一種用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法與流程
本發明涉及一種用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法,涉及大型燃煤機組脫硝系統SCR反應器出口NOx在線控制方法，屬于控制領域。
背景技術：
目前，中國的電力行業發展迅速，根據國家能源網的統計，2015年1-2月份，全國規模以上電廠發電量8561億千瓦時，其中火電發電量6945億千瓦時，占總量的81.12％。由此可見，在當前環境下中國電力行業仍舊以火電為主。而煤炭作為火力發電的主要燃料，其用于火力發電的部分占據了大部分的總煤炭消耗量。中國與世界先進國家相比對于煤炭的用量更大，其中每單位千瓦時發電煤耗與世界先進水平相比高出約60～70g，由此每年發電將多耗標準煤約1.1億噸。因此由于煤炭燃燒造成的大氣污染已經越來越嚴重，酸雨、霧霾就是大氣污染的產物。而酸雨和霧霾的形成是因為氮氧化物和硫氧化物的存在。
目前應用傳統的脫硝方法有多種，其中包括選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化性還原法(SNCR)。SCR脫硝原理是利用NH3和催化劑將NOx還原為N2。NH3具有選擇性，只與NOx發生反應，基本上不與O2反應，所以稱為選擇性催化還原脫硝。SCR法中催化劑的選取是關鍵。SCR法是國際上，特別是歐美應用最多、技術最成熟的一種煙氣脫硝技術。除不需要催化劑之外與以上原理相同，但是正因為不用催化劑，氨液消耗量大，NOx的脫除率也不高。目前新型機組的大部分鍋爐已不再使用此法，僅供用于改造陳舊中小型機組。
傳統的PID控制方法易于操作和實現，并且經過長期的工業應用，得到了豐富的經驗，所以在脫硝控制系統中用的還是PID控制。脫硝系統具有大遲延、非線性、時變的的特點，當被控對象發生變化時，PID控制得不到好的控制效果，由于氮氧化物排放到空氣中會造成很大的危害，所以有效控制出口NOx成為一個很重要的課題。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種能夠克服上述技術問題的用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法，能夠實時在線的調整PID參數來適應被控對象的變化。
NOx的英文全稱(nitrogen oxides)，NOx的中文名稱是：氮氧化物。氮氧化物即氮和氧的結合物，包括很多種，例如一氧化氮、二氧化氮。
PID的英文全稱(Proportion Integration Differentiation)，PID的中文全稱是：比例積分微分，PID由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。是使被控對象的特性滿足實際的需要。
SCR的英文全稱(Selective Catalytic Reduction)SCR的中文名稱是：選擇性催化還原技術。SCR催化還原技術是把煙氣中的NOx通過催化劑轉換成對人體沒有危害的N2和H2O，通常電廠中催化劑選用TiO2作為載體的V2O2或MoO2，溫度通常在300℃到420℃之間，因為催化劑所需的溫度，所以反應器放在省煤器和空預器之間，選用液氨為還原劑，液氨蒸發以后與通過稀釋風機后的空氣混合，而后經分配格柵送到反應器中與NOx進行混合。
本發明的用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法，是燃煤機組SCR脫硝系統運行狀態下，被控對象的輸出和期望值的誤差、誤差的變化率，根據模糊推理原則來在線調整PID的參數，被控對象變化時能夠調整會原來的狀態。
本發明的用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法，包括以下幾個步驟：
1.確定Kp、Ki、Kd的模糊規則表；
找出誤差(e)和誤差變化率(ec)與Kp、Ki、Kd之間的關系，
比例系數Kp的確定規則：
被控對象不變時用PID參數把對象調到最好的控制性能，這時根據PID的傳遞函數能夠分別求得Kp為比例系數，Ki為積分系數，Kd為微分系數，式中的1/s為積分環節，s為微分環節；
PID控制的傳遞函數為：
在控制過程的初始階段，為使系統快速響應，Kp應選擇較大值；隨著控制過程的進行，系統逐漸要求控制穩定性高、偏差小，這時Kp的值也要相對較大；在控制過程的末期，為提高系統精度，需要將Kp置于較大檔次。
積分系數Ki的確定規則：
積分系數Ki用于消除系統穩態誤差，積分系數Ki與消除靜差速度成正比，但超過一定范圍后會引起超調量增加，產生積分飽和現象，同時延長系統響應時間，影響系統動態性能。因此積分系數Ki應當在一定范圍內變化。
微分系數Kd的確定規則：微分系數Kd用于改善系統動態性能，抑制偏差向任意方向變化。在控制過程初始階段，為減小調節過程超調量，應增大微分系數Kd；隨著控制過程的進行，為降低微分作用對系統變化的反作用影響，微分系數Kd應選擇較小值；在控制過程的末期，為減小微分系數帶來的阻礙變化作用，微分系數Kd需要進一步減小。
2.確定各個參數的等級量論域、模糊子集、隸屬度函數以及計算PID參數的調整表；
確定e、ec、Kp、Ki、Kd的等級量論域為：
e，ec，Kp，Ki，Kd＝[-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6]；
e，ec，Kp，Ki，Kd的模糊子集為：[NB NM NS ZO PS PM PB]；
隸屬度函數一般為三角形隸屬度函數或者鐘型隸屬度函數，這里選用三角形隸屬度函數，如下所示：
根據隸屬度函數能夠確定e，ec，Kp，Ki，Kd的等級量論域與模糊子集之間的關系，再根據前面的模糊整定規則，能夠求得模糊關系矩陣R，下面是公式：
R＝E×EC×UKp＝(NBE×NBEC×PBKp)∪NME×NBEC×PBKp....
