基于模糊PID的串级温度控制系统研究

贺成杰 蔡天赐 邹洪武 王党旗 马德营

基金项目：“十三五”全军共用信息系统装备专用技术预先研究项目（31512080305）

摘要：鉴于过热汽温具有大迟延、大惯性和时变等特点，用常规的PID串级来控制过热汽温很难满足生产要求。因此，在PID串级控制系统中引入模糊控制，使得过热汽温系统的控制品质大幅提高。结果表明，与常规的PID串级控制系统相比，模糊PID串级控制系统在调节时间和超调量等方面改善效果显著。

关键词：模糊控制；PID串级控制；过热汽温；控制品质

中图分类号：TP273+.4    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）12-0046-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.012

0    引言

当前PID控制仍然是控制过热汽温的主流方法。基于过热汽温大迟延、大惯性和时变等特点，当运行工况发生较大变化时，其对过热汽温对象的模型参数有较大影响。因此，常规的PID控制难以取得令人满意的控制效果[1]。

针对以上问题，本文提出一种新的过热汽温系统的控制方案：将模糊控制器和常规的PID控制器相结合作为主控制器。结果表明，新的控制方案较传统的PID控制方案有更好的控制品质，即使在变工况的条件下也能达到较好的控制效果。

1    串级控制系统的设计

1.1    过热汽温串级控制系统

过热汽温采用串级PID控制的原理框图如图1所示。

某机组锅炉过热汽温采用喷水减温调节手段，控制系统的被控对象为一个带有大迟延和大惯性的非线性控制对象。通过现场动态特性试验得知：随运行工况的不同，对象动态特性会发生较大范围的变化。具体变化情况如表1所示。

衰减曲线法是一种闭环整定方法，整定的依据是在纯比例调节下的试验数据，其试验数据来自系统的衰减振荡，且衰减比特定（通常为4：1或10：1，本文为4：1），利用表2的经验公式，求取调节器相应的整定参数。

在衰减比4：1下分别调节主副回路：根据表2衰减曲线法整定计算公式，结合表1四种典型工况下的对象特性，计算出四种典型工况下的主控制器整定参数如表3所示。

当运行工况大幅度变动时（即37%～100%负荷范围内），过热汽温对象的非线性、时变性非常明显：根据某一特定工况得到的PID控制器整定参数，在各种工况下很难实现较为理想的控制效果；不同工况的过热汽温对象的数学模型参数变化也很大。

以75%工况为例，根据表3中的参数，在Matlab中仿真得到各工况下的曲线如图2所示。

由图2分析比较可知，在变工况情况下，系统负荷由75%下降到50%时，系统超调量增大，调节时间变长；在系统负荷由75%上升到100%的过程中，系统反应变慢，积分作用表现得越来越弱，调节时间也略微增长。虽然系统以75%工况下整定的参数为基准升降负荷时最终会趋于稳定，但其控制效果已经变得越来越差。

因此，下文引入了模糊PID串级汽温控制策略，以改善过热汽温的控制品质。

1.2    串级控制系统的改进——模糊PID串级控制系统

针对过热汽温被控对象的特性，本文采用模糊PID控制器作为过热汽温串级控制系统的主调节器，以改善过热汽温被控对象在锅炉负荷发生变化等情况下的动态性能。其控制系统结构图如图3所示。

当过热汽温被控对象受到如锅炉负荷变化等因素影响时，过热汽温测量值θ1与设定值θ10相差较大，模糊PID控制器将kp、ki和kd三个参数根据误差e和误差变化率ec进行调整，进而改变了模糊整定控制器输出信号，最终使得过热汽温保持在额定值[2]。

2    模糊PID串级控制系统的设计

2.1    模糊控制器隶属函数曲线的设置

模糊控制器采用双输入单输出的二维结构，输入分别为误差e和误差的变化率ec，输出为u。其模糊集为：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。模糊控制器的隶属函数曲线均采用反应较为灵敏的三角形函数，论域均为[-6，6]，三个变量的隶属度曲线相同，如图4所示。

2.2    模糊控制器规则的设计

模糊控制规则是根据生产现场操作人员或者专家经验得到的。规则表反映了实际的操作经验，规则表的好坏直接决定了控制的品质。模糊控制规则是否完备，直接决定着模糊控制效果的好坏。它的提取和选择是一个复杂综合的过程[3-4]。本文选取常用的模糊控制规则，如表4所示。

2.3    模糊PID串级控制系统仿真及参数整定

由于模糊控制器的输入为误差和误差的变化率，故模糊控制器可以等同为一个PD控制器。从控制性能分析可知PD控制器是有差控制器，无法消除静差。为了得到一个误差输出曲线，需要在模糊控制器上并联一个积分控制器，即得到模糊PID控制器。系统采用串级结构，内回路为比例调节，外回路由模糊控制器和常规PID并联组成混合控制器[5-7]。仿真结构图如图5所示。

以75%工况为例，采用模糊PID控制系统在Matlab中仿真得到各工况下的曲线如图6所示。

3    结论

针对过热汽温被控对象大迟延、大惯性和时变等特点，本文在常规的过热汽温串级控制系统的基础上，引入模糊PID控制器作为串级控制系统的主调节器，用Matlab对该模糊PID串级控制系统进行了仿真。结果表明，与常规的串级控制系统相比，模糊PID串级控制系统对象的参数或结构发生变化时，有快速响应、无超调、无静差等优良性能。

[参考文献]

[1] 李佳.模糊自整定PID控制在过热汽温控制系统中的研究与应用[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[2] 曾竞，谢又成.基于模糊自整定PID的主汽温串级控制系统的设计[J].微计算机信息，2007（19）：46-48.

[3] 王伟，赵晔，宋光明，等.基于模糊控制的混合储能功率优化分配研究[J].机电信息，2023（23）：7-10.

[4] 方康玲.过程控制系统[M].2版.武汉：武汉理工大学出版社，2013.

[5] 韦巍，何衍.智能控制基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[6] 任翔宇，裴旭东.基于模糊PI控制的光伏并网系统电能质量提升研究[J].机电信息，2023（15）：19-21.

[7] 马占有，田俊忠，马泽玲.温度控制系统模糊自适应PID控制器仿真研究[J].计算机仿真，2010，27（10）：160-163.

收稿日期：2024-03-04

作者简介：贺成杰（1989—），男，山西应县人，硕士，工程师，技师，研究方向：智能控制及过程装备设计。