模糊PID复合控制系统及其在锅炉一次风压力控制中的应用

　　电力自动化设备模糊PID复合控制系统及其在锅炉一次风压力控制中的应用薛文顺，吕剑虹（东南大学动力工程系，江苏南京210018）的基础上提出了一种适用于控制锅炉一次风压力的Fuzzy-PID复合控制系统。现场应用结果表明，这种新型的控制系统实现简单、实时性好、消除各种扰动的能力强，使锅炉一次风压严格控制在允许的范围内，确保了锅炉的稳定燃烧。

　　20世纪60年代至80年代，国产燃煤锅炉的制粉系统大多采用低速钢球磨煤机中间贮仓式制粉系统，其中有很多锅炉是采用制粉系统的乏气输送煤粉进入炉膛燃烧。对这些乏气送粉的锅炉，一次风压力即为排粉机的出口压力，它是稳定锅炉燃烧工况的重要参数，一次风压力的过高或过低都极易造成锅炉炉膛的熄火。因此不论制粉系统处于什么状态，都必须将一次风压力严格控制在规定的范围内。

　　而常规的PID控制方法很难保证一次总风压的控制品质，自动投入率不高。本文综合了PID控制和模糊控制的优点，设计了一种模糊PID复合控制系统，应用于一次总风压的控制中取得了理想的控制效果。

　　1一次风压力对象特性分析一次风压力可通过调节排粉机入口挡板来加以控制，当挡板开度变化时，一次风压力的变化相当灵敏。对一次风压力的主要扰动有2个：一是在制粉系统（乏气送粉锅炉）的启动和停止过程中，存在热风送粉和乏气送粉的切换（即倒风），由于阀门开、关时的流量特性不同，必然会对一次风压力造成影响，但这一扰动对一次风压力的影响相对较小，一般在200~3⑴Pa依靠PID控制能够及时消除；二是排粉机出口一次风小风门的开启或关闭，随着机组负荷的升、降，需要投入或切除火嘴，对应的小风门需要开启或关闭，而这种操作对一次风压力的影响很大。会使一次风压力上下波动1000~2000Pa.因此，在这种情况下，若排粉机挡板不快速动作，一次风压力波动太大，容易造成锅炉燃烧不稳定，严重时造成锅炉熄基金项目：国家自然科学基金资助项目（50076008）火。由于PID调节器的输出不可能在很短时间内变化太大（若PID调节整定太快，会造成闭环系统振荡，甚至不稳定），因此在这种情况下，不能单靠常规的PID控制来进行调节卩化和误差变化的速率通常将模糊控制器输模糊控制器的输入结构形式从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制效果越好。但是维数高的模糊控制器实现起来相当复杂和困难，通常采用二维模糊控制器。二维模糊控制器是以被调量与定值之间的误差E和误差变化率EC为输入变量，因此它具有类似于常规PD控制器的作用，采用该类模糊控制器的控制系统可以获得良好的动态品质，但被调量的静态偏差难于消除。PID控制器具有积分作用，能方便地消除被调量的静态偏差，但当被调量偏差较大且变化很快时，PID调节器的动作速度比模糊控制系统慢，不利于有效地克服快速增加的被调量偏差。

　　2.2Fuzy-ID复合控制系统FuzzrPID复合控制系统示意图根据被调量的偏差Ep及偏差变化率ECP的大小，可以选择不同的控制规律。当Ep和ECp均小于一定数值时，为避免执行机构的频繁动作，选择保持器，使控制系统的控制作用保持不变；当Ep和ECp在一个不太大的范围内变化时，采用PID调节，消除小的动态偏差和静态偏差；当Ep和ECP数值较大时，采用模糊控制器快速动作执行机构，使被调量快速回落到定值附近，再切换到PID调节。显然，在控制系统的实际运行过程中，各控制器是根据Ep和ECp的实际情况相互切换的，具体的切换规则可根据实际的被控对象确定。3基于模糊PID控制器的一次风压力控制系统本节将Fuzy-ID复合控制器应用到实际的锅炉一次风压力控制系统中详细介绍该复合控嘲b统的设计过程。

