一种基于模糊预测控制的锅炉炉温控制仿真

2011-03-26陶帅

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2011年4期

陶帅

(杭州电子科技大学信息控制研究所，浙江杭州310018)

0 引言

在许多涉及锅炉运行的工业生产过程中，其运行受高炉生产影响较大，燃烧状况很不稳定［1］。目前普遍采用的PID控制对炉温的控制效果不甚理想。对此，研究采用模糊控制器进行控制。模拟试验显示，模糊控制器的控制效果优于PID控制器。作为一种先进控制技术，预测控制在许多工业过程上得到了成功的应用［2］。随着现代工业技术的发展，生产过程产生了越来越高的控制要求，在很多时候简单单纯的使用预测控制或者模糊控制并不能很好的满足控制要求。因此，本文为解决锅炉的炉温控制问题，将模糊控制与预测控制结合，组成在机理上互补的集成控制策略，以提高对复杂生产过程的控制效果。

1 锅炉炉温模糊预测控制系统

针对锅炉对象强耦合、大延时、大惯性特点，基于采用模糊与预测相结合方法，先利用预测模型得到系统未来的预测输出，然后将设定的输出值和预测输出值之间的预测误差及预测误差变化率设为模糊控制器输入［3］。模糊预测控制器利用模糊规则推理得到控制输入［4］。模糊预测控制系统的结构如图1所示:

图1 模糊预测控制系统框图

1.1 预测模型

假设被控对象基于阶跃响应预测模型的输出矢量为a=［a1，a2，…，aN］T，N为建模时域，则在k时刻对系统施加一个控制增量Δu(k)时，即可算出在其作用下未来N个时刻的输出值:

写成矢量的形式即为:

式中，yp0(k)为k时刻未加Δu(k)作用下的模型预测值;ym(k)为k时刻在Δu(k)作用下的模型预测值。

1.2 反馈校正

当k时刻对系统施加控制Δu(k)时，利用预测模型即可得出未来时刻的输出预测值ym(k)。但由于实际存在的模型时变、非线性等因素以及环境干扰等的影响，预测值会偏离实际值，故在k+1时刻要利用系统的实际输出y(k+1)进行反馈校正:

h为N维误差校正向量，这里取h1=1.0，hi=0.9，i=2，3，…，N。yp(k)为校正后的预测值，经过位移后即可作为k+1时刻的初始预测值，用向量形式表示即为:

1.3 模糊控制部分

模糊控制器的结构与两输入单输出常规模糊控制器相同，输出均匀控制增量Δu(k)，所不同的是输入为分解锅炉温度p步预测误差(k+p)和p步预测误差变化量Δk+p)［5、6］。定义为(k+p)=yr和Δu(k)经比例因子全部规划至基本论域，即:

式中，PE、PEC和DU的论域均取［－3，3］;模糊子集为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，记为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，隶属度函数如图2所示:

图2 隶属度曲线函数

模糊控制规则的选取是以专家知识的基础、总结操作人员经验得到的，写成“if…then…”的模糊语句形式:

(1)IfPE isNB andPEC isNB，then U isNB;

(2)IfPE isNB andPEC isNM，then U isNB;

(3)IfPE isNB andPEC isNS，then U isNB。

上述规则可用模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则表

对所有规则采用Mandani推理法和加权平均解模糊法得到DU在论域［－3，3］中的精确值，乘以Ku后即得k时刻的控制增量Δu(k)。最终获得控制器的输出值:u(k)=u(k－1)+Δu(k)。

1.4 模型自校正

考虑到在N步后，系统的阶跃响应已经接近稳态值，故可取完整的阶跃响应系数为:

则在任意输入下，k时刻系统的输出为:

将y(k)减去y(k－1)得:

对此参数a可采用带有遗忘因子λ的递推最小二乘法在线估计。

2 仿真结果

在正常运行状态下，锅炉作为典型的热工过程可近似用一阶惯性加纯滞后环节表其中的参数可通过分析对系统加入阶跃增量后的输出曲线得到。去采样时间Ts=5s，建模时域N=40，根据上述模型和现场经验，通过对采集数据的分析可得锅炉的预测控制矢量a。模糊控制器的参数分别为:p=1，Ke=0.06，Kec=0.8，Ku=0.4。

为比较算法的控制效果，在相同情况下采用常规PID(Kp=20，Ki=15，Kd=5)，模糊预测控制两种控制策略，并分别加上两种干扰信号。如图3、4和图5、6所示，两组中采用不同参数的随机数字信号作为干扰信号进行对比。图3、4中纵坐标单位为100℃，由图3可知传统控制温度误差最大为90℃，改进的控制方法最大约为25℃，明显优于传统PID控制。同样，图5、6中也能得出此结果。

3 结束语

通过对模糊预测控制在热电厂锅炉中的实际研究以及对运行效果的比对分析，可以得出这样的结论:与传统控制算法相比，模糊预测控制系统的控制精度更高，炉温波动更小，控制效果明显改善。此外，由于模糊预测控制对系统未来输出有预测作用，根据预测误差及误差变化率进行模糊控制的方法能对电厂锅炉这一类时滞较大的系统实现超前调节。