模糊控制技術(shù)在換熱器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

                              模糊控制技術(shù)在換熱器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

                                       梅國梁 　韓厚德

                             (上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海　200135)

    摘要:文章分析了換熱器的控制形式,并將模糊控制技術(shù)引入到換熱器進出口水溫的控制.根據(jù)基本模糊控制器的結(jié)構(gòu)、原理,設(shè)計了模糊控制器的主要環(huán)節(jié),基于MATLAB下對模糊 控制和PID控制進行了模擬對比,結(jié)果表明,模糊控制動、靜態(tài)性能,控制規(guī)則簡便,適應(yīng)性強, 能更有效快捷的控制換熱器進出口水溫.

    關(guān)鍵詞:換熱器;模糊控制; PID控制;仿真

    中圖分類號:TP273+.4　文獻標(biāo)識碼:A　文章編號:1005-8354(2009)01-0022-05

    0　前言

    換熱器是一種用來進行熱量交換的工藝設(shè)備,在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛.它的作用是通過熱流體來加熱冷流體,使工作介質(zhì)達到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的溫度要求,以利于生產(chǎn)過程的順利進行,同時避免生產(chǎn)過 程中能量的浪費,以節(jié)約能源[1,2].

    換熱系統(tǒng)中,生產(chǎn)過程需要對換熱系統(tǒng)的一些參 數(shù)進行控制,其中,換熱器出口介質(zhì)的溫度是最為主要、最為常見的控制對象,也是關(guān)系工藝產(chǎn)品質(zhì)量的 重要因素之一.目前,對溫度的控制大都采用傳統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié)器.但是,由于換熱系統(tǒng)這種被控對象具有 純滯后、大慣性的特點,而且整個控制過程與環(huán)境條件及換熱系統(tǒng)本身等因素密切相關(guān),是一個典型的強 耦合、參數(shù)時變的非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)的PID控制往往 不能滿足其靜態(tài)、動態(tài)特性的要求,因此,采用一種先進的控制方法成為換熱器研究的一個熱門話題[3].

    1　換熱器運行控制的現(xiàn)狀

    目前,換熱器控制中大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的PID控制,以加熱介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng),對于存在 大的負(fù)荷干擾且對于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合, 多采用加入負(fù)荷干擾的前饋控制構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng).

    在生產(chǎn)過程自動化控制的發(fā)展過程中, PID控制 是歷史最久、生命力最強的基本控制方法.它具有原 理和結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、適應(yīng)性強、魯棒性也較強等優(yōu)點.根據(jù)控制對象的不同,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID參數(shù),可以獲得比較滿意的控制效果.然而, PID控制算法有它的局限性和不足:在對PID參數(shù)進行整定的過程中,參數(shù)的整定是具有一定局限性的優(yōu)化值,而不是全局性的最優(yōu)值,無法從根本上解決動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài) 精度的矛盾.

    事實上,雖然現(xiàn)在許多換熱器的控制系統(tǒng)上也多 裝有控制柜,實現(xiàn)溫度的自動控制,但由于大多沿用 的是傳統(tǒng)的PID控制,從工程實際的運行狀況來看, 控制效果都不是十分理想.主要是因為,常規(guī)的PID 控制器對這種大慣性、時間滯后、非線性的系統(tǒng)的適應(yīng)性差、控制精度低,不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量而且往往造成能源浪費,難以保證理想的控制效果.因此,尋找一 種更優(yōu)的控制方法對于提高控制品質(zhì)、節(jié)約能源具有重要意義.

    2　換熱器的數(shù)學(xué)描述

    在工業(yè)生產(chǎn)中,生產(chǎn)負(fù)荷常常是在一定范圍內(nèi)不 斷變化的,由此決定了傳熱設(shè)備的運行工況必須不斷 調(diào)節(jié)以與生產(chǎn)負(fù)荷變化相適應(yīng).以逆流、單程、殼管式換熱器為例,假定換熱過程中的熱損失可忽略不計, 則有:

    1)熱平衡方程式

    當(dāng)不考慮熱損失時,熱流體放出的熱量應(yīng)該等于 冷流體吸收的熱量,則有:

    q =G2C2(t20-t21) =G1C1(t11-t10)

    式中,G1,G2表示冷、熱流體的重量流量,kg/h; C1,C2表示冷、熱流體在進出口溫度范圍的平均比 熱,kJ/(kg·℃); t10, t20表示冷、熱流體進入換熱器的 溫度,℃; t11, t21表示冷、熱流體出換熱器的溫度,℃;

