基于模糊自整定PID的汽輪機數字電液控制系統

　　汽輪機調節系統是保證機組安全穩定運行的關(guān)鍵設備，其性能的好壞直接影響機組的運行可靠性和經(jīng)濟性。在數字電液調節系統中，引入了數字計算機作為控制系統的核心，可以方便地實(shí)現信號的綜合與控制，控制精度提高，控制特性得到了全面的改進(jìn)，因此，DEH在汽輪機調節系統中得到了越來(lái)越廣泛的應用。傳統汽輪機采用PID控制方式通過(guò)數字電液控制系統對汽輪機實(shí)施控制，但是在實(shí)際使用當中，每一套系統的狀態(tài)都不是完全一致，對參數的調節總是依賴(lài)工程師的經(jīng)驗。而且當系統發(fā)生擾動(dòng)時(shí)(如負載突然出現較大變化)，或系統有攝動(dòng)時(shí)(如內部某些器件參數發(fā)生變化)，難以保持良好的控制性能。為此，本文把模糊控制技術(shù)引入PID控制，設計了一種模糊自整定PID控制器應用于汽輪機數字電液控制系統，可以實(shí)現系統控制的智能化，當系統發(fā)生擾動(dòng)或攝動(dòng)時(shí)參數能夠自動(dòng)整定。

　　1 汽輪機DEH系統的模型描述

　　傳統數字電液控制系統是通過(guò)PID控制器實(shí)現對輸出量的控制，進(jìn)而對汽輪機實(shí)施控制。汽輪機數字電液調節系統的結構包括PID控制器、電液轉換器、油動(dòng)機、蒸汽容積、轉子等環(huán)節以及功率和轉速反饋環(huán)節。汽輪機DEH系統的數學(xué)模型如圖1所示。

　　系統中的傳遞函數和參數分別為：

　　2 模糊自整定PID控制器的設計

　　傳統PID參數的整定還沒(méi)有實(shí)現自動(dòng)化，所以模糊自整定PID參數控制器的目的是為了使參數KP，KI，KD隨著(zhù)偏差E和偏差變化EC的變化而自行調整。由于模糊控制器是采用數字計算機來(lái)實(shí)現的，因此模糊控制器的設計問(wèn)題就是模糊化過(guò)程、數據庫(含數據庫和規則庫)、推理決策和精確化計算4部分的設計問(wèn)題。模糊自整定PID參數控制器的原理圖見(jiàn)圖2。

　　2.1 離散化和模糊化過(guò)程

　　在汽輪機數字電液控制系統中，將測得的機組實(shí)際轉速與設定值比較得到偏差E和偏差變化率EC，并以之作為模糊控制器的輸入變量，以KP，KI，KD三個(gè)參數作為輸出變量。先將他們的實(shí)際范圍即基本論域[—ne ne]，[—ncnc]轉換到相應的模糊集論域中，E，Ec的論域為[-3，3]，KP，KI的論域均為[0，1]，KD的論域為[0，0.4]。然后將E和EC這些連續的精確量分別離散化成7個(gè)模糊子集，用語(yǔ)言值正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZO)負小(NS)負中(NM)負大(NB)表示;將KP，KI，KD分別離散化成三個(gè)模糊子集，用語(yǔ)言大(B)，中(M)，小(S)表示。E，EC和三個(gè)輸出量KP，KI，KD的模糊隸屬函數全部是采用trimf型(三角形函數)。

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　　2.2 模糊規則的建立

　　模糊控制器所遵循的調整規則是：

　　(1)當E較大時(shí)，為加快系統響應，應取較大的KP和較小的KD，由于積分太強會(huì )使系統超調加大，因而要對積分作用加以限制，通常取KI=0或者較小值;

　　(2)當E中等大小時(shí)，為減少系統超調，KP應適當減小，洞時(shí)對KD和KI的取值要適當;

　　(3)當E較小時(shí)，為減小穩態(tài)誤差，KP與KI應取得大些，在這種情況下，KD的取值最重要，取值不當會(huì )引起系統振蕩。

　　總結操作人員長(cháng)期的控制經(jīng)驗和PID控制器參數的整定規律，可以得到一系列模糊推理規則，然后按照調整規則建立模糊控制規則表，可寫(xiě)成條件語(yǔ)句的形式控制規則：If E= * * and EC= * * then Kp= * Ki= * Kd= *。

　　2.3 其他

　　選取Mamdani型模糊推理原則作為推理決策，解模糊化采取中心平均法，最后，為使輸人信號與模糊自整定控制器的論域相同，在模糊控制器的輸入前引入了幅度為6的限幅器。

　　3 仿真實(shí)驗

　　為了檢驗模糊自整定PID控制器的性能，分別用常規PID控制器模糊自整定PID控制器對汽輪機DEH系統進(jìn)行控制仿真?；贛atlab/Simulink圖形化建模環(huán)境建立模糊自整定PID控制算法和常規PID控制算法的系統仿真模型分別如圖3、圖4、圖5所示。

　　仿真中模糊自整定控制器中KP，KI，KD三個(gè)待整定參數的初始值均為零。為使輸入信號與模糊自整定控制器的論域相同，引入了幅度為3的限幅器。當給定轉速均設定為n=1 000 rad/s時(shí)，分別對上述兩系統進(jìn)行仿真，結果如圖6所示。

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　　4 結 語(yǔ)

　　由仿真結果可明顯看出模糊自整定PID調節較之常規PID調節，系統的快速性和穩定性得到了提高，總結起來(lái)模糊自整定PID主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)模糊自整定PID算法的初值為零，不需要人工給定初始整定值，他能通過(guò)自整定獲得參數的最優(yōu)值，且實(shí)現簡(jiǎn)單，而常規PID算法需要操作者根據以往的累積經(jīng)驗以及實(shí)際的系統輸出經(jīng)多次試調之后獲得較優(yōu)值。

　　(2)模糊自整定PID算法的超調量和調整時(shí)問(wèn)均小于常規PID算法。

　　(3)由仿真結果可看出將模糊自整定PID控制器用于汽輪機DEH系統能使系統的快速性和各項性能指標得到顯著(zhù)提高，說(shuō)明了該方法的有效性。