基于模糊控制算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究

1、基于模糊控制算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究摘 要模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。由于它不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是模擬人的思維方式來(lái)實(shí)施控制，因而對(duì)于鍋爐燃燒的控制就具有了傳統(tǒng)PID控制所無(wú)法比擬的自適應(yīng)能力。本文以2臺(tái)50t/h燃煤鍋爐的燃燒控制為課題，以改進(jìn)原有PID控制為目的，以當(dāng)前發(fā)展比較迅速的模糊控制理論為手段，提出了采用8051單片機(jī)控制變頻器改變給煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了燃燒過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制。系統(tǒng)對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)傳感器采樣信號(hào)，計(jì)算是否達(dá)到最佳含氧量、最佳風(fēng)煤比，來(lái)控制給煤量、引風(fēng)量和送風(fēng)量，

2、使燃燒達(dá)到最佳熱效率和提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。用MATLAB對(duì)應(yīng)用模糊自整定PID控制器的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究。針對(duì)鍋爐這種具有非線性、參數(shù)不穩(wěn)定、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象，采用傳統(tǒng)的PID控制，效果不佳。結(jié)合模糊控制理論和PID控制，本文提出用模糊自整定控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的控制。并利用MATLAB仿真工具對(duì)模糊自整定PID控制器的性能作了初步研究。仿真結(jié)果表明，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，具有超調(diào)量小、過(guò)渡時(shí)間短、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。 關(guān)鍵詞：鍋爐；模糊自整定控制；單片機(jī)；系統(tǒng)仿真Research On The Boiler Burning Cont

3、rol System Based On Fuzzy Control AlgorithmAbstractFuzzy control is a fuzzy set theory，fuzzy linguistic variables and fuzzy logic mathematical basis of the new computer-controlled method. Because it does not rely on accurate mathematical model of the controlled object，but simulate human thinking to

4、implement a control，thus for boiler combustion control is having the adaptability of traditional PID control cant match.In this paper， two 50t/h coal-fired boilers burning control system was studied as its thesis， the primary PID controller was improved as its purpose， and fuzzy control theory devel

5、oped rapidly at Present was applied as its means. The design scheme is that controlling transducers change rotate speed of supplying coal electromotor，fan，and blower using 8051 micro-controller. It realized computer control of burning process. This system finished supervisory control of boiler burni

6、ng， sampled signals through sensor and calculated the signals whether reached the best content of oxygen and the best wind-coal ratio. Using it controls the quantity of coal， entering wind and sending wing for reaching the best thermal efficiency of burning and improving economy benefit of boiler ru

7、nning. Simulation of boiler burning control system was also performed to study the controllers self-adaptive fuzzy control by MATLAB.Aiming at the nonlinear object of boiler with instability parameter and difficult building math model，using traditional PID controller cant reach the best effect. Comb

8、ining fuzzy control theory and PID control， an adaptive controller to control boiler is proposed in this paper. And the capability of the self-adaptive fuzzy controller was studied using MATLAB simulation. Simulation result shows Fuzzy-PID is better than PID controller. Fuzzy-PID has many characteri

9、stics，such as small exceeded value，short transition，better stability and strong adaptability etc，and can reach anticipative control effect.Keywords：boiler；self-adaptive fuzzy controller；SCM；simulation目 錄摘 要IAbstractII第 1 章 緒 論11.1引言11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3研究對(duì)象及設(shè)計(jì)內(nèi)容2第2章 鏈條燃煤鍋爐的控制42.1 鏈條燃煤鍋爐系統(tǒng)的簡(jiǎn)介42.1.1 燃煤鏈條鍋爐的

10、結(jié)構(gòu)42.1.2 鍋爐工作過(guò)程52.1.3 鍋爐的主要控制系統(tǒng)62.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性62.2.1 燃料傳送過(guò)程62.2.2 燃料燃燒過(guò)程72.2.3 蒸汽形成過(guò)程72.3 鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求72.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖92.4.1 給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)92.4.2 送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)112.4.3 引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)132.4.4 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)132.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)142.5.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般概念142.5.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理14第3章 控制算法163.1 引言163.2 PID控制163.3 模糊控制183.3.1 模糊控制器183.3.2 模糊控制系統(tǒng)原

11、理框圖193.4 模糊PID復(fù)合控制203.4.1 PID參數(shù)模糊自整定控制原理203.4.2 PID參數(shù)Fuzzy整定模型203.4.3 模糊自整定PID控制器233.5 簡(jiǎn)化的模糊PID控制243.5.1 二維模糊控制243.5.2 三維模糊控制253.6 鏈條鍋爐燃燒控制方案26第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)294.1 硬件結(jié)構(gòu)294.2 系統(tǒng)功能304.3 硬件配置31第5章 軟件設(shè)計(jì)355.1 軟件設(shè)計(jì)原則355.2 軟件實(shí)現(xiàn)功能355.3 主程序流程圖365.4 鍋爐點(diǎn)火子程序375.5 A/D采樣子程序流程圖385.6控制算法子程序流程圖39第6章 系統(tǒng)仿真406.1 仿真工具介紹406.