其中NBE代表誤差是負大，NBEc是代表誤差變化率是負大，PBKp是代表Kp是正大。
得到模糊關系矩陣以后根據公式：
U＝(E×EC)·R
得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的整定規則表。其中·代表的意思是合成，表示的是兩個矩陣中的元素先取交集再取并集。
最后得到Kp、Ki、Kd的調整公式:
Kp＝Kp0+ΔKp
Ki＝Ki0+ΔKi
Kd＝Kd0+ΔKd
3.初始化PID參數；
在進行在線修正PID參數前，要先對PID參數進行優化得到最優的初始值，為了使在線調整時容易到達穩態值，這里根據經驗整定公式得到：
系統的傳遞函數為：
δ＝0.06*k*(β+n),
Ti＝0.5(nT+τ)
Td＝Ti/(8～4)
其中n與β的對應關系為：n＝1，β＝5；n＝2，β＝8；n＝3，β＝10；n＝4，β＝11；n>＝5，β＝12；n為傳遞函數的階次，K為傳遞函數的比例系數，τ為傳遞函數的延遲時間，T為傳遞函數中的積分時間。
β是傳遞函數階次n所對應的一個常數；
Td為根據經驗公式計算的微分時間；
Ti為根據經驗公式計算的積分時間；
Ts和Ti一樣，是根據經驗公式算出的積分時間；
δ為根據經驗公式計算的比例帶，即為比例系數的倒數值；
e，是設定值與輸出值的差值，
ec，是e的變化率；
NB NM NS ZO PS PM PB分別對應著負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，負大是參數負方向變化很大，其他的以此類推。
R為模糊關系矩陣；
E為e在三角型隸屬度函數下對應的向量；
EC為ec在三角型隸屬度函數下對應的向量；
NBE代表誤差是負大，
NBEc是代表誤差變化率是負大，
PBKp是代表Kp是正大。
ΔKp為Kp的變化量；
ΔKi為Ki的變化量；
ΔKd為Kd的變化量；
Ki0、Kp0、Kd0為根據經驗公式得到的初始PID值；
n為傳遞函數的階次，
K為傳遞函數的比例系數，
τ為傳遞函數的延遲時間，
T為傳遞函數中的積分時間。
本發明根據模糊自整定PID控制在線的修改PID的控制參數，當被控對象改變時，根據返回的誤差和誤差的變化率改變PID的參數，實時的修正PID參數，對出口NOx達到一個很好的控制。
本發明的優點是：模糊自整定PID方法不用知道確切的數學模型，避免了建模中遇到的困難，因為能實時自適應的修改PID參數來適應工況的變化，所以具有智能性，本發明減少了操作人員的負擔并且結果也優于傳統的控制。
附圖說明
圖1是本發明所述用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法的脫硝控制系統的結構示意圖；
圖2是本發明所述用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法的模糊推理的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施方式進行詳細描述。本發明的用于脫硝控制系統的模糊自整定PID控制方法，包括以下幾個步驟：
1.確定Kp、Ki、Kd的模糊規則表；
找出誤差(e)和誤差變化率(ec)與Kp、Ki、Kd之間的關系，
比例系數Kp的確定規則：
被控對象不變時用PID參數把對象調到最好的控制性能，這時根據PID的傳遞函數能夠分別求得Kp為比例系數，Ki為積分系數，Kd為微分系數，式中的1/s為積分環節，s為微分環節；
PID控制的傳遞函數為：
在控制過程的初始階段，為使系統快速響應，Kp應選擇較大值；隨著控制過程的進行，系統逐漸要求控制穩定性高、偏差小，這時Kp的值也要相對較大；在控制過程的末期，為提高系統精度，需要將Kp置于較大檔次。
積分系數Ki的確定規則：
積分系數Ki用于消除系統穩態誤差，積分系數Ki與消除靜差速度成正比，但超過一定范圍后會引起超調量增加，產生積分飽和現象，同時延長系統響應時間，影響系統動態性能。因此積分系數Ki應當在一定范圍內變化。
