摘要：喘振作為高爐鼓風機的一種不穩(wěn)定工況是一種透平機械所固有特性，是鼓風機安全運行的重大隱患，同時也是高爐正常生產的事故隱患。本論文將探索用模糊PID控制算法來控制高爐鼓風機的運行，以TMS320F2812DSP為硬件平臺，通過調節(jié)防喘振閥，對鼓風機的風壓、風量進行實時監(jiān)測，當發(fā)生喘振時，通過調控防喘振閥開閉，使高爐鼓風機工作在安全區(qū)域。
關鍵詞：高爐鼓風機；防喘振；模糊PID控制；DSP

    高爐鼓風機的出口風壓和進氣流量具有非線性和參數時變等特點，加上一些外界環(huán)境如溫度變化影響，很難建立精確的數學模型來描述。因此我們采用模糊PID控制原理，進行鼓風機防喘振調節(jié)，既可以保證工況點快速脫離喘振區(qū)域，又可以減少因放空引起的壓力大幅度波動而造成的能量損失。通過變送器采集風壓、風量等模擬信號轉化為數字信號，經過TMS320F2812DSP運算來控制防喘振閥的開閉，使高爐鼓風機工作在安全區(qū)域。

1 鼓風機喘振原理
    高爐鼓風機普遍應用于工業(yè)生產中，尤其煉鋼、煉鐵等方面?？諝膺M入鼓風機后，鼓風機對其做功將其從排氣管道排出。當機組工作在正常情況時，防喘振閥處于關閉狀態(tài)，鼓風機排出的空氣傳輸到熱風爐里；若鼓風機工況點在防喘振線上方時，控制系統將打開防喘振閥進行放風，從而降低鼓風機風壓、增加流量，以使鼓風機回到安全區(qū)域。鼓風機工作時所對應的排氣壓力值和進氣流量值為該時刻鼓風機的工
況點。所謂鼓風機發(fā)生喘振是指鼓風機的工況點在喘振線及其上方，這種狀況對系統的危害性很大，因為喘振會使鼓風機軸靜向顫動，容易使動靜葉片發(fā)生碰撞而斷裂。為了使鼓風機既能正常工作又能保護機體，防喘振控制是非常必要。如圖1所示。

2 模糊PID控制高爐鼓風機防喘振
2．1 模糊PID算法
    常規(guī)PID控制器以其成熟的技術在工業(yè)控制得到廣泛的應用，典型常規(guī)PID只能利用一組固定的參數進行控制，不能兼顧動態(tài)和靜態(tài)性能，魯棒性差，對非線性，時變參數等系統難以獲得控制效果。簡單模糊控制器將采樣時所獲得的誤差及誤差變化信號，根據其模糊化結果查詢模糊控制表，轉換為精確量后，直接作用于被控對象，極易在平衡點附近產生小振幅振蕩，使整個控制系統不能擁有良好的動態(tài)品質差。模糊PID控制克服了常規(guī)PID控制和簡單模糊控制的缺點。模糊PID控制實質就是模糊控制技術與PID控制結合在一起。
    模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法，作為智能控制的一個重要分支，在控制領域獲得了廣泛應用。模糊控制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的關鍵是模糊控制規(guī)則的確定，即模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表是根據專家或者操作者的手動控制經驗總結出來的一系列控制規(guī)則。
    常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認為這種控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應慢；比例控制作用動態(tài)響應快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動態(tài)響應。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構成Fuzzy-PI(或PID)復合控制，使動靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達到動態(tài)響應快，超調小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制和PID控制結合的形式有多種：
    1)模糊-PID復合控制
    控制策略是：在大偏差范圍內，即偏差e在某個閾值之外時采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內，即e落到閾值之內時轉換成PID(或PI)控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉換閾值由微機程序根據事先給定的偏差范圍自動實現。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相結合的控制方法稱之為Fuzzy-PI雙?？刂?。
    2)比例-模糊-PI控制
    當偏差e大于某個閾值時，用比例控制，以提高系統響應速度，加快響應過程；當偏差e減小到閾值以下時，切換轉入模糊控制，以提高系統的阻尼性能，減小響應過程中的超調。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，這就相當于模糊控制論域被壓縮，等效于語言變量的語言值即分檔數增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點附近出現小振幅的振蕩現象。故在接近穩(wěn)態(tài)點時切換成PI控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時，(這時絕對誤差實際上并不一定為零)切換至PI控制。
    3)模糊一積分混合控制
    將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯構成的。
    4)參數模糊自整定PID控制
    PID控制的關鍵是確定PID參數，該方法是用模糊控制來確定PID參數的，也就是根據系統偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對PID參數進行修改。其實現思想是先找出PID各個參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，在根據模糊控制原理來對各個參數進行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能，且計算量小。
2．2 高爐鼓風機防喘振模糊PID控制
    PID控制器是一種比例、積分、微分并聯控制器。它是最廣泛應用的一種控制器。PID控制器的數學模型可以用下式表示：
   
