基于模糊自适应PID控制的锅炉过热蒸汽温度控制系统 (1)

基于模糊自适应PID控制的锅炉过热蒸汽温度控制系统 韦庆志 李正明 孙 俊 （江苏大学 电气信息工程学院，镇江 212013） Temperature control system of superheated steam of boiler based on fuzzy self-adaptive PID control WEI Qing-zhi，LI Zheng-ming，SUN Jun （Dept.of Electric and Information Engineering of Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China） 文章编号：1001-3997（2010）07-0173-02 【摘 要】锅炉过热蒸汽温度控制具有大惯性、纯延迟、时变性难以控制等特点，针对这种情况本文 在常规 PID串级控制的基础上，构成了模糊自适应 PID串级控制系统，仿真对比表明该系统和常规 PID 控制系统相比超调量小，调节时间短，振荡周期短，平稳速度快，精度高，而且系统的静、动态特性都较好， 控制效果好，自适应能力强。 关键词：过热蒸汽；温度控制；PID控制；模糊自适应 PID控制 【Abstract】The temperature control system of boiler has the problem of great inertia，pure delay， time-varying parameters and so on. In order to improve its control performance，a superheated steam temper－ ature control system is designed based on fuzzy self-adaptive PID serial control. Comparing with traditional PID serial control，this control system has small overshoot，short adjustment time，smooth is fast，high accu－ racy，and the static and dynamic characteristics，control performance and self-adaptive capacity are better. Key words：Superheated steam；Temperature control；PID control；Fuzzy self -adaptive PID control ����������������������������������������������������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������������������������������������������������������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 中图分类号：TH16，TP368.1，TK3 文献标识码：A ＊来稿日期：2009-09-19 1引言 过热蒸汽温度是锅炉的主要参数之一[1]，对设备运行的安全 性和经济性有很大的影响。通常过热管正常运行温度接近过热管 材料所允许的最高温度，如果过热蒸汽温度过高，过热器容易损 坏，造成汽轮机内部器件过度热膨胀，严重影响运行安全。过热蒸 汽温度过低，设备效率下降，汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，造成 汽轮机叶片磨损，因此需将过热蒸汽温度控制在允许的范围内。 然而过热蒸汽温度控制中，被控对象具有非线性、时变性、滞后性 等特点，而且温度控制易受被控对象、环境等因素的影响，难以确 立精确的数学模型，难以选择控制器的参数。采用传统的 PID控 制难以得到满意的动态响应特性，因此本文建立了模糊自适应 PID串级控制系统，提高了系统对非线性、时变性和不确定性等 的处理能力，使控制效果得到了明显的改善。 2系统硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 系统硬件总体设计框图，如图 1所示。 图 1 系统总体设计框图 Fig.1 overall design diagram 3模糊自适应 PID控制系统 3.1模糊自适应 PID控制器结构 传统 PID控制系统投运过程中参数整定困难，操作者的经验 很难被精确描述，控制进程中各种信号量以及评价指标不易定量 表示，很难建立对象模型，工况的变化也常常使控制系统偏离工 作点，致使整定好的系统品质恶化。模糊自适应整定 PID控制算法 可以有效解决锅炉过热蒸汽温度控制系统大惯性、纯延迟、时变 性难以控制等问题。过热蒸汽温度调节系统原理图，如图 2所示。 图 2 过热蒸汽温度调节系统原理图 Fig.2 superheated steam temperature control system diagram 自适应模糊 PID控制器是在 PID算法的基础上，以误差 e和 误差变化率 ec作为输入，利用模糊 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 进行模糊推理，查询模糊 矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的 e和 ec对 PID参数自 整定的要求。利用模糊规则在线对 PID参数进行修改，便构成了 自适应模糊 PID控制器，其结构框图，如图 3所示。 3.2 PID控制器参数自整定原则 采用计算机实现的 PID控制算法，其离散 PID控制规律为： 存储 模块 串行 输出 键盘 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 LCD 控制器 LCD 显示模块 ARM9 处理器 AT91RM9200 A/D 转换 放大 热电偶 D/A 转换 放大 调节阀 导前气温 主气温蒸汽量 前段 过热器 后段 过热器 喷水 减温器 减温水 调节阀 喷水量（减温水量） 副调节器 主调节器 信 息 技 术 ＊＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊＊＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ Machinery Design ＆ Manufacture 机械设计与制造第 7期 2010年 7月 173 U（k）=Kpe（k）+KI∑e（i）+KD k-1 i=0 ［e（k）-e（k-1）］ （1） 式中：u（k）—第 k个采样时刻控制器输出量；e（k）—第 k个采样时 刻控制器输入量（偏差信号）；KP、KI、KD—比例、积分、微分系数。 