电站锅炉控制中模糊控制的应用研究

电站锅炉控制中模糊控制的应用研究

万子玉王庚

山东省特种设备检测研究院有限公司

引言

单元机组负荷控制系统的控制任务之一是保证主蒸汽压力的稳定，且鲁棒性要强。由于模糊控制器的量化作用，导致稳态误差的存在，并且在工作点附近容易产生小范围的振荡，使系统在动态响应及稳定性能方面存在一定的缺陷。介绍一种把开关控制与模糊控制结合起来的双模复合型模糊控制系统。

1、模糊控制策略简介

模糊控制是人工智能控制的典型代表。它模仿人的思维逻辑，对被控对象的运行规律（往往没有确切的数学模型）进行总结、抽象、推理、量化，实施有效的控制。模糊控制的基础是模糊数学，利用模糊数学的推理理论，离线建立隶属函数数据库，将各种复杂的过程对象简单化。该过程需要对被控对象充分的了解，具有丰富的经验，才能总结规律，建立隶属函数数据库。当在线运行时，利用计算机的高速、大容量性能，通过推理、量化运算得到具体的控制量。模糊控制是一种非线性控制器，适合于时变、非线性、强祸合系统。

随着常规单模糊控制器的不断广泛应用，其在控制过程中存在的不足也逐渐显露出来，那就是对于系统存在的小偏差无法消除，具体表现是控制之后的系统存在一定的稳态误差。究其原因是由于模糊论域的量化等级是有限的，特别是零域内，尽管有误差（误差很小），系统也被认为处于稳态，于是控制输出为零，既零域内的小偏差没有得到控制，双模糊控制器，可以将两个不同参数的普通单模糊控制器结合起来，一个对系统误差粗调，既当系统误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快动态过程，此时应取较小的Ke较大的Ku，通过此模糊控制器的控制，达到快速响应、消除误差的作用；另一个细调，既当系统误差较小时，此时系统己接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，必须减小超调，减小稳态误差，为此应放大量化因子，减小Ku使控制量的阶跃变化校通过此模糊控制器的控制，达到消除稳态误差的目的。仿真实验表明:此方案较单模糊控制不论是在消除稳态误差方面，还是在改善响应时间、稳定性等方面都有明显改善，取得了满意的控制效果。

2、电站锅炉控制中模糊控制的应用

2.12.1设计原理

模糊自整定PID控制算法是在PID算法的基础上，以误差e和误差变化量ec作为模糊控制器的输入量，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，根据模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表。在锅炉汽包水位控制系统中，输入变量选择为汽包水位的偏差值。和偏差值的变化量ec，输出变量选择为PID参数的校正值，即△kp，△ki和△kdd。在模糊自整定PID控制器中，采用的是二维模糊控制器。

2.2模糊控制器设计过程的四个步骤

（1）构造系统结构，根据采样得到的系统输出值，计算所选择的系统的输入变量。该步骤所完成的工作就是确定模糊控制器的输入量和输出量。

（2）"模糊化"，即实现输入量或输出量的模糊化，通过量化因子和比例因子将精确量变化的范围（基本论域）模糊化成在模糊集论域范围内。我们可以把精确量用"正大""正中""负中""负小"等模糊语言来分成数个档。这些档的大小关系我们就用在模糊论域上的模糊子集来表示。而模糊子集的大小就和隶属函数有关，隶属函数通常采用:三角形隶属函数、正态分布隶属函数和梯形隶属函数等。不同的隶属函数代表着不同的系统特性，我们一般在系统误差较大时采用具有低分辨率隶属函数，而在系统误差较小时采用具有高分辨率的隶属函数。

（3）模糊控制表的运算合成。有了前两个步骤的工作，得到输入量和输出量的模糊数，结合操作经验或数据，我们就可以将输入量和控制量的模糊数安排到由一系列的if-then控制规则组成的集合中，利用这些规则信息，采用极大极小值合成法或其他合成算法，我们就可以合成得到控制表。该控制表储存于计算机中，供程序查询输出。

（4）查询输出和输出量精确化。计算机控制程序通过查询该控制表，即可以找到对应于某模糊数输入量的控制量模糊数，再通过输出量比例因子将模糊输出控制量转换成进行控制量的精确化输出，这实际上是在一个输出范围内，找到一个被认为最具有代表性的、可直接驱动控制装置的确切的输出控制值。

2.3模糊自整定PID控制算法在PLC中编程实现

模糊自整定PID控制算法在国产永宏PLC上采用语句表编程方式编程实现。采集误差信号和误差变化量信号，将其模糊化到语言变量的论域，采用离线计算的方式将模糊规则制成模糊查询表，通过在线的方式查询模糊控制量输出，最后将PID参数校正值与基准值相加，获得PID参数瞬时值，最后进行PID运算，计算得控制量到控制对象执行器。在PLC中，使用FB功能块和DB数据块来实现模糊控制算法。首先离线计算好模糊关系查询表，把比例因子值、误差的上下限值和模糊关系查询表R送到DB数据块中存储起来。在DB数据块中，模糊关系R要按倾序排放，即按顺序先输入第一列，再输入第二列，第三列，然后在FB功能块中完成计算查询表功能。值得注意的是，在这里采用取整将E单点模糊化，然后，由模糊化子集和模糊关系风求出模糊决策。在程序里，这部分使用比较指令和循环嵌套来完成。最后，用最大隶属度法，由模糊决策求出△kp，△ki，△kd，再进行PID增量式运算得输出控制量。

2.4建立模糊规则

模糊规则的选择是设计模糊控制器的核心，实质上模糊控制规则是一些

IF-THEN语句，主要用于表示专家控制知识和经验，所以它的设计是一个主要依靠经验进行反复试凑的过程。经验归纳法、相关法和推理合成法是建立模糊规则的较为常用的有效方法。经验归纳法是根据专家的控制经验，经过进一步加工、提炼、去粗取精后构成控制器的模糊控制规则的一种方法。相关法是根据系统得输入、输出测量数据，运用模糊集合理论来测辨系统模糊控制规则的一种方法。模糊推理合成法建立模糊控制规则的基本思想是根据采集到的系统输入输出精确量数据对进行模糊化，转化成用隶属度及模糊子集表达的模糊量，然后通过模糊推理合成将原来通过精确输入输出数据对描述的输入输出之间的精确数学模型转换成由条件语句表达的模糊关系。

结语

根据锅炉控制系统的特点，分析了锅炉汽包水位控制系统的控制任务及控制目标，针对工业过程中出现的非线性、大滞后、强耦合、难于控制的工业锅炉控制对象的特点，在传统PID控制器难以达到理想控制效果的前提下，结合当前发展比较迅速的模糊控制理论，使用模糊控制理论和PID相结合的控制器来改造原有的ID控制方式，结合PID控制中稳态精度高的优点，设计了模糊自整定PID控制器，实现了PID参数的在线自整定，使系统保持最优的瞬态参数，使模糊控制与PID控制有机的结合起来，易于达到满意的控制效果。相信，随着优秀可编程控制器和高速计算元件的快速发展，锅炉控制系统将会更加完善。

参考文献

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[4]张吉礼，欧进萍，孙德兴.基于作用模糊子集推理的单片机模糊控制实现原理及其应用[J].控制理论与应用，2001，18（4）：576-580.