    其中：u(t)一控制器的輸出
          e(t)一控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號。
          Kp一控制器的比例系數。
          Ti一控制器的積分時間。
          Td一控制器的微分時間。
    利用模糊控制原理和常規(guī)PID控制結合在一起，通過知識庫輸出調整PID的參數值，以達到最佳的控制效果。根據鼓風機對象特性和模糊控制設計規(guī)則，并規(guī)則好的調整方法及調整參數存儲起來。通過對系統偏差△E(k)和系統輸出的識別，以了解被控制對象過程動態(tài)特性的變換，在線調整P、I、D 3個參數，使鼓風機調節(jié)在防喘振工作區(qū)域。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應技術，其目的就是為了處理過程中出現的不確定性。如圖2所示。

    以鼓風機風壓的偏差e及其變化△e為特征變量，e(k)表示高爐鼓風機風壓離散化的偏差值，e(k-1)、e(k-2)分別表示前一個和前兩個采樣時刻的偏差值，則
    △e(k)=e(k)-e(k-1)；
    △e(k-1)=e(k-1)-e(k-2)
    在高爐鼓風機防喘振控制系統中，采用產生式規(guī)則描述過程的因果關系，并帶有調整參數的控制規(guī)則，來建立控制規(guī)則集，即：“IF A AND B THEN C”。高爐鼓風機防喘振控制系統共有7條推理規(guī)則：
    1)IF e(k)≥Nmax THEN防喘振閥全開；
    2)IF e(k)≤Nmin THEN防喘振閥全閉；
    3)IF e(k)*△e(k)>0 AND e(k)≥Ma THEN對防喘振閥進行較強的PID控制。參數為：P1、I1、D1；
    4)IF e(k)*△e(k)>0 AND e(k)≤Ma THEN對防喘振閥進行適當的PID控制。參數為：P2、I2、D2；
    5)IF e(k)*△e(k)<0 AND e(k)*△e(k-1)>0 THEN對防喘振閥進行較弱的PID控制。參數為：P3、I3、D3；
    6)IF e(k)*△e(k)<0 AND e(k)*△e(k-1)<0 THEN對防喘振閥進行較強的PID控制。參數為：P4；
    7)IF e(k)=0 THEN防喘振閥控制不變。
    其中Nmax、Nmin、Ma是為設定的誤差極限，且Nmax>Ma>Nmin；Nmax、Nmin、Ma參數以及PID參數都是工程師根據鼓風機實際運行情況確定的。
2．3 高爐鼓風機防喘振模糊PID控制硬件平臺
    系統硬件平臺是基于DSP的4～20 mA電流環(huán)電路，TMS320F2812DSP是TI公司出品高性能芯片，其具有強大的數據處理能力，性能優(yōu)越，特別適用于有大批量數據處理的控制場合，如數據采集，工業(yè)自動化控制等。在工業(yè)過程控制中，與電壓信號相比，4～20 mA電流環(huán)具有強大的抗干擾能力。而且防喘振閥也是采用4～20 mA電流控制。當輸入電流為4 mA時，防喘振閥全開；當輸入電流20 mA時，防喘振閥全閉。系統電路原理如圖3所示。

    在系統中，鼓風機的風壓和風量傳感器產生的4～20 mA電流信號，再通過I／U轉換器，把4～20 mA電流信號轉換為0～3 V電壓信號。信號進入TMS320F2812DSP中進行A／D轉換，CPU經過計算相應，輸出相應信號，經過D／A和芯片XTR110轉化后為轉換為4～20 mA電流信號。
2．4 高爐鼓風機防喘振模糊PID控制軟件設計
    通過采集到的風量、風壓信號進過DSP中進行模糊PID調節(jié)控制。在模糊PID控制對變參數PID的量化因素Kp，Ki，Kd進行及時調整。圖4為系統軟件流程圖。

3 結束語
    利用模糊PID控制鼓風機防喘振其效果具有很好的動態(tài)特性和出色的穩(wěn)態(tài)特性，抗干擾強，有較強的魯棒性，非常適合風量、風壓非線性、時變、強干擾的不確定復雜因數的系統。