    2)傳熱速率方程式

    熱量的傳遞方向總是由高溫物體傳向低溫物體, 兩物體之間的溫差是傳熱的推動力,溫差越大,傳熱速率亦越大.傳熱速率方程式是:

                  

    在大多數(shù)情況下,如果不是用于設(shè)備的設(shè)計,而 只是為了表示變量之間關(guān)系,那么算術(shù)平均溫差就足

                  

    分析上式可知,換熱器對象的放大系數(shù)存在嚴(yán)重飽和非線性,即在工藝介質(zhì)流量大時,加熱工藝介質(zhì)達到規(guī)定溫度所需的蒸汽流量必然隨之增大,則上式 計算出的放大系數(shù)K減小.對于決定換熱器動態(tài)響應(yīng)的特性參數(shù),機理分析和工程實踐都表明,換熱系統(tǒng)是一種大慣性、大時變、非線性的很難建立數(shù)學(xué)模型 的復(fù)雜系統(tǒng).

    3　被控參量的選擇

    影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多,但并非對所有影響因素都要進行控制.被控參數(shù)是一個輸出參數(shù),應(yīng)為獨立變量,與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)關(guān)系.對于換熱器過程控制系統(tǒng),人們最關(guān)心的是對換 熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào) 節(jié),而在這兩項當(dāng)中,溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位.因 為出口水溫直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性, 即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù).加熱器出口水的溫度不但與蒸汽的流量、溫度、壓力有關(guān),而且 與冷流體的流量、入口溫度等均有關(guān)系.對于存在大 的負(fù)荷干擾且對控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合,則多采用加入負(fù)荷干擾的前饋控制,這也是目前蒸汽加熱 換熱器的通?？刂品桨?如圖1所示.

                     

    圖1所示,其被控制量為熱流體出口溫度,控制 量是蒸汽流量.如果出口水溫度比期望的溫度值低, 就要加大蒸汽流量;如果出口水溫度比期望的溫度值 要高,就要減少蒸汽流量.如果出口水溫度正好等于 期望的溫度值,蒸汽流量就可以保持不變.

    換熱器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2所示,輸出量為被控參數(shù),傳感器把它測回到輸入端,與給定值比較,在由控制器指導(dǎo)執(zhí)行器對被控參數(shù)進行操作.

                       

    為實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié),首先要用溫度測量元件(包括感溫元件)把溫度參數(shù)測量出來,然后將測得的數(shù)值轉(zhuǎn)換成可發(fā)送的信號送到溫度調(diào)節(jié)的比較元件中去和溫度的設(shè)定值進行比較.溫度的設(shè)定值通過調(diào)節(jié)器的給定元件給出,即給定值.比較的結(jié)果,即溫度值的給定值與實測值之間的差值,即偏差值.這個偏差值在調(diào)節(jié)器中經(jīng)過某些運算和放大處理后,再由調(diào)節(jié)器將處理結(jié)果送到執(zhí)行機構(gòu)去控制閥門的開度, 從而調(diào)節(jié)流量的變化,使得換熱器出口的溫度調(diào)整到設(shè)定值.

    4　模糊控制在換熱器控制中的運用[4,5]

    在過去20年中,模糊控制器(Fuzzy Controllers) 和模糊控制系統(tǒng)是智能控制一個十分活躍的應(yīng)用研 究領(lǐng)域.自20世紀(jì)60年代模糊控制誕生以來,從2 世紀(jì)70年代中期開始,模糊控制在溫度控制中得到 了廣泛的應(yīng)用.

    模糊控制是以Fuzzy集合論、Fuzzy語言變量及 Fuzzy邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機自動控制,即通 過模糊邏輯和近似推理方法,把人的經(jīng)驗形式化、模 型化,變成計算機可以接受的控制模型,讓計算機代 替人來進行有效的實時控制.為實現(xiàn)模糊控制,語言變量的概念可作為描述手動控制策略的基礎(chǔ),并在此 基礎(chǔ)上發(fā)展為一種新型的控制器—模糊控制器.從線 性和非線性控制的角度分類,模糊控制是一種非線性控制,同時,它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗與策略,所以,從控制器的智能性看,也屬于智能控制的范疇,是一種十分適合于工業(yè)生產(chǎn)過程和大系統(tǒng)控制的方法,對象越模糊,這種控制方法就越能反映出比其它控制方法的優(yōu)越性,它已經(jīng)成為目前智能控制的一種重要和有效的形式.

