)傳遞控制參數(shù)，由控制參數(shù)具體驅(qū)動(dòng)配煤裝置[9-10]。在文中設(shè)計(jì)的配煤自動(dòng)控制系統(tǒng)中，從配煤控制參數(shù)設(shè)定模塊輸出的參數(shù)通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置直接對(duì)給煤機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)焦化廠配煤控制的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)多個(gè)給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元，既通過上層的PID控制系統(tǒng)輸出多路配煤控制參數(shù)，每一路配煤控制參數(shù)控制一組給煤機(jī)。

圖1 基于PID控制器的焦化廠自動(dòng)配煤系統(tǒng)

在文中設(shè)計(jì)的配煤控制系統(tǒng)中，最終實(shí)現(xiàn)配煤控制的驅(qū)動(dòng)單元是給煤機(jī)以及給煤機(jī)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，然而能夠保證給煤機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制完全依賴于其上層的PID控制器。文中設(shè)計(jì)的PID控制器參數(shù)控制是通過模糊推理來實(shí)現(xiàn)，而模糊推理的數(shù)據(jù)來源主要有3個(gè)，一是對(duì)配煤原料的煤質(zhì)采樣參數(shù)，其二是煉焦配煤生產(chǎn)質(zhì)量要求，第三是通過PID控制器以及配煤驅(qū)動(dòng)裝置從給煤機(jī)輸出的混合煤炭質(zhì)量誤差，通過計(jì)算實(shí)際輸出的混合煤炭質(zhì)量與預(yù)先設(shè)定的煤質(zhì)預(yù)期要求之間的誤差，共同作為模糊推理的輸入源。模糊推理單元將通過對(duì)以往配煤過程中的經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)，模擬人們對(duì)配煤控制過程中各參數(shù)的調(diào)整規(guī)律，自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)配煤控制系統(tǒng)的參數(shù)自動(dòng)化調(diào)整。

文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中，之所以引入模糊推理單元是由于配煤控制是一個(gè)典型的滯后系統(tǒng)，這類滯后系統(tǒng)有一個(gè)非常明顯的特征，既輸出的控制變量與預(yù)期設(shè)定的控制需求存在一定滯后性，而且隨著配煤原料質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化，預(yù)先設(shè)定的PID控制參數(shù)可能不能滿足實(shí)際的煉焦配煤需求。因此如果僅僅采用傳統(tǒng)的PID控制模式難以適應(yīng)配煤原料質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化的限制情況。而在配煤自動(dòng)系統(tǒng)中通過設(shè)計(jì)模糊推理模塊，可以使得自動(dòng)配煤系統(tǒng)所應(yīng)用的PID控制參數(shù)能夠動(dòng)態(tài)的根據(jù)煤炭質(zhì)量以及配煤過程中的誤差變化情況自動(dòng)的調(diào)整PID控制參數(shù)。而且文中設(shè)計(jì)的模糊推理系統(tǒng)所采用的輸入數(shù)據(jù)源還包括用戶對(duì)預(yù)期要求的配煤質(zhì)量參數(shù)設(shè)定，通過這一參數(shù)的設(shè)定，可以使得文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)配煤系統(tǒng)能夠根據(jù)焦化廠煉焦產(chǎn)品質(zhì)量靈活的設(shè)定PID控制參數(shù)，既使用同一套配煤控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)不同品質(zhì)的煉焦產(chǎn)品生產(chǎn)需求。因此采用這種基于模糊推理的PID控制器實(shí)現(xiàn)配煤質(zhì)量的自動(dòng)控制過程既能夠保證配煤系統(tǒng)有較高的控制精度和動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)還能夠極大的擴(kuò)展配煤自動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2 PID控制器參數(shù)的模糊化

文中對(duì)配煤控制系統(tǒng)中模糊PID模塊設(shè)計(jì)時(shí)，分別選取了如下參數(shù)作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)：

2.1 參數(shù)的量化

在這些參數(shù)當(dāng)中，其中用戶要求的煤炭質(zhì)量選取了描述煤炭品質(zhì)的 5個(gè)參數(shù)分量來分別進(jìn)行表示，因此與之對(duì)應(yīng)的對(duì)配煤原料質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估時(shí)也選取了同樣的5個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，當(dāng)PID控制器根據(jù)用戶設(shè)定的配煤質(zhì)量要求對(duì)配煤原料進(jìn)行實(shí)際配煤控制時(shí)，得到的實(shí)際配煤質(zhì)量和預(yù)期要求的配煤質(zhì)量之間會(huì)存在偏差，這種偏差同樣按每一個(gè)煤炭質(zhì)量的參數(shù)分量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到配煤誤差。與之對(duì)應(yīng)的將會(huì)有誤差變化率同樣使用5個(gè)參數(shù)分量分別進(jìn)行表示。由于文中設(shè)計(jì)的配煤控制器采用的是模糊PID控制器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)所有的輸入?yún)?shù)需要轉(zhuǎn)換到模糊級(jí)中進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化過程如下：

首先選定模糊子集為： {U=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大} ；

每個(gè)煤炭質(zhì)量參數(shù)分量的變化范圍為[-0.4,0.4]，配煤誤差分量的變化范圍為[-0.2,0.2]，誤差變化率的變化范圍為[-100,100]。

