基于模糊控制的鍋爐主控調節方法

郭石開 李菲

摘 要：針對火電機組的主蒸汽壓力控制對象存在大慣性、大延遲且模型不確定的特點，可以將模糊控制與傳統PID控制相結合，構成一種基于模糊控制的鍋爐主控調節方法，通過現場實際應用，該控制方法對大慣性、大延遲且模型不確定的控制對象有很好的控制效果。

關鍵詞：模糊控制；PID控制；鍋爐主控

中圖分類號：TP273.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0050-02

Main Control Adjustment Method of Boiler Based on Fuzzy Control

GUO Shikai1，LI Fei2

（1.Inner Mongolia Jinghai Coal Gangue Power Generation Co.，Ltd.，Wuhai 016000，China；

2.Wuhai Vocational and Technical School，Wuhai 016000，China）

Abstract：According to the characteristics of large inertia，large delay and uncertain model，the fuzzy control and traditional PID control are combined to form a boiler main control regulation method based on fuzzy control. The control method has a good control effect on the control objects with large inertia，large delay and uncertain model.

Keywords：fuzzy control；PID control；boiler master control

1 模糊參數自整定PI控制

1.1 PI控制器原理

PI控制器作為一種經典的控制器，應用十分廣泛，其數學模型可以用下式表示：

式中，e（t）為調節器輸入給定值與反饋值的偏差；u（t）為調節器的輸出函數；KP為比例系數，TI為積分時間常數（KI為積分系數，與TI概念相反）。KP越大，系統響應越快，得到小的靜態偏差，但是容易產生超調，甚至導致系統發散。TI越大，積分的作用減小，偏差存在的時間越長，但是系統穩定，不容易發散；TI越小，積分的作用越大，偏差存在的時間越短，但是系統不穩定，容易發散或者振蕩。

1.2 模糊控制器的結構

本文模糊PI控制器采用二維控制器，由檢測到的機前壓力偏差e及其變化率ec，在已經制定的模糊規則下進行模糊推理，按照模糊規則得到動態的KI、KP，動態調整控制器參數達到最優參數，滿足壓力偏差及偏差變化率對控制器參數整定的要求，從而保證了被控對象的控制性能，模糊PID方框圖如圖1所示。

模糊PI控制器參數動態整定公式為：

其中，KP0、KI0為參數初始值，ΔKP、ΔKI分別為比例和積分作用系數的模糊修正項。

1.3 參數整定規則與模糊推理

將控制器的輸入模糊化，輸入控制器后求解得到輸出值，其主要作用是將真實的確定量輸入轉換為模糊矢量。偏差以及變化量ec輸出量和輸出量ΔKP、ΔKI可用七個模糊狀態表示，可概括為[負大，負中，負小，零，正小，正中，正大]，并記為[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]。當輸入值偏差大時，為了加快系統的響應速度，避免由于偏差迅速變大導致控制作用超出許可范圍，應選取較大的輸出；當偏差值和偏差微分值為中等數值時，為了提高響應速度，同時減小系統的超調量，輸出應取小些；當偏差變化較小時，為了使系統具有良好的穩態性能，應增大輸出。按照以上原則，確定相關模糊規則，并建立模糊控制規則表。

為了滿足控制對象的控制要求，模糊控制器控制規則要根據控制對象和控制要求確定，但是在設計模糊控制器時，要有一個總的原則，在誤差較大時，控制器應該較快地減小誤差，同時避免誤差進一步變大；當誤差較小時，在保證系統穩定性的前提下，盡快消除誤差，同時盡量不產生超調或者振蕩。比例環節的作用主要是加快系統的響應速度，提高系統的動態性能。KP值越大，系統的響應速度越快，但同時也會產生超調，因此要選取合適的值。當偏差e較大時，增大KP值，提高響應速度；當偏差e較小時，可以適當減小KP值，在保證系統穩定的前提下減小超調量，同時也要考慮偏差變化率ec的影響，當e和ec同方向時，說明系統在向著惡化的方向發展，應該增大KP值；反之，適當減小KP值。積分環節主要用于消除靜態誤差，提高系統的無差度。在控制器調節的前期可以以比例作用為主，在后期以積分作用為主。ΔKP和ΔKI的模糊規則表如表1和表2所示。

2 鍋爐主控模糊控制前饋

由于PID內部微分很難準確把握幅值和升降速率的尺度，容易出現微分振蕩或微分超調現象，所以在工程實際應用中較少使用。因此，鍋爐主控增加了以主汽壓力偏差為基礎的前饋，分別是主汽壓力偏差值和主汽壓力偏差微分值，它們共同構成了前饋部分。模糊控制前饋FF中，主汽壓力偏差信號用a（主汽壓力信號減去主汽壓力設定值）表示，主汽壓力偏差微分信號用b表示，由此構成的二維模糊控制規則表如表3所示。

此控制規則表是根據某電廠330MW循環流化床汽包爐機組實際運行數據分析得出的，具有很好的指導作用。

FF=β×M（a）+（1-β）×N（b） （4）

其中，β為主汽壓力偏差信號a和主汽壓力偏差微分信號b在此前饋中所占比例的權重系數，此數值應根據不同的現場情況進行設置。M（a）是主汽壓力偏差信號a在該運行工況中所對應煤量的函數，N（b）為主汽壓力偏差微分信號b在該運行工況中所對應煤量的函數。M（a）和N（b）兩個函數的設置可根據先前制定的控制規則制定。綜合計算后即可得出較為準確的鍋爐主控前饋。

3 結 論

本文提出的模糊PID復合控制將模糊技術與常規PID控制算法相結合，優勢互補，能夠達到較好的控制作用。當溫度偏差較大時，采用模糊控制能夠快速響應，滿足現場要求，提高控制系統的動態性能；當溫度偏差較小時，采用PID控制，減小超調量，控制器能夠快速消除偏差，提高系統的控制精度。因此，將兩者相結合既能夠快速響應，又能夠提高控制精度，可以對復雜對象實施精確控制，較好地解決了控制系統大慣性、大延遲問題，得到了一種適應性更強的鍋爐主控調節方法。通過實際應用，該控制方法在控制品質上優于傳統PID控制方法，提高了控制系統的魯棒性。針對模糊控制自身存在的缺點，也采取了相應的方法，即盡量多的采集數據來獲得精確的模糊規則及隸屬函數。

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作者簡介：郭石開（1985-），男，漢族，內蒙古豐鎮人，工程師，高級技師，華北電力大學控制與計算機工程學院控制工程專業，碩士研究生，研究方向：330MW循環流化床鍋爐電熱檢修維護管理。