基于模糊PID的锅炉液位控制系统设计

任秋怡，刘景霞

（内蒙古科技大学，内蒙古自治区 包头 014000）

锅炉作为一种重要的能量转化装置，它可以为工业生产和家庭取暖等生产制造服务。“十二五”中所提出的节能环保目标，其自动化控制水平低、能耗高、污染严重。随着社会的发展和人们的物质生活质量的提高，人们对能量的要求越来越高，同时锅炉的数目也越来越多。锅炉的工作品质对能耗的利用有很大的影响。通过对各关键控制指标的自动调节，确保其在最佳状态下的连续工作，实现了对机组的实时监控。

采用计算机进行锅炉的控制已经被证实是一种有效的能源节约方法，而且采用计算机进行锅炉的操作也可以减少环境污染，降低氧化燃烧率，提高自动化水平，提高工人的工作环境。通过对各关键控制指标的自动调节，确保其在最佳状态下的连续工作，实现了对机组的实时监控。

1 锅炉液位模糊控制系统的基本结构

模糊控制系统可以大致分成五大类：①模糊控制器：模糊控制的核心部分。一般采用微型计算机，可按系统要求选择系统机、单板或单片机。在模糊控制中，运用了以知识表达和规则逻辑为基础的基于言语的控制器，以区别其他的控制方式。②输入/输出接口装置：该模糊控制器从该控制物体获得数字信号的数量，该数字信号由该模糊控制器的数字-模拟变换成该模拟信号，该控制目标由该控制对象向该执法机构发送。③执行机构：由各类交直流电动机、伺服马达、步进马达、气动控制阀、液压机构等组成。④被控对象：指生产、自然、社会组织等的一种设备或装置，及其组合或状态的转化。可以有很多种情形：线性或非线性，恒定或时变，单变量或多变量，延迟或非延迟，强干扰。⑤传感器：一种将被控制的物体或各个处理的控制的数量转变成电子讯号（或模拟或数码）的设备。控制量一般为非电性的，例如温度，压力，流量，浓度，湿度等。

2 锅炉液位模糊PID控制系统设计

2.1 模糊控制系统设计

模糊控制器是以人的控制体验为控制对象，以模糊集合、模糊语言变量、模糊逻辑等为控制方法，以计算机数字化技术来完成。

将人的经历用一种有模糊的条件表达出来，用一种模糊集的方法对其进行定量，并利用模糊逻辑来实现对其进行实时分析。生成对应的控制决定，即模糊控制器的工作流程。

其基本结构如下图1所示：

图1 模糊控制器的基本结构

从图中可以看到，模糊控制包括模糊、知识库、模糊推理和解模糊四大模块。

下面对其分别详细说明：

（1）模糊化。模糊性是指在输入E与EC中基于输入变量的模糊子集中的从属关系，即在每一种语言中，为的是把准确的输入“模糊”为其他的语言数值。由于模糊控制器的输入信号要具有一定的含糊性，因此可以作为模糊控制器的输入界面。

（2）知识库。知识库是模糊控制器中一个非常关键的环节，是建立在有一定技术基础上的，有一定的实践知识，有一定的控制目的。一般包含：根据资料库及管制法则进行组态。数据库中包含了全部需要的定义，其中包含了全部的输入和输出的论域的定义，并且将在该论域中所限定的规则库中的所有的模糊子集都保存在该资料库中。在进行模糊逻辑推理时，由数据库将所需资料输入到推理引擎中。在模糊性和解模糊性界面被模糊性和解模糊性时，资料库也会为这个对话的领域所需要的资料。

模糊控制原则是以人为操纵者多年的控制经验为基础，结合本领域的专业知识为基础，建立了控制目标的知识模式。在模糊控制器的设计中，模糊控制原则是关键。一般采用经验总结的方式来构建模糊控制律。经验总结是将模糊法则系统分类、加工、提炼为一种基于人类的控制体验和本能的推理而形成的一种模糊系统。这些法则基本上是用文字来说明人的控制。在有很大的偏差时，要尽量减少控制量的变动，除了要在很短的时间内排除这些偏差之外，还要考虑到控制的稳定性和控制的数量。为了避免不一致，必要的过调乃至震动，也需要对该体系进行考虑。

