基于模糊自整定PID的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)
汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是保證機組安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的好壞直接影響機組的運行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，引入了數(shù)字計算機作為控制系統(tǒng)的核心，可以方便地實現(xiàn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)汽輪機采用PID控制方式通過數(shù)字電液控制系統(tǒng)對汽輪機實施控制，但是在實際使用當(dāng)中，每一套系統(tǒng)的狀態(tài)都不是完全一致，對參數(shù)的調(diào)節(jié)總是依賴工程師的經(jīng)驗。而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時(如負(fù)載突然出現(xiàn)較大變化)，或系統(tǒng)有攝動時(如內(nèi)部某些器件參數(shù)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(shè)計了一種模糊自整定PID控制器應(yīng)用于汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)控制的智能化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動或攝動時參數(shù)能夠自動整定。
2 模糊自整定PID控制器的設(shè)計
傳統(tǒng)PID參數(shù)的整定還沒有實現(xiàn)自動化，所以模糊自整定PID參數(shù)控制器的目的是為了使參數(shù)KP，KI，KD隨著偏差E和偏差變化EC的變化而自行調(diào)整。由于模糊控制器是采用數(shù)字計算機來實現(xiàn)的，因此模糊控制器的設(shè)計問題就是模糊化過程、數(shù)據(jù)庫(含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫)、推理決策和精確化計算4部分的設(shè)計問題。
2.1 離散化和模糊化過程
在汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)中，將測得的機組實際轉(zhuǎn)速與設(shè)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三個參數(shù)作為輸出變量。先將他們的實際范圍即基本論域[—ne ne]，[—ncnc]轉(zhuǎn)換到相應(yīng)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(xù)的精確量分別離散化成7個模糊子集，用語言值正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZO)負(fù)小(NS)負(fù)中(NM)負(fù)大(NB)表示；將KP，KI，KD分別離散化成三個模糊子集，用語言大(B)，中(M)，小(S)表示。E，EC和三個輸出量KP，KI，KD的模糊隸屬函數(shù)全部是采用trimf型(三角形函數(shù))。
2.2 模糊規(guī)則的建立
模糊控制器所遵循的調(diào)整規(guī)則是：
(1)當(dāng)E較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)，應(yīng)取較大的KP和較小的KD，由于積分太強會使系統(tǒng)超調(diào)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(dāng)E中等大小時，為減少系統(tǒng)超調(diào)，KP應(yīng)適當(dāng)減小，洞時對KD和KI的取值要適當(dāng)；
(3)當(dāng)E較小時，為減小穩(wěn)態(tài)誤差，KP與KI應(yīng)取得大些，在這種情況下，KD的取值最重要，取值不當(dāng)會引起系統(tǒng)振蕩。
總結(jié)操作人員長期的控制經(jīng)驗和PID控制器參數(shù)的整定規(guī)律，可以得到一系列模糊推理規(guī)則，然后按照調(diào)整規(guī)則建立模糊控制規(guī)則表，可寫成條件語句的形式控制規(guī)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 仿真實驗
為了檢驗?zāi)：哉≒ID控制器的性能，分別用常規(guī)PID控制器模糊自整定PID控制器對汽輪機DEH系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真。
仿真中模糊自整定控制器中KP，KI，KD三個待整定參數(shù)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(dāng)給定轉(zhuǎn)速均設(shè)定為n=1 000 rad／s時，分別對上述兩系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
4 結(jié) 語
由仿真結(jié)果可明顯看出模糊自整定PID調(diào)節(jié)較之常規(guī)PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到了提高，總結(jié)起來模糊自整定PID主要有以下幾個優(yōu)點：
(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，他能通過自整定獲得參數(shù)的最優(yōu)值，且實現(xiàn)簡單，而常規(guī)PID算法需要操作者根據(jù)以往的累積經(jīng)驗以及實際的系統(tǒng)輸出經(jīng)多次試調(diào)之后獲得較優(yōu)值。
