高炉鼓风机防喘振模糊PID控制算法

摘要：喘振作为高炉鼓风机的一种不稳定工况是一种透平机械所固有特性，是鼓风机安全运行的重大隐患，同时也是高炉正常生产的事故隐患。本论文将探索用模糊PID控制算法来控制高炉鼓风机的运行，以TMS320F2812DSP为硬件平台，通过调节防喘振阀，对鼓风机的风压、风量进行实时监测，当发生喘振时，通过调控防喘振阀开闭，使高炉鼓风机工作在安全区域。
关键词：高炉鼓风机；防喘振；模糊PID控制；DSP

    高炉鼓风机的出口风压和进气流量具有非线性和参数时变等特点，加上一些外界环境如温度变化影响，很难建立精确的数学模型来描述。因此我们采用模糊PID控制原理，进行鼓风机防喘振调节，既可以保证工况点快速脱离喘振区域，又可以减少因放空引起的压力大幅度波动而造成的能量损失。通过变送器采集风压、风量等模拟信号转化为数字信号，经过TMS320F2812DSP运算来控制防喘振阀的开闭，使高炉鼓风机工作在安全区域。

1 鼓风机喘振原理
    高炉鼓风机普遍应用于工业生产中，尤其炼钢、炼铁等方面。空气进入鼓风机后，鼓风机对其做功将其从排气管道排出。当机组工作在正常情况时，防喘振阀处于关闭状态，鼓风机排出的空气传输到热风炉里；若鼓风机工况点在防喘振线上方时，控制系统将打开防喘振阀进行放风，从而降低鼓风机风压、增加流量，以使鼓风机回到安全区域。鼓风机工作时所对应的排气压力值和进气流量值为该时刻鼓风机的工
况点。所谓鼓风机发生喘振是指鼓风机的工况点在喘振线及其上方，这种状况对系统的危害性很大，因为喘振会使鼓风机轴静向颤动，容易使动静叶片发生碰撞而断裂。为了使鼓风机既能正常工作又能保护机体，防喘振控制是非常必要。如图1所示。

2 模糊PID控制高炉鼓风机防喘振
2．1 模糊PID算法
    常规PID控制器以其成熟的技术在工业控制得到广泛的应用，典型常规PID只能利用一组固定的参数进行控制，不能兼顾动态和静态性能，鲁棒性差，对非线性，时变参数等系统难以获得控制效果。简单模糊控制器将采样时所获得的误差及误差变化信号，根据其模糊化结果查询模糊控制表，转换为精确量后，直接作用于被控对象，极易在平衡点附近产生小振幅振荡，使整个控制系统不能拥有良好的动态品质差。模糊PID控制克服了常规PID控制和简单模糊控制的缺点。模糊PID控制实质就是模糊控制技术与PID控制结合在一起。
    模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，作为智能控制的一个重要分支，在控制领域获得了广泛应用。模糊控制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表，模糊控制规则表是根据专家或者操作者的手动控制经验总结出来的一系列控制规则。
    常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy积分控制作用，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，构成Fuzzy-PI(或PID)复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。模糊控制和PID控制结合的形式有多种：
    1)模糊-PID复合控制
    控制策略是：在大偏差范围内，即偏差e在某个阈值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即e落到阈值之内时转换成PID(或PI)控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为Fuzzy-PI双模控制。
    2)比例-模糊-PI控制
    当偏差e大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差e减小到阈值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。故在接近稳态点时切换成PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，(这时绝对误差实际上并不一定为零)切换至PI控制。
    3)模糊一积分混合控制
    将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。
    4)参数模糊自整定PID控制
    PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其实现思想是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小。
2．2 高炉鼓风机防喘振模糊PID控制
    PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。PID控制器的数学模型可以用下式表示：
   
    其中：u(t)一控制器的输出
          e(t)一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。
          Kp一控制器的比例系数。
          Ti一控制器的积分时间。
          Td一控制器的微分时间。
    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。根据鼓风机对象特性和模糊控制设计规则，并规则好的调整方法及调整参数存储起来。通过对系统偏差△E(k)和系统输出的识别，以了解被控制对象过程动态特性的变换，在线调整P、I、D 3个参数，使鼓风机调节在防喘振工作区域。它是一种基于启发式规则推理的自适应技术，其目的就是为了处理过程中出现的不确定性。如图2所示。

    以鼓风机风压的偏差e及其变化△e为特征变量，e(k)表示高炉鼓风机风压离散化的偏差值，e(k-1)、e(k-2)分别表示前一个和前两个采样时刻的偏差值，则
    △e(k)=e(k)-e(k-1)；
    △e(k-1)=e(k-1)-e(k-2)
    在高炉鼓风机防喘振控制系统中，采用产生式规则描述过程的因果关系，并带有调整参数的控制规则，来建立控制规则集，即：“IF A AND B THEN C”。高炉鼓风机防喘振控制系统共有7条推理规则：
    1)IF e(k)≥Nmax THEN防喘振阀全开；
    2)IF e(k)≤Nmin THEN防喘振阀全闭；
    3)IF e(k)*△e(k)>0 AND e(k)≥Ma THEN对防喘振阀进行较强的PID控制。参数为：P1、I1、D1；
    4)IF e(k)*△e(k)>0 AND e(k)≤Ma THEN对防喘振阀进行适当的PID控制。参数为：P2、I2、D2；
    5)IF e(k)*△e(k)<0 AND e(k)*△e(k-1)>0 THEN对防喘振阀进行较弱的PID控制。参数为：P3、I3、D3；
    6)IF e(k)*△e(k)<0 AND e(k)*△e(k-1)<0 THEN对防喘振阀进行较强的PID控制。参数为：P4；
    7)IF e(k)=0 THEN防喘振阀控制不变。
    其中Nmax、Nmin、Ma是为设定的误差极限，且Nmax>Ma>Nmin；Nmax、Nmin、Ma参数以及PID参数都是工程师根据鼓风机实际运行情况确定的。
2．3 高炉鼓风机防喘振模糊PID控制硬件平台
    系统硬件平台是基于DSP的4～20 mA电流环电路，TMS320F2812DSP是TI公司出品高性能芯片，其具有强大的数据处理能力，性能优越，特别适用于有大批量数据处理的控制场合，如数据采集，工业自动化控制等。在工业过程控制中，与电压信号相比，4～20 mA电流环具有强大的抗干扰能力。而且防喘振阀也是采用4～20 mA电流控制。当输入电流为4 mA时，防喘振阀全开；当输入电流20 mA时，防喘振阀全闭。系统电路原理如图3所示。

    在系统中，鼓风机的风压和风量传感器产生的4～20 mA电流信号，再通过I／U转换器，把4～20 mA电流信号转换为0～3 V电压信号。信号进入TMS320F2812DSP中进行A／D转换，CPU经过计算相应，输出相应信号，经过D／A和芯片XTR110转化后为转换为4～20 mA电流信号。
2．4 高炉鼓风机防喘振模糊PID控制软件设计
    通过采集到的风量、风压信号进过DSP中进行模糊PID调节控制。在模糊PID控制对变参数PID的量化因素Kp，Ki，Kd进行及时调整。图4为系统软件流程图。

3 结束语
    利用模糊PID控制鼓风机防喘振其效果具有很好的动态特性和出色的稳态特性，抗干扰强，有较强的鲁棒性，非常适合风量、风压非线性、时变、强干扰的不确定复杂因数的系统。