基于FuzzyPID控制的火電廠再熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、基于Fuzzy-PID控制的火電廠再熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 目前，火電廠再熱汽溫控制中，再熱蒸汽出口溫度控制要求高、可控性差，工藝上對(duì)再熱汽溫控制的質(zhì)量有非常嚴(yán)格的要求。再熱汽溫的相對(duì)穩(wěn)定在火電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行中有著重要的作用。由于再熱器具有大慣性、非線性、時(shí)變、多變量和有自平衡能力等特點(diǎn)，如何提高再熱汽溫的控制效果，是熱工過(guò)程控制領(lǐng)域的重要研究課題。 本文對(duì)被控對(duì)象再熱器進(jìn)行了特性分析，較為詳細(xì)的描述了PID控制和模糊控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理。論文針對(duì)再熱器具有的諸多特點(diǎn)與火電廠對(duì)再熱汽溫控制的要求，提出了對(duì)火電廠再熱汽溫采用Fuzzy-PID的控制策略。其主要目的是使PID控制和模糊控

2、制的優(yōu)勢(shì)結(jié)合、互補(bǔ)，探索進(jìn)一步提高再熱汽溫控制質(zhì)量的有效途徑。 仿真結(jié)果表明，再熱汽溫Fuzzy-PID控制系統(tǒng)不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，控制效果好于再熱汽溫常規(guī)PID控制系統(tǒng)，這有利于火電廠實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、優(yōu)化和環(huán)保的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：再熱溫度控制；PID控制；模糊控制；Fuzzy-PID控制AbstractAt present, the control of steam-gas exit temperature has high requirements and bad controllability in the process of reheated steam

3、temperature control in power plant. There are very strict requirements to the quality of reheated steam temperature control. The relatively stable ofreheated steam temperatureplays an important role in security and economy running ofpower plant. Due to the characteristics of re-heater such as large

4、inertia, nonlinear, time-varying, multivariableand self-balance,that makes how to improve the control quality of reheated steam temperature has become the significant research topic in thermalprocess control field.In this paper, it analyses the characteristic of reheater which is the controlled obje

5、ct, describesthe configuration and the theory in common use of PID control and fuzzy control system comparatively detailed.Paper puts forward Fuzzy-PID control according to the characteristicsof reheater like large inertia,nonlinear,time-varying,multivariable and the controlrequirements of reheated

6、steam temperature in power plant.Its main objective is tomake combination and complementary of advantages of PID control and fuzzy control in order to explore the effectiveapproach to improve the control quality of reheated steam temperature. The result of simulation indicates that the Fuzzy-PID reh

7、eat steam temperature control system does not rely on mathematical models of controlled objects, and that the quality of Fuzzy-PID control system is better thanconventional PID system. This control strategyis beneficial to realize safe,economic, credibly, optimized and environmental protection requi

8、rements of power plant and it will be have wide application foreground.Keywords: reheated steam temperature control; PID control; Fuzzy control; Fuzzy -PID control目錄第一章緒論11.1課題研究的背景與現(xiàn)狀11.2課題的目的與意義21.3課題研究容3第二章再熱汽溫系統(tǒng)概述42.1再熱蒸汽循環(huán)與其焓熵分析42.1.1再熱蒸汽循環(huán)42.1.2再熱蒸汽的焓熵分析52.2再熱器特點(diǎn)52.3再熱蒸汽的溫度調(diào)節(jié)62.4再熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的

9、影響62.4.1煙氣再循環(huán)控制再熱器溫度系統(tǒng)對(duì)再熱器動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響72.4.2擺動(dòng)燃燒器法再熱器溫度控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響72.5再熱汽溫?cái)?shù)學(xué)模型的建立72.5.1鍋爐運(yùn)行規(guī)程參數(shù)72.5.2計(jì)算過(guò)程：8第三章模糊控制與PID控制103.1模糊控制理論103.1.1模糊控制簡(jiǎn)介103.1.2模糊控制的基本原理103.2模糊控制器的設(shè)計(jì)113.2.1模糊化運(yùn)算113.2.3模糊推理133.2.4清晰化計(jì)算143.3 PID控制理論153.3.1 PID控制概述153.3.2 PID的控制規(guī)律163.3 PID參數(shù)整定173.3.1采樣周期的選擇173.3.2 PID參數(shù)的工程整定法17第四章再

10、熱汽溫控制系統(tǒng)仿真研究194.1基于再熱汽溫控制的模糊控制器的設(shè)計(jì)194.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)簡(jiǎn)介194.1.2基于再熱汽溫控制的模糊控制器的設(shè)計(jì)204.2基于Fuzzy控制再熱汽溫控制的仿真244.3基于Fuzzy-PID控制的再熱汽溫控制的仿真254.4基于PID控制的再熱汽溫控制的仿真26總結(jié)28參考文獻(xiàn)29辭3030 / 34第一章 緒論1.1課題研究的背景與現(xiàn)狀從20 世紀(jì)80 年代初開(kāi)始，我國(guó)電力工業(yè)得到迅速發(fā)展，到1996 年擁有的發(fā)電設(shè)備容量約為20 億MW，火電年發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的近80 %。我國(guó)火電廠的機(jī)組是以燃煤機(jī)組為主。近年來(lái)200MW3