12、2 供暖鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仿真40第7章 結(jié)論437.1 設(shè)計(jì)完成的主要工作437.2 尚待完善的工作43參考文獻(xiàn)44謝 辭4647第 1 章 緒 論1.1 引言隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，北方地區(qū)冬季供熱面積的不斷擴(kuò)大，如何科學(xué)有效的控制和管理供熱系統(tǒng)，提高供熱的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，成為當(dāng)前急需解決的重要課題。在供熱系統(tǒng)中，鍋爐房供熱所占比例很大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采暖地區(qū)采暖能耗已達(dá)1.27億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)總能耗的10.7%，造成如此大的能耗主要是由于大部分鍋爐自動(dòng)化程度不高，運(yùn)行效率低，浪費(fèi)能源嚴(yán)重。為此，國(guó)內(nèi)專家對(duì)鍋爐本體燃燒的自動(dòng)控制作了很多研究，本篇論文以鍋爐系統(tǒng)的改造為背景，利用近幾年來(lái)

13、工業(yè)控制領(lǐng)域中比較先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，來(lái)改善原有鍋爐系統(tǒng)的控制方式，使鍋爐燃燒系統(tǒng)得到最佳控制1。鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出對(duì)象，而且各變量之間存在著關(guān)聯(lián)（見圖1.1）。爐膛負(fù)壓主要受引風(fēng)和送風(fēng)的影響，而其它各量對(duì)它的影響很小；V-O%通道是保證鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的做法，即通過(guò)送風(fēng)氧量通道使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近，通過(guò)對(duì)含氧量的調(diào)節(jié)達(dá)到對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。燃燒調(diào)節(jié)主要分為三個(gè)回路：燃燒量(給煤量)調(diào)節(jié)，送風(fēng)量(最佳燃燒)調(diào)節(jié)，引風(fēng)量(保證爐膛負(fù)壓)調(diào)節(jié)1。鑒于給水調(diào)節(jié)不是本篇研究的問(wèn)題，在此不作過(guò)多介紹2。燃燒量M壓力P送風(fēng)量V煙氣氧量O2%引風(fēng)量S爐膛溫度PS圖1.1燃燒系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系

14、1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 據(jù)資料顯示，在同樣條件下，我國(guó)單位面積采暖能耗量是發(fā)達(dá)國(guó)家的34倍；1t蒸汽一般只能供40006000m2的采暖面積，僅相當(dāng)于北歐國(guó)家不到一半的采暖面積，差距很大。形成這種現(xiàn)象的因素是多方面的，其中鍋爐燃燒控制方法的落后是造成差距的原因之一。雖然，國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者發(fā)表了許多關(guān)于鍋爐控制的先進(jìn)方法(大多都引入了模糊控制技術(shù))，但在實(shí)際應(yīng)用中模糊控制技術(shù)并沒(méi)有得到推廣，大多數(shù)鍋爐仍舊沿用傳統(tǒng)的PID控制方法3。目前，國(guó)內(nèi)的鍋爐燃燒控制仍然大多采用常規(guī)PID控制器，或者為了改善控制效果，加一些前饋控制。控制方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外的控制技術(shù)，尤其是北歐國(guó)家和德國(guó)。據(jù)國(guó)外報(bào)道：在10

15、t/h煤粉鍋爐上應(yīng)用自校正技術(shù)和在SIG20型鏈條爐上使用Fuzzy控制已取得了節(jié)約燃料的良好效果。E.H.Mamdani首先應(yīng)用Fuzzy控制方法來(lái)控制用于試驗(yàn)的鍋爐和汽輪機(jī)，在燃油鍋爐上應(yīng)用最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制技術(shù)的例子也有多次報(bào)道。人工智能技術(shù)已在過(guò)程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。專家系統(tǒng)PID自整定調(diào)節(jié)器EXACT就是其中的一例。在工業(yè)鍋爐上應(yīng)用EXACT取得了很好的效果。美國(guó)德克薩斯州的某化工廠工業(yè)鍋爐及所有蒸汽回路都采用了EXACT，蒸汽消費(fèi)量減少了15%。綜上，在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中采用先進(jìn)的控制理論和計(jì)算機(jī)控制，對(duì)節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境有重大意義，具有廣闊的前景。1.3 研究對(duì)象及設(shè)

16、計(jì)內(nèi)容鍋爐燃燒過(guò)程是個(gè)具有大慣性、純滯后、變參數(shù)的多輸入多輸出復(fù)雜過(guò)程。傳統(tǒng)的鍋爐燃燒控制多采用PID控制器，但PID是無(wú)法為具有大慣性、純滯后和變參數(shù)的過(guò)程提供高質(zhì)量的控制。解決這些問(wèn)題的方法是采用比PID更為有效的控制技術(shù)。采用模糊控制技術(shù)完成對(duì)燃燒系統(tǒng)的控制，就能達(dá)到較好的控制效果，能夠彌補(bǔ)PID控制的不足，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。這為鏈條爐的燃燒控制開辟了新的途徑。模糊控制同傳統(tǒng)控制的不同在于，它不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種手段，它根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。其組成核心是具有智能性的模糊控制器，這是它與一般PID在原理

