模糊PID在氣化爐控制系統中的應用

第22卷第4期江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報Vol.22 No.42009年12月Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of ElectricityDec.2009模糊PID在氣化爐控制系統中的應用萬(wàn)常洪(華能璃金電廠(chǎng),江西贛州341108)摘要:分析了多聯(lián)產(chǎn)系統氣化鳥(niǎo)的動(dòng)態(tài)特性和控制規律,設計了氣化爐溫度和熱佳的模糊PID控制系統,并基于mbsinmulink 對橫糊PID控制進(jìn)行仿真,證明模糊PID控制具有良好的魯棒性,響應速度快,其控制效果倪于常規PID控制方式。關(guān)鍵詞:整體堞氣化聯(lián)合循環(huán);氣化島;模糊PID控制中圖分類(lèi)號:TP273;TR223.7文 獻標識碼:A文章編號:1673 -07<200)0 -005-00引言算機根據控制系統的實(shí)際響應情況,運用模糊推理,與70年代初期的石油危機,給世界帶來(lái)巨大影響和.常規PID控制相結合,設計了氣化爐模糊自適應PID沖擊。西方主要T.業(yè)國家政府從本國經(jīng)濟發(fā)展和國家控制系統,并采用matlab simulink進(jìn)行仿真。安全的戰略角度考慮,推行能源多樣化的政策,并鼓勵1模糊自適應PID控制原理發(fā)電行業(yè)燃料多樣化。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IcCC-Intergrated Gasification Combined Cyele)發(fā)電技術(shù)由此基本的PID控制器可描述為":受到廣泛重視,得到迅速發(fā)展。G()=K, E(h)+K, 2 E()+KFEC(k)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)主要以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎,是一種不補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)，其燃料其中EC(k)=E(k)-E(k-I)煤氣以煤氣化形式獲取。氣化妒則是煤氣化過(guò)程的核E(k)、EC(k)分別為系統偏差和偏差變化率;Kp心部件。由于涉及到許多復雜的化學(xué)反應過(guò)程.氣化爐K,.Kp分別為比例系數積分系數和微分系數。是一個(gè)復雜的多變量、大滯后、非線(xiàn)性及高耦合系統，PID控制器根據被控對象的特性,對這三個(gè)參數且對各種擾動(dòng)的影響都很敏感,其相應的控制理論和進(jìn)行整定,以獲得滿(mǎn)意的控制效果。應用都不太成熟。針對氣化爐的高品質(zhì)控制方法是氣從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩定精度等化爐安全可靠運行的保證，也是目前氣化爐在大規模各方面來(lái)考慮,Kp.K,K,的作用如下:應用和推廣過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。①比例系數Kp可以加快系統的響應速度,提高常規PID控制器能控制基本的線(xiàn)性系統，結構簡(jiǎn)系統的調節精度。Kp越大,系統的響應速度越快,系統單、穩態(tài)精度高.工作可靠但是對于氣化爐這種非線(xiàn)的調節精度越高，但易產(chǎn)生超調，甚至導致系統不穩性、時(shí)變、耦合及參數和結構不確定的復雜過(guò)程,采用定;Kp取值過(guò)小,則會(huì )降低調節精度.系統響應速度緩PID控制往往難以取得理想的效果。模糊控制是直接采慢,延長(cháng)調節時(shí)間,系統靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性變壞。用語(yǔ)言型控制規則,通過(guò)模糊理論將現場(chǎng)操作人員的控②積分系數K,能消除系統穩態(tài)誤差。K,越大,越能制經(jīng)驗或相關(guān)專(zhuān)家的知識運用于控制器中，在設計中不加速消除系統的靜態(tài)誤差，但 K,過(guò)大,在響應過(guò)程中容需要建立被控對象的精確的數學(xué)模型,因而使得控制機易產(chǎn)生積分飽和現象引起響應過(guò)程的較大超調;相反,理和策略易于接受與理解。