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模糊自适应PID控制器在火电厂主蒸汽温度控制中的应用研究摘要:火电厂主蒸汽温度控制系统中的控制对象具有大滞后和大惯性等特点,并且影响主蒸汽温度变化的因素很多。
用传统的PID控制方式则很难将被调量控制在目前国家规程规定的允许偏差范围内。
本文分析了一种基于PID参数的模糊控制器的新型方法-模糊自适应PID控制器,并由仿真结果证明了其良好的控制效果。
关键词:主汽温系统模糊自适应PID控制仿真火力发电机组控制系统应用集散控制系统后,使发电机组的“自动投入率”等控制指标得到了较大提高。
然而,很多发电厂仍然沿袭传统的PID控制模式,使控制品质并没有得到明显提高。
例如很多火电厂的锅炉主蒸汽温度等控制系统,也很难控制在确定的目标范围内[1]。
在模糊控制的基础上,将模糊控制与传统PID结合得到的自适应PID控制器则能够在火电厂主汽温控制系统中的更加良好效果。
1 火电厂主汽温控制系统介绍主蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内,并保护过热器,使其管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点。
如果过热蒸汽温度偏低,则会降低发电机组能量转换效率;而且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大,严重影响汽轮机的安全运行[2]。
过热蒸汽温度串级控制系统由主参数、副参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路、主对象和副对象组成。
串级控制系统具有很强的克服内扰的能力、提高系统的工作频率和有一定的自适应能力等特点。
2 PID控制与模糊控制在工业控制中,PID控制一直都被广泛应用。
PID控制器算法和结构比较简单,不要求精确的数学模型,并且其控制效果比较理想。
此外,对于受控对象特性的稍许变化,PID控制性能指标不是很敏感,这极大地保证了系统调节的有效性。
PID调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求。
因此,PID调节是工业领域最广泛应用的基本控制方式[3～4]。
模糊控制具有许多传统控制无法与之比拟的优点,其中主要有:不需要掌握过程的精确数学模型;为一种非线性控制方法,工作范围宽,特别对复杂、非线性系统,其控制效果比PID控制的效果好等。
模糊自适应PID控制器的应用摘要PID控制和模糊控制是当今应用较为广泛的两种控制方式，它们都存在着各自的优点和不足。
常规的PID控制器具有算法简单、可靠性高、无静差等优点。
其核心是参数的整定，对于确定性的被控制对象通过适当的整定PID的三个参数，可以获得比较满意的控制效果；但对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统，则较难以整定PID参数，因而比较难以达到预期的效果。
模糊控制器具有不依赖对象的数据模型适应能力的突出优点，但它的稳定精度差。
因此，针对PID控制器和模糊控制器的特点，可以扬长避短，即具有模糊控制灵活、适应强的优点，又具有PID 控制精度高的特点，从而对各种复杂的被控制对象、不同的控制指标取得理想的控制效果。
本文正是以此为目标，研究将模糊控制和PID控制进行有效的结合的控制方式和控制算法。
本文首先分析了常规PID控制器和模糊控制器的特点和发展状况，指出了它们的局限性和改进方法。
其次，通过对比和分析带有自调节因子的模糊控制器的一阶线性输出模式与常规PID控制器形式的相似型，设计了一种带有自调整因子的模糊控制器。
该控制器的实质是模糊控制器，所不同的是，它可以充分借鉴常规PID控制器参数调整的各种成熟经验，从而是模糊控制器的设计更规范，模糊规则的制定和参数的调整更简单易行，而且物理意义明确。
再次，通过采用该控制器对带有纯滞后的一阶惯性环节控制系统的仿真，研究了该控制器对不同类型的控制对象的控制效果；并且以环形加热炉为对象将该控制器与常规的PID控制、模糊控制以及模糊PID控制的效果进行了对比分析；同时，对该控制器的跟随性和抗干扰性进行了研究；仿真研究的结果表明该控制器具有模糊控制和PID控制两者的优点，有着很强的适应性，改善了系统的动静态性能。
最后，利用该控制器、PID控制器和模糊控制器对环形加热炉的温度进行了实时控制，结果表明，带有自调整因子的模糊控制器具有良好的控制效果。
关键词：模糊控制自调节因子 PID控制环形加热炉。
不同PID控制算法的温控器在温度控制中的应用仪表制造有限公司工程师在本文介绍各种PID控制算法的温控器的控制特性、功能及主要应用场合，对大家合理选用用于温度控制的温控器具有很强实用性。