11、00MW已是我國(guó)主流熱力火力發(fā)電機(jī)組，600MW800MW大機(jī)組在將來(lái)一段時(shí)期新興工程的重頭項(xiàng)目。目前，我國(guó)鍋爐廠正加緊研制和開(kāi)發(fā)單機(jī)容量為1200MW超大型單爐直流式火力發(fā)電機(jī)組。加之，大型鍋爐也參與大型電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰，這就對(duì)溫度控制特別是再熱汽溫控制提出可更高的要求。然而再熱器溫度控制存在著以下調(diào)節(jié)的瓶頸。一、再熱器溫度控制系統(tǒng)存在不足（1）再熱器溫度的煙風(fēng)擋板存在流量分配非線性；（2）減溫水噴水調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫滯后；（3）再熱氣溫調(diào)節(jié)變量存在耦合。二、再熱汽溫調(diào)節(jié)存在著被調(diào)節(jié)量的非確定性再熱蒸汽溫度對(duì)象的不確定性主要來(lái)自以下干擾源：（1）負(fù)荷變化時(shí)，燃料供應(yīng)量也是變化的，再熱器吸熱量是變

12、化的，主蒸汽和再熱器的流量也隨之變化；（2）負(fù)荷基本不變時(shí)，由于燃燒工況變化與制動(dòng)系統(tǒng)切換和停啟，導(dǎo)致再熱器的吸熱量變化；（3）給水壓力、溫度或流量變化時(shí)，噴水減溫效果也是變化的。三、再熱器汽溫調(diào)節(jié)的工作特點(diǎn)：大慣性和小慣性并存，再熱蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性慢，再熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)階次較高1?；痣姀S再熱器溫度這種大慣性時(shí)變對(duì)象，在一定負(fù)荷下，對(duì)象存在明顯的參數(shù)時(shí)變而且干擾較多。采用PID 控制時(shí)，因PID 控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整，達(dá)不到火電廠中對(duì)再熱汽溫實(shí)時(shí)控制的要求。智能控制(Intelligent Control，IC)是指人們應(yīng)用人工智能(ArtificialIntelligent，AI

13、)的理論和技術(shù)與運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法與控制理論的方法和技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效人類的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。主要用來(lái)解決那些傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。當(dāng)前最主要的有三種形式：模糊控制、專家規(guī)則控制與專家系統(tǒng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制作為一種新的控制方法，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用到了鍋爐再熱蒸汽溫度控制中2。我國(guó)使用的再熱機(jī)組已有40多年的歷史，迄今為止已有約600臺(tái)再熱機(jī)組在運(yùn)行。但是嚴(yán)格的講，電廠鍋爐再熱器的設(shè)計(jì)和汽溫調(diào)控還存在一些問(wèn)題，若考慮更廣泛的調(diào)峰和使用更高級(jí)的再熱器，會(huì)暴露很多問(wèn)題，綜合以往的有關(guān)再熱器的實(shí)驗(yàn)研究，歸納超來(lái)：一是管壁超溫爆管問(wèn)題；二是溫度調(diào)節(jié)特性差、

14、調(diào)溫幅度小的問(wèn)題1。盡管國(guó)許多控制專家就再熱汽溫可控性差的問(wèn)題，做了很多研究，也提出了不少新的、先進(jìn)的控制方案，但因工程實(shí)現(xiàn)存在困難，真正應(yīng)用甚少，故火電廠過(guò)再汽溫實(shí)時(shí)控制問(wèn)題也一直未能得到徹底的解決。1.2課題的目的與意義為了降低發(fā)電成本、響應(yīng)節(jié)能減排的環(huán)保政策，提高火電廠的熱循環(huán)效率。目前，國(guó)的火電200MW以上機(jī)組大都配備了中間再熱系統(tǒng)。蒸汽中間再熱的目的一是提高蒸汽的干度，二是為了提高超高參數(shù)以上大容量機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性3。汽溫是按照材料的的許可溫度取安全上限值，當(dāng)再汽溫溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使鍋爐受熱面與的蠕變加快，影響使用壽命，若嚴(yán)重超溫，可能導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降發(fā)生爆炸。同時(shí)，汽溫過(guò)高還會(huì)使汽輪

15、機(jī)前幾級(jí)葉片的機(jī)械強(qiáng)度，降低汽輪機(jī)的使用壽命，還會(huì)引起汽輪機(jī)部過(guò)度的熱膨脹，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行的安全。當(dāng)汽溫過(guò)低時(shí)，會(huì)降低機(jī)組熱循環(huán)效率，同時(shí)使通過(guò)汽輪機(jī)最后幾級(jí)葉片的濕度增加，引起葉片的磨損，影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行。若汽溫波動(dòng)大，會(huì)引起汽輪機(jī)膨脹差的變化，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，影響安全生產(chǎn)，還會(huì)引起鍋爐、汽輪機(jī)金屬疲勞損傷。因此，在機(jī)組運(yùn)行和工況調(diào)整過(guò)程中，維持汽溫的相對(duì)穩(wěn)定是非常重要的。一般要求再熱汽溫的波動(dòng)圍不得超過(guò)額定值-5+5。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)工業(yè)過(guò)程控制的要求也越來(lái)越高，不僅要求控制的快速性、精確性和可靠性，而且還注重控制的實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、魯棒性以與對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另一

