基于参数自整定模糊PID的火电厂输煤系统的仿真研究毕业论文设计.docx

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基于参数自整定模糊PID的火电厂输煤系统的仿真研究毕业论文设计.docx

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基于参数自整定模糊PID的火电厂输煤系统的仿真研究毕业论文设计

昌吉学院论文（设计）分类号：

TP273

本科毕业论文（设计）密级：

无

基于参数自整定模糊PID的火电厂输煤系统的仿真研究

系院物理系

学科门类工学

专业能源与动力工程

班级物理B1304

二〇一七年五月二十日

毕业论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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年月日

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导师签名：

年月日年月日

摘要

针对火电厂输煤控制系统具有时变性、滞后性等特点，在matlab仿真软件下，提出了参数自整定Fuzzy-PID方法，并与常规PID进行了对比仿真，仿真结果表明：

参数自整定相比常规控制具有调节时间短、超调量低、稳态误差小等优点，且对对象特性中的参数变化具有很强的适应能力，能够满足系统提出的控制性能指标要求，对实际应用具有十分重要的工程应用价值。

关键词：

输煤控制系统参数自整定Fuzzy-PID控制MATLAB仿真软件

1绪论

1.1选题来源及意义

靠皮带的传送来实现物料运送的皮带传输系统在现代工矿企业、农业医疗、商业军事等领域都被广泛运用[1]。

皮带式运输系统具有造价低、维护工作少、自动化程度较高、传送效率较高等特点特别适合长距离大宗型物料的运送，特别是在燃煤送料、采矿运输、港口码头等货物运输的领域更是广泛的使用[2]。

火电厂输煤系统也是采用带式传动的运输系统。

在发电厂生产发电过程中火力发电厂的输煤给煤系统占据着重要成分，电厂的发电量效率取决于其运行的程度[3]。

因为输煤系统条件不好，系统分布零散，传输距离很远，大多数设备要求都是强电的设置。

因此，火力发电厂的发电能力直接关系到输煤系统的质量。

火力发电厂输煤系统的配煤环节是发电生产过程中的一个重要环节[4]。

煤质变化将会引起电厂发电成本的改变,包括撼料成本的变化和锅炉改造的成本变化。

火电厂锅炉的煤炭燃烧有其对应的煤种,锅炉在设计之初便给定了其设计煤种,并具体给出了其热值、水分、挥发分、灰分、硫分、可磨性等性能指标要求,达到此类性能限值,锅炉才能充分发挥燃烧率,从而提高生产效率[5]。

一般的单煤品种很难满足上述性能指标需求,即使满足也会由于资源稀缺、价格上涨而造成生产成本过高;因此将多种煤种按一定比例进行配煤,再通过模糊自整定PID参数技术对变频器进行精确的控制,`从而控制给煤机对各种煤量的输送,达到性能指标要求,节约生产成本,提高效率[6]。

1.2国内外研究状况

1.2.1国内电厂输煤控制系统的发展现状

早期国内建设的火电厂的输煤给煤系统相对较为落后，早期小机组火力发电机组的输煤系统多是基于人工手动方式和继电器控制的半自动系统，已显得十分陈旧和落后，现场生产环境及工况十分恶劣[7]。

在启动停止输煤设备时，需要工人们按照输煤工艺的先后顺序进行各个设备的启停。

因此需要一定数量的工人在现场进行施工操作及运行维护。

而且生产现场环境恶劣，噪音大，粉尘多，在这种环境下长期工作会对工人们的健康造成了很大的损害。

近年来，随着计算机技术的飞速发展以及国外先进技术的陆续引进，大型火力发电厂的输煤系统逐渐由基于和上位机组成的网络集中控制取代了传统的半自动化控制。

但是国内多数输煤给煤控制的控制系统依然相对较为落后，主要体现在以下几个方面：

（1）系统的控制方式落后，长期运行故障点较多，故障率。

（2）监控信号未能完全接入控制系统，行程有效的实时监控闭环反馈。

（3）控制软件不完善，软启动及堵转保护等功能不齐全完善，给煤及计量控制精度不高。

（4）系统不具备完备的屏蔽功能，由于输煤给煤系统占地较大，线路较长且多处于露天环境工况不佳，系统要实现高效可靠的控制，必须具有较好的抗干扰性和屏蔽功能。

1.2.2国外火力发电厂输煤控制系统现状

火力发电厂输煤给煤系统中国外的自动化、程控化开始较早，当今大部分选用PLC+计算机控制的方式，自动化生产通过远程控制高效运行，近年来，这个技术的发展简单从三个方面概述：

