模糊PID在气化炉控制系统中的应用

第22卷第4期江西电力职业技术学院学报Vol.22 No.42009年12月Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of ElectricityDec.2009模糊PID在气化炉控制系统中的应用万常洪(华能璃金电厂,江西赣州341108)摘要:分析了多联产系统气化鸟的动态特性和控制规律,设计了气化炉温度和热佳的模糊PID控制系统,并基于mbsinmulink 对横糊PID控制进行仿真,证明模糊PID控制具有良好的鲁棒性,响应速度快,其控制效果倪于常規PID控制方式。关键词:整体堞气化联合循环;气化岛;模糊PID控制中图分类号:TP273;TR223.7文 献标识码:A文章编号:1673 -07<200)0 -005-00引言算机根据控制系统的实际响应情况,运用模糊推理,与70年代初期的石油危机,给世界带来巨大影响和.常规PID控制相结合,设计了气化炉模糊自适应PID冲击。西方主要T.业国家政府从本国经济发展和国家控制系统,并采用matlab simulink进行仿真。安全的战略角度考虑,推行能源多样化的政策,并鼓励1模糊自适应PID控制原理发电行业燃料多样化。整体煤气化联合循环(IcCC-Intergrated Gasification Combined Cyele)发电技术由此基本的PID控制器可描述为":受到广泛重视,得到迅速发展。G()=K, E(h)+K, 2 E()+KFEC(k)整体煤气化联合循环主要以燃气-蒸汽联合循环为基础,是一种不补燃的余热锅炉型联合循环，其燃料其中EC(k)=E(k)-E(k-I)煤气以煤气化形式获取。气化妒则是煤气化过程的核E(k)、EC(k)分别为系统偏差和偏差变化率;Kp心部件。由于涉及到许多复杂的化学反应过程.气化炉K,.Kp分别为比例系数积分系数和微分系数。是一个复杂的多变量、大滞后、非线性及高耦合系统，PID控制器根据被控对象的特性,对这三个参数且对各种扰动的影响都很敏感,其相应的控制理论和进行整定,以获得满意的控制效果。应用都不太成熟。针对气化炉的高品质控制方法是气从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳定精度等化炉安全可靠运行的保证，也是目前气化炉在大规模各方面来考虑,Kp.K,K,的作用如下:应用和推广过程中亟待解决的问题。①比例系数Kp可以加快系统的响应速度,提高常规PID控制器能控制基本的线性系统，结构简系统的调节精度。Kp越大,系统的响应速度越快,系统单、稳态精度高.工作可靠但是对于气化炉这种非线的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程,采用定;Kp取值过小,则会降低调节精度.系统响应速度缓PID控制往往难以取得理想的效果。模糊控制是直接采慢,延长调节时间,系统静态动态特性变坏。用语言型控制规则,通过模糊理论将现场操作人员的控②积分系数K,能消除系统稳态误差。K,越大,越能制经验或相关专家的知识运用于控制器中，在设计中不加速消除系统的静态误差，但 K,过大,在响应过程中容需要建立被控对象的精确的数学模型,因而使得控制机易产生积分饱和现象引起响应过程的较大超调;相反,理和策略易于接受与理解。本文运用模糊数学的基本K,过小则难以消除系统静态误差,影响系统的调节精度。理论和方法.把规则的条件操作用模糊集表示,并把这③微分系数K,能改善系统的动态特性，抑制响些模糊控制规则作为知识存人计算机知识库中,然后计应过程中偏差的变化。K。 过大,会使响应过程提前制收稿日期:2009-07-05中国煤化工作者简介:万常洪(1979-),男,江西新建人,助理工程师。MHCNMH G江西电力职业技术学院学报第22卷动,延长调节时间,降低系统的抗干扰性能。热值反馈模糊自适应PID控制器由模糊控制器和PID控制热值设定，由二媒量02器两部分构成,如图1所示吧。气化炉控制系统- +模糊推理温度J水蕉o,给定K2 K|K设定.温度反馈汽量值RE厂PI对象飞演出,输人变量和输出变量(即控制量),基于对系统的分析，圈2气化炉控制系统示意图实际值Y采用偏差E和偏差变化率EC作为模糊控制器的输團1控制系统框围人,模糊控制器输出为Kp.Kr.Kpo模糊控制器以系统偏差E和偏差变化率EC作为②确定各变量隶属度函数凹输人,以模糊逻辑理论为基础，通过模糊推理和模糊计对偏差E、偏差变化率EC和Kp.K,K,分别定义算等自动修正PID控制参数Kp.K.Kp,得到PID控制了7个模糊子集,相应的模糊集和论域定义如下:器的三个参数为E EC、和Kp.K1.Kp的模糊子集均为:(NB(负大)、Kp'= Kp+OKpNM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、K/= K +OK, .PB(正大)}Kp'= Ko +OK,E EC和Kp的论域均为:{-3,-2,-1 ,0,1,2,3}模糊自适应PID控制以常规PID控制为基础.