CN211554672U - 一种自调整模糊Smith-PID温度控制*** - Google Patents

一种自调整模糊Smith-PID温度控制*** Download PDF

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马晓茜
陈润琪
唐玉婷
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Abstract

本实用新型公开了一种自调整模糊Smith‑PID温度控制***，该***包括自调整模糊Smith‑PID控制器、可编程控制器(PLC)、温度控制执行装置和温度传感器；所述自调整模糊Smith‑PID控制器是在PID控制器中引入模糊控制器和Simth预估补偿器；温度传感器与所述自调整模糊Smith‑PID控制器连接；自调整模糊Smith‑PID控制器与可编程控制器连接，可编程控制器的PLC控制单元对温度控制执行装置进行控制。本实用新型通过简单的电路构成，能较好地解决各种PID控制***中参数的最优化整定及参数在线自调整的问题。

Description

一种自调整模糊Smith-PID温度控制***
技术领域
本实用新型涉及的是垃圾焚烧发电厂温度控制领域，具体涉及一种自调整模糊Smith-PID温度控制***。
背景技术
目前我国垃圾处理的途径逐渐由填埋处理转向焚烧处理，在垃圾焚烧过程中，如果燃烧温度不稳定，容易造成燃尽率低，二次污染物多,锅炉受热面腐蚀，结渣结块堵炉，甚至熄火停炉等事故，对焚烧炉的安全性、经济性和环保性产生严重影响。因此，对垃圾焚烧炉的炉温进行有效的控制，成为急需得到解决的问题。许多工业过程都具有大惯性、大时变、纯滞后非线性等特性，垃圾焚烧炉正是这类工业对象的典型代表。在实际控制的过程中，由于垃圾焚烧炉模型的不确定性以及较大的纯滞后特点，控制特性常表现为超调量大、调节时间长、抗扰能力弱和鲁棒性差，如何进行调节器参数自调整和消除对象纯滞后特性成为了控制的关键。
由于垃圾的组成极为复杂，成分变化大，水分含量高，不像一般燃煤的性质稳定。并且在垃圾焚烧厂连续供料及焚烧的过程中，焚烧炉内的燃烧状态时刻变化，呈现出高度的非线性***特征，对于这种高度非线性***，很难获得精确的数学模型。即使获得精确的数学模型，也必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而在应用中这些假设往往不切实际，因此使用常规的PID控制或一般的数学控制模型均难以实现稳定的控制。目前，很多垃圾焚烧厂在实际运行过程中以人工控制为主，在一段时间内垃圾热值比较稳定的情况下，炉温波动范围可以大大减小，但仍存在着燃烧不稳定的情况。并且由于操作人员的工作量较大和过多的人为操作，可能带来的操作失误也比较多。因此无论是对于传统的PID控制算法或者是人工控制，垃圾焚烧厂的垃圾焚烧锅炉炉膛温度一般难以实现稳定控制。而在这种燃烧温度不稳定的情况下容易造成燃尽率低，二次污染物多,锅炉受热面腐蚀，结渣结块堵炉，甚至熄火停炉等事故，对焚烧炉的安全性、经济性和环保性产生严重影响。
模糊PID控制算法在传统PID算法的基础之上，通过计算当前***偏差和偏差变化，利用模糊规则进行模糊推理，对PID控制器参数进行调整。具有较好的稳定特性和鲁棒性，可以很好的解决大量常规控制难以解决的控制难题。
Smith预估补偿器是针对大时滞***的一种有效控制器，是应用于现代工业时滞***控制中最广泛和最经典的控制器之一。该方法的基本思路是预先估计出***在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作。从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小超调量，提高***的稳定性，加速调节过程，提高***的快速性。
针对垃圾焚烧炉温度控制中大惯性、大滞后、参数时变的非线性受控对象，本实用新型设计了基于Smith预补偿的模糊PID控制器。即把模糊控制器、Smith预估补偿器和PID控制结合起来，一方面利用模糊推理运算，在线调整PID控制器参数，以实现PID参数自调整的目的；另一方面利用Smith预估补偿控制器补偿受控过程的纯滞后作用，使滞后了时间τ的被控量超前反映到***偏差输入端，PID控制器提前动作，从而减少超调量，加速调节过程，改善控制性能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的不足，提供一种有效、稳定的***。采用模糊控制、Smith预估补偿控制器和PID控制相结合的构成，该温控***响应速度快，可实现对温度的快速、精确控制，使垃圾焚烧炉炉膛温度维持稳定。
本实用新型至少通过如下技术方案之一实现。
一种自调整模糊Smith-PID温度控制***，包括自调整模糊Smith-PID控制器、可编程控制器(PLC)、温度控制执行装置和温度传感器；所述自调整模糊Smith-PID控制器是在PID控制器中引入模糊控制器和Simth预估补偿器；温度传感器与所述自调整模糊Smith-PID控制器连接；自调整模糊Smith-PID控制器与可编程控制器连接，可编程控制器的PLC控制单元对温度控制执行装置进行控制。
进一步地，所述可编程控制器为西门子57-200型PLC或西门子57-300型PLC，通过可编程控制器的信号输出模块将数字信号转换为电信号，直接对温度控制执行装置进行控制。