（3）模糊推理。它利用模糊的观念来模仿人类的逻辑。由于一条模糊控制法则其实是一套多条状态陈述式，因此，该规则可以用一种从一个输入变量到一个控制量的函数来表达。通过合理的逻辑推理，把输入的模糊矢量和模糊函数综合起来，从而获得被控对象的模糊矢量。

（4）解模糊。解模糊是一种反模糊性的方法，它把从模糊逻辑中获得的控制量（模糊度）转换成真实的控制量。该报告由两个方面组成：将所述模糊控制量解模糊成代表所述语言范围的所述给定数量；把表达在言语中的明确性转换成现实的控制力。

2.2 模糊PID控制器设置

2.2.1 模糊PID控制的基本形式

通过引入错误ee和错误ec的变量，确定 PID三个参量及e和ec之间的模糊联系，从而实现了三个参数的实时校正，从而实现了对 PID的实时跟踪。动态与静态的表现。它的构造见图2：

图2 模糊自整定PID控制系统框图

从直接的物理含义出发，模糊PID控制可以分成增益调整型、直接控制和混合控制三种。

（1）增益调整型模糊PID控制器。这种控制器的实际值与增益值的大小是一致的，而三个增益的数值是由模糊法则来实现的。控制系统的联机辨识通常有两种方法。一是通过模糊规则进行实时的在线辨识；二是通过网络的接近和自我学习：通过训练和控制被控物体的反模式来取代被控过程。

（2）直接控制量型模糊PID控制器。在PID原则的作用域中，若该控制系统的输入为控制操作，那么该控制器就是一种直接控制。Mann等归纳出12种类型的控制器，由于其各自的控制作用不同，因此可以将其看作是单独的。

（3）混合型模糊 PID 控制器。混合型模糊可以采用各种不同的方式来实现混合 PID控制。一些研究者建议采用基于模糊控制的方法来实现初始的快速反应，再利用常规的 PID控制器对其进行精确的调整。该 PID控制器与 PID控制器相比，其动态响应速度更高，且在稳定性方面优于传统 PID控制器。但是，在什么时候和怎样进行非干扰转换将会成为一个问题。通过对 PD模型进行连接，可以有效地克服 PD控制中存在的稳定错误。1983年， W· L· Bialkowshi设计了一种混合PID控制器，该 PID控制器是一种传统 PI和2 D PID并联法。Visioli采用了一种基于Astrom和 Hagglund的改进型 PID控制策略，利用两维的模糊逻辑对“动态”设定点进行权重因子的求解，其结果优于传统的静止定量法。混沌 PID控制的替代方案。将 PID和 Fuzzy的 PID控制结合起来，可以看成是一种混沌 PID控制。

2.2.2 模糊PID控制器的设定

在此基础上，可以根据实际情况，进行 PID控制的应用，以下是模糊 PID控制系统的具体实现过程：

①对模糊PID控制系统的输入、输出参数进行判定。在控制系统中，通常采用基于错误E和错误EC改变的两个参数构成的 PD控制器，而输出参数的选取通常是递增的。一般情况下， PID控制器的控制器是KP，KI，KD，取其增量ΔKP，ΔKI，ΔKD为输出量。②确定各个输入输出变量的变化范围，并据此确定量化等级、量化因子和比率因子。③在量化的各个变量中，确定一个模糊性的子集合。④对模糊控制规律的判定。在选择模糊控制时，必须遵守一定的准则，以确保所输入的控制器能够满足系统的动态与静态特性。⑤查找模糊控制表。模糊控制器的输出由步骤4的模糊控制原则和步骤2和3步骤所决定的输入/输出参数得到。这些数据是 PID的调节，根据输入数据之间的某种联系，组成了一张模糊的控制表。⑥将取样后的误差及误差变化量代入第2步和第3步后的模糊控制规则，获得 PID的新的参量，最后由 PID算法进行运算，得出最后的控制结果。也就是说，这是一个可以操控的数字。⑦在对模糊 PID的控制特性进行分析后，基于模拟效果或试验的结论，对量化系数和标度系数进行调节，使其达到预期的控制效果。

根据以上方法和具体的设计方案，可以根据用户要求，实现 PID控制器的自动调节。

3 小结

利用MATLAB模拟程序实现了对该模糊控制器进行图形化模拟，可以直观、简洁地有效地减少了该控制系统的开发周期。锅炉液位控制是常量的调节，所以其精度比较差，应用该方法可以实现锅炉的最佳或近似最佳的动态操作状态，从而达到良好的控制效果。