    4.1　模糊控制的原理

    模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式,因此,模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng),其系統(tǒng)框圖如3所示.

                    

    由圖3可知,模糊控制系統(tǒng)分為5個組成部分: 1 模糊控制器;2輸入輸出接口; 3執(zhí)行機構(gòu); 4被控對象;5傳感器.其中模糊控制的核心部分為模糊控制 器,如圖4所示.

                      

    模糊控制器反映人們在控制被控過程時,不斷將 觀測到的過程輸出量(確切量)轉(zhuǎn)化為Fuzzy量,經(jīng)過大腦的思維和邏輯推理取得Fuzzy判決后,再將其轉(zhuǎn) 化為確切量以實現(xiàn)手動控制的整個過程.模糊控制器可劃分為模糊輸入接口,模糊推理判決機構(gòu)和模糊輸 出接口三大部分.模糊輸入接口的功能是實現(xiàn)精確量 的模糊化,即將偏差和偏差變化率的精確值轉(zhuǎn)化為模 糊量,以便進行模糊推理和決策.模糊推理決策機構(gòu) 的主要功能是模仿人的思維特征,根據(jù)總結(jié)人工控制 策略取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理,并決策出模 糊輸出控制量.模糊輸出接口的主要功能是對經(jīng)模糊 推理決策后得到的模糊控制量進行模糊判決,把輸出 模糊量轉(zhuǎn)化為精確的控制量施于被控對象.

    4.2　模糊控制器設(shè)計

    由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)操作人員的 控制經(jīng)驗取得的,模糊控制器的作用就是模仿人工控 制,而用人工控制某一生產(chǎn)過程時,一般操作人員只 能觀察到被控對象的輸出變量的變化率,或者觀察到 輸出變量和輸出變量的總和這兩個狀態(tài),再憑借經(jīng) 驗,就可以對其生產(chǎn)過程進行控制.固此在常規(guī)模糊 控制器中,多數(shù)是選取偏差值以及偏差變化率或偏差 的積分作為它的輸入變量,而把控制量作為模糊控制 器的輸出變量.這樣就確定了常規(guī)模糊控制器的基本 結(jié)構(gòu),如圖5所示.圖中,Ke、Kec為量化因子,KU為比 例因子;e為誤差, ec為誤差變化率,u為控制量的語言變量.模糊控制器的應(yīng)用領(lǐng)域雖然十分廣泛,但實 際在過程控制的應(yīng)用方面差不多都是采用這種常規(guī) 的二維模糊控制結(jié)構(gòu).

                                  

    4.3　模糊化過程

    把精確量(數(shù)字量)轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化、或稱為模糊量化.把模糊控制器的輸入變量 (在本文中為溫度)的偏差e、偏差變化率ec的實際數(shù) 值的變化范圍稱為這些變量的基本論域,顯然基本論 域內(nèi)的量為精確量.設(shè)誤差的基本論域為[-Xe Xe],誤差變化的基本論域為[-Xc, Xc],被控對象實 際所要求的控制量的變化范圍,稱為模糊控制器輸出變量(控制量)的基本論域,設(shè)為[-Yu, Yu].控制量 的基本論域內(nèi)的量也是精確量.

    設(shè)誤差變量所取的模糊子集的論域為: {-n,- n+1,…,0,…, n-1, n};

    誤差變量變化率所取的模糊子集的論域為: {- m,-m+1,…,0,…, m-1, m};

    控制量所取的模糊子集的論域為: {-L,-L+ 1,…,0,…, L-1, L};

一般選誤差論域n≥6,誤差變化論域m≥6,控 制量論域L≥7.這是因為在實際控制過程中,經(jīng)常把 一個物理量劃分成“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、 “正小”、“正中”、“正大”這七級,分別用英文字母音 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB表示(即輸入語言變量 E, EC和輸出語言變量U的模糊子集為{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}),這樣能滿足模糊集論域中所 含的元素個數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的兩倍以上,從而 確保諸模糊集能較好地覆蓋論域,避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象.

     4.4　模糊化方法

     將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化.每一個語言變量的語言值都對應(yīng)一個模糊集,要確定這些模糊子集的隸屬度函數(shù),才可進行模糊化這一步.模糊化就是把輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù),找出相應(yīng)的隸屬度的過程.本文是將精確量離散化,如把在[-6, +6]之間變化的連續(xù)量分為 七個檔次,每個檔次對應(yīng)一個模糊集,這樣處理使模 糊化過程簡單.如下表1所示,在[-6, +6]區(qū)間的 離散化了的精確量與表示模糊語言的模糊量建立了 關(guān)系,這樣就可以將[-6, +6]之間的任意的精確量用模糊量Y來表示,如表1.