图 3 模糊自适应PID控制器结构 Fig.3 fuzzy self-adaptive PID controller structure 根据不同的 e和 ec人们总结出了一套KP、KI、KD的整定原则： （1）当 e较大时，为使系统有较好的跟踪性能，应取较大的 KP和较小的 KD，同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以 限制，通常取 KI=0。 （2）当 e中等时，为使系统响应具有较小超调，应取较小的 KP。 KI的取值要适当，KD的取值对系统响应的影响较大，应取得小一些。 （3）当 e较小时，为使系统能有较好的稳态性能，KP和 KI均 应取的大些，同时为避免在平衡点附近出现振荡，并考虑系统抗干 扰性能，当 ec较大时KD可取的小些；ec较小时KD可取的大一些。 3.3隶属度函数的建立 选定 E、EC、U的论域均为｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3， 4，5，6｝，语言变量 E、EC、U均选取 7个语言值：PB，PM，PS，ZE， NS，NM，NB。隶属度函数选用三角形曲线，建立 E、EC、U的隶属 度函数，如图 4、图 5所示。 图 4 输入 e的隶属度函数 Fig.4 input e of membership functions 图 5 输出的隶属度函数 Fig.5 output of membership functions 3.4模糊控制规则和决策方法 模糊控制规则是对专家的理论知识和实践经验的总结，此处 共有 49条规则，如表 1所示。 表 1 主汽温度模糊控制规则表 Tab.1 main steam temperature, the rules of the fuzzy control table 在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处 理、查表和运算，完成对 PID参数的在线自校正。其工作流程图， 如图 6所示。 图 6 PID参数在线自校正工作流程图 Fig.6 PID parameters calibration work flow from online 4系统仿真 为了比较模糊自适应 PID控制和传统 PID控制的效果，对 两种控制方法进行仿真对比。以过热蒸汽温度为被控对象，在保 持串级控制系统基本结构的前提下，设计了模糊自适应 PID汽温 控制系统，如图 7所示。 图 7 过热蒸汽温度的模糊自适应控制结构 Fig.7 superheated steam temperature of adaptive fuzzy control structure 在图 7中，主调节器采用模糊自适应调节，Wa1（s）为副调节 器，W01（s）和 W02（s）分别为调节对象及其导前区的传递函数， WH1、WH2分别为减温器出口蒸汽温度和过热器出口蒸汽温度的 测量单元。除主调节器外，其它环节的传递函数分别为： Wa1（s）=20 W01（s）=5/（1+10s）2，℃/mA W02（s）=1/（1+20s）3，℃/mA WH1（s）=0.1，mA/℃ WH2（s）=0.1，mA/℃ 当气温给定值发生阶跃变化时模糊自适应 PID和传统 PID 控制系统的响应曲线，如图 8所示。实际运行中负荷是变化的，因 此各参数也有一定的变化。在上述控制系统模型基础上，变换 W02（s）= k（1+τs）3 的静态增益 k和时间常数 τ，比较模糊自适应PID 控制和 PID控制在参数变化下的响应情况，如图 9所示。 图 8 气温给定值阶跃变化时的气温输出响应曲线 Fig.8 temperature given value of step change of temperature output response curve U E EC PM PB NB NM PB ZO ZO PB ZO ZO PB NB NM NS ZO PS NB NB NS NM NS NB NB NM NM NS ZO ZO PS PM PM NS ZO PS PM PM PB PB PB PM PB PB PB NB NB NM ZO NB NB NM ZO NM NM ZO PS NS ZO PS PM ZO PM PM PM 模糊推理 PID 调节器 对象 de dt r（t） e y（t） kp ki kd e 1.0 0.5 0 隶 属 度 -6 -4 -2 0 2 4 6 U 1.0 0.5 0 隶 属 度 -6 -4 -2 0 2 4 6 入口 取当前采样值 e（k）＝r（k）-y（k） ec（k）＝e（k）-e（k-1） e（k-1）＝e（k） e（k）、ec（k）模糊化 模糊整定 △kp，△ki，△kd 计算当前 △kp，△ki，△kd PID控制器输出 返回 模糊自 适应控 制器 蒸汽温度 设定 Wa1（s） Wo2（s） Wo1（s） WH2（s） + 过热蒸汽温度 WH1（s） - + - 气 温 （ ℃） 时间（s） 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 100 300 500 700 900 1100 1300 14 12 10 8 6 4 2 0 PID控制 模糊自适应 PID控制 第 7期韦庆志等：基于模糊自适应 PID控制的锅炉过热蒸汽温度控制系统174 扑翼型机器鱼的建模及实现 * 王卫兵 1 王虎挺 1 胡 蓉 1 许红兵 2 （1石河子大学 机电学院 机械工程系，石河子 832000）（2新疆煤炭设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000） A design of bionic robofish with flapping-wing WANG Wei-bing1，WANG Hu-ting1，HU Rong1，XU Hong-bing 2 （1Shihezi University，Shihezi 832000，China） （2Xinjiang Coal Design Institute Limited Liability Company，Wulumuqi 830000，China） 文章编号：1001-3997（2010）07-0175-03 【摘 要】把昆虫和鸟类的翼在空中张合和鱼的胸鳍在水中摆动进行类比，结合水下扑翼型推进鱼 的原型，提出一种仿生扑翼型机器鱼的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，利用机械、电子元器件或智能材料加入扑翼飞行器实现 机器鱼的水下复合推进。