进一步地，所述自调整模糊Smith-PID控制器接收所述温度传感器送来的温度变量数据，以温度偏差和温度偏差变化率作为输入，建立PID控制器的三个控制参数与温度变量数据的模糊关系，通过模糊运算(可以用模糊PID控制算法)实现在线模糊推理得到不同阶段PID控制器的三个控制参数，并通过Smith预估补偿器实现对滞后环境的预补偿。
进一步地，所述Smith预估补偿器对温度控制***的延迟环节进行预补偿，通过引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除，从根本上消除过程纯滞后的影响。
进一步地，所述温度控制执行装置包括推料器和炉排；当垃圾焚烧炉炉膛温度过高时，PLC控制单元控制推料器和炉排降低燃料垃圾进料量；当炉膛温度过低时，PLC控制单元控制推料器和炉排提高燃料垃圾进料量，从而使炉膛燃烧温度维持在设定的目标温度。
与现有的技术相比，本实用新型的有益效果：
1、运用本实用新型改造的***构成，其结构简单，容易实现，动态的灵敏度、快速性，稳态的稳定性及鲁棒性均优于现有控制器的控制效果，尤其对于时变性、非线性、纯滞后、强干扰、变工况运行的***效果更为明显；
2、本实用新型可以较好地解决各种PID控制***(包括单回路控制、串级控制、多回路控制)中P、I、D(比例、积分、微分)参数的最优化整定及参数在线自调整的问题；
3、无论控制***受到外扰还是内扰，利用本实用新型的模糊PID参数自适应模块，都会得到此时最佳的控制参数，使***获得满意的控制效果。
附图说明
图1是本实施例一种自调整模糊Smith-PID温度控制***原理结构图；
图2是本实施例马丁炉热力模型；
图3是本实施例模糊控制器框图；
图4是本实施例Smith预估补偿器结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此，需指出的是，本实用新型的关键在于对构成和结构部分提出的技术方案，以下举例或实施过程中需要涉及软件的，均需本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
如图1所示的一种自调整模糊Smith-PID温度控制***，包括自调整模糊Smith-PID控制器、可编程控制器(PLC)、温度控制执行装置和温度传感器；所述自调整模糊Smith-PID控制器是在PID控制器中引入模糊控制器和Simth预估补偿器；温度传感器与所述自调整模糊Smith-PID控制器连接；自调整模糊Smith-PID控制器与可编程控制器连接，可编程控制器的PLC控制单元对温度控制执行装置进行控制。
该***利用温度传感器分别测量垃圾焚烧炉中不同区域的实际温度，再通过加权平均计算出实际平均温度，并将检测到的实际温度数据输入到自调整模糊Smith-PID控制器中。所述自调整模糊Smith-PID控制器接收所述温度传感器送来的温度变量数据，以温度偏差和温度偏差变化率作为输入，建立PID控制器的三个控制参数与温度变量数据的模糊关系，通过模糊运算实现在线模糊推理得到不同阶段PID控制器的三个控制参数，并通过Smith预估补偿器实现对滞后环境的预补偿；最后，通过PLC控制单元对数据进行处理实现对温度控制执行装置的控制。
所述可编程控制器为西门子57-200型PLC或西门子57-300型PLC，通过信号输出模块将数字信号转换成电信号，直接对温度控制装置进行控制。
所述Smith预估补偿器对***的延迟环节进行预补偿，通过引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除，从根本上消除过程纯滞后的影响。
所述温度控制执行装置包括推料器和炉排；当垃圾焚烧炉炉膛温度过高时，PLC控制单元控制推料器和炉排降低燃料垃圾进料量；当炉膛温度过低，PLC控制单元控制推料器和炉排提高燃料垃圾进料量，从而使炉膛燃烧温度维持在设定的目标温度。
用于所述的一种自调整模糊Smith-PID温度控制***的方法，包括如下步骤：
S1、图2所示，利用温度传感器测量出炉内三个不同的区域A、B、C的实际温度，对三个不同区域的温度进行加权平均，获得炉中的平均温度；将采集到的温度变量数据输出送入所述自调整模糊Smith-PID控制器；
如图1所示，e(t)为实际温度与期望值的温度偏差，d/dt是对温度偏差进行求导，ec(t)为温度偏差的变化率，r(t)为输入值，y(t)为输出值。
S2、将测量得到的实际温度值与期望值作比较，通过计算实际温度值与期望值的差值得出温度偏差值e和温度偏差变化率ec，将温度偏差值e和温度偏差变化率ec作为模糊控制器的两个输入量；
如图3所示，模糊控制器在操作中依次包括模糊化、推理机、解模糊和参数修正操作过程，所述推理机参照模糊规则表进行推理判断。
以炉膛温度的期望值与实际输出的偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量，建立参数Kp、Ki、Kd同偏差绝对值和偏差变化绝对值间的关系即模糊控制规则表所表达的关系，输出量为PID参数的修正量ΔKp，ΔKi，ΔKd；
S3、确定论域及量化因子，具体包括以下步骤：
1)、将温度偏差输入语言变量设置为E，温度偏差变化率输入语音变量设置为EC，输出量为PID参数的增量ΔKp、ΔKi、ΔKd，形成一个两输入、三输出结构的模糊控制器；
2)、在温度控制和允许误差的范围内，确定偏差和变化率的论域、离散点和量化因子，并依据确定的论域、离散点和量化因子，选定一组与偏差和变化率论域、离散点和量化因子对应的ΔKp、ΔKi、ΔKd量化参数。
