高炉鼓风机防喘振模糊PID控制算法

2 模糊PID控制高炉鼓风机防喘振
2．1 模糊PID算法
常规PID控制器以其成熟的技术在工业控制得到广泛的应用，典型常规PID只能利用一组固定的参数进行控制，不能兼顾动态和静态性能，鲁棒性差，对非线性，时变参数等系统难以获得控制效果。简单模糊控制器将采样时所获得的误差及误差变化信号，根据其模糊化结果查询模糊控制表，转换为精确量后，直接作用于被控对象，极易在平衡点附近产生小振幅振荡，使整个控制系统不能拥有良好的动态品质差。模糊PID控制克服了常规PID控制和简单模糊控制的缺点。模糊PID控制实质就是模糊控制技术与PID控制结合在一起。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，作为智能控制的一个重要分支，在控制领域获得了广泛应用。模糊控制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表，模糊控制规则表是根据专家或者操作者的手动控制经验总结出来的一系列控制规则。
常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy积分控制作用，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，构成Fuzzy-PI(或PID)复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。模糊控制和PID控制结合的形式有多种：
1)模糊-PID复合控制
控制策略是：在大偏差范围内，即偏差e在某个阈值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即e落到阈值之内时转换成PID(或PI)控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为Fuzzy-PI双模控制。
2)比例-模糊-PI控制
当偏差e大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差e减小到阈值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。故在接近稳态点时切换成PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，(这时绝对误差实际上并不一定为零)切换至PI控制。
3)模糊一积分混合控制
将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。
4)参数模糊自整定PID控制
PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其实现思想是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小。
2．2 高炉鼓风机防喘振模糊PID控制
PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。PID控制器的数学模型可以用下式表示：

其中：u(t)一控制器的输出
e(t)一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。
Kp一控制器的比例系数。
Ti一控制器的积分时间。
Td一控制器的微分时间。
利用模糊控制原理和常规PID控制结合在一起，通过知识库输出调整PID的参数值，以达到最佳的控制效果。根据鼓风机对象特性和模糊控制设计规则，并规则好的调整方法及调整参数存储起来。通过对系统偏差△E(k)和系统输出的识别，以了解被控制对象过程动态特性的变换，在线调整P、I、D 3个参数，使鼓风机调节在防喘振工作区域。它是一种基于启发式规则推理的自适应技术，其目的就是为了处理过程中出现的不确定性。如图2所示。