16、方面，一些復(fù)雜的系統(tǒng)一般具有如下特點(diǎn)：缺乏精確的數(shù)學(xué)模型、分布式參數(shù)、龐大的數(shù)據(jù)和信息量與高標(biāo)準(zhǔn)的性能要求等，火電廠再熱汽溫就屬于這類對(duì)象。模糊PID 控制器應(yīng)用在火電廠再熱汽溫控制系統(tǒng)中，通過(guò)模糊控制和傳統(tǒng)PID 控制的有機(jī)結(jié)合。仿真結(jié)果表明：同常規(guī)PID 控制器相比，模糊PID 控制器可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)再熱汽溫等復(fù)雜對(duì)象的在線控制, 并將快速性、穩(wěn)定性統(tǒng)一起來(lái)，具有極強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性4。1.3課題研究容針對(duì)再熱汽溫大慣性、時(shí)變、非線性和具有自平衡能力等特性。目前，火電廠的再熱汽溫常規(guī)PID控制系統(tǒng)的控制效果不理想，如果單獨(dú)使用模糊控制對(duì)再熱汽溫進(jìn)行控制，也不能滿足再熱汽溫實(shí)時(shí)控制的要求。本

17、文針對(duì)再熱汽溫提出了Fuzzy-PID控制的方案。具體做了以下容:1） 查閱相關(guān)資料，了解再熱器相關(guān)知識(shí)，熟悉再熱器溫度控制的特性；2）建立再熱汽溫控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；3） 熟悉模糊控制基本原理、模糊控制工具箱，掌握模糊控制器的設(shè)計(jì)方法；4） 設(shè)計(jì)Fuzzy-PID控制器；5）在MATLAB/SIMULINK下，對(duì)采用Fuzzy控制、Fuzzy-PID控制和PID控制三種控制分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真；6）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和控制性能進(jìn)行分析。第二章 再熱汽溫系統(tǒng)概述本章主要從再熱蒸汽的焓熵分析、再熱器特點(diǎn)、再熱器調(diào)溫方式和再熱器不同調(diào)溫結(jié)構(gòu)下其動(dòng)態(tài)特性對(duì)再熱器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，建立再熱汽溫控制數(shù)

18、學(xué)模型。2.1再熱蒸汽循環(huán)與其焓熵分析2.1.1再熱蒸汽循環(huán)再熱也稱為中間再熱或二次過(guò)熱，其設(shè)備包括再熱器和溫度調(diào)節(jié)裝置。它的作用是把汽輪機(jī)作過(guò)部分功的蒸汽（高壓缸）再次加熱，達(dá)到一定的過(guò)熱溫度，稱為再熱蒸汽，然后這些蒸汽又引返汽輪機(jī)的下一級(jí)（中壓缸或低壓缸）繼續(xù)作功。蒸汽循環(huán)(一級(jí)再熱)如圖2-1所示。低壓缸中壓缸凝汽器高壓排氣低壓排氣鍋爐高壓缸中壓缸排氣新汽再熱汽給水泵冷卻水圖2-1 蒸汽循環(huán)圖如果不采用中間再熱方式，在提高蒸汽初壓的情況下，要保證汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽干度在允許圍，就必要大大題提高蒸汽初溫。但是這樣處理會(huì)受到冶金技術(shù)水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的限制。因此，只好采用中間再熱來(lái)解決這一矛盾。

19、采用中間在過(guò)熱，為進(jìn)一步提高蒸汽初壓創(chuàng)造了條件，此時(shí)不必?fù)?dān)心汽輪機(jī)末級(jí)干度低于允許值。如果再熱溫度和壓力選擇得當(dāng)，將使循環(huán)熱效率提高，同時(shí)對(duì)汽輪機(jī)相對(duì)效率也產(chǎn)生有利的影響。在現(xiàn)代超高壓機(jī)組中，采用中間再熱，可使電站效率相對(duì)提高6%8%。再熱一般采用一次再熱，再熱溫度與初溫相近（在我國(guó)的現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，都取再熱溫度與初溫相等），再熱壓力為初壓的20%左右。再熱器的壓降應(yīng)盡量低些，通常在2Kg/cm2左右5。2.1.2再熱蒸汽的焓熵分析蒸汽經(jīng)過(guò)再熱，提高了溫度，增加了焓值。從圖2-2上可以看出，當(dāng)汽輪機(jī)背壓P2為一定時(shí)，原來(lái)每公斤的蒸汽的作功能力相當(dāng)于線長(zhǎng)ae；在再熱方式下，蒸汽從b點(diǎn)再熱到c點(diǎn)，

20、則從蒸汽始點(diǎn)a算起，其作功能力是ab與cd之和；由于等壓線的分布特性是向右擴(kuò)的，cd的長(zhǎng)度必然大于be；所以，再熱蒸汽總的作功能力增加了。edS(熵)XeXdP2T0T1P1P0cbai（焓）X=1圖2-2 中間再熱方式的焓熵示意圖但采用再熱方式的目的首先在于提高汽輪機(jī)末端的干度。從圖2-2可見(jiàn)，隨著蒸汽初（壓力和溫度）的提高，在一定的背壓P2下，蒸汽終態(tài)的干度越來(lái)越低，這時(shí)蒸汽中含水量會(huì)造成汽輪機(jī)末級(jí)葉片的嚴(yán)重侵蝕。所以高壓機(jī)組普遍采用中間再熱，以保證汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度在許可圍（從圖2-2中由于干度XdXe，所以d點(diǎn)干度提高）。一般要求汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽的干度不低于88%90%5。2.2再熱器特

