热水锅炉温度控制的模糊PID参数自整定方法
热水锅炉温度控制的模糊ＰＩＤ参数自整定方法
张秀滢
刘强
（中煤邯郸设计工程有限责任公司）
摘要：针对热水锅炉温度控制中ＰｌＤ参数人工整定的困难和参数自整定的必要性，对Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ参数自整定原理和方法进行了讨论，并对燃煤热水锅炉供暖系统进行了试运行，表明其正确、有效和实用性。
关键词：锅炉温度控制模糊ＰＩＤ参数自整定
ｋ．为．Ｋ『厂一模糊比例、积分、微分系数
比例系数Ｋ，＝Ｋ；＋胆，Ｅ吼（２）
积分系数Ｋ，＝Ｋ，＋胆，Ｅｑｉ（３）微分系数Ｋ庐Ｋ升陋，Ｅａｄ（４）
０引言
ＰＩＤ算法由于其结构简单、鲁棒性好和可靠性高的特点，成为迄今为止应用最广泛的控制算法。然而在热水锅炉的温度控制中，由于被控对象具有非线性、时变、大滞后等特点，且热水锅炉温度控制受环境温度和燃料等诸多因素影响，导致难以建立精确的数学模型，难以确定最佳的控制器参数。此时，传统的ＰＩＤ控制对进一步提高控制对象的质量遇到了极大的困难，难以获得良好的效果。为了克服常规ＰＩＤ调节器的不足，提高其性能，人们进行了进一步的研究。
模糊控制是智能控制理论的一个分支，近十年来正以它全新的控制方式在控制界受到了极大的重视并得到了迅速发展。与传统的ＰＩＤ控制方式相比，它具有特别适合于那些难以建立精确数学模型、非线性和大滞后的过程等特点。但是经过深入研究，也会发现基本模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度不高等弊病。
因此，本文提出一种将模糊控制和ＰＩＤ控制相结合起来，通过模糊控制实现ＰＩＤ参数自整定的方法来调节锅炉出水温度。这种Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ策略，模糊控制的采用不是代替ＰＩＤ控制，而是对传统控制方式的改进和扩展，它既保持了常规ＰＩＤ控制系统结构简单、使用方便、鲁棒性强、控制精度高的优点，又采用模糊推理的方法实现了ＰＩＤ参数Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ的在线自整定，兼具了模糊控制灵活性、适应性强的特点，相比单纯的任一种控制效果都要好。
本文设计一个参数自整定模糊ＰＩＤ控制器来完成对热水锅炉的温度控制，并在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下对其进行仿真研究。
１模糊自整定ＰＩＤ控制器设计
１．１模糊ＰＩＤ控制器结构模糊自整定ＰＩＤ算法的实质是找出ＰＩＤ三个参数与ｅ和ｅｃ之间的模糊关系，在运行中通过不断检测ｅ和ｅｃ，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，三个参数进行自整定的基本思想是：依据被控对象的响应在采样时刻的误差及误差的变化趋势这两个因素来确定参数调整量的极性和大小，本质上同时兼顾了被控对象响应的“静态性能”（是高于还是低于给定值）和响应的“动态性能”两个因素，既看现状，也看动向。其算法过程就是利用对应的规则集，将控制指针（条件）模糊化，然后将它与知识库中的模糊规则进行匹配，如有规则匹配，则执行该规则的结果部分，就可得到相应的参数
调整量ｋ。、ｋ．、Ｉ（ｄ。其结构如图１所示。
其中但，Ｅ劬、腰，Ｅｑ。、胆，Ｅ吼为模糊推理的结果，即为参数校
正量：Ｋ：、Ｋｊ、Ｋｊ为参数初值。
在模糊自整定ＰＩＤ控制器中，我们把偏差ＥＣ和偏差的变化率作为输入变量，Ｋ。、Ｋ。、心作为输出变量。￡和Ｅｃ语言变量的论域为：｛一６，一４，一２，０，２，４，６），Ｋ。、Ｋ。、畅语言变量的论域为：｛一３，２，一１，０，１，２，３），各变量的语言值为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，Ｐｓ，ＰＭ，ＰＢ｝。考虑到对论域的覆盖程度和灵敏度、稳定性、鲁棒性的原则，各变量的隶属函数曲线见图２、图３。
图３输出变量Ｋｐ、ＫＩ、Ｋｄ的隶属函数曲线
关于模糊控制规则的建立，由图１可见，此模糊控制器是以Ｅ和ＥＣ作为输入语言变量，以配、Ｋ。、耽作为输出语言变量的两输入。三输出的模糊控制器，其控制规则就是对参数Ｋ。、Ｋ。、局的调节规则。根据上述的参数整定原则及专家的经验，可列出相应的参数调
节规则＇如表１—３所示嚷１
ＦＢ
ＰＢＰＩＰＳＺＮｓ
Ｆｉｌｌ
Ｋ。的控制规则表
斌
ＺＺＰＳＰＩＰＩＩｐ８
ＰＢ
ＰＳＺ
ＮＳ
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ＺＰＳＰＳ
犯
№
硒
ｌ，ａｌｌ
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ＮｓＮｓ２ＰＳＰＳ
雌搬
ＮｓＺＰＳＰＳ
搬
ＰＳＺＰＳ
糯
搬
ＮＳＮＳＺ
嘲
肼
ＮＳ
麒
Ｐ誓
Ｈ阿ｎ
艘糯
图１模糊自整定ＰＩＤ控制器结构图
ＺＺ
船