（1）带式输送机的多样化及其应用范围的扩大，比如带式输送机的倾角很高、形状是管状的带式输送机、转弯形式的带式输送机以及不一样的机型；

（2）长距离输煤系统的稳定可靠性大大提高，通过现场总线网络控制，对系统运行进行工况检测，并且采用柔性启动、空转保护、堵转保护等技术，大大降低了输送皮带的磨损及系统的故障率[8]。

（3）自身带式型的输送机技术能力和配备水平就有很大进展，特别是大规模的皮带输送系统具有远距离、多运量、高带速的特点，已经成为当今首要趋势。

目前，世界上单距离大型带式输送机已用于澳大利亚铝土矿的投资；运输量最大的皮带运输机运力可达，带速，已应用于德国露天煤矿[9]。

当前，全世界先锋的大型皮带输送机主要核心技术和配备的特点概括以下几方面：

（1）为了在至万吨的年输送量能够达到效率高、产量高、生产精益的需求，输送机的参数设置都以大型化为发展目标；

（1）为了实现对输送机的实时动态监测与控制，输送机采用了工控机监测与控制和动态分析与控制技术等高新技术，应用了多种自动皮带张紧与软起动技术。

有效降低了输送带的动态张力，使输送机处于最佳运行状态，提高了输送效率；

（2）为了增加输送机输送距离，应用多机驱动及平衡系统功率、输送变向等先进技术，同时采用模块化、通用化输送装备，保障系统单元的可靠性；（3）采用大量新的核心部件，包括大功率驱动设备和调速设备、高效储能带设备、自清洗辊设备、高寿命高速辊等。

如采用了变频调速设备的输送机，它的运输能力达，能够随着工作面改变而快速自动移动，减少人工工作量，提高生产效率[10]。

1.3本选题的研究目标与主要内容

1.3.1研究目标

根据输煤控制系统时变和滞后的特点，将模糊控制理论引入输煤控制系统中，利用MATLAB仿真软件设计了适用于输煤控制系统的模糊PID的控制器，使系统满足调节时间短、超调量低、稳态误差小等控制性能要求。

1.3.2主要内容

对输煤系统的工艺流程做了简单介绍，了解输煤系统的基本结构，并对其工作的过程和控制要求进行了详细的说明。

首先简单引进了传统PID控制的知识以及模糊控制的基本知识，分别了解了PID控制的特点和模糊控制的特点。

根据火电厂输煤给煤系统的特点，首先根据机理分析方法建立给煤机系统的数学模型，完成了适用于给煤机控制系统的模糊PID控制器具体的设计过程。

根据给煤系统建立模型，在研究参数自整定控制策略的基础上进行MATLAB系统仿真，分析。

1.4内容创新点

在堵仓等情况下,给煤机挡板需人工调整,对象特性发生变化,因此自动配煤系统是一个惯性,时变,滞后的系统，如用常规的PID控制,控制参数不易在线调整;若采用模糊自整定PID参数控制算法,能够在线修改控制器参数,从而达到控制要求。

2火电厂输煤控制系统

2.1输煤系统简介

输煤系统的出发点是自卸车卸煤。

卸煤机断煤时，卸煤桥完成卸煤工作。

煤卸下来过后,可以直接利用皮带机输送到煤罐中,也可以先把煤输运到煤场储存起来,然后再经过斗轮机和皮带机输运进煤罐[11]。

煤罐中的粗煤经过给煤机,持续匀速的配备给上煤皮带输送机,输送带连接成封闭环形，用张紧装置张紧输送带，在电动机的驱动下，依赖于输送带和驱动滚筒之间的摩擦力，能够让输送带不断运转，再给碎煤机筛分加工,进到原煤仓,如果使原煤仓的煤量加以合理分配,就要让梨煤气的抬落得到控制,根据顺序配煤和优先配煤原理，实现输煤控制。

火力发电厂输煤自动控制系统十分复杂，包括工业控制计算机、PLC控制器、给煤机、电子皮带秤和变频器等主要设备。

输煤自动控制系统的工作原理是首先设定一个煤量值，将这个煤量值通过数学模型转化成变频器所需的频率值，同时显示在工业控制计算机的监控画面中。

系统运行过程中，电子皮带称称重传感器不断检测瞬时煤流量，并经过模数转换后传送至参数自整定Fuzzy-PID控制模块，一系列的预处理后，控制系统的输出信号可以通过模糊运算得到的，然后将信号发送到变频器通过数字模拟转换为4-20mA，调速电动机的转速随之变化，最终实现整个系统闭环控制，从而达到输煤自动化、智能化的目的，能满足各类性能指标的要求。

