2 系統(tǒng)組成原理
鍋爐溫度系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和被控對(duì)象等組成，如圖1所示。上位機(jī)裝有WINCC監(jiān)控軟件、Step7軟件，完成系統(tǒng)的監(jiān)控和控制程序設(shè)計(jì)。 下位機(jī)選用西門子S7-300PLC作為系統(tǒng)的控制器，由PS307電源模塊，CPU315-2DP現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，SM323開(kāi)關(guān)量8入/8出模塊，SM331模擬量8路輸入模塊，SM332模擬量4路輸出模塊等組成，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、保護(hù)，F(xiàn)uzzy控制算法，PID控制算法等控制功能。被控對(duì)象由帶內(nèi)膽、外膽的鍋爐，晶閘管調(diào)功器，水系統(tǒng)，加熱器，pt100溫度檢測(cè)變送器等組成，完成接收控制信號(hào)、實(shí)施溫度控制，反饋溫度檢測(cè)信號(hào)等功能。
系統(tǒng)工作原理是Fuzzy-PID控制器輸出的控制量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)功器的控制角，來(lái)控制加熱器上電壓的高低，達(dá)到控制鍋爐溫度的目的；pt100溫度變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)鍋爐的溫度并反饋給控制器，構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3 Fuzzy-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)
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3.1 控制策略確定
考慮到鍋爐溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用Fuzzy-PID復(fù)合控制策略，其基本思想是在大偏差（e＞±5C°）時(shí)，采用Fuzzy控制算法，充分發(fā)揮Fuzzy控制器快速性好、適應(yīng)能力強(qiáng)的的特點(diǎn)；在小偏差（e<±5C°）時(shí)，采用PID控制算法，充分發(fā)揮PID控制器原理簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)精確的特點(diǎn)。二者的轉(zhuǎn)換用軟件根據(jù)給定的的偏差（e0=±5C°）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，為了盡可能避免在控制策略切換時(shí)引起的擾動(dòng)，采取了當(dāng)Fuzzy控制策略向PID控制策略切換時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出將保持Fuzzy控制策略下的輸出值UF，直到PID控制器輸出│UPID│≤│UF│ ;當(dāng)PID控制策略向Fuzzy控制策略切換時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出將保持PID控制策略下的輸出值UPID，直到Fuzzy控制器輸出│UF│≥│UPID│。系統(tǒng)方框圖如圖2所示，溫度給定量為TR，溫度反饋量為yT，誤差信號(hào)e和誤差變化率信號(hào)ec，控制量為UK，被控量為TT。
3.2 Fuzzy控制策略
當(dāng)系統(tǒng)溫度的絕對(duì)值大于5C°時(shí)，采用模糊控制算法。模糊控制器選用雙輸入單輸出控制方式，以溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，以UF作為輸出變量。模糊子集為E=EC=UK=｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝=｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，其論域?yàn)閑=ec=uF｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，或?qū)懗蒭：[-Xe，Xe], 變化率ec:[-Xec，Xec]， uF：[-UF，UF]。隸屬度函數(shù)采用三角分布函數(shù)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到49條推理規(guī)則，采用if—then語(yǔ)句表達(dá)形式，得到控制變量UF的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。
（1）if E is NB and EC is NB then UF is PB or
（2） if E is NB and EC is NM then UF is PB or
┇ or
（49）if E is PB and EC is PB then UF is NB。
根據(jù)模糊規(guī)則歸納出模糊關(guān)系，采用Mamdani的模糊推理與合成運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)UF論域元素的μUF（E,EC）的隸屬度，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊運(yùn)算，得到模糊控制器清晰化的控制量UF，來(lái)控制調(diào)功器的輸出電壓和溫度，并可以有效的抑制擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。
3.3 PID控制策略
當(dāng)系統(tǒng)溫度的絕對(duì)值小于5C°時(shí)，采用PID控制算法，得到PID控制器輸出的控制量UPID，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)差控制，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
UPID=UPID（k-1）+Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+（k-2）] （1）
式中：UPID為PID控制器輸出的控制量，Ki=KpT/Ti，Kd=KpTd/T，T為采樣周期。
3.4 程序流程圖
在Step7軟件平臺(tái)上進(jìn)行了控制程序設(shè)計(jì)，包括主程序、模糊控制程序、PID控制程序、切換程序、操作與報(bào)警程序等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus通訊進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)信息交互，程序運(yùn)行，算法實(shí)施等，F(xiàn)uzzy-PID復(fù)合控制程序流程圖如圖3所示。
4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析
上位監(jiān)控系統(tǒng)采用WINCC進(jìn)行工藝組態(tài)、爐溫監(jiān)視、趨勢(shì)顯示、參數(shù)讀取與設(shè)定、事件報(bào)警、記錄打印等功能的設(shè)計(jì)，直接反映加熱爐的工作狀態(tài)、變化趨勢(shì)及實(shí)時(shí)控制等狀況。啟動(dòng)控制系統(tǒng)與上位監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)定系統(tǒng)的給定值50℃和控制器的初值，通過(guò)Fuzzy-PID復(fù)合控制，獲取了鍋爐溫度系統(tǒng)的輸出特性如圖4所示，被控量的控制精度在±0.6℃左右，無(wú)超調(diào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。
5 結(jié)束語(yǔ)
文中針對(duì)鍋爐溫度對(duì)象的特點(diǎn)，將魯棒性強(qiáng)的Fuzzy控制與具有消除靜態(tài)誤差的PID算法有效結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)我校研制的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)踐裝置在高校和鋼廠培訓(xùn)中心的應(yīng)用實(shí)踐，證明了該溫度控制系統(tǒng)的方案是合理的。