S4、选择输入输出变量的语言变量模糊集合。对于温度误差及温度误差变化率，在它们的论域上定义模糊子集为：PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZO(零)、NS(负)、NM(负中)、NB(负大)。控制参数输出量的模糊子集为PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZO(零)、NS(负)、NM(负中)、NB(负大)。
S5、利用隶属函数图求出温度偏差值e和温度偏差变化率ec在E和EC量化区间上的隶属度，E和EC分别是e和ec经过输入量化后的语言变量，并根据求得的隶属度进行参数规整，再根据所建立的模糊规则表进行相应的推理计算，得到对应PID三个参数的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊调整值；
模糊规则表的建立如下：当偏差较大时，为了加快***的响应速度，并防止因开始时偏差的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较大的Kp和较小的Kd。另外为防止积分饱和，避免***响应出现较大的超调，Ki值要小。当偏差较小时，为了使***具有较好的稳态性能，应增大Kp、Ki值，同时为避免输出响应在设定值附近振荡，以及考虑***的抗干扰能力，应适当选取Kd，其原则是当偏差变化率较小时，Kd取大一些，当偏差变化率较大时，取较小的Kd值。根据以上的原则，可以制定出7*7＝49条模糊规则，模糊规则表如表1～表3所示；
表1控制参数ΔKp的模糊控制表
Figure BDA0002297613000000051
表2控制参数ΔKi的模糊控制表
Figure BDA0002297613000000052
表3控制参数ΔKd的模糊控制表
Figure BDA0002297613000000053
S6、解模糊化处理，利用加权平均法将所求出的模糊值进行解模糊化处理，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的精确调整值，并根据调整算式对PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd进行不断地在线调整；解模糊化处理具体如下：
由模糊规则表推理得到的是ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值，还需要通过加权平均法(重心法)等方法进行解模糊化处理，得到精确调整值，并根据调整算式对PID控制的三个参数Kp、Ki、Kd实现不断地在线调整；
所述调整算式为：
Kp＝Kp0+ΔKp；
Ki＝Ki0+ΔKi；
Kd＝Kd0+ΔKd；
其中，式中Kp0、Ki0、Kd0是Kp、Ki、Kd的初始值。在本例中取Kp0＝0.04，Ki0＝0.003，Kd0＝1；
S7、预估补偿处理，如图4所示，将被控对象的传递函数分为线性部分和纯滞后部分，通过引入一个和被控对象并联的Smith预估补偿控制器，对纯滞后进行削弱和消除可等效看成把被控对象的纯滞后部分e-τs和其线性部分G0(s)分开，并移到闭环***之外，从根本上消除过程纯滞后的影响；
S8、在自调整模糊Smith-PID控制器的作用下，可编程控制器的PLC控制单元对数据进行处理，通过控制推料器和炉排，进而控制垃圾的进料量，从而实现对垃圾焚烧炉炉膛温度的控制。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自调整模糊Smith-PID温度控制***，其特征在于，包括自调整模糊Smith-PID控制器、可编程控制器（PLC）、温度控制执行装置和温度传感器；所述自调整模糊Smith-PID控制器是在PID控制器中引入模糊控制器和Simth预估补偿器；温度传感器与所述自调整模糊Smith-PID控制器连接；自调整模糊Smith-PID控制器与可编程控制器连接，可编程控制器的PLC控制单元对温度控制执行装置进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种自调整模糊Smith-PID温度控制***，其特征在于，所述可编程控制器为西门子57-200型PLC或西门子57-300型PLC，通过可编程控制器的信号输出模块将数字信号转换为电信号，直接对温度控制执行装置进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种自调整模糊Smith-PID温度控制***，其特征在于，所述温度控制执行装置包括推料器和炉排；当垃圾焚烧炉炉膛温度过高时，PLC控制单元控制推料器和炉排降低燃料垃圾进料量；当炉膛温度过低时，PLC控制单元控制推料器和炉排提高燃料垃圾进料量，从而使炉膛燃烧温度维持在设定的目标温度。
4.根据权利要求1所述的一种自调整模糊Smith-PID温度控制***，其特征在于，所述温度传感器测量出炉内三个不同的区域的实际温度，对三个不同区域的温度进行加权平均，获得炉中的平均温度；将采集到的温度变量数据输出送入所述自调整模糊Smith-PID控制器。
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CN110824908A (zh) * 2019-11-30 2020-02-21 华南理工大学 一种自调整模糊Smith-PID温度控制***及方法
CN114609901A (zh) * 2022-05-12 2022-06-10 浙江浩普环保工程有限公司 一种焚烧炉模糊自适应温度控制方法及***

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