ＰＢ
阿
１．２模糊ＰＩＤ控制器设计模糊自整定ＰＩＤ参数控制器的控制
，
ｅ
ＰＢＰＢＰＢＰＢＰｉｌＰＳＺＺ
Ｈ
ＰＢＰＢ
ＰＳ
Ｚ
ＩＩＳＰＳＰｓＺＮｓ
疆
ＺＺＮＳ
鹕
ＺＺ
作用可以用式（１）描述：
‘
西
ｎ１
髓
ＰＳＺＮｓ
硝硝
ｐＳＰＳＺＮＳＮｓ
Ｈ
ＰＳＰＳＺＮＳＮｓ
ｔ（１ｃ｝＝ｋ墨取ｈＫ｜∑Ｅ６卜ＫｏＥＣ（ｋ）
，邵
式中Ⅱｆ）｝．卜模糊自整定ＰＩＤ控制器输出：
Ｅ『）｝Ｊ卜系统偏差：
Ｉ
疆
ＰＩＰＳＺＺ
疆疆婚鹕船
髓黼
１６嘲
∑Ｅｆ卜偏差积累；
』＝。
麒婚
懈她
Ｅｃｆ】｝？－偏差变化率：
娜擅
万方数据
３２４
热水锅炉温度控制的模糊PID参数自整定方法
表３
ｅ
Ｋｄ的控制规则表
ｅｃ
２．３仿真与分析从Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中选择所需的模块组成如图４所示的自整定模糊ＰＩＤ控制系统。根据热水锅炉被控对象一温度的特
ＮＳＰｌＰＳＺＮＳＮＢＮＢｌｉＢ
ＰＢ
ＰＢＰＩＩＰｓＺ豫弦ｂ厦．埔ｋ
ＰＢＰＢＺＺＺＺＰｓ
ＰＩＰＳＰＳＺＮＳＮＳＮＳ
ＰＳ‘Ｚ
疆
ＰＩＺＺＮｓ
ｌ田
ＰＢＰＢＺＺＰＳＰＳＰＳ
性，用一阶带滞后来表示被控对象，仿真对象的传函为：
Ｐ如
ＰＳ‘Ｚ１ｔ５
雎
ＰＳＺＮＳ
ｃ㈥＝７鬈≥ｅｍ
当给定值为６０℃时，参数自整定模糊ＰＩＤ控制器控制锅炉温度控制系统仿真响应曲线如图６所示。
龋疆
随髂
ＮＳＮｓ
硪ｍ
瓶弼
２锅炉温度控制系统的仿真２．１构造ＦＩＳ编辑器
２．１．１在ＭＡＴＬＡＢ中键入Ｆｕｚｚｙ命令进入模糊逻辑工具箱，通过交互式图形界面的模糊推理系统编辑器来选择输入输出模糊变量的论域，各个语言变量的隶属函数等等参数。
２．１．２从Ｅｄｉｔ菜单中选择Ｒｕｌｅｓ打开模糊规则编辑器，在规则编辑器窗口按表１、２、３输入规则。
２．１．３将设计好的模糊ＰＩＤ控制器保存（ｅｘｐｏｒｔ
ｔｏ
ｗｏｒｋｓｐａｃｅ），
并以“Ｆｕｚｚｙ．ｆｉｓ”的名字保存在硬盘中，以备仿真时调用。
２．２创建模糊ＰＩＤ控制器
２．２．１在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ菜单中，选择ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块，双击此模块，在弹出的对话框中键入Ｆｕｚｚｙ，这样就完成了Ｆｕｚｚｙ
Ｌｏｇｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的连接。
图６参数自整定模糊ＰＩＤ控制系统仿真响应曲线
２．２．２在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中选Ｆｉｌｅ／Ｎｅｗ／Ｍｏｄｅｌ设计模糊自整定ＰＩＤ—
ｇｉｎ控制器。
２＿２．３将模糊调整后的比例、积分、微分系数引入ＰＩＤ控制器，并封装ＰＩＤ控制模块如图４、５。
从图中可以明显地看出参数自整定模糊ＰＩＤ控制的响应时间明显减少，无超调量。计算得出参数自整定ＰＩＤ模糊控制的控制指标：ａｓ＝２３００ｓ，盯％＝０％，ｅｓｓ＝０。
这说明常规ＰＩＤ控制对于一些复杂过程，尤其是大时滞和大惯性系统，不能实现实时在线调整，难以取得较好的控制效果。将智能控制算法引入复杂过程控制有着更好的控制效果。模糊自整定ＰＩＤ参数控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行自动分析，采用模糊推理的方法实现ＰＩＤ参数的在线自调整。这样不仅保持了ＰＩＤ控制原理简单、使用方便、鲁棒性较强等的优点，而且具有更大的灵活性、适用性、和控制精度更好。较常规ＰＩＤ控制、参数自整定模糊ＰＩＤ控制效果更为良好。
３结语
模糊自整定ＰＩＤ控制算法充分利用了模糊控制和ＰＩＤ控制的优点，避开了对锅炉建立准确数学模型这一难题，可以在线自调整ＰＩＤ的参数，从仿真结果可以看出，模糊ＰＩＤ控制大大提高了系统的动态和稳态特性。本系统在燃煤热水锅炉实际装置上进行了试运行，各项指标均已达标。通过这一研发，不但提高了锅炉的热效率，而且大大减少了煤炭和电能的使用量，具有十分深远的节能、经济和环保的社会意义。
参考文献：
图４参数自整定模糊ＰＩＤ控制系统仿真结构图
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万方数据
热水锅炉温度控制的模糊PID参数自整定方法
热水锅炉温度控制的模糊PID参数自整定方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
张秀滢， 刘强
中煤邯郸设计工程有限责任公司中小企业管理与科技
MANAGEMENT & TECHNOLOGY OF SME2010(27)
参考文献(5条)
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本文链接：/Periodical_xzqykj201027295.aspx