17、和方法上完全不同之處。模糊控制與控制理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可構(gòu)造成FuzzyPID復(fù)合型控制系統(tǒng)，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。因此模糊控制并不是代替，而只是拓展了傳統(tǒng)的控制。模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)能在控制過(guò)程中對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測(cè)分析，采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)KP、KI和KD的在線自整定，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性，控制也更精確7。首先詳細(xì)了解鏈條鍋爐的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，著重對(duì)鍋爐燃燒控制過(guò)程進(jìn)行研究。改變傳統(tǒng)PID控制方法，采用PID控制器與模糊控制相結(jié)合的

18、手段對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行控制；對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)中的其它自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)略予以描述，并給出燃燒控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)的接口；對(duì)鍋爐燃燒的FuzzyPID控制算法進(jìn)行SIMULINK仿真研究，仿真結(jié)果表明，此控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)控制，并且方案是行之有效的3。給煤系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)是鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，以MCS51系列單片機(jī)作為主控設(shè)備，通過(guò)傳感器采集爐膛溫度、壓力、含氧量和爐膛負(fù)壓來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐的給煤量、送風(fēng)量和引風(fēng)量從而達(dá)到最佳熱效率。同時(shí)采用MCS51單片機(jī)控制變頻器交流調(diào)速來(lái)控制給煤電動(dòng)機(jī)、爐排電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使它們協(xié)調(diào)運(yùn)作，達(dá)到快速反應(yīng)、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)的控制效果。MCS51系列單片機(jī)可

19、擴(kuò)展外部接口，與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)(汽包水位、過(guò)熱蒸汽氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng))相連結(jié)，實(shí)現(xiàn)鍋爐整體的監(jiān)控，有效提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，達(dá)到穩(wěn)態(tài)控制的要求。第2章 鏈條燃煤鍋爐的控制2.1 鏈條燃煤鍋爐系統(tǒng)的簡(jiǎn)介2.1.1 燃煤鏈條鍋爐的結(jié)構(gòu)燃煤鏈條鍋爐的各部分結(jié)構(gòu)如圖2.1。圖2.1 燃煤鏈條鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖鍋爐結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：1. 汽鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。2. 爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備。3. 過(guò)熱器：是將鍋爐所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過(guò)熱蒸汽的換熱器。4. 省煤器：是利用煙氣余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。5. 空氣預(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加

20、熱燃料燃燒所需要的空氣的換熱器。通常，大、中型鍋爐中均設(shè)有空氣預(yù)熱器。為保證正常工作，鍋爐還必須有一些輔助設(shè)備，包括以下幾個(gè)部分： 1. 引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道口幾部分2. 送風(fēng)設(shè)備：由送風(fēng)機(jī)和風(fēng)道所組成3. 給水設(shè)備：由給水泵和給水管組成4. 水處理設(shè)備：其作用為清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度5. 燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉(cāng)和儲(chǔ)煤斗等設(shè)備組成6. 除灰除塵設(shè)備：除灰設(shè)備是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往儲(chǔ)灰場(chǎng)地的設(shè)備2.1.2 鍋爐工作過(guò)程鍋爐的工作過(guò)程概括起來(lái)包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的過(guò)程：燃料的燃燒過(guò)程，煙氣向水的傳熱過(guò)程和水的汽化過(guò)程。燃煤鍋爐的燃燒過(guò)程：燃料煤加到煤斗中并抖落在爐排上，通過(guò)減

21、速機(jī)、鏈條帶動(dòng)爐排轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。煤邊燃燒邊向后移動(dòng)，引風(fēng)機(jī)將燃燒所需的空氣送入風(fēng)箱，向上通過(guò)爐排到達(dá)燃燒層。風(fēng)量和燃料量成比例(風(fēng)煤比)，以便進(jìn)行充分燃燒，形成高溫?zé)煔?。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端返過(guò)除渣板后排入灰斗。此過(guò)程稱為燃燒過(guò)程。煙氣向水的傳熱過(guò)程：由于燃料的燃燒放熱，爐膛內(nèi)溫度很高。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱和對(duì)流換熱，將熱量傳遞給管內(nèi)的水。煙氣受引風(fēng)機(jī)、煙囪的引力向爐膛上方流動(dòng)。經(jīng)過(guò)煙氣出煙窗(爐膛出口)并通過(guò)防渣管后就沖刷蒸汽過(guò)熱器(蒸汽過(guò)熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使汽鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過(guò)熱)。煙氣流經(jīng)過(guò)熱器后又經(jīng)過(guò)脹接在上、下爐

22、筒間的對(duì)流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對(duì)流換熱方式將熱量傳遞給管束內(nèi)的水。沿途降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的水進(jìn)行熱交換后，以較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實(shí)際上就是給水預(yù)熱器，它和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。水的汽化過(guò)程:就是蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過(guò)程。經(jīng)過(guò)處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入汽鍋。鍋爐工作時(shí)，汽鍋中的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱較弱，汽水的容重較大;而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)水的容重較小，因而容重

