自适应模糊PID控制在轴封压力控制系统中的应用

包伟飞

（浙能乐清发电有限公司，浙江 乐清 325600）

自适应模糊PID控制在轴封压力控制系统中的应用

包伟飞

（浙能乐清发电有限公司，浙江 乐清 325600）

为了保证汽轮机安全、经济运行，必须控制轴封压力大小在规定值。针对轴封系统压力动态特性存在大延迟、大惯性、非线性的特点，提出了将模糊控制和PID控制相结合的策略，设计了轴封压力模糊PID控制。仿真试验表明模糊PID控制具有较强的鲁棒性及良好的控制品质。

轴封压力；模糊控制；PID控制；动态仿真

轴封系统的功能是在转子穿出汽缸处，防止高压蒸汽由汽缸泄漏出来或空气漏进汽缸，以提高机组热效率。轴封压力自动调节系统的任务是保证轴封压力在规定的范围值。当轴封压力波动较大时会导致自动退出，自动撤出后影响压力调节质量，压力控制不稳导致轴封系统自密封效果不好。压力过高，将使油进水，影响机组安全；压力偏低，影响凝汽器真空，进而影响排气压力，据调查排气压力每降低1 kPa，机组的热耗率相对变化率减少1%［1］。对于660 MW机组，按照机组年平均运行7 000 h，多发电4 620万kWh，按照0.25元／kWh计算，则每年获利1 155万元。

目前机组轴封压力控制系统普遍采用PID进行调节，而轴封系统存在大滞后、非线性等特点［2］，难以准确控制，使得系统的稳定性和控制品质明显下降。当前的PID策略不能迅速跟踪变化，难以做到长期、稳定投入自动运行［3］。本文采用模糊控制智能算法对传统的PID控制策略进行优化。模糊控制作为人工智能技术，具有较强的鲁棒性、自适应性，自动调整参数，利用隶属度函数对输入变量模糊化，结合模糊理论控制输出，使其面对压力的变化能自适应快速调整参数，适合于类似压力较复杂的控制系统［4］，能对扰动快速作出反应，结合PID技术，系统具有良好的动态性能和稳态精度。

1 轴封压力动态特性

轴封压力调节系统，主要依靠轴封供汽调整门和放汽调整门对压力进行控制。在有扰动的情况下，存在阀门动作滞后、调节压力波动大等特点，其动态特性复杂，难以建立精确的数学模型［5］。

在扰动的情况下，轴封压力的动态特性可以近似表示为

式中：K为扰动时被控对象的增益系数；T为系统的时间常数；τ为系统的滞后时间。

2 模糊智能PID设计

PID技术广泛应用于现代工业控制中［6－7］，其主要有两种结构：开环系统和闭环系统。闭环控制系统具有更高的精度和稳定性（见图1）。对于一个闭环控制系统，利用偏差减小偏差。

PID数学模型为

图1 PID控制结构图

自适应模糊PID技术实质上就是不断对PID参数KP，KI，KD进行优化的过程［8－9］。应用模糊集合理论，利用专家知识建立模糊规则，建立Kp，KI，KD同偏差E、偏差变化率EC间的函数关系：

根据误差E和误差的变化率EC实时计算出ΔKP，ΔKI，ΔKD，从而实现PID参数自校正，以满足不同E、EC对控制系统的要求。

模糊PID参数自整定控制结构如图2。

图2 自适应模糊PID控制原理

2.1 模糊PID参数整定方法

a.当系统偏差较大时，为了减少调节时间，尽快消除偏差，可以设置较大的比例参数KP和较大的积分参数KI。当偏差与偏差变化率的方向相反时，为了尽快消除误差和减小振荡，可以将微分参数设置稍大一些；反之，则KD设置较小。

b.当给定值与反馈值的偏差E适中时，设置过大的KP和KI容易导致系统超调和震荡，因此，不宜设置过大。如果此时E×EC＜0，相应的微分参数KD可以设置稍大；反之，则适中。

c.当系统偏差E较小或为零时，为缩短系统的调节时间，KP的取值应适中，KI要取小。若E× EC＜0，KP的取值应偏小，反之，KP的取值应适中。

2.2 模糊控制器设计

对于一个模糊控制器，首先通过模糊接口将输入变量进行模糊化才能利用模糊理论控制输出。本系统的输入变量为e、ec，根据系统实际情况论域设为［－3，3］，隶属度函数采用三角形函数，定义模糊子集形式为：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。针对本控制系统的变量特点，我们将模糊控制的输出变量ΔKP，ΔKI，ΔKD的论域设置为［－3，3］，根据以上参数调整的原则设计模糊控制器，得到ΔKP，ΔKI和ΔKD的模糊控制规则表，见表1、表2、表3，其中表中项别横向为e，纵向为ec。

