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模糊控制在鍋爐中的應(yīng)用
模糊控制在鍋爐中的應(yīng)用 摘要:目前,我國(guó)現(xiàn)有很多工業(yè)和民用中小型鍋爐,其中大部分自動(dòng)控制水平很低,存在燃燒不徹底、排煙氧含量偏高、排煙熱損失大等問題,直接造成了鍋爐熱效率低下和大量能源的浪費(fèi),同時(shí)也給環(huán)境帶來很大的污染,所以實(shí)現(xiàn)鍋爐的計(jì)算機(jī)控制具有重要的意義。采用西門子300PLC為開發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)模糊自整定PID控制器應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)克服了鍋爐控制系統(tǒng)的大慣性、非線性等特點(diǎn),并結(jié)合PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn),使控制系統(tǒng)有良好的控制效果。在研究模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的基礎(chǔ)上,以工業(yè)鍋爐為對(duì)象,設(shè)計(jì)了一套完善、實(shí)用的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:模糊控制;PID;自整定;鍋爐;PLC
1控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)將鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)作為主要研究?jī)?nèi)容,汽包水位是鍋爐運(yùn)行代寫論文中的一個(gè)重要參數(shù),它體現(xiàn)出鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量和給水量之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系,是鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。汽包水位高會(huì)使過熱器的受熱面結(jié)垢而被燒壞;而汽包水位過低則會(huì)破壞汽水循環(huán),造成水冷壁管供水不足而被燒毀,甚至引起鍋爐爆炸。鍋爐水位自動(dòng)控制的任務(wù)就是控制給水流量,使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化,維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。將模糊控制算法引入該系統(tǒng),利用模糊控制易于實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制的特點(diǎn),將有經(jīng)驗(yàn)的操作人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于控制過程,根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表,然后由該表決定PID參數(shù)的輸出值,與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合,根據(jù)鍋爐汽包水位運(yùn)行過程中出現(xiàn)的不同狀態(tài)和擾動(dòng),在線實(shí)時(shí)的對(duì)PID參數(shù)整定,使系統(tǒng)運(yùn)行中保持合適的瞬態(tài)參數(shù),易于維持汽包水位在設(shè)定值。針對(duì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)特點(diǎn),將蒸汽流量作前饋信號(hào)和給水流量作控制信號(hào),設(shè)計(jì)了三沖量控制系統(tǒng)。1.1鍋爐汽包水位的三沖量控制方式。汽包水位采用三沖量控制,將蒸汽流量作為前饋信號(hào),把給水流量作為控制信號(hào),組成汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)硬件配置。控制器主要由PLC構(gòu)成,采用西門子300PLC為開發(fā)平臺(tái)。輸入輸出系統(tǒng)采用分布式I/O(ET200M),通過輸入輸出模塊將現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)送入到PLC控制器。