23、大的往下流入下鍋筒，而容重小的則向上流入上鍋筒，形成了水的自然循環(huán)。蒸汽產(chǎn)生的過(guò)程是借助上爐筒內(nèi)裝設(shè)的汽水分離設(shè)備，以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器，而分離下來(lái)的水仍回到上鍋筒下半部分的水中。2.1.3 鍋爐的主要控制系統(tǒng)供熱鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)熱負(fù)荷的需要，供應(yīng)一定溫度的蒸汽，同時(shí)使鍋爐在經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備有以下主要的控制系統(tǒng)。1鍋爐汽包水位控制2鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：燃燒控制中三個(gè)被控變量是蒸汽壓力(或負(fù)壓)、煙氣分(經(jīng)濟(jì)燃燒指標(biāo))和爐膛負(fù)壓?？蛇x用的操縱變量也是三個(gè):燃燒量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。組成的燃

24、燒系統(tǒng)控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量;要使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行;要使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保證爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。3過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制在本文中著重對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出燃燒系統(tǒng)的控制方式。而對(duì)其控制系統(tǒng)的控制不作詳細(xì)描述。2.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.2.1 燃料傳送過(guò)程燃料煤傳送過(guò)程的輸入?yún)?shù)是給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出參數(shù)是給煤量的多少。給煤機(jī)在動(dòng)態(tài)特性上是一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)。同時(shí)，給煤機(jī)傳送具有純滯后時(shí)間T。所以，煤粉傳送過(guò)程的傳遞函數(shù)為下式(2.1)：G1(s)=K1T1s+1e-s (2.1)其中，K1為放大系數(shù)，T1時(shí)間常數(shù)，單位s

25、，為煤傳送滯后時(shí)間，單位s。2.2.2 燃料燃燒過(guò)程燃料燃燒過(guò)程的輸入?yún)?shù)是給煤量，輸出參數(shù)是燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，可以用一階滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似描述其動(dòng)態(tài)特性，如式(2.2)：G2(s)=K2T2s+1 (2.2)K2為燃燒過(guò)程的放大系數(shù)，T2燃燒過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。2.2.3 蒸汽形成過(guò)程蒸汽形成過(guò)程包括汽水蓄熱和蒸汽析出兩個(gè)過(guò)程，它的輸入?yún)?shù)為導(dǎo)管傳遞給省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中汽水混合物的熱量，輸出參數(shù)按理應(yīng)當(dāng)是鍋爐水所含有的熱量，在一定的壓力下，蒸發(fā)強(qiáng)度與受熱強(qiáng)度成正比，因此可以用受熱過(guò)程中析出的蒸汽量Ds來(lái)衡量鍋爐水含熱量的變化。所以，輸出參數(shù)可以為析出管道出口的蒸汽量Ds在研究蒸汽形成過(guò)程的

26、動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以分省煤器省煤段和循環(huán)系統(tǒng)中蒸發(fā)段兩部分。對(duì)于循環(huán)系統(tǒng)蒸汽段，其傳遞函數(shù)可表示為下式(2.3)： G31 s=K31*1-e-T31sT31 s (2.3)省煤器省煤段的傳遞函數(shù)可表示為下式(2.4)：G32 s=K32*1-e-T32sT32 s (2.4)T31循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，單位s；K31循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過(guò)程的放大系數(shù)；T31省煤器省煤段的停留時(shí)間，單位s；K31省煤器省煤段的放大系數(shù)。綜合公式，可以求出蒸汽形成過(guò)程的傳遞函數(shù)為下式(2.5)：G3s=G1s+G2s (2.5)2.3 鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求鍋爐供暖系統(tǒng)包括兩個(gè)主要控制任務(wù)，一個(gè)是燃燒系統(tǒng)控制，另一個(gè)

27、是給水系統(tǒng)控制; 另外還有過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制和鍋爐水處理過(guò)程的控制等。其中燃燒系統(tǒng)的控制是主要的。燃燒控制的基本任務(wù)既要供熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要，還要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐運(yùn)行的安全性。因此，燃燒控制要通過(guò)調(diào)節(jié)給煤量來(lái)保持分配到的負(fù)荷;調(diào)節(jié)送風(fēng)量使之隨時(shí)與給煤保持恰當(dāng)?shù)谋壤员ＷC完全的燃燒和最小的熱損失;調(diào)節(jié)引風(fēng)使之隨時(shí)與送風(fēng)相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。多臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行的母管制方式，還要實(shí)現(xiàn)按預(yù)定比例向各臺(tái)鍋爐分配負(fù)荷，使各臺(tái)鍋爐負(fù)荷均衡，共同維持供熱母管的正常運(yùn)行。給水控制的任務(wù)主要是控制供水流量和回水流量，從而間接地影響供水溫度和回水溫度，從一定程度上解決一直困擾供熱系統(tǒng)的豎向失調(diào)

