模糊控制在大扰动系统中的应用

模糊控制在大扰动系统中的应用

王亚光，郭　骏

（中海油天津化工研究设计院有限公司，天津　３００１３１

） 摘　要：

本文根据电厂锅炉的过程控制中气泡水位控制的特点通过对带有大干扰的水位控制过程进行数字仿真研究，

控制结果表明新型算法具有鲁棒性强、响应速度快、控制精度高的优点。本文运用ＰＩＤ和模糊控制对同一系统进行控制，通过ｍａｔｌａｂ仿真，表明了模糊控制比ＰＩＤ具有动态的优越性能，有此本文运用算法提出一种系统控制量的模糊ＰＩＤ控制器，

将模糊控制器用于气泡水位的控制这一尝试，使系统更加稳定，而且取得了较好的控制效果。关键词：模糊控制；ＰＩＤ控制；ｍａｔｌａｂ仿真；

干扰 中图分类号：

ＴＰ２７３＋

．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０１８）０３—００２９—０４ 在控制系统中，

除输入量以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。在控制系统中，干扰因素一定有，可能有一个，也可能有若干。干扰会带来很多对控制不利的影响。例如：家用压力锅如果使用不当，会发生爆炸。因为在压力锅控制系统中存在的相应的干扰，这些干扰会影响正常的使用，例如，出气孔堵塞。通俗的讲干扰就是对控制系统的行为造成影响的有害的信号及扰动。所以控制系统中必须克服干扰，使被控量稳定。本文通过传统的ＰＩＤ控制与模糊ＰＩＤ控制对大扰动系统进行控制，来证明模糊ＰＩＤ控制在扰动系统中会与传统的ＰＩＤ控制对比起来具有鲁棒性强、响应速度快、控制精度高的优点。１　

锅炉汽包水位控制系统

图１

锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不

可少的重要设备。为了使锅炉安全稳定的运行，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。汽包水位的高度，是确保安全生产提供优质蒸汽的重要参数，

对现在工业来说尤其重要。因为现在锅炉的特点之

一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位速度变化很快稍不注意就会造成锅炉满水或烧成干锅的情况。在现在的锅炉控制系统中，汽包内缺水也是很危险的。所以必须严格控制水位的范围。传统的工业锅炉汽包水位控制方式中，一般都是采用三冲量控制方式。控制框图如图１所示。

其中参数：αＤ＝０．０６６７，Ｇｍ３（ｓ）＝３，αｗＧｍ２＝０．０６６７，Ｇｍ１＝０．０３３３，Ｇｆｆ（ｓ）＝１０ｓ＋１／６ｓ＋１，α

Ｄ＊Ｇｍ

３＊Ｋｄ＝－０．０１８。２　ＰＩＤ控制ＰＩＤ控制就是通常所说的比例积分微分控制在过去几十年中，在工业控制领域得到了广泛应用。在控制理论和控制技术飞速发展的今天，百分之九十五的工业过程控制回中都具有ＰＩＤ控制，ＰＩＤ控制是许多高级控制的基础。

ＰＩＤ控制是由比例控制、积分控制、微分控制。在控制器中，设定值ｒ与测量值ｙ相比较，得到偏差ｅ给出控制作用ｕ。

比例控制：控制作用与偏差成比例；偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分控制：控制作用为偏差对时间的积分成比例关系；主要用来消除静差，提高系统的无差度。积

分作用的强弱取决于积分时间常数Ｔ，Ｔ越大，

积分作用越弱，

反之则越强。微分控制：控制作用为偏差对时间的导数成比例关系；

能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得很大之前，在系统中引进一个有效的早期

修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时

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０１８年第３期 内蒙古石油化工收稿日期：２０１８－０１－１０

作者简介：王亚光（１９９０－），男，助理工程师，２０１３年７月毕业于天津职业技术师范大学，

主要从事防爆电气认证及防爆电气现场检查工作。

间。

ＰＩＤ调节器也是对偏差信号ｅ（ｔ

）进行调节（偏差信号ｅ（ｔ）是对系统进行控制的最基本、最原始的信号），使其按某种函数关系进行变换，从而使系统达到所要求的性能指标。常规ＰＩＤ控制原理图如图２所示

。

图２

３　ＰＩＤ控制仿真

主要是有的是凑试法，凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定ＰＩＤ控制参数。整定步骤：实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。３．１　整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。３．２　整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加

入积分控制．先将步骤（１）中选择的比例系数减小为原来的５０～８０％，

再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

３．３　整定微分环节

若经过步骤（２），ＰＩ控制只能消除稳态误差，

而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成ＰＩＤ控制。先置微分时间ＴＤ＝０，逐渐加大ＴＤ，

同时相应地改变比例系数和积分时间，

反复试凑至获得满意的控制效果和ＰＩＤ控制参数。

调节完后的运行程序，如图３所示

。

图３

设系统在８００时有给水量有一阶跃扰动波形图

如图４所示

。

图４

设在８００是给水量有扰动，同时再设在１６００时蒸汽有一阶跃扰动波形图如图５所示

。

图５

４　模糊控制

模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。其控制器的概念是英国的Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ根据美国自动控制理论专家Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ于１９６５年提出的模糊集合理论上提出来的。模糊逻辑虽然只经过了短短四十多年的发展，但是其理论和应用的研究均取得了丰硕

的成果，

比起成果在控制领域得到了广泛的应用。其原因已经在绪论中介绍。

模糊控制系统可以有模糊控制器、输入输出接

口装置、广义被控过程、传感器与变送器组成。模糊控制器：它主要完成输入信息的模糊化、模糊推理与决策和输出信息的模糊判决等功能。输入输出接口装置。它主要完成模数转换、电平转换、信号采样与滤波、数／摸转换等功能。广义被控过程。它包括被控过程与执行器等。广意被控过程可以是线性或非线性的，也可以是模糊的、不确定的、无法用精确数学模型描述的过程。

传感器与变送器。它将被控过程的输出信号转换为相应标准的电信号。

设计一个模糊控制器是模糊控制系统的主要设计任务，一般设计模糊控制器可分为五步：①确定模糊控制器的结构。模糊控制器的结构通常是指输入、输出变量的个数。②精确量的模糊化和隶属函

数的确定。通常将系统中的偏差或偏差变化率的实际范围称之为这些变量的基本领域。在过程控制中，基本论域代表了仪表的量程。③确定模糊控制规则。根据“依据偏差矫正偏差”的反馈控制基本原

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３内蒙古石油化工 ２０１８年第３期