高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振模糊PID控制算法

2 模糊PID控制高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振
2．1 模糊PID算法
常規(guī)PID控制器以其成熟的技術(shù)在工業(yè)控制得到廣泛的應(yīng)用，典型常規(guī)PID只能利用一組固定的參數(shù)進(jìn)行控制，不能兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，魯棒性差，對(duì)非線性，時(shí)變參數(shù)等系統(tǒng)難以獲得控制效果。簡單模糊控制器將采樣時(shí)所獲得的誤差及誤差變化信號(hào)，根據(jù)其模糊化結(jié)果查詢模糊控制表，轉(zhuǎn)換為精確量后，直接作用于被控對(duì)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(tǒng)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(guī)PID控制和簡單模糊控制的缺點(diǎn)。模糊PID控制實(shí)質(zhì)就是模糊控制技術(shù)與PID控制結(jié)合在一起。
模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)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(yīng)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(guī)則的確定，即模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者操作者的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的一系列控制規(guī)則。
常規(guī)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(rèn)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，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成Fuzzy-PI(或PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制和PID控制結(jié)合的形式有多種：
1)模糊-PID復(fù)合控制
控制策略是：在大偏差范圍內(nèi)，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(nèi)，即e落到閾值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成PID(或PI)控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉(zhuǎn)換閾值由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為Fuzzy-PI雙?？刂?。
2)比例-模糊-PI控制
當(dāng)偏差e大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；當(dāng)偏差e減小到閾值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程中的超調(diào)。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(dāng)于模糊控制論域被壓縮，等效于語言變量的語言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成PI控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時(shí)，(這時(shí)絕對(duì)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(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。
4)參數(shù)模糊自整定PID控制
PID控制的關(guān)鍵是確定PID參數(shù)，該方法是用模糊控制來確定PID參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小。
2．2 高爐鼓風(fēng)機(jī)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(yīng)用的一種控制器。PID控制器的數(shù)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(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)。
Kp一控制器的比例系數(shù)。
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(guī)PID控制結(jié)合在一起，通過知識(shí)庫輸出調(diào)整PID的參數(shù)值，以達(dá)到最佳的控制效果。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)對(duì)象特性和模糊控制設(shè)計(jì)規(guī)則，并規(guī)則好的調(diào)整方法及調(diào)整參數(shù)存儲(chǔ)起來。通過對(duì)系統(tǒng)偏差△E(k)和系統(tǒng)輸出的識(shí)別，以了解被控制對(duì)象過程動(dòng)態(tài)特性的變換，在線調(diào)整P、I、D 3個(gè)參數(shù)，使鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)在防喘振工作區(qū)域。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應(yīng)技術(shù)，其目的就是為了處理過程中出現(xiàn)的不確定性。如圖2所示。