28、問(wèn)題。燃燒自動(dòng)控制的任務(wù)是:使燃燒燃料產(chǎn)生的熱量適應(yīng)需求量，使燃料量與送風(fēng)量隨時(shí)保持適當(dāng)?shù)呐浔?，以保證煙氣中含氧的最佳值，即最佳過(guò)?？諝庀禂?shù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒;使引風(fēng)量隨時(shí)與送風(fēng)量保持平衡，維持爐膛負(fù)壓不變。根據(jù)鍋爐燃燒過(guò)程的特點(diǎn)，燃燒自動(dòng)控制是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即:通過(guò)調(diào)節(jié)給煤、送風(fēng)和引風(fēng)來(lái)保證蒸汽壓力、煙氣含量和爐膛負(fù)壓為一定值。燃燒過(guò)程的控制基本要求有三個(gè):1、保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負(fù)荷要求自動(dòng)增減燃料量;2、燃燒良好，供氣適宜。既要防止空氣不足使煙囪冒黑煙，也不要因空氣過(guò)量而增加熱量損失;3、保證鍋爐安全運(yùn)行。保持爐膛一定的負(fù)壓，以免負(fù)壓太小，甚至為正，造成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒出，影響設(shè)備和

29、工作人員的安全:如果負(fù)壓過(guò)大，會(huì)使熱量損失增加。母管壓力調(diào)節(jié)器- 一號(hào)鍋爐1號(hào) +溫度調(diào)節(jié)器負(fù)荷調(diào)節(jié)器 - -給煤量設(shè)定負(fù)荷 母 管測(cè)量O2%增量前饋?zhàn)罴袿2%+_-1號(hào)+送風(fēng)門擋板氧量調(diào)節(jié)器 + + + 送風(fēng) -送風(fēng)前饋設(shè)定爐膛負(fù)壓引風(fēng)閥引風(fēng)調(diào)節(jié)器 引風(fēng)爐膛負(fù)壓反饋2號(hào) . . . 2號(hào)母管壓力反饋及負(fù)荷量計(jì)算圖2.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)控制圖 2.4 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖根據(jù)母管制并行運(yùn)行，鍋爐燃燒過(guò)程調(diào)節(jié)所要完成的任務(wù)，將整個(gè)系統(tǒng)分成四個(gè)相互聯(lián)系的子系統(tǒng)，即壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(調(diào)節(jié)與并列運(yùn)行的所有鍋爐均有關(guān)的母管壓力)、每臺(tái)鍋爐給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)、送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)這四個(gè)系統(tǒng)的分析，可以得

30、到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(如圖2.2所示)。為了使給煤機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)工作，以克服耦合的影響，必須采用多變量輸入多變量輸出的協(xié)調(diào)控制方式控制鍋爐的燃燒過(guò)程。2.4.1 給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，給煤調(diào)節(jié)器是整個(gè)燃燒控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益的主要實(shí)現(xiàn)途徑。燃料在鍋爐中燃燒形成煙氣，煙氣中的含氧量由氧化鋯分析儀來(lái)檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，伏值05V，送給單片機(jī)的模擬輸入通道，單片機(jī)接受到信號(hào)后進(jìn)行判斷后，將信號(hào)送出，對(duì)變頻器進(jìn)行相應(yīng)的控制，以此來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制送入鍋爐的給煤量，使燃燒達(dá)到最佳熱效率。在給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，分為兩部分:一個(gè)是負(fù)荷主調(diào)

31、節(jié)器，另一個(gè)是爐膛溫度副調(diào)節(jié)器。主副調(diào)節(jié)器都采用模糊自整定控制器。由于系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，要求控制器具有較好的魯棒性和快速性，對(duì)精度要求不是十分高，因此采用常用的二維模糊控制器。在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，為了減少運(yùn)算量，將模糊控制規(guī)律制成模糊控制表。模糊控制器的輸入變量是鍋爐的負(fù)荷及鍋爐負(fù)荷變化，輸出是鏈條爐的給煤量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的控制要求和模糊推理求出模糊控制規(guī)則表(見表2.1)。表2.1主調(diào)節(jié)器模糊控制表-6-5-4-3-2-1012345600000000001122111122222233332111222222333332344444444455534555555555565345555555

32、555664566666666666為了使鍋爐的爐膛溫度控制在穩(wěn)定的范圍之中，提高鍋爐的運(yùn)行工況，縮小各鍋爐之間的不均衡性，還要引入副調(diào)節(jié)器，對(duì)給煤量進(jìn)行修正，以使?fàn)t膛溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。對(duì)于爐膛溫度修正副調(diào)節(jié)回路，取爐膛溫度的偏差及偏差變化為模糊控制器的輸入變量，修正給煤量為控制器的輸出變量，求出模糊控制規(guī)律(見表2.2)。這些工作都是離線進(jìn)行的，求出模糊控制表后，將其存入計(jì)算機(jī)中。實(shí)時(shí)控制時(shí)，模糊控制器只需要進(jìn)行以下的工作:在每個(gè)控制周期中采樣給定負(fù)荷值，爐膛溫度值，并計(jì)算出相應(yīng)的負(fù)荷偏差、溫度偏差及偏差的變化量，再將各變量分別進(jìn)行模糊量化，取得以相應(yīng)論域元素表征的查找模糊控制表所需

