祁增慧（河北建筑工程學(xué)院電氣工程系，河北張家口 075024）

目前，國內(nèi)的工業(yè)鍋爐占據(jù)主流的仍然是燃煤鍋爐，但是燃煤鍋爐的污染嚴(yán)重，廢渣、廢氣、廢水“三廢”俱全，治理亦較困難，燃料儲存、輸送不便，自動化程度低，溫度調(diào)節(jié)慢。燃油鍋爐的煙塵排放量雖然較低，但其排放的有害氣體是造成“光化學(xué)煙霧”和酸雨的罪魁禍?zhǔn)?，且運行成本高。而燃氣鍋爐具有占地面積少、排放污染少、調(diào)節(jié)迅速、易實現(xiàn)自動化、智能化控制。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和對節(jié)能、環(huán)保要求的提高，特別是對溫度自動調(diào)節(jié)要求較高的場合（如生物制藥、體育場館、賓館等的恒溫調(diào)節(jié)），燃氣鍋爐與燃煤鍋爐相比有著巨大的優(yōu)勢。提高燃氣鍋爐系統(tǒng)運行性能，根據(jù)用戶需求及外界環(huán)境變化調(diào)整鍋爐系統(tǒng)運行狀態(tài)，將進一步節(jié)能減排，取得巨大的經(jīng)濟效益。

當(dāng)前運行的燃氣鍋爐自動控制系統(tǒng)大多繼承了經(jīng)典PID（比例、積分、微分）控制算法。在工業(yè)過程控制中，PID控制器由于其原理清晰、整定簡單、應(yīng)用經(jīng)驗豐富，目前仍占統(tǒng)治地位。但是，PID控制一般只適用于小慣性、小滯后、且系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型較精準(zhǔn)的過程控制，而對于具有較大慣性和滯后的工業(yè)過程，特別是難以精確建模的非線性、時變系統(tǒng)，PID控制往往不能取得較滿意的控制效果。模糊控制及自適應(yīng)控制經(jīng)過多年的發(fā)展，在工業(yè)上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，我課題組通過對燃氣鍋爐系統(tǒng)運行特性的分析研究，采用參數(shù)自適應(yīng)模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制方法取得了良好的控制效果。

1 控制對象特性分析與控制方案選擇

傳統(tǒng)的鍋爐控制系統(tǒng)是將溫度作為單一被控量，通過傳感器對回水溫度的檢測，與給定溫度比較產(chǎn)生偏差并對該偏差信號進行PID調(diào)節(jié)，形成恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)通過理論及現(xiàn)場整定后一般不再調(diào)整。然而，燃氣鍋爐控制系統(tǒng)是一個典型的多輸入多輸出系統(tǒng)，溫度變化受室外氣溫、太陽輻射、空氣濕度、風(fēng)速等因素的影響，水溫變化與負(fù)荷變化及循環(huán)水量、流量有關(guān)，系統(tǒng)存在大慣性滯后、非線性、時變、難以精確建模等特點。對于一些控制過程較為復(fù)雜且對控制精度和穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng),單一的PID控制方法就難以滿足要求了。并且常規(guī)PID調(diào)節(jié)器不具有在線整定參數(shù)的功能，不能滿足在不同工況下系統(tǒng)對控制參數(shù)的自整定要求。而環(huán)境對過程的影響及過程本身特性的變化是必然的，甚至其中一些變化可能還是大范圍的，一旦被控對象參數(shù)、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如用戶負(fù)荷的增減等，將影響其控制效果，或達不到溫控需求，或造成能源浪費。

模糊控制可模擬人腦的思維方式,能處理客觀世界的非精確、非線性的信息,具有很強的抗干擾能力。在常規(guī)的模糊控制系統(tǒng)中，由于模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，往往采用二維控制器的形式。這類控制器都是以系統(tǒng)偏差和偏差變化率作為輸入變量，因此具有類似常規(guī)比例-微分控制器的作用，可以獲得良好的動態(tài)特性；但其可靠性差，并且當(dāng)偏差和偏差變化率偏小時，傳統(tǒng)的模糊控制方法失去作用，從而導(dǎo)致模糊控制規(guī)則失效[1-2]。

自適應(yīng)控制所要解決的問題是，當(dāng)被控對象參數(shù)發(fā)生大范圍變化時，控制器如何自動地改變其自身參數(shù)，以使控制系統(tǒng)的性能維持不變，或具有更好的控制品質(zhì)。

將模糊控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)和PID控制技術(shù)結(jié)合起來，以偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，可以滿足不同時刻偏差e和偏差變化率ec對PID參數(shù)自整定的要求，結(jié)合對多項被控量的檢測，利用模糊理論和自適應(yīng)算法在線對PID參數(shù)進行校正，便構(gòu)成自整定模糊-PID控制器。這無疑可彌補單一控制技術(shù)的不足,為現(xiàn)代工業(yè)自動控制問題提供新的解決方案。具體結(jié)合方法如圖1所示。