该系统的框图2-1所示。

图2-1输煤系统组成框图

3模糊控制理论

3.1PID控制

3.1.1PID控制原理

PID控制算法简单，具有良好的鲁棒性等优点，并且在实际使用过程中不需要建立精确的系统模型，所有在PID控制系统中都是最早开发的控制策略，PID控制器在各个系统运行中很常见。

PID控制器的首要控制原理是经过控制的预设值与实际得到值之间的偏差，而且通过偏差的比例、积分、微分等得到详细的输煤量加以控制。

PID控制系统结构图参照图3-1，我们能看出，r（t）是这个系统的输进来的值，y（t）是需要测量的值，比例、积分、微分的偏差信号e（t）由u（t）来调控。

图3-1PID控制结构框图

PID控制总结出来的公式为u（t）=kpe（t）+ki

e（τ）d（τ）+（kdde（t））/dt。

从这个式子里可以看出：

PID的输出信号是u（t）；PID控制的输进信号和偏差信号是e（t）；比例系数用KP表达；KI当作积分时间常数；KD用微分时间常数标出。

组件KPe（t）与e（t），称为比例作用；分量ki

e（τ）d（τ）与e（t）对时间t的积分成比例，这种作用关系称为积分；其中分量（Kdde（t））/dt与e（t）对时间t的导数之间的关系称作为微分作用。

3.1.2PID参数对系统性能的影响

在PID控制系统中，设置和调节合适的PID参数KP，KI，KD对控制系统的动静态特性有很大的影响，下面从响应速度、超调量、系统稳定性以及控制精度等方面来分析KP，KI，KD对PID控制系统的影响：

（1）P快速响应与快速响应偏差的比值，但往往导致过冲增大，导致过渡过程和时间的延长，比例增益过大，也可能引起系统不稳定。

（2）输出的积分动作可以消除输出控制的偏差，但它具有滞后性，控制的积分过强往往会使系统的过冲过大，甚至导致振荡。

（3）微分环节能够应映偏差信号的动态变化的趋势，超调量就会变小，动态反应的速度就会加快，系统的动态性能得到很大改善。

不过微分作用D如果设置很大，就会出现严重的噪声信号，使系统对外界抗干扰能力下降，出现振动的现象。

3.1.3PID参数调整规律

在实际输煤控制系统中，为了能够实现精确控制给煤量的目的，需要通过调节适合的PID参数对PID输出进行控制，让给煤机输出的瞬时流量值保持一段时间至达到设定流量值为止[13]。

模糊PID控制系统通过总结专家知识和操作经验来建立适合实际生产过程的模糊规则表，减小输出响应的上升时间和超调量，降低系统对干扰的灵敏度，增加系统的稳定性。

这些专家的知识和实际操作经验经过大量的应用与总结，由此可知道输煤机系统中PID控制参数Kp，Ki，Kd的变化与瞬时流量过渡过程特性的对应关系和规律。

PID参数调整规律如下：

（1）当偏差出现偏大时，Kp的取值就会偏大，Ki和Kd取值趋势是偏小；

（2）当偏差越小的时候，Kp、Ki和Kd的值也就越小；

（3）当系统输出值偏大时，Ki取值要小；

（4）当系统升高的时间很长时，Kp加大；

（5）当输出振荡出现时，Kp变小；

（6）当振荡周期变长时，增加Kp；

（7）当超调增加时，减小Kp；

（8）当上升时间增长时，增加Kp和Ki；

（9）当超调回调比较大时，减小Ki；

（10）当稳定性下降时，减小Ki；

（11）当超调增大时，减小Ki

（12）当稳定性降低时，增大Kd；

3.2模糊控制的基本原理

模糊控制系统通过调整系统的偏差和偏差率来实现工业过程的控制，模糊控制主要由以下四部分组成：

输出和输入的接口、模糊控制器、反馈测量装置、受控的对象。

一种简单模糊控制系统的基本结构按3-2图表示：

图3-2模糊控制系统结构

图中，R为系统中的一个设定值，它是一个精确量；Ym为系统的一个测量值，也是个精确量；e，c作为工业系统的偏差和偏差变化率，e，c是模糊控制器输入的精确量；e是模糊量化后的一个语言变量，它被认为是一个模糊量。

U是控制输出的语言变量，它也被用作一个模糊变量；u得到模糊化后的实际的值，是一种精确的量；Y当作系统的输出。

3.3模糊控制器的结构

模糊控制器一般由输进输出接口装置、知识库和模糊反接口构成。

（1）输进输出接口装置:

首先设立一个模糊量。

其模糊子集一般标记为:

负中（NM）、负大（NB）、正小（PS）、负小（NS）、正大（PB），正中（PM）、零（ZO）、隶属度函数需要这些模糊子集做标记.