21、點(diǎn)再熱器中流動(dòng)的介質(zhì)是中低壓蒸汽，與壓力比較高的過(guò)熱蒸汽相比，由于蒸氣密度低，因而傳熱特性也比較差，由于其比熱較小，因而同一熱偏差汽溫偏差也比較大。另外，再熱器的允許阻力較小，質(zhì)量很低，對(duì)爐的煙溫和管的流量偏差也比較敏感。這就是通常的再熱器超溫管爆的主要原因。歸納起來(lái)，有以下特點(diǎn)：一、再熱器的工作條件比過(guò)熱器差再熱蒸汽壓力低，在一樣的蒸汽流速下，管子對(duì)蒸汽的放熱系數(shù)比過(guò)熱蒸汽的多，在一樣的煙溫偏差下，或者說(shuō)在受熱面負(fù)荷一樣的條件下，管壁與蒸汽之間溫度差比過(guò)熱器大。二、再熱器對(duì)汽溫偏差敏感再熱蒸汽比容Cp較過(guò)熱蒸汽比容Cp小，在一樣的熱偏差下，引起的汽溫偏差比過(guò)熱器大。若要改善熱偏差，則應(yīng)在再熱

22、器中增加混合和交叉數(shù)目，但是，又會(huì)受到流動(dòng)阻力的限制。三、工況變化對(duì)再熱汽溫影響大當(dāng)運(yùn)行的工況變化時(shí)，會(huì)造成受熱面的吸熱量和蒸汽焓增的發(fā)生相應(yīng)變化，這一特性便于煙氣調(diào)溫。此外，由于再熱器隨著高參數(shù)，分級(jí)分布發(fā)展趨勢(shì)，工質(zhì)溫度分布在沿程變化比較大；由于管道、受熱面布置在空間和結(jié)構(gòu)變化較大、時(shí)滯性大、其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。2.3再熱蒸汽的溫度調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)再熱汽溫的主要方法有：煙氣再循環(huán)、煙氣分配擋板、擺動(dòng)式噴燃器、蒸汽旁通和汽-汽熱交換器等。再熱器的溫度調(diào)節(jié)原則上和過(guò)熱器類似，調(diào)節(jié)方法也大致一樣，但由于再熱器工作的特殊性，再熱汽溫調(diào)節(jié)有一定的特點(diǎn)和要求。在汽輪機(jī)負(fù)荷下降時(shí)，再熱器的進(jìn)口汽溫也隨著降低。當(dāng)從額

23、定負(fù)荷至70%負(fù)荷時(shí)，一般再熱器的進(jìn)口溫度要降低2030。另外，當(dāng)運(yùn)行工況變化時(shí)如煤種水分變化、過(guò)量空氣系數(shù)增加、爐結(jié)渣等，也會(huì)影響再熱蒸汽的溫度。在過(guò)熱設(shè)備中，噴水減溫是調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫的重要手段，但在再熱汽溫調(diào)節(jié)中，噴水減溫僅作細(xì)調(diào)和緊急處理之用。這是因?yàn)樵谠贌嵩O(shè)備中應(yīng)用噴水減溫會(huì)增加再熱蒸汽流量，使汽輪機(jī)的中、低壓部分功率比例增大，從而降低了熱力循環(huán)的效率。在超過(guò)高壓機(jī)組上每向再熱蒸汽噴入相當(dāng)于鍋爐蒸發(fā)量的1%的水量時(shí)，就會(huì)降低循環(huán)效率0.1%0.25%。2.4再熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響目前，再熱器的調(diào)溫結(jié)構(gòu)通常采用平行煙道擋板、煙氣再循環(huán)、擺動(dòng)燃燒器、汽汽交換器等，調(diào)溫結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)再

24、熱器調(diào)溫。以下就煙氣再循環(huán)、擺動(dòng)燃燒器這兩種調(diào)溫結(jié)構(gòu)方式的動(dòng)態(tài)方式對(duì)再熱器動(dòng)態(tài)特性的影響。2.4.1煙氣再循環(huán)控制再熱器溫度系統(tǒng)對(duì)再熱器動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)再熱器的汽溫，其原理是利用尾部低汽溫?zé)煔庵胤禒t膛，從而降低了爐膛溫度，增加了低溫?zé)煔鈱?duì)流受熱擾動(dòng)，加強(qiáng)了對(duì)流受熱面的換熱能力，繼而改變了爐膛各部分的吸熱量分配。其動(dòng)態(tài)特性可視為吸熱量對(duì)出口焓值的擾動(dòng)。因此其動(dòng)態(tài)特性按 （2-1）來(lái)計(jì)算，且動(dòng)態(tài)特性不會(huì)超過(guò)2階。加上熱電偶在，總動(dòng)態(tài)特性特不會(huì)超過(guò)3階。通常取熱電偶傳遞函數(shù)： (2-2)綜上所述，對(duì)于煙氣再循環(huán)再熱器調(diào)溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響取為熱量q1(s)對(duì)出口焓