(2)模糊自整定PID算法的超調(diào)量和調(diào)整時問均小于常規(guī)PID算法。
(3)由仿真結(jié)果可看出將模糊自整定PID控制器用于汽輪機DEH系統(tǒng)能使系統(tǒng)的快速性和各項性能指標(biāo)得到顯著提高，說明了該方法的有效性。
1 汽輪機DEH系統(tǒng)的模型描述
傳統(tǒng)數(shù)字電液控制系統(tǒng)是通過PID控制器實現(xiàn)對輸出量的控制，進(jìn)而對汽輪機實施控制。汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括PID控制器、電液轉(zhuǎn)換器、油動機、蒸汽容積、轉(zhuǎn)子等環(huán)節(jié)以及功率和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)。汽輪機DEH系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。
系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)和參數(shù)分別為：
2 模糊自整定PID控制器的設(shè)計
傳統(tǒng)PID參數(shù)的整定還沒有實現(xiàn)自動化，所以模糊自整定PID參數(shù)控制器的目的是為了使參數(shù)KP，KI，KD隨著偏差E和偏差變化EC的變化而自行調(diào)整。由于模糊控制器是采用數(shù)字計算機來實現(xiàn)的，因此模糊控制器的設(shè)計問題就是模糊化過程、數(shù)據(jù)庫(含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫)、推理決策和精確化計算4部分的設(shè)計問題。
2.1 離散化和模糊化過程
在汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)中，將測得的機組實際轉(zhuǎn)速與設(shè)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三個參數(shù)作為輸出變量。先將他們的實際范圍即基本論域[—ne ne]，[—ncnc]轉(zhuǎn)換到相應(yīng)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(xù)的精確量分別離散化成7個模糊子集，用語言值正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZO)負(fù)小(NS)負(fù)中(NM)負(fù)大(NB)表示；將KP，KI，KD分別離散化成三個模糊子集，用語言大(B)，中(M)，小(S)表示。E，EC和三個輸出量KP，KI，KD的模糊隸屬函數(shù)全部是采用trimf型(三角形函數(shù))。
2.2 模糊規(guī)則的建立
模糊控制器所遵循的調(diào)整規(guī)則是：
(1)當(dāng)E較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)，應(yīng)取較大的KP和較小的KD，由于積分太強會使系統(tǒng)超調(diào)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(dāng)E中等大小時，為減少系統(tǒng)超調(diào)，KP應(yīng)適當(dāng)減小，洞時對KD和KI的取值要適當(dāng)；
(3)當(dāng)E較小時，為減小穩(wěn)態(tài)誤差，KP與KI應(yīng)取得大些，在這種情況下，KD的取值最重要，取值不當(dāng)會引起系統(tǒng)振蕩。
總結(jié)操作人員長期的控制經(jīng)驗和PID控制器參數(shù)的整定規(guī)律，可以得到一系列模糊推理規(guī)則，然后按照調(diào)整規(guī)則建立模糊控制規(guī)則表，可寫成條件語句的形式控制規(guī)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 仿真實驗
為了檢驗?zāi)：哉≒ID控制器的性能，分別用常規(guī)PID控制器模糊自整定PID控制器對汽輪機DEH系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真。
仿真中模糊自整定控制器中KP，KI，KD三個待整定參數(shù)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(dāng)給定轉(zhuǎn)速均設(shè)定為n=1 000 rad／s時，分別對上述兩系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
4 結(jié) 語
由仿真結(jié)果可明顯看出模糊自整定PID調(diào)節(jié)較之常規(guī)PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到了提高，總結(jié)起來模糊自整定PID主要有以下幾個優(yōu)點：
(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，他能通過自整定獲得參數(shù)的最優(yōu)值，且實現(xiàn)簡單，而常規(guī)PID算法需要操作者根據(jù)以往的累積經(jīng)驗以及實際的系統(tǒng)輸出經(jīng)多次試調(diào)之后獲得較優(yōu)值。
(2)模糊自整定PID算法的超調(diào)量和調(diào)整時問均小于常規(guī)PID算法。
(3)由仿真結(jié)果可看出將模糊自整定PID控制器用于汽輪機DEH系統(tǒng)能使系統(tǒng)的快速性和各項性能指標(biāo)得到顯著提高，說明了該方法的有效性。
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