33、的模糊量的論域值，然后根據(jù)論域元素的值查找模糊控制表可以得出輸出論域值元素。將該論域元素值乘以相應(yīng)的調(diào)節(jié)器的比例因子，得出給煤量的輸出信號(hào)。表2.2爐膛溫度修正量調(diào)節(jié)模糊控制表-6-5-4-3-2-10123456-6-6-6-6-6-6-6-6-6-6-5-4-3-2-5-6-6-6-5-5-5-5-4-3-3-2-2-1-4-6-6-6-5-4-4-4-3-2-1000-3-5-5-5-4-3-3-3-2-1-1000-2-4-4-4-3-2-2-2-100000-1-3-3-3-2-1-1-1-1011110-2-2-2-10000012221-1-1-1-101111233320000

34、01222344430001123334555400012344456665122334555566662345666666666主副調(diào)節(jié)器的給煤量信號(hào)按以下公式(2.6)合成:Bw=KbB+KcTckbB (2.6)Bw為總給煤量的輸出，B為主調(diào)節(jié)器的給煤量，Kb為主調(diào)節(jié)器給煤量比例因子，為修正給煤量，Kb為修正項(xiàng)比例因子，TC為控制時(shí)間常數(shù)，KC為修正項(xiàng)系數(shù)。2.4.2 送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)送風(fēng)量使之隨時(shí)與給煤保持適當(dāng)?shù)谋壤?風(fēng)煤比)，以保證完全的燃燒和最小的熱損失。由于到目前為止，還沒(méi)有找到一種有效的方法能夠準(zhǔn)確地測(cè)量給煤量信號(hào)，工程實(shí)際中一般以煙氣含氧量作為給

35、煤量的一種間接反饋信號(hào)，以最佳含氧量信號(hào)作為標(biāo)識(shí)來(lái)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)燃燒。含氧量信號(hào)具有時(shí)間延遲短，對(duì)判斷是否充分燃燒反映快等優(yōu)點(diǎn)。因此，可將送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)直接看成是氧量調(diào)節(jié)的過(guò)程。氧量調(diào)節(jié)器有三個(gè)輸入變量:最佳含氧量、含氧量測(cè)量值以及給煤增量前饋。在本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器中，主要的設(shè)計(jì)目的是使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近，以保證煤完全燃燒和達(dá)到最小的熱損失。因此，對(duì)模糊PID控制器來(lái)講，主要的控制任務(wù)就是保持含氧量的最佳值。為此，模糊控制輸入變量的選取包括煙氣含氧量的給定值與實(shí)際值偏差e及偏差變化e，再加上給煤量前饋，就構(gòu)成了三維模糊控制器。如果模糊控制器的3個(gè)輸入變量都取7個(gè)模糊子集，那么控制規(guī)則

36、將達(dá)到73=343條。為了簡(jiǎn)化控制規(guī)則，對(duì)于給煤量增量只取3個(gè)模糊子集，即N(負(fù))、O(零)、P(正)，并采用對(duì)二維模糊表擴(kuò)展的方法(見表2.3)來(lái)簡(jiǎn)化三維模糊控制表。表2.3 非線性量化表量化值EECUC-7UC-0.1-6E-12EC-1-0.1UC-0.06-5-12<E-8-1<EC-0.6-0.06<UC-0.04-4-8<E-4-0.6<EC-0.3-0.04<UC-0.025-3-4<E-2-0.3<EC-0.16-0.025<UC-0.015-2-2<E-1-0.16<EC-0.08-0.015<UC-0.

37、01-1-1<E-0.5-0.08<EC-0.04-0.01<UC-0.0050-0.5<E0.5-0.04<EC0.04-0.005<UC0.00510.5<E10.04<EC0.080.005<UC0.0121<E20.08<EC0.160.01<UC0.01532<E40.16<EC0.30.015<UC0.02544<E80.3<EC0.60.025<UC0.0458<E120.6<EC10.04<UC0.06612<E1<EC0.06<UC0

38、.170.1<UC2.4.3 引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引風(fēng)調(diào)節(jié)器通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)門擋板開度的變化控制爐膛負(fù)壓在一定的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)的被控制對(duì)象特性與送風(fēng)控制系統(tǒng)相似，控制器也需要對(duì)環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，因而可采用和送風(fēng)系統(tǒng)相同的控制策略。但是為了取得系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，使得系統(tǒng)在給煤量分檔切換時(shí)爐膛負(fù)壓能夠盡快穩(wěn)定，本文采用非線性模糊量化方法對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在鍋爐引風(fēng)模糊控制器中，兩個(gè)輸入變量爐膛負(fù)壓偏差e及偏差變化e，其基本論域整定為：-12，12Pa，-1，1Pa/min，輸出變量引風(fēng)門擋板開度變化u，基本論域整定為-0.1，0.1。偏差(E)及偏差變化(EC)論域都量化為13檔，送風(fēng)

