1 引言
在实际应用中锅炉是一个复杂的系统,存在着惯性大、非线性、参数时变、数学模型难以建立等特点,必须采用合适的控制策略才能取得良好的控制效果。 PID控制算法具有原理简单,调节精确的优点,但快速性不理想;Fuzzy控制算法具有无需建立被控对象的数学模型,对非线性、时变性系统具有一定的适应能力及快速性好的优点,但准确性不令人满意。本设计针对锅炉温度控制的特点与难点,将Fuzzy控制与PID控制算法相结合,构建了Fuzzy-PID复合控制策略,并在我校研制的基于现场总线的过程控制系统(涵盖了温度、压力、流量、液位四大过程参数)中进行了实践研究,结果表明,将Fuzzy控制与 PID控制有效结合,是解决温度控制系统性能的一种有效途径。
2 系统组成原理
锅炉温度系统由上位机、下位机和被控对象等组成,如图1所示。上位机装有WINCC监控软件、Step7软件,完成系统的监控和控制程序设计。 下位机选用西门子S7-300PLC作为系统的控制器,由PS307电源模块,CPU315-2DP现场总线模块,SM323开关量8入/8 出模块,SM331模拟量8路输入模块,SM332模拟量4路输出模块等组成,完成系统的启动、停止、保护,Fuzzy控制算法,PID控制算法等控制功能。被控对象由带内胆、外胆的锅炉,晶闸管调功器,水系统,加热器,pt100温度检测变送器等组成,完成接收控制信号、实施温度控制,反馈温度检测信号等功能。
图1 锅炉温度系统结构图
系统工作原理是Fuzzy-PID控制器输出的控制量,实时调节晶闸管调功器的控制角,来控制加热器上电压的高低,达到控制锅炉温度的目的;pt100温度变送器实时检测锅炉的温度并反馈给控制器,构成温度闭环控制系统。
3 Fuzzy-PID复合控制器设计
3.1 控制策略确定
考虑到锅炉温度控制系统的特点,采用Fuzzy-PID复合控制策略,其基本思想是在大偏差(e>±5C°)时,采用Fuzzy控制算法,充分发挥Fuzzy控制器快速性好、适应能力强的的特点;在小偏差(e<±5C°)时,采用PID控制算法,充分发挥PID控制器原理简单、调节精确的特点。二者的转换用软件根据给定的的偏差(e0=±5C°)自动实现,为了尽可能避免在控制策略切换时引起的扰动,采取了当Fuzzy控制策略向PID控制策略切换时,调节器的输出将保持Fuzzy控制策略下的输出值UF,直到PID控制器输出│UPID│≤│UF│ ;当PID控制策略向Fuzzy控制策略切换时,调节器的输出将保持PID控制策略下的输出值UPID,直到Fuzzy控制器输出│UF│≥│UPID│。系统方框图如图2所示,温度给定量为 TR,温度反馈量为yT,误差信号e和误差变化率信号ec,控制量为UK,被控量为TT。
图2 锅炉温度控制系统方框图
3.2 Fuzzy控制策略
当系统温度的绝对值大于5C°时,采用模糊控制算法。模糊控制器选用双输入单输出控制方式,以温度误差e和误差变化率ec作为输入变量,以UF 作为输出变量。模糊子集为E=EC=UK={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},其论域为 e=ec=uF{-3,-2,-1,0,1,2,3},或写成e:[-Xe,Xe], 变化率ec:[-Xec,Xec], uF:[-UF,UF]。隶属度函数采用三角分布函数。根据实际经验总结得到49条推理规则,采用if—then语句表达形式,得到控制变量UF的模糊控制规则表,如表1所示。
(1)if E is NB and EC is NB then UF is PB or
(2) if E is NB and EC is NM then UF is PB or
┇ or
(49)if E is PB and EC is PB then UF is NB。
表1 模糊控制规则表
根据模糊规则归纳出模糊关系,采用Mamdani的模糊推理与合成运算,得到对应UF论域元素的μUF(E,EC)的隶属度,采用加权平均法进行解模糊运算,得到模糊控制器清晰化的控制量UF,来控制调功器的输出电压和温度,并可以有效的抑制扰动,提高系统的快速性和稳定性。
3.3 PID控制策略
当系统温度的绝对值小于5C°时,采用PID控制算法,得到PID控制器输出的控制量UPID,可以实现一定范围内的无差控制,提高系统的准确性和稳定性。
UPID=UPID(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+(k-2)] (1)
式中:UPID为PID控制器输出的控制量,Ki=KpT/Ti,Kd=KpTd/T,T为采样周期。
3.4 程序流程图
在Step7软件平台上进行了控制程序设计,包括主程序、模糊控制程序、PID控制程序、切换程序、操作与报警程序等。通过现场总线Profibus通讯进行上位机与下位机信息交互,程序运行,算法实施等,Fuzzy-PID复合控制程序流程图如图3所示。
图3 Fuzzy-PID程序流程图
4 系统调试与结果分析
上位监控系统采用WINCC进行工艺组态、炉温监视、趋势显示、参数读取与设定、事件报警、记录打印等功能的设计,直接反映加热炉的工作状态、变化趋势及实时控制等状况。启动控制系统与上位监控系统,设定系统的给定值50℃和控制器的初值,通过Fuzzy-PID复合控制,获取了锅炉温度系统的输出特性如图4所示,被控量的控制精度在±0.6℃左右,无超调,达到了设计效果。
图4 锅炉温度输出特性
5 结束语
文中针对锅炉温度对象的特点,将鲁棒性强的Fuzzy控制与具有消除静态误差的PID算法有效结合,充分发挥了二者的优点,通过我校研制的过程控制系统实践装置在高校和钢厂培训中心的应用实践,证明了该温度控制系统的方案是合理的。