第22卷第4期江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報Vol.22 No.42009年12月Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of ElectricityDec.2009模糊PID在氣化爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用萬常洪(華能璃金電廠,江西贛州341108)摘要:分析了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)氣化鳥的動態(tài)特性和控制規(guī)律,設(shè)計了氣化爐溫度和熱佳的模糊PID控制系統(tǒng),并基于mbsinmulink 對橫糊PID控制進行仿真,證明模糊PID控制具有良好的魯棒性,響應(yīng)速度快,其控制效果倪于常規(guī)PID控制方式。關(guān)鍵詞:整體堞氣化聯(lián)合循環(huán);氣化島;模糊PID控制中圖分類號:TP273;TR223.7文 獻標識碼:A文章編號:1673 -07<200)0 -005-00引言算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況,運用模糊推理,與70年代初期的石油危機,給世界帶來巨大影響和.常規(guī)PID控制相結(jié)合,設(shè)計了氣化爐模糊自適應(yīng)PID沖擊。西方主要T.業(yè)國家政府從本國經(jīng)濟發(fā)展和國家控制系統(tǒng),并采用matlab simulink進行仿真。安全的戰(zhàn)略角度考慮,推行能源多樣化的政策,并鼓勵1模糊自適應(yīng)PID控制原理發(fā)電行業(yè)燃料多樣化。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IcCC-Intergrated Gasification Combined Cyele)發(fā)電技術(shù)由此基本的PID控制器可描述為":受到廣泛重視,得到迅速發(fā)展。G()=K, E(h)+K, 2 E()+KFEC(k)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)主要以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ),是一種不補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)，其燃料其中EC(k)=E(k)-E(k-I)煤氣以煤氣化形式獲取。氣化妒則是煤氣化過程的核E(k)、EC(k)分別為系統(tǒng)偏差和偏差變化率;Kp心部件。由于涉及到許多復(fù)雜的化學反應(yīng)過程.氣化爐K,.Kp分別為比例系數(shù)積分系數(shù)和微分系數(shù)。是一個復(fù)雜的多變量、大滯后、非線性及高耦合系統(tǒng)，PID控制器根據(jù)被控對象的特性,對這三個參數(shù)且對各種擾動的影響都很敏感,其相應(yīng)的控制理論和進行整定,以獲得滿意的控制效果。應(yīng)用都不太成熟。針對氣化爐的高品質(zhì)控制方法是氣從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等化爐安全可靠運行的保證，也是目前氣化爐在大規(guī)模各方面來考慮,Kp.K,K,的作用如下:應(yīng)用和推廣過程中亟待解決的問題。①比例系數(shù)Kp可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高常規(guī)PID控制器能控制基本的線性系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)單、穩(wěn)態(tài)精度高.工作可靠但是對于氣化爐這種非線的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程,采用定;Kp取值過小,則會降低調(diào)節(jié)精度.系統(tǒng)響應(yīng)速度緩PID控制往往難以取得理想的效果。模糊控制是直接采慢,延長調(diào)節(jié)時間,系統(tǒng)靜態(tài)動態(tài)特性變壞。用語言型控制規(guī)則,通過模糊理論將現(xiàn)場操作人員的控②積分系數(shù)K,能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。K,越大,越能制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識運用于控制器中，在設(shè)計中不加速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，但 K,過大,在響應(yīng)過程中容需要建立被控對象的精確的數(shù)學模型,因而使得控制機易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象引起響應(yīng)過程的較大超調(diào);相反,理和策略易于接受與理解。