（2）知识库:

包含了数据库和规则库。

①数据库:

在模糊规则推理中起到给与数据的作用。

②规则库:

是藉有很多语言规则来描述控制要求的目的

（3）模糊反接口:

作用是把模糊量转换成精确量。

4基于模糊控制的参数自整定PID的设计

4.1给煤机系统模型的建立

送煤系统称重原理及控制算法如4-1图所示：

称重传感器实时采集皮带重量载荷信号。

同时测速装置实时采集皮带的驱动电机的转速信号[14]。

系统所采集的皮带负载信号与电机转速信号实时输入系统的控制中心中央处理器进行计算，通过计算得到精确的实时给煤率，并且系统可以自动累计计算历史给煤总量。

同时由于给煤系统DCS与集控室系统保持实时的通讯连接，在DCS的遥控状态下给煤系统通过接受到得用户给煤率需求指令（可转换成的4-20mA线性信号），系统将实际给煤率与需求给煤率进行比较和PID运算，通过对驱动电机转速的调节，达到精确给煤控制。

图4-1称重及运算原理图

系统称重的原理是把皮带上运行中的煤量按单位长度上的煤重进行单位时间信号采集，然后对时间进行积分运算，从而得到运送物料（煤）的重量及给煤率。

按照图4-1，单位长度上的皮带煤流重量Q（千克米）和煤料的运送速度V（米秒）的积，再通过引入时间t（秒）的参数，经过积分运算。

其理论计算运输公式为：

Wh=0.06*（n*s*G/X）（4-1）

其中：

n代表量得的皮带主动轮的转动速度（rad/min），G代表重量（kg），X代表测量值（mm），S代表标定后的转速系数（mm/rad），Wh代表最终每小时给煤量（T/h）。

