高爐鼓風(fēng)機防喘振模糊PID控制算法

2 模糊PID控制高爐鼓風(fēng)機防喘振
2．1 模糊PID算法
常規PID控制器以其成熟的技術(shù)在工業(yè)控制得到廣泛的應用，典型常規PID只能利用一組固定的參數進(jìn)行控制，不能兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，魯棒性差，對非線(xiàn)性，時(shí)變參數等系統難以獲得控制效果。簡(jiǎn)單模糊控制器將采樣時(shí)所獲得的誤差及誤差變化信號，根據其模糊化結果查詢(xún)模糊控制表，轉換為精確量后，直接作用于被控對象，極易在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生小振幅振蕩，使整個(gè)控制系統不能擁有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)差。模糊PID控制克服了常規PID控制和簡(jiǎn)單模糊控制的缺點(diǎn)。模糊PID控制實(shí)質(zhì)就是模糊控制技術(shù)與PID控制結合在一起。
模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法，作為智能控制的一個(gè)重要分支，在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應用。模糊控制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的關(guān)鍵是模糊控制規則的確定，即模糊控制規則表，模糊控制規則表是根據專(zhuān)家或者操作者的手動(dòng)控制經(jīng)驗總結出來(lái)的一系列控制規則。
常規的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認為這種控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy積分控制作用，眾所周知，在線(xiàn)性控制理論中，積分控制作用能消除穩態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構成Fuzzy-PI(或PID)復合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達到動(dòng)態(tài)響應快，超調小、穩態(tài)誤差小。模糊控制和PID控制結合的形式有多種：
1)模糊-PID復合控制
控制策略是：在大偏差范圍內，即偏差e在某個(gè)閾值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內，即e落到閾值之內時(shí)轉換成PID(或PI)控制，以獲得良好的穩態(tài)性能。二者的轉換閾值由微機程序根據事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相結合的控制方法稱(chēng)之為Fuzzy-PI雙?？刂?。
2)比例-模糊-PI控制
當偏差e大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統響應速度，加快響應過(guò)程；當偏差e減小到閾值以下時(shí)，切換轉入模糊控制，以提高系統的阻尼性能，減小響應過(guò)程中的超調。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分，這就相當于模糊控制論域被壓縮，等效于語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值即分檔數增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節，必然存在穩態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近出現小振幅的振蕩現象。故在接近穩態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成PI控制，一般都選在偏差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為零時(shí)，(這時(shí)絕對誤差實(shí)際上并不一定為零)切換至PI控制。
3)模糊一積分混合控制
將常規積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構成的。
4)參數模糊自整定PID控制
PID控制的關(guān)鍵是確定PID參數，該方法是用模糊控制來(lái)確定PID參數的，也就是根據系統偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規則在線(xiàn)對PID參數進(jìn)行修改。其實(shí)現思想是先找出PID各個(gè)參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過(guò)不斷檢測e和ec，在根據模糊控制原理來(lái)對各個(gè)參數進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足在不同e和ec時(shí)對控制參數的不同要求，使控制對象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計算量小。
2．2 高爐鼓風(fēng)機防喘振模糊PID控制
PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應用的一種控制器。PID控制器的數學(xué)模型可以用下式表示：

其中：u(t)一控制器的輸出
e(t)一控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱(chēng)偏差信號。
Kp一控制器的比例系數。
Ti一控制器的積分時(shí)間。
Td一控制器的微分時(shí)間。
利用模糊控制原理和常規PID控制結合在一起，通過(guò)知識庫輸出調整PID的參數值，以達到最佳的控制效果。根據鼓風(fēng)機對象特性和模糊控制設計規則，并規則好的調整方法及調整參數存儲起來(lái)。通過(guò)對系統偏差△E(k)和系統輸出的識別，以了解被控制對象過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的變換，在線(xiàn)調整P、I、D 3個(gè)參數，使鼓風(fēng)機調節在防喘振工作區域。它是一種基于啟發(fā)式規則推理的自適應技術(shù)，其目的就是為了處理過(guò)程中出現的不確定性。如圖2所示。