表1 KP整定fuzzy规则集

表2 KI整定fuzzy规则集

表3 KD整定fuzzy规则集

模糊控制器的推理方法为Mamdani的“取大－取小”方法，利用重心法解模糊。

3 仿真研究

为了验证本文提出的模糊自适应PID控制策略的优越性，通过模拟某一时刻轴封控制系统的动态模型进行试验分析。假设某一工况下，被控对象的模型为

利用Matlab软件进行编程，在Simulink环境进行仿真，为了方便对比控制效果，将模糊控制的结果与PID控制器的输出画在一起，如图3所示，绿色线代表PID控制，蓝色线代表模糊PID控制。在PID控制中KP＝8，KI＝3，KD＝4。

图3 模糊PID与PID控制输出响应

通过图3，可以清晰的看出模糊PID控制（蓝色线）输出的效果要优于PID控制，能够快速响应系统变化，即调整时间短，而且在控制稳定性方面，过渡时间也明显缩短，超调量明显变小，振荡现象得到有效控制。因此，模糊PID控制能更有效处理轴封压力控制系统这种具有滞后的灰色系统。Fuzzy PID控制将大大减小轴封压力波动，从而提高轴封压力投自动效果，具有一定的可行性。

当轴封系统受到扰动后，压力对象特性发生改变，模糊规则重新整定得出一组参数，以适应控制的需要。被控对象的模型变为

图4 模糊PID与PID控制输出响应

对系统进行仿真，如图4所示，绿色线代表PID控制，蓝色线代表模糊PID控制。

图4中可以看到，由于被控对象特性发生了很大变化，传统PID控制器响应速度慢，超调量大，但是控制系统仍然保持稳定，而模糊自适应控制器仍保持着良好的控制效果，表明其具有更好的鲁棒性和适应性。

4 结束语

研究表明，本文采用的方法具有较好的控制效果。模糊智能技术克服了传统PID技术在参数设置方面缺少自适应性的缺点，而模糊PID控制具有较快的动态响应速度和较小的超调量，对于轴封压力这种具有大延迟、大惯性系统，采用模糊PID控制能得到较好的控制效果，为电厂的智能控制提供了一种有效方法。

［1］ 陈明淑，贠卫国.模糊自适应PID控制在循环流化床锅炉主蒸汽压力中的应用［J］.工业控制计算机，2013，22（9）：123－127.

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［3］ 冯晓露.模糊控制在电厂大迟延控制系统中的应用［J］.热力发电，2003，32（7）：65－67.

［4］ 陈奇福，吴 敏，安剑奇.模糊PID控制在高炉炉顶压力控制系统中的应用［J］.冶金自动化，2010，33（3）：152－158.

［5］ 齐京礼，边永青，郑伟平.基于自适应模糊PID控制器的温度控制系统［J］.微计算机信息，2008，24（9）：74－76.

［6］ 孙小辉，李维嘉，曹和云.基于模糊PID的压力筒动态保压系统［J］.中国舰船研究，2014，12（9）：63－67.

［7］ 贾晓梅.一种新的PID参数自整定算法在火电厂的应用［J］.东北电力技术，2005，26（11）：26－28.

［8］ 马 阳，李玉杰.基于Fuzzy自整定PID的主汽温度控制系统设计与仿真［J］.东北电力技术，2011，32（3）：15－16.

［9］ 李建军，姜东娇，马志杰.模糊PID控制在主汽温控制系统中的应用［J］.东北电力技术，2008，29（10）：9－11.

Seal Pressure Control System Based on Self⁃adaptive Fuzzy PID Controller

BAO Wei⁃fei
（Zhejiang Energy Queqing Power Generation Co.，Ltd.，Yueqin，Zhejiang 325600，China）

Both the high and the low of turbine shaft seal pressure would affect turbine work concerning the safe and economy opera⁃tion.According to the characteristics of nonlinearity，large delay and time⁃varying of seal pressure control system，a strategy fuzzy con⁃trol combination of PID control is proposed，Seal Pressure Control fuzzy based on PID control has been designed.Results show the fuzzy PID control has good robustness and effectiveness.

Seal pressure；Fuzzy control；PID control；Dynamic simulation

TP273＋.4

A

1004－7913（2015）02－0060－03

包伟飞（1982—），男，学士，助理工程师，现从事火电厂热工控制维护工作。

2014－11－28）