本文運用模糊數學(xué)的基本K,過(guò)小則難以消除系統靜態(tài)誤差,影響系統的調節精度。理論和方法.把規則的條件操作用模糊集表示,并把這③微分系數K,能改善系統的動(dòng)態(tài)特性，抑制響些模糊控制規則作為知識存人計算機知識庫中,然后計應過(guò)程中偏差的變化。K。 過(guò)大,會(huì )使響應過(guò)程提前制收稿日期:2009-07-05中國煤化工作者簡(jiǎn)介:萬(wàn)常洪(1979-),男,江西新建人,助理工程師。MHCNMH G江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報第22卷動(dòng),延長(cháng)調節時(shí)間,降低系統的抗干擾性能。熱值反饋模糊自適應PID控制器由模糊控制器和PID控制熱值設定，由二媒量02器兩部分構成,如圖1所示吧。氣化爐控制系統- +模糊推理溫度J水蕉o,給定K2 K|K設定.溫度反饋汽量值RE廠(chǎng)PI對象飛演出,輸人變量和輸出變量(即控制量),基于對系統的分析，圈2氣化爐控制系統示意圖實(shí)際值Y采用偏差E和偏差變化率EC作為模糊控制器的輸團1控制系統框圍人,模糊控制器輸出為Kp.Kr.Kpo模糊控制器以系統偏差E和偏差變化率EC作為②確定各變量隸屬度函數凹輸人,以模糊邏輯理論為基礎，通過(guò)模糊推理和模糊計對偏差E、偏差變化率EC和Kp.K,K,分別定義算等自動(dòng)修正PID控制參數Kp.K.Kp,得到PID控制了7個(gè)模糊子集,相應的模糊集和論域定義如下:器的三個(gè)參數為E EC、和Kp.K1.Kp的模糊子集均為:(NB(負大)、Kp'= Kp+OKpNM(負中)、NS(負小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、K/= K +OK, .PB(正大)}Kp'= Ko +OK,E EC和Kp的論域均為:{-3,-2,-1 ,0,1,2,3}模糊自適應PID控制以常規PID控制為基礎.運.Kp的論域為:{-0.45 ,-0.3,-0.15 ,0,0.15,0.3,0.45)用模糊控制理論和方法，根據不同的E和EC實(shí)現對K,的論域為:{-0.06,- 0.04, -0.02 ,0 ,0.02 ,0.04 ,0.06)PID三個(gè)控制參數自適應整定,基本原則為":①當偏差|E|較大時(shí),為加快系統響應速度,選撣隸屬度函數在模糊子集NB處選擇Z型函數zmf,較大的Kp和較小的Kp;同時(shí)為防止系統超調,產(chǎn)生積在模糊子集PB處選擇S型函數smf,其余均采用三角分飽和,還應對積分作用加以限制,通常取K,= 0。形對稱(chēng)的全交迭函數。②當偏差E1和偏差變化率IECI處于中等大小時(shí),③建立模糊控制規則四為減小系統的超調,Kp應取小一些,此時(shí)Kp對系統的表1 Kp 模糊控制規則表影響較大,為保證系統響應速度,K,應大小適中,K;適EC當取值即可。NB NMNSS PMPBB③當偏差I(lǐng)E|較小時(shí),應使系統具有較好的穩定性NMop能,此時(shí)應增加Kp和K,的取值,同時(shí)為避免系統振蕩VSvsMVM及增強系統抗干擾性,K,大小需根據偏差變化率IECI確定,IECI較小時(shí),K,取大-一點(diǎn);IECI較大時(shí),K,取小一PMPSIMVB點(diǎn);否則取適中。④偏差變化率IEC1值越大，則K,取值應越小,K, .表2 K, 模糊控制規則表取值應越大。VB NMB一NBNMNMvS~2模糊自適應PID控制系統設計VMNBNBNMvsNBNMNSz(1)模糊挖制對象的確定叫3Mps NM2p通過(guò)對氣化爐動(dòng)態(tài)特性分析可知，氣化爐溫度受yR輸入的氧氣最、煤量和水蒸氣量影響,煤氣熱值受輸入的氧氣量和燃料量影響，且氧氣量和煤量對氣化爐溫表3 K,模糊控制規則表度和煤氣熱值的影響基本上呈相反的趨勢，同時(shí)煤氣量基本上不受水蒸氣量改變的影響。因此,采用水蒸氣E NBNMPS PM_ PB量對氣化爐溫度、采用煤量對煤氣熱值進(jìn)行模糊PID中國煤化工NB控制,控制系統如圖2所示。