25、i2(s)擾動(dòng)型的傳遞函數(shù)。表達(dá)式如式(2-3)： (2-3)2.4.2擺動(dòng)燃燒器法再熱器溫度控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響通過(guò)擺動(dòng)燃燒器的傾角來(lái)改變爐膛火焰中心的位置和爐膛出口溫度，從而改變爐膛受熱面的負(fù)荷分布，且使得相應(yīng)吸熱比例發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)溫的目的。其動(dòng)態(tài)特性可視為吸熱量對(duì)出口焓值的擾動(dòng)。因此，其動(dòng)態(tài)特性也可按式(2-1)來(lái)計(jì)算，且其動(dòng)態(tài)特性不會(huì)超過(guò)2階，加上熱電偶在，總動(dòng)態(tài)特性也不會(huì)超過(guò)3階。綜上所述，對(duì)于擺動(dòng)燃燒器再熱器調(diào)溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響取為熱量q1(s)對(duì)出口焓i2(s)擾動(dòng)型的傳遞函數(shù)，其表達(dá)式如式(2-3)。2.5再熱汽溫?cái)?shù)學(xué)模型的建立現(xiàn)在以華能電廠3#

26、和4#爐額定蒸發(fā)量均為1165t/h，單爐膛、單鼓、一次再熱、自然循環(huán)燃煤鍋爐為例。2.5.1鍋爐運(yùn)行規(guī)程參數(shù)末級(jí)過(guò)參數(shù)：出口蒸汽流量1162.672t/h；出口壓力/溫度17.22MPa/541。再熱器參數(shù)：出口蒸汽流量969.247t/h；出口壓力/溫度3.945MPa/ 541。再熱器結(jié)構(gòu)：再熱器為一級(jí)，分為低溫段和高溫段，兩段之間無(wú)聯(lián)箱，其低溫段位于豎井煙道一級(jí)過(guò)熱器的下部，高溫段為混合式懸掛于水平煙道中。再熱器入口設(shè)有事故噴水減溫器調(diào)溫方式：正常汽溫調(diào)節(jié)使用煙氣再循環(huán)控制，在循環(huán)煙氣來(lái)自引風(fēng)機(jī)出口至冷灰斗底部；當(dāng)汽溫偏高時(shí)，輔以事故噴水減溫。表2-1為華能電廠二期鍋爐運(yùn)行規(guī)程鍋爐數(shù)據(jù)

27、一覽表。表2-1 華能電廠二期鍋爐運(yùn)行規(guī)程鍋爐數(shù)據(jù)一覽表名稱外徑（mm）厚度（mm）數(shù)目（根）材料平均煙速再熱器入口聯(lián)箱736/1D301BS3602 500N-再熱器入口聯(lián)箱726/1D381ASTMA335M P91-再熱器低溫管排63.55.0BS3059 44010.7m/s再熱器垂直管57.04.5BS3059 4408.7 m/s再熱器末級(jí)入口段51.04.5BS3059 4409.2 m/s再熱器末級(jí)前段51.04.5RS3059 622 4909.2 m/s再熱器末級(jí)倒數(shù)第二段51.04.5ASTM A213M P919.1 m/s再熱器末級(jí)出口段51.04.5ASTM A21

28、3M P919.1 m/s2.5.2計(jì)算過(guò)程：再熱器系統(tǒng)的金屬總重量 Gm=17317+26400+58630+245410+347757Kg管子換熱的表面積 H2=7206+1652=858m2金屬比熱 Cm=0.724J/Kg.管子壁對(duì)工質(zhì)的放熱系數(shù) =1.203J/m2.s.工質(zhì)定壓比熱容 Cp=2.853J/m2.s.金屬蓄熱時(shí)間常數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) ；若取，則則再熱器系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)：(2-4)第三章 模糊控制與PID控制 模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。一方面，模糊控制提出一種新的機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)甚至語(yǔ)義描述的控制規(guī)律；另一方面，模糊控制為非線性控制器提出一個(gè)比較容易的設(shè)計(jì)方

29、法，尤其是當(dāng)受控裝置含有不確定性而且很難用常規(guī)非線性控制理論處理時(shí)，更為有效。PID控制具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)系統(tǒng)中獲得很廣泛的應(yīng)用。本章將首先簡(jiǎn)述模糊控制系統(tǒng)的組成，然后講述模糊控制的原理，其次講述模糊控制器的基本設(shè)計(jì)和PID控制。3.1模糊控制理論3.1.1模糊控制簡(jiǎn)介1965年扎德（L.A.Zadeh）引入的模糊邏輯成為處理現(xiàn)實(shí)世界各類物體的方法，此后，對(duì)模糊集合和模糊控制的理論研究和實(shí)際應(yīng)用獲得廣泛開(kāi)展，在過(guò)去的20年中，模糊控制也是智能控制中一個(gè)十分活躍的研究與應(yīng)用領(lǐng)域。一般的模糊控制是一種基于模糊控制規(guī)則的控制。被控對(duì)象的非線性、

30、時(shí)變性與隨機(jī)干擾等因素，或多或少地造成了模糊控制的不適合和不完整，這必然會(huì)影響控制效果。另外，模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得不到保證。對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，有利于了解模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足，有利于為再熱汽溫模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供相關(guān)的重要理論依據(jù)，有利于在模糊控制器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，揚(yáng)長(zhǎng)避短，最大限度地發(fā)揮模糊控制的優(yōu)勢(shì)，克服模糊控制自身的不足。3.1.2模糊控制的基本原理 模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(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)，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)。在用模糊控制方法解決控制問(wèn)題時(shí)，只需對(duì)控制中所可能出現(xiàn)的各種情形加以分析，依據(jù)控制