    4.5　模糊控制器的控制規(guī)則[6]

    模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略,而 手動控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、試驗以及長期經(jīng)驗 積累而逐漸形成的,存儲在操作者頭腦中的一種技術(shù) 知識集合.手動控制作用同自動控制系統(tǒng)中的控制器 的作用基本相同,所不同的是手動控制決策是基于操 作系統(tǒng)經(jīng)驗和技術(shù)知識,而控制器的控制決策是基于 某種控制算法的數(shù)值運算.利用模糊集合理論和語言 變量的概念,可以把利用語言歸納的手動控制策略上 升為數(shù)值運算,于是可以利用計算機完成這個任務(wù)以 代替手動控制,從而實現(xiàn)模糊自動控制.模糊控制是 一種智能控制,控制規(guī)則是對人類行為和決策分析過 程最自然的描述方式,基于手動控制策略的模糊控制 規(guī)則可以用條件語句“IF……THEN……”的形式加以 描述,它建立了前件中的狀態(tài)變量和后件中的控制變 量之間的聯(lián)系.

    設(shè)溫度的誤差為E,溫度誤差的變化為EC,熱水 流量的變化為U,假定選取E及EC的語言變量的詞 集均為: {NB, NM, NS, NO, PO, PS, PM, PB }選取 U的語言變量詞集為: {NB, NM, NS, O, PS, PM, PB }分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正 大.現(xiàn)將操作者在操作過程中遇到的各種可能出現(xiàn)的 情況和相應(yīng)控制策略繪制成表2.

                    

    首先考慮誤差為負(fù)的情況,當(dāng)誤差為負(fù)大的時候,若當(dāng)誤差變化為負(fù),這時誤差有增大的趨勢,為盡快消除己有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大,所以控制量的變化取正大.當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正時,系統(tǒng) 本身己有減少誤差的趨勢,所以為盡快消除誤差且又 不超調(diào),應(yīng)取較小的控制量.若誤差變化為正大或正中時,控制量不宜增大,否則造成超調(diào)會產(chǎn)生正誤差, 因此這時控制量變化取為0等級.當(dāng)誤差為負(fù)小時, 系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài),若誤差變化為負(fù),選取控制量變化為 正中以抑制誤差往負(fù)方向變化;若誤差變化為正,系 統(tǒng)本身有趨勢消除負(fù)小的誤差,選取控制量變化為正小即可.

    上述選取控制量變化的原則是:當(dāng)誤差大或較大時,選擇控制量以盡快消除誤差為主,而當(dāng)誤差小或 較小時,選擇控制量要注意防止超調(diào),以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點.

    4.6　仿真比較

    本文在基于MATLAB下對兩種控制系統(tǒng)進行了仿真比較,控制過程的輸出曲線如圖6所示.

    從上面的仿真結(jié)果可以看出, PID控制響應(yīng)速度快、超調(diào)量大、震蕩周期多、穩(wěn)定時間長,而且當(dāng)被控對象參數(shù)發(fā)生大的變化時,控制品質(zhì)明顯變差,抗干擾能力和魯棒性均較差.模糊控制無超調(diào)、調(diào)節(jié)時間短、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能好、無穩(wěn)態(tài)誤差.當(dāng)被控對象參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變化時,從其超調(diào)量、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、控制精度等方面來看,控制品質(zhì)明顯優(yōu)于PID控制,具有較強的抗干擾能力和很好的魯棒性,有很好的控制效果.

                      

    5　結(jié)論

    將模糊控制用于換熱器的出口水溫控制,經(jīng)計算機仿真試驗表明:模糊控制系統(tǒng)在抑制超調(diào)、加速響應(yīng)、消除穩(wěn)態(tài)誤差、減少震蕩周期等方面都得到了提 高,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性、魯棒性能均優(yōu)于常規(guī) PID控制,能很好地滿足系統(tǒng)控制性能的要求.而且, 這種控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、待整定參數(shù)少、控制規(guī)則 簡便、易實現(xiàn)、調(diào)試方便、適應(yīng)性強等特點,在換熱器 出口溫度控制中是一種很好的控制方法.

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