MYHCNMHGNS(2)模糊控制系統設計①確定模糊控制器結構ps2MM_PB_確定模糊控制器的結構也就是確定模糊控制器的第4期萬(wàn)常洪:模糊PID在氣化爐控制系統中的應用7基于IF E AND EC THEN (Kp)(K)(Kn)規則的模糊蘊含關(guān)系，根據實(shí)際的操作經(jīng)驗,得到模糊控制規- Fuzy PID則,建立模糊控制規則表,如表1.表2、表3所示。0.④去模糊化和模糊推理1本文選用Matlab模糊邏輯工具箱設計模糊控制器,并進(jìn)行模糊控制仿真。在Matlab中運行FUZZY命令,打開(kāi)模糊邏輯編輯窗口FIS Editor,建立雙輸人三石0輸出的模糊系統，模糊推理選用Mamdani推理方法,去模糊化則選用重心法(centroid)。接著(zhù)進(jìn)人隸屬度函-0.10010001500數編輯器Membership Function Editor窗口，選用三角t形函數trimf.Z型函數zmf和S型函數smf建立相應圖4氣化爐煤氣熱值控制系統對比的E、EC.Kp.K1、Kn隸屬度兩數，然后在Rules Editor窗口中輸人上述49條控制規則。建立好模糊推理系統4結束語(yǔ)后,取名為“test”輸出到工作區,可供仿真時(shí)調用。本文針對ICCC多聯(lián)產(chǎn)系統氣化島的空分系統和3仿真實(shí)驗氣化爐系統展開(kāi)研究。首先分析了空分系統的工藝流結合圖所示2的控制系統框圖,當氧氣量階躍程,采用“逐板法”建立了空分系統精餾塔數學(xué)模型,在10%時(shí),對Shell氣化爐溫度和煤氣熱值的閉環(huán)響應過(guò)此基礎上采用模型預測控制策路提出空分控制系統方程進(jìn)行matlab仿真,仿真結果如圖3、圖4所示。案;接下來(lái)對氣化爐的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究.建立了氣化爐的數學(xué)模型,得到氣化爐動(dòng)態(tài)過(guò)程的傳遞兩數,將.8-模糊PID運用于氣化爐控制系統，并利用matlab.6 tsimulink對氣化爐溫度和煤氣熱值的常規PID控制與..... . PID模糊PID控制做了對比仿真,效果良好。.4 t0.2參考文獻:[1]韋思亮,倪維斗,劉尚明.IGCC電站中氣化爐控制系統研究[]熱能動(dòng)力工程,2002, 17102)55545-0.2-[2]卓之兵,肖云漢,李現勇,等.JCCC發(fā)電-甲醇聯(lián)產(chǎn)系統的協(xié)1200調控制分析系統I.系統工程理論與實(shí)踐,2003(8),53 -58.[3]潘蕾,楊瑜文,林中達.重型單軸燃氣輪-發(fā)電機組的綜合動(dòng)圄3氣化爐溫度控制系統響應對比圉從以上閉環(huán)響應過(guò)程可以看出，兩種控制方式都力學(xué)建模方法的研究幾動(dòng)力工程2002,225); 1959-1964.實(shí)現了溫度控制和熱值控制的目標,但通過(guò)對比發(fā)現，[4]伊俊業(yè).燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的模糊自適應PID控制模糊PID控制系統使系統輸出響應的過(guò)渡時(shí)間短、跟[D].北京:華北電力大學(xué),2007.蹤性能好，提高了控制精度,模糊PID控制方式優(yōu)于常規PID控制方法。[責任編輯杜琴The Application of Fuzzy PID in Control System of GasifierWAN Chang -hong(Huaneng Rujjin Power Plant, Jiangxi Ganzhou 341108, China)Abstract: The dynamics characteristics and control law of中國煤化工':neration system arestudied, and the temperature and calorific value of fuzzy PID Co_ned, while the fuzzyPID Control is simulated by matlab simulink. The simulation resul!CNMHGra is speirin hecontrol efect, robuster and response speed to conventional PID control method.Key words: IGCC(Integrated Gasification Combined Cyle);gasifier ;fuzy PID Control