31、者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，尋求解決的一般方法，然后用模糊控制規(guī)則集的形式加以體現(xiàn)，模糊控制的精度依賴于模糊控制規(guī)則集制定的是否完整和詳細(xì)。 模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)。如圖3-1所示。圖3-1 模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1虛線框中所示。它由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理和清晰化四個(gè)基本單元組成。它們的作用說(shuō)明如下：（1）模糊化。測(cè)量輸入變量和受控系統(tǒng)的輸出變量，并把它們映射到一個(gè)合適的響應(yīng)論域的量程，然后，精確的輸入數(shù)據(jù)被變換為適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言值或模糊集合的標(biāo)識(shí)符。本單元可視為模糊集合的標(biāo)記。（2）知識(shí)庫(kù)。涉與應(yīng)用領(lǐng)域和控制目標(biāo)的相關(guān)知識(shí)

32、，它由數(shù)據(jù)庫(kù)和語(yǔ)言控制規(guī)則庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)為語(yǔ)言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要的定義。語(yǔ)言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗?。?）模糊推理。這是模糊控制的核心，以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信息可通過(guò)模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來(lái)獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過(guò)程。根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)系方程，獲得模糊輸出。（4）清晰化。起到模糊控制的推斷作用，并產(chǎn)生一個(gè)精確的或非模糊的控制規(guī)則。此精確控制作用必須進(jìn)行輸出定標(biāo)，這一作用是在對(duì)受控過(guò)程進(jìn)行控制之前通過(guò)變量交換實(shí)現(xiàn)的6。3.2模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制可以被認(rèn)為是在總結(jié)采用人類自然語(yǔ)言概念操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上升華而發(fā)展起來(lái)的

33、模仿人類智能的一類控制方法，這類控制的核心是模糊控制器。 模糊控制器的作用過(guò)程，是將控制偏差等精確量模糊數(shù)學(xué)化為模糊量，然后，根據(jù)基于語(yǔ)言控制規(guī)則或操作經(jīng)驗(yàn)提取的模糊控制規(guī)則，經(jīng)推理得到控制作用的模糊量，最后，采用一定的清晰化算法，將模糊控制量換算為精確控制量輸入給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成系統(tǒng)的模糊作用過(guò)程。3.2.1模糊化運(yùn)算模糊化運(yùn)算是將輸入空間的觀測(cè)量映射為輸入論域上的模糊集合。模糊化在處理不確定信息方面具有重要的作用。對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化是必不可少的。在模糊控制器中，一般可以將誤差、誤差變化率作為模糊控制的輸入量。在模糊控制系統(tǒng)中，誤差E和誤差變化率EC的變化圍必須被變換成相應(yīng)的語(yǔ)言變量E與

34、EC的實(shí)際變化圍，E與EC的實(shí)際變化圍被稱為誤差與其變化率語(yǔ)言變量的基本論域。在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于必須將模糊控制器輸入量誤差e的任何實(shí)際數(shù)值，變換成其論域中相應(yīng)的元素，二者的差異很大，因而需要通過(guò)量化因子進(jìn)行論域變換。設(shè)誤差的實(shí)際變化圍為，其模糊論域?yàn)?，故誤差的量化因子為 （3-1）同理，可得誤差變化率的量化因子同上式所示。 與量化因子進(jìn)行論域變換相對(duì)應(yīng)，需要通過(guò)比例因子才能將經(jīng)過(guò)模糊控制器運(yùn)算后的結(jié)果，變換成輸出量，。輸出量u的比例因子為（3-2）3.2.2知識(shí)庫(kù)一、數(shù)據(jù)庫(kù)模糊控制器中的知識(shí)庫(kù)由兩部分組成:數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)。首先討論數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了與模糊控制規(guī)則與模糊數(shù)

35、據(jù)處理有關(guān)的各種參數(shù)，其中包括模糊空間分割和隸屬度函數(shù)的選擇等。 1、I/O空間的模糊劃分 I/O空間的模糊劃分是指輸入輸出語(yǔ)言變量的論域上定義了多少個(gè)基本模糊子集，換言之，即每個(gè)語(yǔ)言變量的辭集定義多少個(gè)語(yǔ)言值。對(duì)于一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制，I/O論域多劃分為7個(gè)左右等級(jí)，如正大(PB)、正中(PM)、正小(PS) ,零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)。 論域上定義的基本模糊子集可以在論域上均勻地分布，也就是每一基本模糊子集的支集都覆蓋了論域上等寬度的一個(gè)區(qū)段。也可以定義不均勻的或不對(duì)稱的模糊劃分。不均勻和不對(duì)稱的模糊劃分，使得模糊控制器有更靈活的非線性特性，以適應(yīng)對(duì)象的各種特

