模糊PID滑模控制器在鼓风机防喘振中的应用

王延年，葛家英

（西安工程大学电子信息学院，西安710000）

模糊PID滑模控制器在鼓风机防喘振中的应用

王延年，葛家英

（西安工程大学电子信息学院，西安710000）

鼓风机具有效率高、流量大、工况范围宽、安全可靠等优点，被大量应用于大、中型高炉，而压缩机机组能否充分发挥应有效率，控制程序完善与否是决定性因素。喘振是压缩机运行中的一种特殊现象，是压缩机的固有机械特性。经大量的事实研究发现，压缩机事故大部分是由喘振引起的。因此，研究防喘振是保证压缩机工作在正常安全工作状态的重中之重。经过研究发现，常规PID很难满足防喘振的需求，因此提出了一种改进的模糊PID算法，即滑模模糊PID算法。硬件方面以DSP作为控制平台，采用TI公司的TMS320F2812作为控制核心的防喘振控制器。通过调节防喘阀和放风阀使轴流压缩机工作在安全状态，杜绝喘振现象的发生。经过在工业现场的观测比对，证明了模糊PID滑模控制的控制效果优于常规PID。

喘振；比例积分微分控制；模糊控制；控制器；数字信号处理器；TMS320F2812芯片；算法

1 引 言

鼓风机具有效率高、送风特性好、运行稳定等优点，因此在我国的炼钢、炼铁行业应用巨大。喘振是压缩机固有的机械特性，其危害巨大。一旦压缩机发生喘振，造成的损失是无法估量的，所以在工业运行中，喘振是绝不能发生的，因此，防喘振研究是预防喘振发生的关键所在。

目前，工业上通常采取常规PID算法进行防喘振控制。经过研究，提出一种改进的PID算法——模糊PID滑模控制算法，改进算法不仅继承了PID算法的优点，而且融合了模糊控制与滑模控制的优点，使其兼容三种控制算法的优点于一身，在防喘振控制应用中发挥更好的作用。

滑模控制是一种特殊的变结构控制，本质上属于非线性控制，它具有响应速度快、鲁棒性强、且无需在线辨识、物理实现简单等优点［1］。

2 喘振的危害

在喘振过程中，气体在压缩机及管网之间产生周期性气流脉动，使机体和轴承振动幅度加大，给机组带来很大危害，主要体现在：

（1）机体严重振动可能引起静、动部件摩擦而损坏；

（2）气流脉动甚至共振，可能引起机组叶片断裂；

（3）气体倒流，可能引起机体内温度急剧上升，从而导致叶片与内缸损坏。

喘振发生的原因，一方面是由于压缩机工作在恶劣的工况条件下，另一方面是缺乏有效的防喘振控制系统。因此防喘振控制是保证压缩机正常运行和延长压缩机寿命的关键。

2.1 喘振产生的原理

在压缩机运行过程中，当排气侧的压力大而进气侧压力小且流量小的时候，排气侧被强力压缩的气体通过压缩机内部回流到进气侧，此时，压缩机排气侧的压力较低，而进气侧的气体又会因为压缩机的作用被压缩到排气侧使排气侧的压力增大，大于进气侧压力，如此循环往复，形成喘振。

2.2 防喘振控制系统采用的通常做法

在压缩机出口设置旁路防喘阀，通过设定防喘振线对工况点进行监控，通过控制电流调节防喘阀的开度对喘振进行调节。当工况点越过防喘振线时，控制系统发出指令使防喘阀打开，排出部分气体，减小压力。当喘振不可抑制时，打开防喘阀和放风阀，排出气体和压力。必要时，还要紧急停机。

2.3 采用的控制策略

常规PID控制原理简单、鲁棒性较强、动态和静态特性优良。但是常规PID是基于精确的数学模型进行控制，不具有参数在线整定功能，而现代工业系统大部分无法做出精确的数学模型，所以用常规PID进行控制难以获得良好的控制效果。

模糊控制，是采用由模糊数学语言描述的控制律（控制规则）来操纵系统工作的控制方式，不需要控制对象精确的数学模型和复杂情况，依据操作人员经验制定的控制规则即可构成。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表。

以往采用模糊PID控制算法的通常方法是不计误差e和误差变化率ec的大小，二者均经过模糊控制使其模糊化，然后得到模糊隶属函数再经PID输出进行控制，这在无形中增加了对喘振的响应时间，而且有可能造成调节过度。然而喘振发生的速度非常快，压缩机常常在喘振发生后的几秒钟内就已造成不可恢复的破坏，所以加快防喘振控制的响应速度是十分必要的。如果防喘振调节一旦出现调节过度，在压缩机恢复到最大工作效率期间，在系统生产中造成的能源损失甚至产出一些不合格的产品，这在化工行业中经常见到，尤其是一些需要通过控制燃烧率而得到可燃性气体的工厂，有时甚至可能造成爆炸，对工厂造成的损失都是十分巨大的，因此，选择合适的控制方案是必不可少的。