2模糊自整定PID控制器設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)原理。模糊自整定PID控制算法是在PID算法的基礎(chǔ)上,以誤差e和誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入量,以滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求,根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表。在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中,輸入變量選擇為汽包水位的偏差值。和偏差值的變化量ec,輸出變量選擇為PID參數(shù)的校正值,即△kp,△ki和△kdd。在模糊自整定PID控制器中,采用的是二維模糊控制器。2.2模糊控制器設(shè)計(jì)過程的四個(gè)步驟2.2.1構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu),根據(jù)采樣得到的系統(tǒng)輸出值,計(jì)算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量。該步驟所完成的工作就是確定模糊控制器的輸入量和輸出量。2.2.2“模糊化”,即實(shí)現(xiàn)輸入量或輸出量的模糊化,通過量化因子和比例因子將精確量變化的范圍(基本論域)模糊化成在模糊集論域范圍內(nèi)。我們可以把精確量用“正大”“、正中”“、負(fù)中”“、負(fù)小”等模糊語言來分成數(shù)個(gè)檔。這些檔的大小關(guān)系我們就用在模糊論域上的模糊子集來表示。而模糊子集的大小就和隸屬函數(shù)有關(guān),隸屬函數(shù)通常采用:三角形隸屬函數(shù)、正態(tài)分布隸屬函數(shù)和梯形隸屬函數(shù)等。不同的隸屬函數(shù)代表著不同的系統(tǒng)特性,我們一般在系統(tǒng)誤差較大時(shí)采用具有低分辨率隸屬函數(shù),而在系統(tǒng)誤差較小時(shí)采用具有高分辨率的隸屬函數(shù)。2.2.3模糊控制表的運(yùn)算合成,有了前兩個(gè)步驟的工作,得到輸入量和輸出量的模糊數(shù),結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù),我們就可以將輸入量和控制量的模糊數(shù)安排到由一系列的if-then控制規(guī)則組成的集合中,利用這些規(guī)則信息,采用極大極小值合成法或其他合成算法,我們就可以合成得到控制表。該控制表儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中,供程序查詢輸出。2.2.4查詢輸出和輸出量精確化,計(jì)算機(jī)控制程序通過查詢?cè)摽刂票?即可以找到對(duì)應(yīng)于某模糊數(shù)輸入量的控制量模糊數(shù),再通過輸出量比例因子將模糊輸出控制量轉(zhuǎn)換成進(jìn)行控制量的精確化輸出,這實(shí)際上是在一個(gè)輸出范圍內(nèi),找到一個(gè)被認(rèn)為最具有代表性的、可直接驅(qū)動(dòng)控制裝置的確切的輸出控制值。2.3模糊自整定PID控制算法在PLC中編程實(shí)現(xiàn)。模糊自整定PID控制算法在西門子300PLC上采用語句表編程方式編程實(shí)現(xiàn)。采集誤差信號(hào)和誤差變化量信號(hào),將其模糊化到語言變量的論域,采用離線計(jì)算的方式將模糊規(guī)則制成模糊查詢表,通過在線的方式查詢模糊控制量輸出,最后將PID參數(shù)校正值與基準(zhǔn)值相加,獲得PID參數(shù)瞬時(shí)值,最后進(jìn)行PID運(yùn)算,計(jì)算得控制量到控制對(duì)象執(zhí)行器。在PLC中,使用FB功能塊和DB數(shù)據(jù)塊來實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。首先離線計(jì)算好模糊關(guān)系查詢表,把比例因子值、誤差的上下限值和模糊關(guān)系查詢表R送到DB數(shù)據(jù)塊中存儲(chǔ)起來。在DB數(shù)據(jù)塊中,模糊關(guān)系R要按傾序排放,即按順序先輸入第一列,再輸入第二列,第三列,然后在FB功能塊中完成計(jì)算查詢表功能。值得注意的是,在這里采用取整將E單點(diǎn)模糊化,然后,由模糊化子集和模糊關(guān)系風(fēng)求出模糊決策。在程序里,這部分使用比較指令和循環(huán)嵌套來完成。最后,用最大隸屬度法,由模糊決策求出△kp,△ki,△kd,再進(jìn)行PID增量式運(yùn)算得輸出控制量。
3結(jié)論根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn),分析了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及控制目標(biāo),針對(duì)工業(yè)過程中出現(xiàn)的非線性、大滯后、強(qiáng)耦合、難于控制的工業(yè)鍋爐控制對(duì)象的特點(diǎn),在傳統(tǒng)PID控制器難以達(dá)到理想控制效果的前提下,結(jié)合當(dāng)前發(fā)展比較迅速的模糊控制理論,使用模糊控制理論和PID相結(jié)合的控制器來改造原有的ID控制方式,結(jié)合PID控制中穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了模糊自整定PID控制器,實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的在線自整定,使系統(tǒng)保持最優(yōu)的瞬態(tài)參數(shù),使模糊控制與PID控制有機(jī)的結(jié)合起來,易于達(dá)到滿意的控制效果。
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