39、門擋板開度變化(UC)論域量化為15檔。非線性量化見表2.3。由于引風(fēng)系統(tǒng)控制對(duì)象與送風(fēng)系統(tǒng)相似，因此，在非線性量化表參數(shù)整定之后，可以按照表23得出的控制表對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣就減少了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間，提高了計(jì)算機(jī)對(duì)其它事件的反應(yīng)能力。2.4.4 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)爐膛負(fù)壓是鍋爐系統(tǒng)中重要的參數(shù)之一，負(fù)壓是送風(fēng)量和引風(fēng)量是否平衡的指標(biāo)。爐膛負(fù)壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響鍋爐的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)燃燒。如果爐膛負(fù)壓過(guò)小，燃料不能充分燃燒;若負(fù)壓過(guò)大，則漏風(fēng)嚴(yán)重，從而導(dǎo)致總風(fēng)量增加、煙氣熱損失增大、煤耗增加。爐膛負(fù)壓對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，幾乎沒(méi)有純滯后，也不是高階對(duì)象，比較容易控制。本系統(tǒng)利用調(diào)節(jié)引風(fēng)擋板的開度，

40、引入送風(fēng)量作為前饋信號(hào)，控制它的引風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)方框圖將圖2.3所示。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，需要利用調(diào)速電機(jī)增大煤量。同時(shí)，與給煤量成正比例的送風(fēng)量也要相應(yīng)增大。此時(shí)爐膛負(fù)壓即下降，需要增加引風(fēng)量以保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。由于爐膛負(fù)壓變化有一段滯后，雖然調(diào)節(jié)了引風(fēng)擋板的開度，但在一段時(shí)間里爐膛負(fù)壓仍在下降。因此將送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出作為前饋信號(hào)，送到爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)回路的引風(fēng)調(diào)節(jié)器，使送風(fēng)量變化時(shí)引風(fēng)量也立即變化，以解決滯后問(wèn)題。K 送風(fēng)量+爐膛引風(fēng)擋板壓力PID 負(fù)壓 負(fù)壓設(shè)定 壓力變送器圖2.3 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2.5.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般概念自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、供暖系統(tǒng)、

41、空調(diào)系統(tǒng)等許多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，就可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及記憶功能，運(yùn)用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，編出符合控制規(guī)律的程序。計(jì)算機(jī)執(zhí)行這樣的程序，就能實(shí)現(xiàn)被控參數(shù)的調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中輸入輸出信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，因此在這種控制系統(tǒng)中，輸入端必須加上A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在輸出端必須加上D/A轉(zhuǎn)換器，在將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。計(jì)算機(jī)控制可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)，監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)和集散控制系統(tǒng)(DCS)。2.5.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理將原來(lái)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)改造為以MCS51系列單片

42、機(jī)8051控制。原來(lái)的控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)控制，但PLC價(jià)格較高，不如單片機(jī)價(jià)格低;單片機(jī)的抗干擾性能雖不如PLC，但通過(guò)在輸入、輸出端采用光電隔離等措施后，實(shí)際應(yīng)用既能提高鍋爐熱效率，達(dá)到節(jié)能效果，又能使運(yùn)行安全可靠，實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化。為實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)手動(dòng)/自動(dòng)切換，還對(duì)手操跟蹤信號(hào)進(jìn)行采樣。主機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬量去推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度、引風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制方案的各項(xiàng)要求。另外，8051單片機(jī)還可以通過(guò)擴(kuò)展外部接口電路，與其它鍋爐控制系統(tǒng)(汽包水位控制系統(tǒng)、過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng))進(jìn)行連接，為以后的工作打好

43、鋪墊。鍵盤RAMROM打印機(jī)顯示器執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/AA/D測(cè)量元件信號(hào)變送器8051爐膛溫度給煤機(jī)煙氣含氧量送風(fēng)機(jī)8255A送風(fēng)量引風(fēng)機(jī)爐膛負(fù)壓開關(guān)量I/O時(shí)鐘報(bào)警輸出手動(dòng)操作圖2.4 鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)框圖第3章 控制算法3.1 引言工業(yè)鍋爐是一個(gè)典型的多輸入、多輸出、多變量互相耦合的復(fù)雜非線性被控對(duì)象。對(duì)于鍋爐燃燒過(guò)程，通常由于其時(shí)變性和不確定性，很難建立既有足夠精度又便于系統(tǒng)控制的數(shù)學(xué)模型。鑒于鍋爐燃燒過(guò)程的復(fù)雜性和控制難點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)既提高鍋爐的熱效率，又滿足用戶負(fù)荷要求，并保證運(yùn)行安全，所以其控制算法與控制決策的參考因素需要多元化，控制算法應(yīng)根據(jù)多個(gè)工藝參量的現(xiàn)行值和歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析、推

44、理和計(jì)算。這是傳統(tǒng)控制理論不易實(shí)現(xiàn)的，常規(guī)的PID控制器，很難整定PID參數(shù)，因此比較難達(dá)到預(yù)期效果?？偨Y(jié)分析發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，采用FuzzyPID復(fù)合型控制器，可以達(dá)到理想的控制效果，它對(duì)各種被控對(duì)象，不同的控制指標(biāo)均能實(shí)現(xiàn)PID最佳效果。模糊控制器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型控制器，其優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制的靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。3.2 PID控制在目前使用的多數(shù)供熱鍋爐控制方案中，系統(tǒng)中采用的大都是PID控制器，下面對(duì)過(guò)程