综合PID控制和模糊控制简单易用的特点，再结合滑模控制响应快速的特点，可以有效加快对喘振的控制作用。

3 模糊PID滑模控制器设计

模糊PID滑模控制器的工作流程：根据输入的偏差e和偏差变化率ec，判断偏差e和偏差变化率ec的所属范围，根据事先设定的滑模控制切换函数来判断当前情况采用哪种控制算法更合适，从而加快防喘振调节的响应速度和有效抑制调节过度。由此可以得到滑模控制器的结构图，如图1所示。

图1 模糊PID滑模控制器结构

3.1 模糊PID滑模控制

3.1.1 PID控制

PID控制是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，是目前工业上应用最广泛的控制。它的数学模型可以用式（1）表示：

其中：u（t）—控制器输出；

e（t）—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—控制器的比例系数；

KI—控制器的积分系数；

KD—控制器的微分系数。

比例系数KP的作用：加快系统响应速度，提高系统调节精度。当系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少误差。KP的值越大，系统的响应速度越快，但KP的值如果取得过大将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此KP的值不能取得过大；但是如果KP取值过小，则会降低调节精度，使系统的响应速度减慢，从而延长调节时间，使系统静、动态特性变差［2］。

积分系数KI的作用：消除系统的稳态误差。KI越大积分速度越快，系统的静态误差消除越快，但是KI的值如果过大，则系统在响应过程初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使系统的动态性能变差；但是KI过小则又会使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，过渡时间加长，不能尽快达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。

微分系数KD的作用：改善系统的动态特性，反映系统偏差信号的变化率并预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用，使系统的超调降低，增加系统稳定性。但KD的值不能取得过大，否则会使响应过程提前制动和延长系统调节时间，而且还会使系统的抗干扰性变差［3］。

根据上述PID各个参数的作用，可总结得到以下KP，KI，KD的整定规则：

（1）当偏差e较小时，控制器的比例和积分作用较小，其被控量的动态偏差亦大，在控制器中加大其微分作用可有效抑制其动态偏差，即增大KD；亦可适当减小KI和KP。

（2）当偏差e较大，为加快系统的响应速度，并避免微分过饱和，应选取较大的KP和较小的KD。同时为防止积分饱和，避免系统的响应出现较大超调，此时应取KI＝0。

（3）当偏差e和偏差变化率ec均为中等大小时，为使系统响应的超调减少，KI应取较小的值，同时，KP和KD值均不能取大，要大小适中，以确保系统的响应速度。

（4）当偏差e达到最大时，可适当增大KP和KI，使超调量回调。

（5）当偏差e逐步减小，即e和ec变化方向不一致，可适当减小KP和KI保证系统没有过大的超调量。

3.1.2 模糊控制

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［4］。

模糊控制建立的基础是模糊逻辑，它比传统的逻辑系统更接近人类的思维和语言表达方式，而且提供了对现实世界不精确或近似知识的获取方法。模糊控制的实质是将基于专家知识的控制策略转换为自动控制策略。它所依据的原理是模糊隐含概念和复合推理规则。经验证明，在一些复杂系统，特别是系统存在定性的、不精确和不确定信息的情况下，模糊控制的效果优于常规控制［5］。

模糊PID滑模控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。其模糊子集e，ec＝｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，模糊子集中的元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。

模糊控制规则采用的控制语句如下表示：

If A and B，then C.

根据工程技术人员的工作经验及PID参数的整定规则，得到针对KP，KI，KD的模糊控制规则表。

由此可得出表1所示的KP，KI，KD的模糊规则表［6］。

表1 KP/KI/KD的模糊规则表

3.1.3 模糊PID滑模控制器的切换函数设计

由图1，并结合PID控制和模糊控制的特点，对滑模控制的切换函数设计如式（2）所示：

式中，uPID表示的是PID控制，uFU表示的是模糊控制。

由此可得到切换函数α如式（3）所示：

式中，ea，eb为提前设定好的误差e的切换控制上下限。

由式（2）（3）可以得到如下规则：

①当0＜e＜ea时，控制器进行PID控制，相当于一个常规的PID控制器；

②当ea＜e＜eb时，控制器进行模糊PID复合控制，相当于一个模糊PID控制器；

③当e＞eb时，控制器进行模糊控制，相当于一个模糊控制器。

根据误差的不同，选择合适的控制规律，并使控制效果达到最优，可以有效减少上述情况的发生。

3.2 系统硬件平台设计

TMS320F2812是TI公司生产的一种高性能32位定点DSP芯片，其内部集成有ADC，且运算速度快。国内目前大多数防喘振控制系统都是基于PLC的平台系统。DSP相对于PLC，可以实现较复杂的算法。系统原理图如图2所示。