因此對(duì)應(yīng)的模糊控制器的量化因子分別為：3/0.4，3/0.2，3/100。

文中設(shè)計(jì)的模糊控制器采用的增量式PID控制器，因此模糊控制器的輸出參數(shù)分別為：即每個(gè)輸出參數(shù)都分別進(jìn)行模糊化，分別映射至模糊子集：

因此每個(gè)輸出參數(shù)的論域仍然屬于[3,3]- ，考慮到提高PID控制器的靈活性，以適應(yīng)不同的PID控制場(chǎng)合，文中對(duì)PID控制器的輸出參數(shù)引入了一個(gè)調(diào)節(jié)因子：,,α β γ。

最后，設(shè)計(jì)中引入調(diào)節(jié)因子后的PID控制參數(shù)變化域修改為：

根據(jù)對(duì)模糊化的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)分析，所有參數(shù)都屬于同一個(gè)模糊論域，且模糊子集的劃分也相同（各個(gè)參數(shù)變量的差異通過量化因子或調(diào)節(jié)因子進(jìn)行實(shí)現(xiàn)）。因此各個(gè)參數(shù)變量對(duì)模糊子集的隸屬函數(shù)可以選用相同的隸屬函數(shù)。通過大量樣本的統(tǒng)計(jì)，輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)都滿足同一高斯分布(,)ω σ，其中ω表示的是高斯分布的中心值，σ表示高斯分布方差。因此最終得到各參數(shù)模糊化的隸屬函數(shù)為：x表示各個(gè)待模糊化的參數(shù)。

3 模糊控制器規(guī)則表

模糊控制器的規(guī)則表是設(shè)計(jì)模糊控制器過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)模糊推理和模糊控制的核心單元。為此文中在設(shè)計(jì)煉焦配煤自動(dòng)配煤系統(tǒng)的模糊控制器時(shí)，通過之前對(duì)模糊控制器的各個(gè)輸入?yún)⒘亢洼敵鰠⒘康哪：螅鶕?jù)模糊控制的人工經(jīng)驗(yàn)和模糊控制各參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律，設(shè)計(jì)了模糊控制器各個(gè)輸出參數(shù)的模糊控制規(guī)則表。

模糊控制器的規(guī)則表設(shè)計(jì)原則是首先要保證模糊控制器輸出的控制參數(shù)與實(shí)際的控制預(yù)期相一致，能夠滿足用戶高精度的控制要求。同時(shí)由于模糊控制器的應(yīng)用系統(tǒng)一般是一個(gè)非線性的滯后系統(tǒng)，因此模糊控制器輸出的控制參數(shù)還應(yīng)該具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，既能夠?qū)δ：刂葡到y(tǒng)正常運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的各種階躍信號(hào)及時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)模糊控制器又必須具有相對(duì)的穩(wěn)定性以避免由于控制超調(diào)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定的震蕩狀態(tài)。

模糊控制的規(guī)則表的整個(gè)設(shè)計(jì)原理如下：當(dāng)模糊控制器收到的控制誤差較大時(shí)，此時(shí)應(yīng)該加大線性控制參數(shù)的輸出以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候?yàn)榱吮苊饩€性調(diào)節(jié)因子輸出過大導(dǎo)致PID控制器由于超調(diào)進(jìn)入不穩(wěn)定的震蕩狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)該降低PID控制器的積分控制參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差較大而且誤差變化率也較大時(shí)，此時(shí)表明系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過快速的參數(shù)調(diào)節(jié)，比較接近正常的預(yù)期控制位置，此時(shí)應(yīng)該著重提高系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)控制出現(xiàn)超調(diào)的震蕩，此時(shí)PID控制器的輸出需要增加積分控制參數(shù)以保證系統(tǒng)的輸出響應(yīng)趨于穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)誤差較小時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的控制階段，這時(shí)應(yīng)該將微分調(diào)節(jié)參數(shù)適當(dāng)選大一些以提高系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)能力。

根據(jù)文中對(duì)模糊控制規(guī)則表的設(shè)計(jì)原則和對(duì)自動(dòng)配煤系統(tǒng)模糊控制參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)了如表1﹑表2和表3的模糊控制規(guī)則表，經(jīng)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，表明文中設(shè)計(jì)的模糊控制器規(guī)則表能夠?qū)崿F(xiàn)配煤系統(tǒng)高精度穩(wěn)定的自動(dòng)控制要求。

表 1 KP系數(shù)調(diào)整模糊控制規(guī)則

表 2 Ki系數(shù)調(diào)整模糊控制規(guī)則

表 3 Kd系數(shù)調(diào)整模糊控制規(guī)則

4 結(jié)語

焦化廠對(duì)配煤控制的精度要求很高，不同的配煤比率將會(huì)直接影響到焦化廠的產(chǎn)品質(zhì)量，傳統(tǒng)的基于人工經(jīng)驗(yàn)或部分抽樣所形成的配煤控制方案具有精度低、配煤過程長(zhǎng)等問題，從而導(dǎo)致焦化廠生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。為此應(yīng)用文中設(shè)計(jì)的基于 PID原理[11-12]的配煤控制系統(tǒng)將會(huì)對(duì)焦化廠配煤選料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和智能化程度都得到極大的提高，從而有效的控制焦化廠產(chǎn)品的質(zhì)量。

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