常用温控器控制算法包括常规PID、模糊控制、神经网络、Fuzzy-PID、神经网络PID、模糊神经网络、遗传PID及广义预测等PID算法。
常规PID控制易于建立线性温度控制系统被控对象模型；模糊控制基于规则库，并以绝对或增量形式给出控制决策；神经网络控制采用数理模型模拟生物神经细胞结构，并用简单处理单元连接成复杂网络；Puzzy-PID为线性控制，且结合模糊与PID控制优点。
1、引言温度控制系统是变参数、有时滞和随机干扰的动态系统，为达到满意的控制效果，具有许多控制方法。
故对几种常见的控制方法及其优缺点进行了分析与比较。
2、常见温度控制方法2.1 常规经典PID控制算法的PID控制PID控制即比例、积分、微分控制，其结构简单实用，常用于工业生产领域。
原理如图1。
图1 常见PID控制系统的原理框图明显缺点是现场PID参数整定麻烦，易受外界干扰，对于滞后大的过程控制，调节时间过长。
其控制算法需要预先建立模型，对系统动态特性的影响很难归并到模型中。
在我国大多数PID调节器厂家生产的温控器均为常规经典PID控制算法。
2.2 模糊PID控制算法的PID控制模糊控制(Fuzzy Control)是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机控制。
原理如图2。
昌晖仪表YR-GFD系列傻瓜式PID调节器使用的就是模糊控制PID控制算法。
图2 模糊控制系统原理框图2.3 神经网络PID控制算法的PID控制神经网络控制采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构，用简单处理单元连接形成各种复杂网络，并采用误差反向传播算法(BP)。
原理如图3：图3 神经网络控制系统的原理框图2.4 Fuzzy-PID控制算法的PID控制模糊控制不需知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象。
自适应模糊PID在温度控制中的应用
作者：操建华
来源：《现代电子技术》2010年第05期
摘要:温度控制具有非线性、大惯性、时变性等特点,常规PID控制和常规模糊控制还不能使温度的控制达到理想效果。
设计一种自适应模糊PID控制器,该控制器在大偏差范围内采用模糊控制,根据偏差和偏差变化的需要实时调整PID参数,小偏差范围内采用PID精确控制。
介绍自适应模糊PID控制器的构成和原理,并利用Matlab/Simulink和模糊逻辑工具箱对其进行仿真,仿真结果表明,这种自适应PID控制器既具有模糊控制灵活、响应快、适应性强的特点,又具有PID控制精度高的特点,改善了温度控制的效果。
关键词:自适应模糊;PID;Matlab;Simulink
中图分类号:TP273文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)05-110-02
Application of Self-adaptive Fuzzy PID in Temperature Control System
CAO Jianhua
(Shunde Polytechnic College,Shunde,528300,China)
Abstract:As temperature system has the characteristics of non-linearity,large inertia and time variability,normal PID and normal fuzzy control can not meet the requirement of precise molding system.A self-adaptive fuzzy control in large area and PID precision output in small area,which adjusts PID parameters based on deviation and the deviation change.The structure and principle of self-adaptive fuzzy PID controller are analysed,and Matlab/ Simulink and fuzzy logic toolbox are simulated,the results of simulation show that the self-adaptive fuzzy controller posses the flexible and adaptability advantages of fuzzy control and the precise character of PID control.It improves the control effect on temperature system.