45、控制中常見的PID控制作出介紹。比例+積分被控對(duì)象r(t)+e(t) +c(t)微分+圖3.1 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖在模擬控制中，常規(guī)PID控制原理如圖3.1所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差： Et=rt-ct (3.1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。其控制規(guī)律為：ut=Kpet+1TI0tetdt+TDde(t)dt (3.2)也可以寫成傳遞函數(shù) G(s)=U(S)E(S)=Kp1+1TIS+TDS (3.3)其中，Kp為比

46、例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:1、比例環(huán)節(jié):即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。2、積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。3、微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID控制作為生產(chǎn)過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的控制方法，至今在過(guò)程控制中的應(yīng)用以有幾十年的歷史。PID控制在過(guò)程控制中的生命力如此之強(qiáng)，是由于它本身的優(yōu)點(diǎn):PID控制的原理簡(jiǎn)單，使用起來(lái)比較方便;在過(guò)程控制中的適應(yīng)性強(qiáng)，在多種生產(chǎn)部門都得到應(yīng)用，在生產(chǎn)過(guò)程控制發(fā)展歷

47、程中，盡管控制器的實(shí)現(xiàn)幾經(jīng)換代，但基本的控制功能仍然是PID控制;PID控制的控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的變化不很敏感，具有一定的魯棒性。但是，盡管具有上述的優(yōu)點(diǎn)，PID控制仍然有其局限性，特別是在一些控制要求較高，參數(shù)不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)中，PID控制的效果并不能令人十分滿意。3.3 模糊控制迷糊控制的基本原理：控制是以模糊集合論、模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，是采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。其基本概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授扎德(LA.Zadeh)首先提出的，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得重大成功。其組

48、成核心是具有智能性的模糊控制器，這也是它與一般的PID在原理和方法上完全不同之處。3.3.1 模糊控制器模糊控制器(FCFuzzy Controller)也稱為模糊邏輯控制器(FLCFuzzy Logic Controller)，由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件句來(lái)描述的，因此，模糊控制器是一種語(yǔ)言型控制器，故也稱為模糊語(yǔ)言控制器(FLCFuzzy Language Controller)。模糊控制器的組成框圖如圖3.2所示。它包括有:輸入量模糊化接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)和輸出解模糊接口5個(gè)部分。1、模糊化接口:模糊控制器的輸入必須通過(guò)模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解，因

49、此它實(shí)際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量。2、數(shù)據(jù)庫(kù):所存放的是所要輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經(jīng)過(guò)論域等級(jí)的離散化以后對(duì)應(yīng)值的集合)，若論域?yàn)檫B續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過(guò)程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。解模糊接口推理機(jī)模糊化接口數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)則庫(kù)知識(shí)庫(kù)輸入輸出圖3.2 模糊控制器組成框圖3、規(guī)則庫(kù):模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如ifthen、also、or、and等。關(guān)系詞必須經(jīng)過(guò)“翻譯”，才能將模糊規(guī)則數(shù)值

50、化。假設(shè)有控制規(guī)則if A and B then C，其中，A是論域U上的一個(gè)模糊子集，B是論域V上的一個(gè)模糊子集。根據(jù)人工試驗(yàn)，可離線組織其控制決策表R，R是笛卡爾乘積集U *V上的一個(gè)模糊子集。則某一時(shí)刻，該控制的控制量由下式得出:C=A*B*R (3.4)規(guī)則庫(kù)是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。知識(shí)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分組成。4、推理機(jī):推理是控制器中根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考慮到推理時(shí)間，通常采用運(yùn)算較簡(jiǎn)單的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類

51、。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識(shí)工程學(xué)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)中。5、解模糊接口:推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來(lái)作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉(zhuǎn)換作用的功能部分稱為解模糊接口。綜上所述，模糊控制器實(shí)際上就是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)。它的絕大部分功能都是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成的，隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組單元的軟件功能。3.3.2 模糊控制系統(tǒng)原理框圖模糊控制系統(tǒng)原理框圖也可以由圖3.3所示，其中的模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊決策、非模糊化處理環(huán)節(jié)

52、組成模糊控制器。模糊控制的核心問(wèn)題是建立一個(gè)好的模糊控制器，也稱為模糊邏輯控制器。由于其采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語(yǔ)句(Ifthen)來(lái)描述的，因此模糊控制器是一種語(yǔ)言控制器，故也稱為模糊語(yǔ)言控制器。事實(shí)上對(duì)模糊控制，不需要人們對(duì)控制器本身的作用原理方式有很多理解;模糊控制完全是模仿人腦的思維方式，一個(gè)模糊控制器就是通過(guò)ifthen形式的規(guī)則進(jìn)行控制的。模糊控制過(guò)程是對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、輸出控制量的過(guò)程，由于它是模擬人的模糊推理和決策過(guò)程的一種實(shí)用的控制方法，因此非常適合非線性和多輸入多輸出系統(tǒng)。根據(jù)模糊控制器的結(jié)構(gòu)可分為:一維模糊控制器、二維模糊控制器、三維模糊控制器、多變量模糊控制器、自調(diào)整因子模糊控制器等。但是由于模糊控制的控制精度不夠高，單純利用模糊控