本文運用模糊數(shù)學的基本K,過小則難以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。理論和方法.把規(guī)則的條件操作用模糊集表示,并把這③微分系數(shù)K,能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，抑制響些模糊控制規(guī)則作為知識存人計算機知識庫中,然后計應(yīng)過程中偏差的變化。K。 過大,會使響應(yīng)過程提前制收稿日期:2009-07-05中國煤化工作者簡介:萬常洪(1979-),男,江西新建人,助理工程師。MHCNMH G江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報第22卷動,延長調(diào)節(jié)時間,降低系統(tǒng)的抗干擾性能。熱值反饋模糊自適應(yīng)PID控制器由模糊控制器和PID控制熱值設(shè)定，由二媒量02器兩部分構(gòu)成,如圖1所示吧。氣化爐控制系統(tǒng)- +模糊推理溫度J水蕉o,給定K2 K|K設(shè)定.溫度反饋汽量值RE廠PI對象飛演出,輸人變量和輸出變量(即控制量),基于對系統(tǒng)的分析，圈2氣化爐控制系統(tǒng)示意圖實際值Y采用偏差E和偏差變化率EC作為模糊控制器的輸團1控制系統(tǒng)框圍人,模糊控制器輸出為Kp.Kr.Kpo模糊控制器以系統(tǒng)偏差E和偏差變化率EC作為②確定各變量隸屬度函數(shù)凹輸人,以模糊邏輯理論為基礎(chǔ)，通過模糊推理和模糊計對偏差E、偏差變化率EC和Kp.K,K,分別定義算等自動修正PID控制參數(shù)Kp.K.Kp,得到PID控制了7個模糊子集,相應(yīng)的模糊集和論域定義如下:器的三個參數(shù)為E EC、和Kp.K1.Kp的模糊子集均為:(NB(負大)、Kp'= Kp+OKpNM(負中)、NS(負小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、K/= K +OK, .PB(正大)}Kp'= Ko +OK,E EC和Kp的論域均為:{-3,-2,-1 ,0,1,2,3}模糊自適應(yīng)PID控制以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ).運.Kp的論域為:{-0.45 ,-0.3,-0.15 ,0,0.15,0.3,0.45)用模糊控制理論和方法，根據(jù)不同的E和EC實現(xiàn)對K,的論域為:{-0.06,- 0.04, -0.02 ,0 ,0.02 ,0.04 ,0.06)PID三個控制參數(shù)自適應(yīng)整定,基本原則為":①當偏差|E|較大時,為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,選撣隸屬度函數(shù)在模糊子集NB處選擇Z型函數(shù)zmf,較大的Kp和較小的Kp;同時為防止系統(tǒng)超調(diào),產(chǎn)生積在模糊子集PB處選擇S型函數(shù)smf,其余均采用三角分飽和,還應(yīng)對積分作用加以限制,通常取K,= 0。形對稱的全交迭函數(shù)。②當偏差E1和偏差變化率IECI處于中等大小時,③建立模糊控制規(guī)則四為減小系統(tǒng)的超調(diào),Kp應(yīng)取小一些,此時Kp對系統(tǒng)的表1 Kp 模糊控制規(guī)則表影響較大,為保證系統(tǒng)響應(yīng)速度,K,應(yīng)大小適中,K;適EC當取值即可。NB NMNSS PMPBB③當偏差I(lǐng)E|較小時,應(yīng)使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性NMop能,此時應(yīng)增加Kp和K,的取值,同時為避免系統(tǒng)振蕩VSvsMVM及增強系統(tǒng)抗干擾性,K,大小需根據(jù)偏差變化率IECI確定,IECI較小時,K,取大-一點;IECI較大時,K,取小一PMPSIMVB點;否則取適中。④偏差變化率IEC1值越大，則K,取值應(yīng)越小,K, .表2 K, 模糊控制規(guī)則表取值應(yīng)越大。VB NMB一NBNMNMvS~2模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)設(shè)計VMNBNBNMvsNBNMNSz(1)模糊挖制對象的確定叫3Mps NM2p通過對氣化爐動態(tài)特性分析可知，氣化爐溫度受yR輸入的氧氣最、煤量和水蒸氣量影響,煤氣熱值受輸入的氧氣量和燃料量影響，且氧氣量和煤量對氣化爐溫表3 K,模糊控制規(guī)則表度和煤氣熱值的影響基本上呈相反的趨勢，同時煤氣量基本上不受水蒸氣量改變的影響。因此,采用水蒸氣E NBNMPS PM_ PB量對氣化爐溫度、采用煤量對煤氣熱值進行模糊PID中國煤化工NB控制,控制系統(tǒng)如圖2所示。