張心人境，孟亞男*,高思航**,姬慶寬

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.長垣盾安節(jié)能熱力有限公司 生技部，河南 新鄉(xiāng) 453400)

循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Boiler，簡稱CFBB)燃燒技術(shù)是眾多燃煤技術(shù)中最受歡迎的清潔煤技術(shù).循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這使得其控制比傳統(tǒng)鍋爐更困難.從控制的角度而言，它屬于多輸入多輸出系統(tǒng)，具有強變量、非線性和大滯后性.與傳統(tǒng)煤粉鍋爐相比，其控制系統(tǒng)更復(fù)雜，需要完成更復(fù)雜的控制任務(wù).

模糊PID控制算法就是為了解決在工業(yè)實際中遇到的一些復(fù)雜控制系統(tǒng)的問題，因為復(fù)雜系統(tǒng)非線性的特點，常規(guī)PID算法去解決這類問題的效果并不是太好.首先分析了循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的工藝流程與工作方式，隨后提出模糊PID控制方案，選用MATLAB軟件進行仿真,通過仿真曲線得出模糊PID在循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)中具有良好的控制效果.

1 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)

1.1 循環(huán)流化床鍋爐工藝流程

循環(huán)流化床鍋爐是一個分布參數(shù)、強耦合、多變量的復(fù)雜控制對象[1].循環(huán)流化床鍋爐的工藝流程如圖1所示.煤和石灰石經(jīng)過碎煤機被送入爐膛，在一次風(fēng)的作用下進行燃燒，一次風(fēng)作為流化風(fēng)能將煤和脫硫劑在爐膛內(nèi)充分燃燒，呈流化狀態(tài)；未燃燒完全的小顆粒煤灰先是在旋風(fēng)分離器的作用下與煙氣分離，然后在二次風(fēng)的帶動下回到爐膛再次燃燒，而分離的煙氣則通過除塵器排入大氣.

圖1 循環(huán)流化床鍋爐工藝流程

1.2 循環(huán)流化床鍋爐被控對象的動態(tài)特性

在循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的運行中，床溫和主蒸汽壓力是最主要的兩個變量，所有調(diào)節(jié)和控制也都圍繞床溫和主蒸汽壓力來設(shè)置[2].以循環(huán)流化床鍋爐的床溫為研究對象，通常將床溫控制在850～950 ℃為宜.影響床溫變化的因素很多，如煤質(zhì)、上風(fēng)量、給煤量、料層厚度等，但主要因素是給煤量和一次風(fēng)量的干擾[3].在給煤的階躍擾動下，循環(huán)流化床鍋爐的床溫模型可通過參數(shù)辨識獲得，如下所示：

(1)

在一次風(fēng)量的階躍擾動下，循環(huán)流化床床溫的傳遞函數(shù)通過參數(shù)辨識得到為：

(2)

2 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制原理如圖2所示.

圖2 模糊PID控制原理圖

采用二維模糊控制器，即具有兩個輸入、3個輸出，選取偏差e和偏差變化率ec模糊控制器的兩個輸入信號，Kp、Ki、Kd作為模糊PID控制器的輸出信號[4].

2.2 模糊PID控制器的設(shè)計

模糊控制器的輸入量e和ec是精確量，所以需要將其進行模糊化，設(shè)定偏差e和偏差率ec的模糊論域均為[-6,6]，基本論域都為[-100,100]，所以偏差e和偏差變化率ec的量化因子為6/100=0.06[5].令輸出變量Kp、Ki、Kd的模糊論域均為[-3,3]，輸出變量的因子需要在仿真調(diào)試中確定.設(shè)定輸入量e和ec及輸出量Kp、Ki、Kd的模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}[6]，選擇英文首字母作為縮寫：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.隸屬函數(shù)都屬于分布均勻的三角函數(shù)，三角函數(shù)運算簡單快捷.

模糊控制器參數(shù)自調(diào)整原則如下：

(1)當偏差e超限時，增大Kp，減小Kd，系統(tǒng)可以快速收斂至穩(wěn)態(tài)，通常取Ki=0，可以利用減少積分作用來使超調(diào)變小.

(2)當誤差e趨中時，可以適當?shù)卦龃蠡蛘邷p小Kd，Kp需要降低，因為Kp更能夠影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，將系統(tǒng)的超調(diào)降低，Ki可以適當進行調(diào)節(jié).

(3)當誤差e非常小時，適當增大Kp和Ki，為了保證系統(tǒng)保持穩(wěn)定并且穩(wěn)定后不再出現(xiàn)震蕩，假如誤差偏差率過大，減小Kd；反之誤差變化率較小，那么Kd可以適當增大.

結(jié)合上述控制原則，制定以下模糊規(guī)則.分別如表1～3所示.

表1 ΔKp自整定規(guī)則表

表2 ΔKi自整定規(guī)則表

表3 ΔKd自整定規(guī)則表

模糊控制器選取二維輸入控制，輸入各有7個變化量，故模糊控制器控制規(guī)則應(yīng)有7×7共49條控制語句.

在模糊控制規(guī)則編寫頁面中按照上述表1～3輸入控制規(guī)則，編輯界面如圖3所示.

圖3 模糊控制規(guī)則的編寫

3 模糊PID控制系統(tǒng)的仿真

以在給煤量為擾動下得到的床溫控制模型為例，設(shè)計模糊PID控制系統(tǒng).根據(jù)經(jīng)驗法可以得出PID的初始值分別為KP=1.6，Ki=0.005，Kd=40.系統(tǒng)仿真控制如圖4所示.系統(tǒng)的響應(yīng)輸出曲線如圖5所示.

圖4 常規(guī)PID和模糊PID控制的仿真控制

時間/s圖5 常規(guī)PID和模糊PID控制的仿真對比圖

由以上仿真圖對比分析可以看出模糊PID的控制效果明顯具有優(yōu)勢，和常規(guī)PID相比較可知，模糊PID超調(diào)小、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時間短，顯示出模糊PID控制系統(tǒng)的優(yōu)越性[7-8].

4 結(jié) 論

建立了循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的床溫模型，設(shè)計模糊PID控制器對床溫模型所存在的非線性和滯后性進行優(yōu)化控制.通過與常規(guī)PID的仿真對比得到模糊PID控制器的控制性能更加優(yōu)越，結(jié)果驗證模糊PID控制系統(tǒng)對于解決此類復(fù)雜問題具有可行性.