　　3.1模糊控制器设计设一次风压力定值为P0，风压测量值为P，则误差Ep及误差变化率ECp分别为Ep=P.一PECp=dEp/dt.根据实际的运行情况，可确定一次风压力的偏差范围为一2000~+2000Pa偏差变化率的范围为一500~+500Pa/s，控制作用的范围为0~ 100.根据这些变化范围，不难将它们转换为离散论域。现将误差Ep及误差变化率ECp的离散论域分为8个等级，并分别记为X！和义2；将控制作用的离散论域分成7个等级，记为，则离散论域X2和Yi可以分别表示为Xi=误差及误差变化率的大小可以用一组模糊语言变量来描述，本系统中，选择这些语言变量分别为负大GVB），负中GVM），负小（AS），负零（NZO），正零（PZO），正小CPS），正中（PM），正大（PB）。这些模糊子集的隶属度函数可根据实际情况进行选取，本系统所选取的隶属度分别如表1、表2和表3所示。

　　根据实际的操作经验，进一步综合了适合于一次风压力控制的模糊控制规则库，规则库如表4所示。

　　当控制规则库建立后，模糊控制器的计算就比较简单根据实际的测量偏差信息，直接通过查表4就能获得模糊控制器的输出模糊集再采用大隶属度法进行模糊判决，从而获得的控制作用。

　　表1偏差模糊子集E的隶属度函数赋值表表2偏差变化率模糊子集EC的隶属度函数赋值表表3控制作用模糊子集U的隶属度函数赋值表风压力控制在有效的范围内确保了a锅炉的稳定燃blishtogHouse.Allrightsreserved，httpnet）3.2控制器切换规则为了充分发挥模糊控制系统和PID控制系统的优点，可根据被调量偏差Ep及偏差变化率ECP的大小，选择不同的控制规律，即采用Fuzzy-ID复合型控制系统。对一次风压力的控制系统，经现场调试，获得了如表5所示的控制规律切换规则。实际的运行结果表明，采用该切换规则后，不仅有效克服了一次风压大的动态偏差，而且也消除了一次风压的静态偏差，获得了理想的控制品质。

　　表5控制器的切换规则2为模糊控制器3为保持器。

　　控制规律的切换应是无扰动的，设计中要使未被选中控制器的输出始终跟踪选中控制器的输出。3.3控制效果南京热电厂5号机组一次风压力控制采用上述控制规律后，无论在制粉系统的启、停或负荷的大幅度升、降（快速切、投多个火嘴）情况下，均能使一次烧，从而使该控制系统能长期投入自动运行。

　　为当一次风压的设定值作阶跃变化及手动开、关一次风小风门时，控制系统的响应曲线。

　　1为一次风压力）的定值变化；2为一次风压力（尸）；3为排风机挡板开度指令（P）。

　　设定值作阶跃变化及手动开。关一次风小风门时，控制系统的响应曲线从中可知：a在稳定工况下，一次风压力波动范围在内；将排粉机出口压力的定值由2至2500Pa和由2500Pa改变至2000Pa时，系统在40s内达到稳定；手动开、关一次风门，一次风压力的大动态偏差为450Pa―次风压在30s内达到稳定。

　　所有的这些品质都确保了该Fuzzy-PID控制系统的长期稳定投入。

　　4结论模糊控制系统由于可以在保证系统稳定性的前提下，快速动作执行机构，因此，可以有效抑制被控变量大的动态偏差，而在稳态时，一般的模糊控制方法很难消除小的偏差；而PID控制器的特点则是能方便消除小偏差，而对变化大的、快的被调量偏差，则很难有效抑制。因此，将两者结合起来的Fuzzy-ID复合控制系统，具有2种控制器的综合优点吕剑虹，沈炯，杨榕，等。中储式钢球磨煤机制粉系统控制策略研究及应用中国电力，2000远动分析系统不仅可应用在电网调度自动化领域，对于热工系统、直流系统及多种行业在信息传输与处理的应用领域都有着广泛的应用前景。