MYHCNMHGNS(2)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計①確定模糊控制器結(jié)構(gòu)ps2MM_PB_確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)也就是確定模糊控制器的第4期萬常洪:模糊PID在氣化爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用7基于IF E AND EC THEN (Kp)(K)(Kn)規(guī)則的模糊蘊含關(guān)系，根據(jù)實際的操作經(jīng)驗,得到模糊控制規(guī)- Fuzy PID則,建立模糊控制規(guī)則表,如表1.表2、表3所示。0.④去模糊化和模糊推理1本文選用Matlab模糊邏輯工具箱設(shè)計模糊控制器,并進行模糊控制仿真。在Matlab中運行FUZZY命令,打開模糊邏輯編輯窗口FIS Editor,建立雙輸人三石0輸出的模糊系統(tǒng)，模糊推理選用Mamdani推理方法,去模糊化則選用重心法(centroid)。接著進人隸屬度函-0.10010001500數(shù)編輯器Membership Function Editor窗口，選用三角t形函數(shù)trimf.Z型函數(shù)zmf和S型函數(shù)smf建立相應(yīng)圖4氣化爐煤氣熱值控制系統(tǒng)對比的E、EC.Kp.K1、Kn隸屬度兩數(shù)，然后在Rules Editor窗口中輸人上述49條控制規(guī)則。建立好模糊推理系統(tǒng)4結(jié)束語后,取名為“test”輸出到工作區(qū),可供仿真時調(diào)用。本文針對ICCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)氣化島的空分系統(tǒng)和3仿真實驗氣化爐系統(tǒng)展開研究。首先分析了空分系統(tǒng)的工藝流結(jié)合圖所示2的控制系統(tǒng)框圖,當氧氣量階躍程,采用“逐板法”建立了空分系統(tǒng)精餾塔數(shù)學模型,在10%時,對Shell氣化爐溫度和煤氣熱值的閉環(huán)響應(yīng)過此基礎(chǔ)上采用模型預(yù)測控制策路提出空分控制系統(tǒng)方程進行matlab仿真,仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。案;接下來對氣化爐的動態(tài)特性進行了研究.建立了氣化爐的數(shù)學模型,得到氣化爐動態(tài)過程的傳遞兩數(shù),將.8-模糊PID運用于氣化爐控制系統(tǒng)，并利用matlab.6 tsimulink對氣化爐溫度和煤氣熱值的常規(guī)PID控制與..... . PID模糊PID控制做了對比仿真,效果良好。.4 t0.2參考文獻:[1]韋思亮,倪維斗,劉尚明.IGCC電站中氣化爐控制系統(tǒng)研究[]熱能動力工程,2002, 17102)55545-0.2-[2]卓之兵,肖云漢,李現(xiàn)勇,等.JCCC發(fā)電-甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)1200調(diào)控制分析系統(tǒng)I.系統(tǒng)工程理論與實踐,2003(8),53 -58.[3]潘蕾,楊瑜文,林中達.重型單軸燃氣輪-發(fā)電機組的綜合動圄3氣化爐溫度控制系統(tǒng)響應(yīng)對比圉從以上閉環(huán)響應(yīng)過程可以看出，兩種控制方式都力學建模方法的研究幾動力工程2002,225); 1959-1964.實現(xiàn)了溫度控制和熱值控制的目標,但通過對比發(fā)現(xiàn)，[4]伊俊業(yè).燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的模糊自適應(yīng)PID控制模糊PID控制系統(tǒng)使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的過渡時間短、跟[D].北京:華北電力大學,2007.蹤性能好，提高了控制精度,模糊PID控制方式優(yōu)于常規(guī)PID控制方法。[責任編輯杜琴The Application of Fuzzy PID in Control System of GasifierWAN Chang -hong(Huaneng Rujjin Power Plant, Jiangxi Ganzhou 341108, China)Abstract: The dynamics characteristics and control law of中國煤化工':neration system arestudied, and the temperature and calorific value of fuzzy PID Co_ned, while the fuzzyPID Control is simulated by matlab simulink. The simulation resul!CNMHGra is speirin hecontrol efect, robuster and response speed to conventional PID control method.Key words: IGCC(Integrated Gasification Combined Cyle);gasifier ;fuzy PID Control