1 引言 在實際應用中鍋爐是一個復雜的系統，存在著慣性大、非線性、參數時變、數學模型難以建立等特點，必須采用合適的控制策略才能取得良好的控制效果。PID控制算法具有原理簡單，調節精確的優點，但快速性不理想；Fuzzy控制算法具有無需建立被控對象的數學模型，對非線性、時變性系統具有一定的適應能力及快速性好的優點，但準確性不令人滿意。本設計針對鍋爐溫度控制的特點與難點，將Fuzzy控制與PID控制算法相結合，構建了Fuzzy-PID復合控制策略，并在我校研制的基于現場總線的過程控制系統（涵蓋了溫度、壓力、流量、液位四大過程參數）中進行了實踐研究，結果表明，將Fuzzy控制與PID控制有效結合，是解決溫度控制系統性能的一種有效途徑。 2 系統組成原理 鍋爐溫度系統由上位機、下位機和被控對象等組成，如圖1所示。上位機裝有WINCC監控軟件、Step7軟件，完成系統的監控和控制程序設計。 下位機選用西門子S7-300PLC作為系統的控制器，由PS307電源模塊，CPU315-2DP現場總線模塊，SM323開關量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，完成系統的啟動、停止、保護，Fuzzy控制算法，PID控制算法等控制功能。被控對象由帶內膽、外膽的鍋爐，晶閘管調功器，水系統，加熱器，pt100溫度檢測變送器等組成，完成接收控制信號、實施溫度控制，反饋溫度檢測信號等功能。 [align=center] 圖1 鍋爐溫度系統結構圖[/align] 系統工作原理是Fuzzy-PID控制器輸出的控制量，實時調節晶閘管調功器的控制角，來控制加熱器上電壓的高低，達到控制鍋爐溫度的目的；pt100溫度變送器實時檢測鍋爐的溫度并反饋給控制器，構成溫度閉環控制系統。 3 Fuzzy-PID復合控制器設計 3.1 控制策略確定 考慮到鍋爐溫度控制系統的特點，采用Fuzzy-PID復合控制策略，其基本思想是在大偏差（e＞±5C°）時，采用Fuzzy控制算法，充分發揮Fuzzy控制器快速性好、適應能力強的的特點；在小偏差（e<±5C°）時，采用PID控制算法，充分發揮PID控制器原理簡單、調節精確的特點。二者的轉換用軟件根據給定的的偏差（e0=±5C°）自動實現，為了盡可能避免在控制策略切換時引起的擾動，采取了當Fuzzy控制策略向PID控制策略切換時，調節器的輸出將保持Fuzzy控制策略下的輸出值UF，直到PID控制器輸出│UPID│≤│UF│ ;當PID控制策略向Fuzzy控制策略切換時，調節器的輸出將保持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e和誤差變化率信號ec，控制量為UK，被控量為TT。 [align=center] 圖2 鍋爐溫度控制系統方框圖[/align] 3.2 Fuzzy控制策略 當系統溫度的絕對值大于5C°時，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｝=｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，其論域為e=ec=uF｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，或寫成e：[-Xe，Xe], 變化率ec:[-Xec，Xec]， uF：[-UF，UF]。隸屬度函數采用三角分布函數。根據實際經驗總結得到49條推理規則，采用if—then語句表達形式，得到控制變量UF的模糊控制規則表，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。 [align=center] 表1 模糊控制規則表[/align] 根據模糊規則歸納出模糊關系，采用Mamdani的模糊推理與合成運算，得到對應UF論域元素的μUF（E,EC）的隸屬度，采用加權平均法進行解模糊運算，得到模糊控制器清晰化的控制量UF，來控制調功器的輸出電壓和溫度，并可以有效的抑制擾動，提高系統的快速性和穩定性。 3.3 PID控制策略 當系統溫度的絕對值小于5C°時，采用PID控制算法，得到PID控制器輸出的控制量UPID，可以實現一定范圍內的無差控制，提高系統的準確性和穩定性。 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軟件平臺上進行了控制程序設計，包括主程序、模糊控制程序、PID控制程序、切換程序、操作與報警程序等。通過現場總線Profibus通訊進行上位機與下位機信息交互，程序運行，算法實施等，Fuzzy-PID復合控制程序流程圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 Fuzzy-PID程序流程圖[/align] 4 系統調試與結果分析 上位監控系統采用WINCC進行工藝組態、爐溫監視、趨勢顯示、參數讀取與設定、事件報警、記錄打印等功能的設計，直接反映加熱爐的工作狀態、變化趨勢及實時控制等狀況。啟動控制系統與上位監控系統，設定系統的給定值50℃和控制器的初值，通過Fuzzy-PID復合控制，獲取了鍋爐溫度系統的輸出特性如圖4所示，被控量的控制精度在±0.6℃左右，無超調，達到了設計效果。 [align=center] 圖4 鍋爐溫度輸出特性[/align] 5 結束語 文中針對鍋爐溫度對象的特點，將魯棒性強的Fuzzy控制與具有消除靜態誤差的PID算法有效結合，充分發揮了二者的優點，通過我校研制的過程控制系統實踐裝置在高校和鋼廠培訓中心的應用實踐，證明了該溫度控制系統的方案是合理的。