图2 系统原理图

控制器的设计采用TMS320F2812作为控制器核心，以压力和流量作为控制变量，以4－20mA电流作为控制信号。4－20mA电流作为控制信号，具有强大的抗干扰能力［6］。压力变送器和流量变送器将采集到的信号转换成相应的电流信号，得到的电流信号经过I/V转换器转换为0－3V的电压信号，送给DSP，经过DSP分析后产生相应的信号。经过D/A转换器转换为相应的电压信号，再通过XTR110将电压信号转换为4－20mA的电流信号去控制防喘振阀的开度［7］。XTR110是美国Burr－Brown公司推出的精密电压/电流变换器，是专为模拟信号传输所设计的，可用于将0－10V的输入电压转换成4－20mA或其他常用范围的输出电流。防喘阀采用“气关型”的，其原理是：当控制信号最大（20mA）时防喘阀全关，当控制信号最小（4mA）时防喘阀全开。

3.3 软件控制流程

控制器工作原理：

通过压力变送器和流量变送器采集到的信号经过I/V转换发送给CPU，CPU经过分析后产生相应的信号判断是否进行防喘振控制，如需进行防喘振控制，则根据当前偏差和偏差的变化率选择最优的控制方案，否则CPU等待下一时刻采集信号的到来，再次进行判断［8］。如图3所示为模糊PID滑模控制器的工作流程图。

3.4 控制效果对比

瑞士苏尔寿风机在我国现行的风机系统中处于性能和技术绝对领先地位，它具有结构精密、效率高、送风特性好、运行稳定等优点［9］。以瑞士苏尔寿AV63－12型轴流高炉鼓风机为例，数据源自某钢厂2＃风机控制器采集的数据。表2为不同静叶角度下工况点越过防喘振线时PID与SFPID所测得的最大排气压力（MPa）与防喘振线排气压力的比较。表3为在不同静叶角度下发生喘振时超调量（%）的对比。表4为在不同静叶角度下发生喘振时调节时间（s）的对比。表2，表3，表4中所示的SFPID表示的是滑模模糊PID控制方法。

图3 模糊PID滑模控制器工作流程图

表2 在不同静叶角度下最大排气压力（MPa）与防喘振线的排气压力比较

表3 在不同静叶角度下发生喘振时超调量（%）的对比

表4 在不同静叶角度下发生喘振时调节时间（s）的对比

通过表2，表3，表4的对比，可以发现，无论是在控制超调量还是在调节时间上，滑模模糊PID控制的控制效果均优于常规PID，因此滑模模糊PID在控制效果上较常规PID更优。

4 结束语

滑模模糊PID控制兼具PID控制及模糊控制的优点，又结合了滑模控制响应速度快的优点，弥补了常规控制方法不能选择最佳控制方案及响应速度慢的缺点。滑模模糊PID具有良好的动态特性，且响应速度快，具有良好的鲁棒性，很适合具有非线性，时变，强干扰的系统。

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Application of Fuzzy PID Sliding Mode Controller in the Surge of Blower

Wang Yannian，Ge Jiaying
（Electronical Information College，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710000，China）

Blowers，applied to large and medium blast furnace，has advantages of high efficiency，high flow，wide working scale，safety and reliability and so on.The compressors＇efficiency relies on the control procedure.The surge，as an inherantmechanical property and specific state of compressors＇working condition，is the reason ofmost of the compressors＇accidents.Therefore，studying surge－resistant control is important to ensure the working condition of compressors.According to the study，normal PID is hard to satisfy the demand of antisurge，so a controller，based on fuzzy PID sliding mode control algorithm in software and DSP control platform in hardware，is put forward in this paper.The DSP chip uses TMS320F2812 of TI.Itmakes the compressorwork at the safeworking condition via adjusting antisurge valve and snorting valve to resist the surge of compressors.Bymeans of application at the industrial field，the control effect of fuzzy PID slidingmode control algorithm is better than PID.

Surge；PID control；Fuzzy control；Controller；Digital signal processor；TMS30F2812 chip；Algorithm

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.021

TP273

A

1002－2279（2015）06－0077－05

王延年（1963－），男，吉林省长春市人，教授，主研方向：工业控制信息系统。

葛家英（1989－），男，河南省洛阳市人，硕士研究生，主研方向：工业控制信息系统。

2015－03－27