运.Kp的论域为:{-0.45 ,-0.3,-0.15 ,0,0.15,0.3,0.45)用模糊控制理论和方法，根据不同的E和EC实现对K,的论域为:{-0.06,- 0.04, -0.02 ,0 ,0.02 ,0.04 ,0.06)PID三个控制参数自适应整定,基本原则为":①当偏差|E|较大时,为加快系统响应速度,选撣隶属度函数在模糊子集NB处选择Z型函数zmf,较大的Kp和较小的Kp;同时为防止系统超调,产生积在模糊子集PB处选择S型函数smf,其余均采用三角分饱和,还应对积分作用加以限制,通常取K,= 0。形对称的全交迭函数。②当偏差E1和偏差变化率IECI处于中等大小时,③建立模糊控制规则四为减小系统的超调,Kp应取小一些,此时Kp对系统的表1 Kp 模糊控制规则表影响较大,为保证系统响应速度,K,应大小适中,K;适EC当取值即可。NB NMNSS PMPBB③当偏差IE|较小时,应使系统具有较好的稳定性NMop能,此时应增加Kp和K,的取值,同时为避免系统振荡VSvsMVM及增强系统抗干扰性,K,大小需根据偏差变化率IECI确定,IECI较小时,K,取大-一点;IECI较大时,K,取小一PMPSIMVB点;否则取适中。④偏差变化率IEC1值越大，则K,取值应越小,K, .表2 K, 模糊控制规则表取值应越大。VB NMB一NBNMNMvS~2模糊自适应PID控制系统设计VMNBNBNMvsNBNMNSz(1)模糊挖制对象的确定叫3Mps NM2p通过对气化炉动态特性分析可知，气化炉温度受yR输入的氧气最、煤量和水蒸气量影响,煤气热值受输入的氧气量和燃料量影响，且氧气量和煤量对气化炉温表3 K,模糊控制规则表度和煤气热值的影响基本上呈相反的趋势，同时煤气量基本上不受水蒸气量改变的影响。因此,采用水蒸气E NBNMPS PM_ PB量对气化炉温度、采用煤量对煤气热值进行模糊PID中国煤化工NB控制,控制系统如图2所示。MYHCNMHGNS(2)模糊控制系统设计①确定模糊控制器结构ps2MM_PB_确定模糊控制器的结构也就是确定模糊控制器的第4期万常洪:模糊PID在气化炉控制系统中的应用7基于IF E AND EC THEN (Kp)(K)(Kn)规则的模糊蕴含关系，根据实际的操作经验,得到模糊控制规- Fuzy PID则,建立模糊控制规则表,如表1.表2、表3所示。0.④去模糊化和模糊推理1本文选用Matlab模糊逻辑工具箱设计模糊控制器,并进行模糊控制仿真。在Matlab中运行FUZZY命令,打开模糊逻辑编辑窗口FIS Editor,建立双输人三石0输出的模糊系统，模糊推理选用Mamdani推理方法,去模糊化则选用重心法(centroid)。接着进人隶属度函-0.10010001500数编辑器Membership Function Editor窗口，选用三角t形函数trimf.Z型函数zmf和S型函数smf建立相应图4气化炉煤气热值控制系统对比的E、EC.Kp.K1、Kn隶属度兩数，然后在Rules Editor窗口中输人上述49条控制规则。建立好模糊推理系统4结束语后,取名为“test”输出到工作区,可供仿真时调用。本文针对ICCC多联产系统气化岛的空分系统和3仿真实验气化炉系统展开研究。首先分析了空分系统的工艺流结合图所示2的控制系统框图,当氧气量阶跃程,采用“逐板法”建立了空分系统精馏塔数学模型,在10%时,对Shell气化炉温度和煤气热值的闭环响应过此基础上采用模型预测控制策路提出空分控制系统方程进行matlab仿真,仿真结果如图3、图4所示。案;接下来对气化炉的动态特性进行了研究.建立了气化炉的数学模型,得到气化炉动态过程的传递兩数,将.8-模糊PID运用于气化炉控制系统，并利用matlab.6 tsimulink对气化炉温度和煤气热值的常规PID控制与..... . PID模糊PID控制做了对比仿真,效果良好。.4 t0.2参考文献:[1]韦思亮,倪维斗,刘尚明.IGCC电站中气化炉控制系统研究[]热能动力工程,2002, 17102)55545-0.2-[2]卓之兵,肖云汉,李现勇,等.JCCC发电-甲醇联产系统的协1200调控制分析系统I.系统工程理论与实践,2003(8),53 -58.[3]潘蕾,杨瑜文,林中达.重型单轴燃气轮-发电机组的综合动圄3气化炉温度控制系统响应对比圉从以上闭环响应过程可以看出，两种控制方式都力学建模方法的研究几动力工程2002,225); 1959-1964.实现了温度控制和热值控制的目标,但通过对比发现，[4]伊俊业.燃气-蒸汽联合循环机组的模糊自适应PID控制模糊PID控制系统使系统输出响应的过渡时间短、跟[D].北京:华北电力大学,2007.踪性能好，提高了控制精度,模糊PID控制方式优于常规PID控制方法。[责任编辑杜琴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中国煤化工':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