Keywords:self-adaptive fuzzy;PID;Matlab;Simulink
0 引言
传统PID控制原理简单,使用方便,适应性强,可以广泛地应用于各种工业过程,但是,传统PID控制也有缺点,如:参数调节需要一定的过程,最优参数的选取比较困难,对于时变、非线性的被控系统,其精确的数学模型难以建立,使用传统的PID控制不能得到理想的控制效果。
采用基于模糊算法的自适应控制系统进行控制,不但可以使控制系统更加可靠,而且能得到很好的控制效果[1]。
在工业生产过程中,温度是重要的控制参数之一,对温度的有效控制对于保证生产质量具有重大的现实意义和理论价值。
温度控制系统具有非线性、滞后性和时变性等特点,本文针对温度控制的特点,采用模糊控制和自适应相结合的方法,开发了自适应模糊PID温度控制系统。
一般的温度控制系统可以近似用一阶惯性滞后环节来表示,其传递函数是:
-ts
(1)
式中:K为对象的静态增益;
T为对象的时间常数;
t为对象的纯滞后时间。
1 自适应模糊控制器的结构
自适应模糊PID控制器以误差和误差变化率ec作为输入,可以满足不同时刻误差e和误差变化率对PID参数整定的要求。
利用模糊控制规则对PID参数进行整定,便构成了自适应模糊PID控制器。
自适应模糊PID控制器的原理图见图1。
图1 自适应模糊PID原理图
2 PID参数自整定的原理
PID参数自整定的实现方法是先找出比例增益、积分增益和微分增益
与误差和误差变化率之间的模糊关系。
在运行中不断检测误差e和误差变化率ec,再根据模糊控制原理在线对三个参数进行修改,以满足不同的e 和ec对控制器参数的要求,从而达到较理想的静态和动态性能[3]。
由于计算量不大,既可以用单片机也可以用PLC来实现。
根据参数和对系统性能的影响情况,可归纳出一般情况下,在不同的和
时,被控过程对和的自整定要求:
(1) 当|e|较大时,为了加快系统的响应速度,并避免因开始时误差e瞬间变大,可能引起微分过饱和,应该选择较大的和较小的同时,为了防止积分饱和现象,避免系统响应出现较大的超调,取。
(2) 当|e|和|ec|为中等大小时,为使系统响应的超调减小和对都不能取大,应该取较小的值和的取值大小要适中,以保证系统的响应速度。
(3) 当|e|较小时,为了使系统获得良好的稳态性能,应增大和值,同时为避免出现振荡,应适当地选取值。
具体原则是:当|ec|较大时应选择较小,当|ec|较小时
要取较大值。
3 模糊控制规则的设计
自适应模糊PID控制器设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊规则表,得到针对三个参数分别整定的模糊控制表。
三个参数分别整定的模糊控制表建立好后,可根据如下方法进行
三个参数的自适应校正。
在模糊控制中取误差绝对值和误差变化率
绝对值为输入语言变量,以构成一个二维模糊控制器,每个语言变量取负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)七个语言值[4]。
其隶属函数图见图2。
根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型,应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表,查出修正参数代入式(2)计算:
(2)
模糊控制规则可以用如下语句表示:
If e is Ai and ec is Bj then U is Cij
其中:Ai为偏差的语言变量,Bj为偏差变化率的语言变量,Cij为对应的控制量的语言变量,模糊关系为式(3):
R=∪ijAi ×Bi ×Cij
(3)
式(3)中R为模糊关系矩阵。
图2 隶属函数图
4 采用Matlab/Simulink对自适应模糊PID控制器进行仿真
仿真结构图如图3所示
图3 仿真结构图
仿真结果如图4~图6所示。
图4 仿真结果
图的自适应调整
图6 常规PID输出仿真结果
从仿真结果可以看出,自适应模糊控制器与常规PID比较,系统的输出具有更快的响应速度和更小的超调量,得到了较好的静态、动态性能。
5 结语
针对温度控制系统,设计了一种自适应模糊PID控制器,该控制器在大偏差范围内采用模糊控制,根据偏差和偏差变化的需要实时调整PID参数,小偏差范围内采用PID精确控制。
通过仿真结果表明,这种控制器是一种实现方便、性能优良的智能控制器,并具有动态性能好、稳态精度高等特点,适合非线性、大滞后、强耦合等复杂特性的控制系统。
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