设计利用曲柄摇杆机构实现扑翼运动，使用弹簧作为连接胸鳍与舵机的力传输 元件，有效降低能量损耗；在尾部的沉浮舵通过拉杆产生倾覆力矩，在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮 和下沉。实验证明，这种机器鱼实现了预期的扑翼形式。 关键词：扑翼；仿生机器鱼；推进机理；新月型尾鳍；沉浮舵 【Abstract】A design of bionic robofish with flapping-wing is present based on the bionics principle， which imitate the promoting principles of the wings of birds and insects and the crescent tail of fishes，the bionic robofish gets the stable swimming underwater uses the principle of flapping-wing aircraft，which ref－ erence the promote mechanism of fishes and make use of the mechanical electronic components and smart materials. In this design，the flapping-wing movement is achieved by the principle of crank-rocke，the spring is used as the power transmission components of tail and steering gear in order to reduce the energy loss of movement；A rudder is used to generate overturning moment，which could achieve the floating and sinking under the thrust of flapping-wing and tail. This design is drived by the DC servo motor，the contin－ uous rotation movement of crank is converted to complex movement of the ping fan and flip. Experiments show that the robofish with flapping-wing gets the desired performance. Key words：Flapping-Wing；Bionic robofish；Promoting principles；Crescent tail；Rudder ���������������������������������������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����������������������������������������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 中图分类号：TH16，TP368.1，TK3 文献标识码：A 1扑翼型机器鱼研究现状 陆地资源的日益枯竭，大规模开发和利用海洋的各种资源成 为研究的热点，近年来水下机器人技术得到迅猛的发展。基于仿 生学原理设计制造的新型仿生鱼。该类仿生鱼与固定翼和旋翼飞 行相比，它具有独特的优点：如原地或小场地游动，极好的游动机 动性和水中悬停性能以及游动费用低廉。它将举升、悬停和推进 功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离游动，因此 更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的 图 9 参数变化时气温输出响应曲线 Fig.9 parameter changes temperature response curve 5结论 从仿真结果可以看出：采用的模糊自适应 PID串级控制系统 对过热蒸汽的温度控制和传统 PID控制相比超调量小，调节时间 短，振荡周期短，控制对象参数发生改变时，系统能较快平稳，而 且系统的静态特性和动态特性都较好，控制效果好，自适应能力 强，控制品质得到了明显改善。 参考文献 1樊泉桂.锅炉原理［M］.北京：中国电力出版社，2004：145～160 2叶润玉.锅炉主汽温自适应模糊 PID控制［J］.机电技术，2008（3）：44～45 3郑明方.燃煤锅炉过热蒸汔温度模糊 PI控制系统的研究［J］.工矿自动化， 2006（6）：20～21 4张益农，李永霞，孙云兰. CFB锅炉主汽温度模糊 PID控制研究［J］.北京联 合大学学报（自然科学版），2005，19（4）：51～52 5李建军，姜东娇，马志杰.模糊 PID控制在主汽温控制系统中的应用［J］.东 北电力技术，2008（10）：10～11 6于明，范书瑞等. ARM9嵌入式系统设计与开发教程［M］.北京：电子工业 出版社，2006 气 温 （ ℃） 时间（s） 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 100 300 500 700 900 1100 1300 14 12 10 8 6 4 2 0 PID控制 模糊自适应 PID控制 ����������������������������������������� ＊来稿日期：2009-09-10 ＊基金项目：国家自然科学基金项目（60865004），国家 863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 （2007AA04Z202） Machinery Design ＆ Manufacture 机械设计与制造第 7期 2010年 7月 175