锅炉汽包水位的变论域模糊PID控制

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1、第5期徐奔腾等．锅炉汽包水位的变论域模糊PID控制锅炉汽包水位的变论域模糊PID控制徐奔腾林勇温阳东(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009)摘要针对传统PID控制器参数不能动态调节和模糊控制比较粗糙的问题，在模糊PID控制的基础上，结合变论域设计了一种变论域模糊PID控制器。建立锅炉汽包水位的三冲量控制模型，并分别采用传统PID、模糊PID和变论域模糊PID对锅炉汽包水位进行仿真分析。结果表明：相比于其他两种控制方法，变论域模糊PID控制超调量小、响应速度快。关键词变论域模糊PID控制锅炉汽包水位三冲量控制中图分类号TH862+．6文献标识码A文章编号1

2、000—3932(2016)05-0467-04汽包水位的高低关系着锅炉是否能够安全运行¨’21，因此，必须精确控制锅炉汽包水位。三冲量控制可有效克服单冲量控制不能消除虚假水位、双冲量控制不能及时抑制给水侧扰动的问题，因此目前锅炉汽包水位控制中多采用前馈一串级三冲量控制¨1。传统PID控制对被控对象的依赖性较高，而且随着时间的推移，传统PID控制性能会下降。因此，许多学者提出了模糊控制和PID控制相结合的模糊PID控制，它具有PID参数自整定的功能H1，且性能优于传统PID控制，但其模糊控制较粗糙，控制精度的提高严重依赖于模糊控制的增加。然而实际应用中模糊控制规则无法

3、无限制地增加，因此模糊PID控制也存在一定的局限性‘5

4、。近年来，变论域思想是许多学者的研究热点。变论域，顾名思义论域会实时变化。论域的变化依靠实时变化的伸缩因子实现。这样，虽然模糊规则数量没有改变，但论域收缩相当于增加了模糊规则，从而提高了控制精度，进一步提高了控制性能MJ。变论域思想的出现改变了人们对模糊控制只能使用在粗糙控制场合的看法，使得模糊PID控制更加精密、细致¨o。因此结合变论域思想，笔者在模糊PID控制的基础上设计了一种变论域模糊PID控制器，克服了传统PID和模糊PID在给水扰动和蒸汽扰动下锅炉汽包水位控制效果差的问题‘8o，以实现锅炉汽包水位的快速

5、、精确控制。1变论域模糊PID控制器1．1控制器结构变论域模糊PID控制器结构如图1所示，它有两个输入(偏差e和偏差变化率ec)和3个输出(AK，、AKi和AKd)。AK。、AKi和AK。分别用于在线调整PID控制器的K。Ki和K，以获得更佳的PID参数。变论域模糊PID控制器的基本工作原理是：首先设置PID控制器3个参数(K小K．和K。)的初值，然后制定PID控制器参数和偏差e、偏差变化率ec之间的模糊规则，以及输入输出伸缩因子和e、ec的函数关系；随着e、ec的动态变化得到控制器的3个输出，最终将它们与上一时刻图1变论域模糊PID控制器结构框图K。、K。——量化因

6、子；Kul、K1．2、x∞——比例因子；d(e)、d(ec)——输入论域伸缩因子；卢。、JB；、风——输出论域伸缩因子收稿日期：2015．10．12(修改稿)468化工自动化及仪表第43卷PID控制器的3个参数相加得到新的PID参数，从而对被控对象进行控制。1．2伸缩因子变论域模糊PID控制器的设计重点是伸缩因子的设计。这里记偏差菇(t)=e(t)，偏差变化率Y(t)=de(t)／dt，偏差和偏差变化率的输入论域分别为[一E，E]和[一Ec，Ec]，变论域X=[一a(p)E，0c(p)E]，其中a(P)为伸缩因子。常见的输入论域伸缩因子有：a(p)=1一Aexp(一肇

7、2)，AE(O，1)，k>0(1)a(p)=(等)7，_r∈(o，1)(2)其¨=巾)=印)；y㈤=警mlj}、A为可变值。常见的输出论域伸缩因子有：13(小A；；P一上如)曲州o)(3)胁∽=(爿1(嚣)如㈩／Kx,y，=÷【(等)n(嚣)如】(5)其中，Ai、Pi为可变值；乃为输人变量数量；卢(0)一般取1．0；Tl>0，咒<1。在此，笔者采用式(1)作为输入论域伸缩因子，式(5)作为输出论域伸缩因子。由伸缩因子表达式可知，输入输出论域是逐点进行伸缩的，这势必会造成系统运行缓慢，无法实际应用。文献[7]提出了模糊控制的插值机理，从模糊控制和变论域模糊控制的插值函数

8、可以看出，模糊控制的输入除以、输出乘以它对应的伸缩因子，即可得到变论域模糊控制器的插值函数形式。这样，输入输出论域就无需实时变化而实现论域的快速伸缩。几种常用的变论域模糊控制等价处理方法有凹1：第一种，输入输出论域直接乘以对应的伸缩因子；第二种，将偏差e、偏差变化率ec分别除以对应的伸缩因子，3个输出分别乘以对应的伸缩因子；第三种，将模糊控制器的量化因子K。、K。。分别除以对应的伸缩因子，比例因子K¨K以、K们分别乘以对应的伸缩因子。第一种方法处理较慢，其余两种方法处理较快，实现也简单，因此综合考虑变论域模糊PID控制器采用第三种方法。2模型仿真2．