微分系數Kd的確定規則：微分系數Kd用于改善系統動態性能，抑制偏差向任意方向變化。在控制過程初始階段，為減小調節過程超調量，應增大微分系數Kd；隨著控制過程的進行，為降低微分作用對系統變化的反作用影響，微分系數Kd應選擇較小值；在控制過程的末期，為減小微分系數帶來的阻礙變化作用，微分系數Kd需要進一步減小。
2.確定各個參數的等級量論域、模糊子集、隸屬度函數以及計算PID參數的調整表；
確定e、ec、Kp、Ki、Kd的等級量論域為：
e，ec，Kp，Ki，Kd＝[-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6]；
e，ec，Kp，Ki，Kd的模糊子集為：[NB NM NS ZO PS PM PB]；
隸屬度函數一般為三角形隸屬度函數或者鐘型隸屬度函數，這里選用三角形隸屬度函數，如下所示：
根據隸屬度函數能夠確定e，ec，Kp，Ki，Kd的等級量論域與模糊子集之間的關系，再根據前面的模糊整定規則，能夠求得模糊關系矩陣R，下面是公式：
R＝E×EC×UKp＝(NBE×NBEC×PBKp)∪NME×NBEC×PBKp....
其中NBE代表誤差是負大，NBEc是代表誤差變化率是負大，PBKp是代表Kp是正大。
得到模糊關系矩陣以后根據公式：
U＝(E×EC)·R
得到ΔKp、ΔKi、ΔKd的整定規則表。其中·代表的意思是合成，表示的是兩個矩陣中的元素先取交集再取并集。
最后得到Kp、Ki、Kd的調整公式:
Kp＝Kp0+ΔKp
Ki＝Ki0+ΔKi
Kd＝Kd0+ΔKd
3.初始化PID參數；
在進行在線修正PID參數前，要先對PID參數進行優化得到最優的初始值，為了使在線調整時容易到達穩態值，這里根據經驗整定公式得到：
系統的傳遞函數為：
δ＝0.06*k*(β+n),
Ti＝0.5(nT+τ)
Td＝Ti/(8～4)
其中n與β的對應關系為：n＝1，β＝5；n＝2，β＝8；n＝3，β＝10；n＝4，β＝11；n>＝5，β＝12；n為傳遞函數的階次，K為傳遞函數的比例系數，τ為傳遞函數的延遲時間，T為傳遞函數中的積分時間。
β是傳遞函數階次n所對應的一個常數；
Td為根據經驗公式計算的微分時間；
Ti為根據經驗公式計算的積分時間；
Ts和Ti一樣，是根據經驗公式算出的積分時間；
δ為根據經驗公式計算的比例帶，即為比例系數的倒數值；
e，是設定值與輸出值的差值，
ec，是e的變化率；
NB NM NS ZO PS PM PB分別對應著負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，負大是參數負方向變化很大，其他的以此類推。
R為模糊關系矩陣；
E為e在三角型隸屬度函數下對應的向量；
EC為ec在三角型隸屬度函數下對應的向量；
NBE代表誤差是負大，
NBEc是代表誤差變化率是負大，
PBKp是代表Kp是正大。
ΔKp為Kp的變化量；
ΔKi為Ki的變化量；
ΔKd為Kd的變化量；
Ki0、Kp0、Kd0為根據經驗公式得到的初始PID值；
n為傳遞函數的階次，
K為傳遞函數的比例系數，
τ為傳遞函數的延遲時間，
T為傳遞函數中的積分時間。
本發明根據模糊自整定PID控制在線的修改PID的控制參數，當被控對象改變時，根據返回的誤差和誤差的變化率改變PID的參數，實時的修正PID參數，對出口NOx達到一個很好的控制。
如圖1所示，根據被控對象的反饋值y和設定值r的差值能得到誤差e和誤差的變化率ec，然后根據模糊推理原則對PID參數進行在線的修改，來滿足被控對象變化時的需求，在線運行之前，要對初始的PID參數進行設定，根據經驗公式法求出初始的PID參數，然后投入到在線運行中。
如圖2所示，輸入為誤差和誤差變化率，通過隸屬度函數對輸入進行模糊化處理，規則庫是根據模糊化處理后的輸入確定輸出的存儲庫，數據庫就是存放的輸入值，通過模糊處理單元對輸入進行處理，輸出的模糊量通過解模糊得到實際的輸出值。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明公開的范圍內，能夠輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明權利要求的保護范圍內。
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