基于模糊控制的循环流化床锅炉床温控制仿真

基于模糊控制的循环流化床锅炉床温控制仿真

连鹏杨祥军

（华能呼和浩特热电厂内蒙古呼和浩特市010000）

摘要:循环流化床（circulatingfluidizedbed，CFB）锅炉是一个复杂控制对象。其中床温的高低直接影响着机组运行的安全性与经济性，但床温受很多因素影响，各个影响因素之间又严重耦合，因此CFB锅炉床温控制很难建立精确的数学模型。通过分析CFB锅炉燃烧过程，设计出常规PID床温控制系统、模糊控制床温控制系统、模糊自整定PID床温控制系统。对三种床温控制系统进行MATLAB仿真，结果表明在一定范围内模糊控制器、模糊控PID制器较常规PID控制器能获得更好的控制效果。

关键词：循环流化床；床温控制；模糊PID；自整定

0引言

循环流化床锅炉由于具备炉内可直接脱硫、可燃用劣质煤种、高效、低污染、负荷调节性能好等独特优势，逐渐成为我国洁净煤燃烧技术的发展趋势。CFB锅炉与常规煤粉锅炉最显著的区别在于炉膛内部的结构。CFB锅炉床温是指炉膛密相区内的物料温度，温度高低直接影响着机组运行的安全性与经济性，在炉膛内部，大多数控制和调节都是以稳定的床温为前提的。本文针对CFB锅炉燃烧过程的特殊性，设计出常规PID床温控制系统、模糊控制床温控制系统、模糊自整定PID床温控制系统，其中模糊自整定PID控制在控制回路是在PID控制回路的基础上，融入模糊推理的方法作为PID控制器的自调整结构。用三种控制器分别对同一床温控制对象进行MATLAB仿真，对比不同控制器之间的控制效果。

1控制系统设计

首先选取床温对象作为动态模型，由于CFB锅炉是一个复杂系统，很难对该对象建立精确的数学模型，在给煤量阶跃扰动下，现场辨识得到燃料量—床温之间的传递函数，如式（1）所示。根据床温控制对象的特性可知，可以把此式看作一个基本传递函数，在锅炉实际运行中，其参数应在不断地变化，本设计意在比较常规PID控制器、模糊控制器以及模糊PID控制器的控制品质，在仿真过程中，将对此参数进行调整试验，验证三种控制器的鲁棒性，从而得出最适应于非线性、时变及变量紧密耦合的复杂系统的控制器

1.1常规PID控制系统的设计

PID控制算法具有计算量小、实时性好、易于实现等特点，在过程控制领域的到广泛的应用首先要建立起控制对象的精确数学模型，其次要正确合理的根据数学模型的特点整定Kp、Ki和Kd的参数值，才能使PID控制器得以实现其作用，但是它无法实现自整定功能且存在着参数整定不方便，对数学模型精确度要求高等缺点。CFB锅炉床温的常规PID控制系统如图1-1所示。

图1常规PID控制系统图

1.2模糊控制系统的设计

我们把模糊控制器的输人变量误差、误差变化率的实际范围称为这些变量的基本论域（精确量）。但是要进行模糊化处理，须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，因此须将输入变量乘以相应的量化因子。如下图所示：

图2模糊控制系统图

模糊规则表的制定以被控对象传递函数为基础制定的，次规则表是模糊PID控制器的核心，如果模糊规则表与对象变化能够很好的匹配，原理上能起到很好的控制品质，反之，会对控制效果起到负面作用。

1.3模糊PID控制系统的设计

模糊控制器的设计是本文最重要的设计重点，直接决定KP、KI和KD的选取和控制精度如图1-3所示自适应模糊PID系统是在模糊控制规则对PID参数进行修改的基础上得来的，以偏差E和偏差变化率EC作为输入，在扰动的情况下实时对偏差E和偏差变化率EC进行调整，从而满足PID参数自调整的要求，实现控制目标。

图3模糊PID控制系统图

模糊PID从根本上讲还是在发挥着PID调节的作用，所以它要求被控对象的传递函数有一定的精确度。在调解过程中，参考图1-3模糊PID控制系统结构图，调节系统参数时是先将△KP、△KI、△KD置零，整定KP′、KI′、KD′，将整定好的这组值作为基础值，然后再根据模糊控制器输入论域调节Ke、Kec，再调节△KP、△KI、△KD，要想使系统有较好的输出，就必须令这些值达到较好的匹配度，否则控制效果就会不理想，这需要整定人员对调解参数有较高的认识，以及对被控对象的传递函数有较深的理解。

2三种控制器的仿真对比试验

在对三种循环流化床锅炉床温控制方案仿真工作之前，首先将床温控制对象的动态特性描述如下：

然后在式（3）的基础上改变参数，研究其鲁棒性及控制器动态和静态特性，比较常规PID控制器、模糊控制器、模糊PID控制器的控制品质，最终得出更适用于像循环流化床锅炉床温控制对象的控制器。

2.1三种控制器仿真实验结果比较

当控制对象参数选为式（3）时，在给定值定阶跃扰动下，三种控制器的仿真对比曲线如图4所示，曲线1为模糊PID控制器响应曲线；曲线2为模糊控制器的响应曲线；曲线3为PID控制器的响应曲线。

3结论

（1）通过改变床温控制对象传递函数参数，进行仿真对比三种控制器的鲁棒性，抗干扰性能，控制器输出测试，仿真结果表明：当对象参数为式（3）时，在给定值扰动下，系统响应动态性能，静态性能最好的是模糊PID控制器，如图4所示，由于模糊控制器本身的调节原理，使模糊控制系统输出存在稳态误差，静态性能较差。

（2）当床温对象传递函数中Tp在100的基础上按25%、50%、75%增加时，仿真对比三种控制器鲁棒性试验中，如图5、图6、图7所示，仿真结果表明模糊控制器的鲁棒性能最好，虽然模糊控制系统输出仍有稳态误差，但稳差小于输入给定值的3%，完全能达到控制系统静态要求，控制品质良好。

（3）从控制机理上，模糊PID控制器从原理上应该能达到良好的鲁棒性能，但在仿真过程中，结果表明其鲁棒性没有预期的效果明显。

（4）模糊规则表的制定以被控对象传递函数为基础制定的，次规则表是模糊PID控制器的核心，如果模糊规则表与对象变化能够很好的匹配，原理上能起到很好的控制品质，反之，会对控制效果起到负面作用。

（5）在控制器输出测试中，主要对三种控制器出口处的输出进行测试，仿真实验结果良好。

参考文献：

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作者简介：

连鹏（1988-），男，汉族，热动工程师，华能呼和浩特热电厂，从事发电厂安全运行及节能优化管理。

杨祥军（1972-），男，蒙古族，华能呼和浩特热电厂，从事发电厂安全运行及节能优化管理及仿真培训。