孫君曼¹，謝澤會¹，李莉萍²，馮廣軍¹

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南鄭州450002；2.開封空分設(shè)備集團(tuán)公司，河南開封475000)

　　摘要：在MATLAB/SIMULINK平臺上，通過實驗的方法建立了模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)的仿真模型，給出了模糊自適應(yīng)PID仿真的具體實現(xiàn)方法，并進(jìn)行生物質(zhì)鍋爐控制子系統(tǒng)仿真應(yīng)用研究，通過常規(guī)PID控制算法與模糊自適應(yīng)PID控制算法對干擾信號的反應(yīng)過程仿真結(jié)果對比，表明了模糊PID控制策略使系統(tǒng)具有強抗干擾性、靈活性和適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有控制精度高的優(yōu)勢。

　　0前言

　　生物質(zhì)能是指通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和儲存在生物體內(nèi)的能量，生物質(zhì)能源是一種理想的可再生清潔能源，來源廣泛每年都有大量的工業(yè)農(nóng)業(yè)及森林廢棄物產(chǎn)出，工業(yè)鍋爐是煤炭消費大戶是環(huán)境的重要污染源，發(fā)展生物質(zhì)鍋爐技術(shù)提高綠色可再生能源利用對促進(jìn)我國節(jié)約型社會主義建設(shè)具有重要意義。

　　使用廢棄生物質(zhì)壓縮成型的顆粒燃料的鍋爐，替代燃煤燃油鍋爐，因其使用清潔能源，具有節(jié)約能源、CO₂溫室氣體零排放、環(huán)保性好符合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略而得到迅速發(fā)展，但因其生物質(zhì)燃料的特點給鍋爐的控制系統(tǒng)帶來新問題。

　　在生物質(zhì)鍋爐控制系統(tǒng)中，由于生物質(zhì)燃料濕度、密度、種類及鍋爐負(fù)荷變化等干擾因素不確定性，以及時變性、非線性等因素，考慮將先進(jìn)控制策略和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方案，進(jìn)行生物質(zhì)鍋爐控制系統(tǒng)研究。模糊控制器不要求確定受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)控制規(guī)則組織控制決策表，由控制決策表決定控制量的大小。這種將模糊控制器和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的控制策略，使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的優(yōu)勢。尤其適合于在具有干擾因素不確定性的生物質(zhì)鍋爐的控制系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。

　　1模糊自適應(yīng)PID控制器的構(gòu)成

　　控制系統(tǒng)的核心部分是模糊控制器，包括模糊化、知識庫、模糊推理、解模糊化和輸入輸出量化等部分。模糊化環(huán)節(jié)把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，輸入信號映射到相應(yīng)論域上的一個點后，將其轉(zhuǎn)化為該論域上的一個模糊子集；知識庫中包含了生物質(zhì)鍋爐應(yīng)用領(lǐng)域中的經(jīng)驗知識和要求的目標(biāo)，通常由數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫兩部分組成，數(shù)據(jù)庫主要包括各語言變量的隸屬度函數(shù)，尺度變換因子和模糊空間的分級數(shù)等，規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗和知識；模糊推理是模糊控制器的核心，是基于模糊邏輯中的蘊含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的；解模糊化是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為實際可用于控制的精確量，它包括兩部分內(nèi)容：(1)是將模糊的控制量經(jīng)解模糊變換變成表示在論域范圍的精確量；(2)是將表示在論域范圍的精確量經(jīng)量程轉(zhuǎn)換變成實際的控制量。

　　模糊自適應(yīng)PID控制器是由可調(diào)整PID控制器和模糊控制器構(gòu)成，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，通過模糊推理輸出Kp，Ki，Kd的調(diào)整值，以實現(xiàn)在線整定，滿足不同的E和Ec對PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的要求，而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

　　2模糊自適應(yīng)PID控制器的實現(xiàn)

　　2.1模糊自適應(yīng)控制算法研究

　　首先確定模糊控制器的維數(shù)，根據(jù)實際需要確定各個輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級、量化因子、比例因子；在每個變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集；確定模糊子集個數(shù)及每個模糊子集的語言變量，為各語言變量選擇隸屬度函數(shù)；確定模糊控制規(guī)則的原則是保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)性能達(dá)到最佳；編制模糊控制表，根據(jù)模糊控制規(guī)則和確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出。這些輸出值是PID參數(shù)的調(diào)整量，把它們與輸入量在1個表中按一定關(guān)系列出就構(gòu)成了模糊控制表。PID3個參數(shù)一般是獨立調(diào)整，所以有3個模糊控制表；把采樣得到的偏差、偏差變化率經(jīng)過整理后，代入模糊控制規(guī)則表，得出新的PID參數(shù)，再經(jīng)過PID算法的計算就得出了最后的輸出量，也就是系統(tǒng)的控制量；根據(jù)仿真效果或?qū)嶒灲Y(jié)果分析模糊PID的控制性能，再對量化因子和比例因子進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到理想的控制效果。

　　2.3建立模糊控制規(guī)則表

　　參數(shù)的整定規(guī)則是模糊控制的核心，依據(jù)專家的經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則，本設(shè)計采用49條模糊語言規(guī)則。

　　3仿真研究

　　在Matlab/simulink環(huán)境下構(gòu)建模型，整個模塊圖由模糊控制器、PID控制模塊、控制對象及輸入輸出等組成。使用的模塊主要有Simu－link(基本庫)、Simulink Extras(擴展庫)和Fuzzy logic toolbox(模糊邏輯庫)。

　　3.1模糊控制器的編輯

　　在MATLAB命令窗口輸入fuzzy命令打開模糊編輯窗口，建立模糊控制器。在matlab命令窗口輸入plotfis(a)觀察模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成，如圖7所示。

　　分別輸入E，Ec，Kp，Ki，Kd的隸屬函數(shù)及模糊規(guī)則，取and method為min，or method為max，implication(推理)為min，aggregation(合成)為max，取defuzzification(去模糊化方法)為centroid(加權(quán)平均法)。建好模糊控制系統(tǒng)后，以“fpidsimulink.fis”存盤。在仿真的時候?qū)⑵浼虞d到工作空間中，即可在simulink環(huán)境中對模糊控制器進(jìn)行仿真。

　　3.2模糊自適應(yīng)PID控制的仿真

　　目前，中型生物質(zhì)蒸汽鍋爐控制回路包括汽包水位控制、爐排控制、鼓風(fēng)控制、引風(fēng)控制、用于發(fā)電鍋爐還需要主蒸汽溫度等回路。選取某供汽量為120t/h的鍋爐汽包為被控對象，其給水流量與水位的傳遞函數(shù)為：G(s)=0.0529/8.5s²+s。

　　4仿真結(jié)果分析

　　分別對模糊PID控制進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真，并將仿真結(jié)果與PID仿真進(jìn)行對比。仿真時間為20s，在15s處加周期為15s，占空比為5%，幅度為10的脈沖信號，研究模糊PID對干擾的抑制能力。其仿真結(jié)果分別如下圖所示。

　　可以看出，模糊自適應(yīng)PID控制器的響應(yīng)速度更快，超調(diào)量比PID控制器要小，振蕩時間更短，很快的趨于穩(wěn)定狀態(tài)，顯示出良好的動態(tài)性能和穩(wěn)定精度。同時從加干擾后的仿真圖中可以看出來模糊PID控制器對干擾有很好的抑制能力。