2 模糊-自適應(yīng)控制器的設(shè)計

通常，將模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對象，由于這種控制器輸入變量只有一個誤差，它的動態(tài)控制性能不佳，因此目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種模糊控制器以誤差和誤差的變化率為輸入量，以控制量的變化為輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制就越精細。但是維數(shù)越高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實現(xiàn)就會相當(dāng)困難。

本文設(shè)計一個雙輸入三輸出的模糊控制器，選取系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，輸出量ΔKP、ΔKI和ΔKD，通過輸出來實時的整定PID的KP、KI和KD三個參數(shù)。

2.1 輸入/輸出變量的量化

設(shè)定偏差e的基本論域為[-14,14]。偏差變化率ec的基本論域為[-25,25]，而控制量ΔKP、ΔKI、ΔKD的變化范圍根據(jù)實際鍋爐系統(tǒng)的容量、負(fù)荷確定；給定輸入變量的基本論域可以通過專家指導(dǎo)來確定，它在控制過程中往往是不變化的。偏差輸入變量 E 和 EC 的模糊論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，輸出量是 PID 參數(shù)ΔKP、ΔKI和ΔKD，它們的模糊論域均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

一般說來，論域的量化等級越細，控制精度也越高。但過細的量化等級將使算法復(fù)雜化。在確定了變量的基本論域和模糊集論域后，比例因子也就確定了。若用Ke和Kec表示偏差和偏差變化的量化因子，KP、KI、KD表示控制量的比例因子，e由量化因子Ke=6/14=0.429量化為E；ec由量化因子Kec=6/25=0.24 量化為 EC；KP、KI、KD的比例因子亦可算出。

2.2 輸入/輸出變量的模糊化

模糊化過程主要包括兩方面的工作。首先要建立輸入/輸出變量的模糊集，其次是對輸入/輸出變量選定隸屬函數(shù)。

模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中,NB表示負(fù)大,NM表示負(fù)中,NS表示負(fù)小,ZO表示零,PS表示正小,PM表示正中,PB表示正大。

E、EC以及ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)。其隸屬函數(shù)計算公式如下:

2.3 模糊控制器的控制規(guī)則的設(shè)計

模糊規(guī)則庫是根據(jù)PID三個參數(shù)KP、KI、KD和輸入偏差及偏差變化率之間的關(guān)系，結(jié)合工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗設(shè)計而成的，稱為IF-THEN規(guī)則，是模糊判決的依據(jù)。根據(jù)IF-THEN模糊推理規(guī)則,以E、EC為輸入,ΔKP、ΔKI、ΔKD為輸出,根據(jù)專家知識和有經(jīng)驗的操作人員的經(jīng)驗，總結(jié)出控制規(guī)則，可用模糊條件語句來描述。

2.4 模糊推理及模糊決策

系統(tǒng)采用Mamdani推理法，即先對兩個推理前件的隸屬度取小，作為推理后件隸屬度在語言變量區(qū)域取截集，把對應(yīng)于當(dāng)前輸入值的所有有效規(guī)則推理所得的控制量的模糊截集相“并”，然后根據(jù)重心法公式：

對輸出模糊量進行模糊判決,求得控制量。

根據(jù)以上方法，經(jīng)過總結(jié)和歸納得到控制規(guī)則，計算出所有的控制量變化值，并寫成矩陣，從而得到模糊控制規(guī)則表。以上工作都是離線進行的，在求得控制表后，將其存放在計算機的內(nèi)存中，并采用VB語言在上位機上編寫一個相應(yīng)的查找控制表的子程序，來實現(xiàn)PID參數(shù)模糊自整定控制算法。

2.5 自適應(yīng)控制方式的選擇

自適應(yīng)控制主要有增益自調(diào)度型、模型參考自適應(yīng)型和自校正控制型等幾種形式，考慮到模型參考自適應(yīng)型和自校正控制型要求被控對象數(shù)學(xué)模型清晰，本系統(tǒng)難以實現(xiàn)；鍋爐系統(tǒng)的因數(shù)變化規(guī)律可以事先把握，則依據(jù)這些經(jīng)驗知識設(shè)計的控制系統(tǒng)，對這個變化因素的適應(yīng)能力可以做得更好，而且設(shè)計方法簡單，也并不需要更多的新的理論來支持，故選擇增益自調(diào)度型自適應(yīng)控制。

3 結(jié)束語

本文以燃氣鍋爐系統(tǒng)為控制對象，介紹了自適應(yīng)/模糊控制器的設(shè)計與實現(xiàn)方法。從仿真結(jié)果可看出自適應(yīng)模糊控制器能適應(yīng)對象參數(shù)、結(jié)構(gòu)的變化，對象改變后，系統(tǒng)穩(wěn)定性能較好?？梢娮赃m應(yīng)模糊控制仍具有強的魯棒性，有更好的控制性能。采用自適應(yīng)模糊算法結(jié)合PID控制，對鍋爐燃燒這一具有明顯大慣性和非線性特性，被控量時變性大、影響因素多的系統(tǒng)進行控制，取得了較好的控制效果。

[1] 王振臣.Lon Works總線與模糊PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機，2007,20(11):20-21.

[2] 邱黎輝.模糊PID控制在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計算機測量與控制，2004,12(1):57-59.