基于PLC的電鍋爐溫度模糊預測PID控制①

黃金霖, 宣 艷, 張 莉, 劉太鋼

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程學院,蕪湖241000;2.江西理工大學電氣工程與自動化學院,江西 贛州341000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,能源的緊缺,鍋爐使用電加熱方式由于節(jié)能環(huán)保、熱效率高等優(yōu)點而被廣泛使用在供暖設備上[1]。而電鍋爐內(nèi)的溫度控制由于其慣性大、非線性等特點,很難建立精確的數(shù)學模型,傳統(tǒng)的PID控制又存在控制精度低的缺點[2]。所以有學者將模糊算法與PID控制相結(jié)合,通過人為給定模糊規(guī)則,通過在線整定PID參數(shù),可以提高一定的控制精度。但是模糊控制系統(tǒng)中專家確定后的模糊規(guī)則和量化因子無法改變,自適應能力差[3]。

以溫度控制為主線,采用S7-300作為核心,對電鍋爐內(nèi)的溫度進行研究控制,設計模糊預測PID控制器,對系統(tǒng)進行硬件和軟件設計。

1 電鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理

電鍋爐系統(tǒng)主要由主控制器、傳感器、三相調(diào)壓模塊、人機通信模塊和電熱鍋爐等組成[4]。電熱鍋爐包括加熱層和冷卻層,溫度傳感器、固態(tài)繼電器SSR和加熱絲對溫度進行測量和控制。加熱層和冷卻層的溫度由各自的鉑電阻溫度傳感器采集,并通過變送器傳送至PLC的模擬量模塊中,在PLC中將檢測的冷卻層溫度與目標溫度經(jīng)過相關(guān)算法處理,控制三相調(diào)壓模塊的端電壓,控制電熱管的溫度,最終控制冷卻層的溫度。人機通信模塊主要通過以太網(wǎng)模塊由MCGS觸摸屏控制,能夠在上位機對溫度和液位實時監(jiān)測、控制,進一步提升電鍋爐的智能化。如圖1所示。

圖1 電鍋爐總體結(jié)構(gòu)圖

2 模糊預測PID控制

2.1 傳統(tǒng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)點從而廣泛應用于工業(yè)中。PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)圖

通過MCGS觸摸屏設定冷卻層溫度目標值r(t),通過傳感器檢測的冷卻層實際溫度為y(t),則兩者的差值e(t)為:

傳統(tǒng)PID控制算法如式(2)所示:

式中e(t)是當前檢測值與目標值的差值,K p是比例系數(shù),K i是積分系數(shù),K d是微分系數(shù)。

通常需要將式(2)進行離散化[7]。離散后的數(shù)學模型為:

式中:k為采樣時刻,e(t)為t時刻控制對象的偏差;T d為微分時間;K p為比例系數(shù);T i為積分時間;T為采樣周期。

2.2 模糊預測PID控制

電鍋爐系統(tǒng)具有時變性特點,而傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)固定不變,無法根據(jù)系統(tǒng)的變化做出自適應調(diào)整[5]。模糊控制算法可以根據(jù)現(xiàn)場工作人員具體經(jīng)驗制定出相應的規(guī)則,進而對PID參數(shù)進行調(diào)整。為了提高電鍋爐系統(tǒng)的控制精度,提出一種基于模糊PID的控制方法[6]。

在模糊控制系統(tǒng)中,將溫度的偏差E和偏差變化率EC作為模糊控制器的輸入。溫度的偏差E和偏差變化率EC選用7個語言值:其模糊子集論域分別為

e的基本論域為[-40,40],隸屬函數(shù)選擇三角函數(shù),制定控制規(guī)則表如圖3所示。

圖3 模糊控制規(guī)則表

電鍋爐系統(tǒng)具有大時滯性和非線性等特點,預測算法可以解決系統(tǒng)滯后的缺點。預測控制算法采用多步預測技術(shù),通過預測出的數(shù)學模型域來預估偏差值,再運用滾動式方法預測控制輸入量,最后實時對比,在線校正[8]。

模糊預測PID控制的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 模糊預測PID結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的預測模型表示為:

式中b是動態(tài)系數(shù),p是模型時域長度。

n步預測估計值為:

矩陣表達式為:

系統(tǒng)動態(tài)響應系數(shù)和控制增量決定預測模型,選用的控制增量為:

式中:

在t時刻控制后,t+1時刻的實際輸出與預測輸出不一定一致,形成的預測誤差為:

采用啟發(fā)式加權(quán)方法預測未來輸出誤差,并補償模型的預測,得到校正后的預測向量為:

3 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)采用S7-300 PLC為核心,CPU選用315-2DP,CP343-1是以太網(wǎng)模塊,實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。選用SM323 DI8/DO8×24V DC(數(shù)字量輸入/輸出模塊)、SM331 AI4×24V DC(模擬量輸入模塊)和SM332 AO4×24V DC(模擬量輸出模塊)實現(xiàn)對電鍋爐系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)硬件配置圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件配置圖

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設計

電鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設計試制S7-300 PLC程序設計。S7-300 PLC編程采用STEP7軟件編程,采用模塊化編程,OB1是主程序,FB41是PID模塊(系統(tǒng)預先編制好的函數(shù)塊),OB35是默認時間間隔為100ms的循環(huán)中斷。

預測模型算法程序流程圖如圖7所示。

圖7 預測算法控制流程圖

5 仿真分析

為了驗證模糊預測PID控制對于電鍋爐溫度控制效果,在MATLAB中利用Simulink工具對傳統(tǒng)PID控制、模糊PID控制和模糊預測PID控制進行仿真,對比三者的控制效果,發(fā)現(xiàn)模糊預測PID控制效果最佳。仿真曲線如圖8所示。

圖8 仿真曲線圖

由圖可知,傳統(tǒng)PID控制對于電鍋爐溫度調(diào)整能力較強,但超調(diào)量很大;模糊PID控制相比較傳統(tǒng)PID控制超調(diào)量有所減少,但溫度變化還是不夠平滑,不能滿足控制系統(tǒng)的要求。模糊預測PID控制超調(diào)量很小,曲線平滑,收斂速度快。通過對比可以看出,模糊預測PID控制能夠提高電鍋爐溫度控制精度,使溫度快速趨于穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

將模糊預測PID控制器運用到電鍋爐溫度控制中,以S7-300為核心,對PLC系統(tǒng)進行硬件和軟件設計,結(jié)果表明,模糊預測PID控制算法能夠快速整定出最優(yōu)PID控制參數(shù),系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都很小,滿足電鍋爐溫度控制的要求,進一步提升自動化程度。