36、性。模糊分割的個(gè)數(shù)決定了最大可能的模糊規(guī)則的個(gè)數(shù)。例如，對(duì)于雙輸入/單輸出的模糊系統(tǒng)，x和y的模糊分割數(shù)分別為5和7，則最大可能的規(guī)則數(shù)為57=35。顯然，模糊分割數(shù)越多，控制規(guī)則數(shù)也越多，控制就比較精細(xì)和靈活。但模糊分割不可太細(xì)，否則，需要確定太多的控制規(guī)則，除了工作量相當(dāng)大外，還容易出現(xiàn)控制規(guī)則彼此矛盾、很難糾正和影響過(guò)程控制效果的情況。當(dāng)然，模糊分割數(shù)太少將導(dǎo)致控制太粗略，難以對(duì)控制性能進(jìn)行有效的調(diào)整，同樣也會(huì)影響過(guò)程控制的效果。目前，尚沒(méi)有一個(gè)確定模糊分割數(shù)的指導(dǎo)性的方法和步驟，主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊來(lái)確定7。總之，在選取語(yǔ)言變量值時(shí)，既要考慮到控制規(guī)則的精細(xì)、靈活和彼此不矛盾，又要兼顧簡(jiǎn)

37、單、有效和容易實(shí)現(xiàn)。2、 基本模糊子集的錄屬函數(shù)定義根據(jù)論域?yàn)殡x散和連續(xù)的不同情況，隸屬度函數(shù)的描述也有如下兩種方法。（1）數(shù)值描述方法 當(dāng)論域?yàn)殡x散，且元素個(gè)數(shù)為有限時(shí)，模糊集合的隸屬度函數(shù)可以用向量或表格的形式來(lái)表示。（2）函數(shù)描述方法對(duì)于論域?yàn)檫B續(xù)的情況，隸屬度常采用函數(shù)的形式來(lái)描述，最常見(jiàn)的有鈴形函數(shù)、三角形函數(shù)、梯形函數(shù)等。隸屬度函數(shù)的形狀對(duì)模糊控制器的性能有很大影響。當(dāng)隸屬度函數(shù)比較窄瘦時(shí)，控制較靈敏；反之，控制較粗略和平穩(wěn)。通常，當(dāng)誤差較小時(shí)，隸屬度函數(shù)可取得較為窄瘦；誤差較大時(shí)，隸屬度函數(shù)可取得寬胖些。二、規(guī)則庫(kù) 模糊控制規(guī)則庫(kù)由一系列“IF-THEN”型的模糊條件句構(gòu)成。條件

38、句的前件為輸入變量，后件為控制變量。模糊控制規(guī)則的建立是非常重要的，規(guī)則是否正確地反映操作人員和有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，是否能適應(yīng)被控對(duì)象的特性，直接關(guān)系到整個(gè)控制器的性能和控制效果。 控制規(guī)則的生成方法有以下幾種:1）根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過(guò)程知識(shí)生成控制規(guī)則；2）根據(jù)過(guò)程模型生成控制規(guī)則；3）從輸入輸出信息中得出控制規(guī)則。初步建立的模糊控制規(guī)則不一定是完美無(wú)缺的，也往往需要進(jìn)一步調(diào)整。沒(méi)有一套很完善規(guī)的調(diào)整辦法，往往需要試湊，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)效果。 3.2.3模糊推理對(duì)建立的模糊控制規(guī)則要經(jīng)過(guò)模糊推理才能決策出控制變量的一個(gè)模糊子集,因而模糊推理在模糊控制過(guò)程中也是很重要的一個(gè)組成部分。下面僅介紹一下本

39、論文模糊控制器中所使用的Mamdani模糊推理方法：Mamdani模糊推理法采用取小運(yùn)算規(guī)則定義模糊蘊(yùn)涵表達(dá)的模糊關(guān)系。記為Rc?？紤]以下模糊推理形式：規(guī)則1：規(guī)則2：規(guī)則n：前提：由前提“”和各模糊規(guī)則“（i=1，2，n）可以得到推理結(jié)果為 （3-3）其中表示min。最終結(jié)論是由綜合推理結(jié)果，得到的，即 （3-4）其中表示max。3.2.4清晰化計(jì)算以上通過(guò)模糊推理得到的是模糊量，表示可能的控制行為的分布。而對(duì)于實(shí)際的控制則必須為清晰量，因此需要將模糊量轉(zhuǎn)換成清晰量，這就是清晰化計(jì)算所要完成的任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，清晰化常用的方法有三種，即重心法、最大隸屬度法和系數(shù)加權(quán)平均法。本論文中采用的是

40、重心法來(lái)進(jìn)行清晰化計(jì)算8。1、重心法也稱為質(zhì)心法或面積中心法，是最為常用的方法，該方法有最小的均方誤差。重心法示意圖如圖3-2所示。 圖3-2 重心法示意圖重心法的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 （3-5）式(3-5)中，表示輸出模糊子集中所有元素的隸屬度值在連續(xù)論域x上的代數(shù)積分，而u的取值是表示其左、右兩邊的面積為相等。2、最大隸屬度法這種方法最簡(jiǎn)單，只要在推理結(jié)構(gòu)的模糊集合里取隸屬度最大的那個(gè)元素作為輸出即可。不過(guò)，要求這種情況下其隸屬函數(shù)曲線一定是正規(guī)凸模糊集合。如果該曲線是梯形平頂?shù)?，那么具有最大隸屬度的元素可能不止一個(gè)，這時(shí)就要對(duì)所有取最大隸屬度的元素求其平均值。3、系數(shù)加權(quán)平均法系數(shù)加權(quán)平均法的輸