把L0到L1这一段皮带上的煤流（或其他物料）全部的运输时间定为t0，t1。

则：

在这段时间内皮带所输送并称量的煤（物料）总量WZ（T）计算公式为：

WZ=∫（Wh/3600）dt（4-2）

PLC运算时为每秒钟把当前的给煤量（T/s）累加至给煤总量WZ（T）。

转速计算方法：

测速装置是编码器，每周脉冲数600个，其高速脉冲累加值HC0，计算速度时使用100ms中断间隔采样一次，连续8次采样数值取平均作为计算值。

标定值的计算

重量标定系数：

皮重AD值kG0和比例系数k。

空载去皮运行每隔5秒采样（这里的采样值指通过滤波后的数值），取四次，分别得到kG01、KG02、KG03、KG04，计算：

KG0=（kG1+KG2+KG3+KG4）/4，挂上标定砝码Gd（kg），再次运测得标定AD值kGd，计算方法与皮重相同。

则：

K=Gd/（kGd-kG0）k的意义相当于每个单位AD数值对应的重量（kg）；实际称重量G（kg）计算：

G=（AIW0+AIW1）*k，其中，AIW0和AIW1是称重传感器滤波过后的AD数值，范围都是0-32767。

转速系数s（mm/rad）：

空载运行时，皮带上安装有一个感应块，在L0和L1位置安装有传感器作为线速度测量用。

已知的L长度，当L0位置有感应开始计时，L1位置感应计时结束，可得到Δt。

转速系数s=（L/t）/n。

反复四次取平均值。

控制系统的传递函数：

下表所示为不同时间时电动机转速与瞬时煤流量数据测量表，从4-1表中可以看到，给煤机电动机转速n与电子皮带称瞬时煤流量Q基本上是线形的关系。

瞬时煤量Q（t/s）

0.148

0.165

0.181

0.197

0.216

0.244

0.265

时间t（s）

100

600

1100

1600

2100

2600

3100

电机转速n（r/s）

表4-1电动机转速与瞬时煤流量数据测量表

对表4-1的瞬时给煤量与转速数据进行曲线拟合后，可以得到在不同时刻电机转速n（t）与瞬时煤流量Q（t）的关系：

Q（t）=K1n（t）（4-3）

其中K1≈0.0039，由公式（4-3）可以看出，瞬时煤流量与电机转速之间关系是时刻变的，但是可以近似看作线形关系。

在输煤控制系统中，我们可以调整变频器的频率来控制电机的转速，电机转速n（t）和f（t）函数是：

n（t）=K2f（t）（4-4）

其中K2=（1-S0）/p≈0.47，f（t）是变频器频率H（z），n（t）是给煤机电机转速（r/s），p是电机极对数，取p=2，S0是转差率，取S0=6%。

由公式（4-4）可知，想要对电动机的转速进行调节控制，只需要改变参数f（t）就能做到。

结合对瞬时煤流量Q（t）与电机转速n（t）之间关系以及电机转速n（t）与频率调节f（t）的关系进行的分析，我们可以得到输煤控制系统的传递函数结构框图如图4-2所示。

图4-2系统传递函数结构框图

由图4-2可知，R（s）为煤流量设定值，C（s）为煤流量累计输出值。

由于电子皮带称测出的是瞬时煤流量，因此需要在瞬时煤流量与煤流量累计输出值之间增加一个比例积分环节K0。

因此，该输煤控制系统的传递函数表达式为：

G（s）=1/（TS+1）（4-5）

其中T=1/（K1K2K0）≈200。

4.2自整定参数的模糊PID控制器的原理

因为要满足在模糊PID参数不同的情况下偏差以及偏差变化率（e,ec）对其进行自整定的需要，模糊PID控制器应用模糊控制规则进行PID三个参数KP，KI,KD的在线修正[15]。

流量用R表示，瞬时流量用Y表达，R代表偏差，Y表示为偏差变化率，参数KP、KI、KD经过模糊处理更新换代后作为输出，结构框图如图4-3所示：

图4-3参数自整定模糊PID控制器的结构框图

自整定参数的模糊PID控制器的基础原理是：

首先制定一个模糊规则，规格制定出来就能建立出偏差和偏差变化率与参数KP，KI，KD之间的联系，设置测量值和期望值，在系统操控时，观察偏差e，以及偏差变化率ec的变化。

利用已经制定的模糊规则，不断调节PID三个参数，调到测量值和期望值相同为止，使得被调节的对象有良好的动、静态性能。

4.3参数自整定模糊PID控制器的设计

4.3.1输入参数和输出参数的确定

输入参数是偏差e和偏差变化率（ec），输出参数是新的Kp，Ki，Kd。

4.3.2模糊理论领域的确认

系统的输出煤流量与设定煤流量偏差和偏差变化率的变化范围转换为量化论域E，EC=3，-2，-1，0，1，2，3]，相应对照的模糊子集是{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。

由大量的现场经验可知，输煤系统的煤流量变化e的变化范围可设为[-20，20]，煤流量变化率ec的变化范围可设为[-6，6]，输出变化量KP，KI，KD的变化范围分别设为[-3，3]，[-1，1]，[-0.3，0.3]。

4.3.3隶属度函数的确定

因为隶属函数类型的选择对系统研究影响不大，在这里选择偏差e的隶属函数是高斯型（gaussmf），ec的隶属函数也选择高斯型（gauss2mf），图4-4表示e的隶属函数，图4-5表示ec的隶属函数；KP，KI，KD的隶属函数都用三角形来表达（trimf），图4-6、4-7、4-8依次表达了KP,KI,KD的隶属函数。

图4-4E的隶属函数

图4-5EC的隶属函数

图4-6KP的隶属函数

图4-7KI的隶属函数

图4-8KD的隶属函数

4.3.4控制规则的确定

根据PID参数调节专家的知识和实际操作经验，结合PID调节器各控制参数的调节规律，可以总结得到给煤机系统中模糊PID控制器的三个参数调节规则，如表4-2、表4-3、表4-4所示：

表4-2KP模糊控制规则表

表4-3Ki模糊控制规则表

表4-4Kd模糊控制规则表

合并三表可以得出下面49条模糊控制规则：

1.If（eisNB）and（ecisNB）then（kpisPB），（kiisNB），（kdisPS）；

2.If（eisNB）and（ecisNM）then（kpisPB），（kiisNB），（kdisNS）；

3.If（eisNB）and（ecisNS）then（kpisPM），（kiisNM），（kdisNB）；

4.If（eisNB）and（ecisZO）then（kpisPM），（kiisNM），（kdisNB）；

5.If（eisNB）and（ecisPS）then（kpisPS），（kiisNS），（k

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