41、出執(zhí)行量由下式?jīng)Q定： （3-6）式(3-6)中：系數(shù)的選擇要根據(jù)實(shí)際情況，不同的系統(tǒng)就決定系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性。當(dāng)該系數(shù)選擇時(shí)，即取其隸屬函數(shù)時(shí)，就是重心法。在模糊控制中，可以通過(guò)選擇和調(diào)整該系數(shù)來(lái)改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。因而這種方法具有靈活性。3.3 PID控制理論3.3.1 PID控制概述在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，常采用由比例（Proportional）、積分(Integral)、微分(Differential)控制策略形成的校正裝置作為系統(tǒng)的控制器。 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，而且可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使P

42、ID控制更加靈活。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最為普遍的控制方法，將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID控制作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制由比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)（I）

43、和微分環(huán)節(jié)（D）組成。其輸入e(t)與輸出u (t)的關(guān)系為(3-7)因此它的傳遞函數(shù)為：(3-8)它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。但仍不可否認(rèn)PID也有其固有的缺點(diǎn)：PID在控制非線性、時(shí)變、耦合與參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。3.3.2 PID的控制規(guī)律PID控制就是對(duì)偏差信號(hào) 進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，通過(guò)線性組合形成的一種控制規(guī)律。在模擬控制系統(tǒng)中,

44、控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-3所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖3-3模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)=rin(t)-yout(t)(3-9)PID的控制規(guī)律為：(3-10)也可以寫成傳遞函數(shù)的形式(3-11)其中，kp比例系數(shù)，Ti積分時(shí)間常數(shù)，Td微分時(shí)間常數(shù)。 簡(jiǎn)單的說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1）比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(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，

45、提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti ，Ti 越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3.3PID參數(shù)整定數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的任務(wù)是確定kp、Ti、Td和采樣周期。3.3.1采樣周期的選擇由香農(nóng)（Shannon）采樣定理可知，只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號(hào)最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)原來(lái)的信號(hào)。選擇采樣周期T，一般考慮以下因素：1）采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多；2）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)的周期；3）當(dāng)

46、系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選擇T；4）考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度，T應(yīng)大于執(zhí)行器的響應(yīng)速度；5）采樣周期的下限是完成采樣、運(yùn)算和輸出所需要的時(shí)間。3.3.2PID參數(shù)的工程整定法（1）擴(kuò)充臨界比例度法1）選擇合適的采樣周期。2）投入純比例控制，逐漸增大比例系數(shù) kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。3）選擇控制度?？刂贫榷x為：數(shù)字控制系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的模擬控制系統(tǒng)誤差平方的積分之比，即控制度 （3-12）控制度表示數(shù)字控制相對(duì)模擬控制效果，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，數(shù)字控制與模擬控制效果一樣；當(dāng)控制度為2時(shí)，數(shù)字控制比模擬控制的質(zhì)量差一倍。4）按擴(kuò)充臨界比例度法參數(shù)整定計(jì)算公式求取采樣周期T、比例系數(shù)k

47、p、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù) Td。(2)歸一參數(shù)整定法Roberts PD在1974年提出一種簡(jiǎn)化擴(kuò)充臨界比例度整定法。該方法只需整定一個(gè)參數(shù)即可，故稱其為歸一參數(shù)整定法。增量型PID控制的公式為： (3-13)如令， 。式中 為純比例作用下的臨界振蕩周期，則（3-14）這樣，整個(gè)問(wèn)題就簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)參數(shù)kp。改變其值，觀察控制效果，直到滿意為止。（3）湊試法整定PID參數(shù)在PID參數(shù)整定方法中，最基本和最簡(jiǎn)單的方法為湊試法，即對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。1）首先只整定比例部分。將比例系數(shù)由小變大，并觀測(cè)響應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)已滿足系

48、統(tǒng)性能指標(biāo)要求，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)由此確定。2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，先置積分時(shí)間常數(shù)Ti為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數(shù)略為減小，然后減小積分時(shí)間常數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。經(jīng)過(guò)反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間常數(shù)，以期得到滿意的控制過(guò)程與整定參數(shù)。3）若此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID調(diào)節(jié)器。整定時(shí)，先置微分時(shí)間常數(shù)Td為零。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大Td，同時(shí)響應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)10。第四章 再熱汽溫控制系統(tǒng)仿

49、真研究本章主要論述如何對(duì)對(duì)象在MATLAB/SIMULINK下進(jìn)行仿真和以與對(duì)仿真結(jié)果的分析。首先簡(jiǎn)要的介紹了模糊控制工具箱的相關(guān)知識(shí)，并設(shè)計(jì)基于再熱汽溫控制的模糊控制器；其次設(shè)計(jì)模糊控制方案并建立了控制方案圖，然后在SIMULINK環(huán)境下對(duì)再熱汽溫控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真分析；再次，設(shè)計(jì)Fuzzy-PID控制方案并建立控制方案圖，在SIMULINK環(huán)境下根據(jù)控制方案圖建立了再熱汽溫Fuzzy-PID控制系統(tǒng)仿真框圖并進(jìn)行仿真分析；最后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行了常規(guī)PID控制與在Fuzzy-PID控制系統(tǒng)中改變被控對(duì)象參數(shù)的情況下分別進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究。4.1基于再熱汽溫控制的模糊

50、控制器的設(shè)計(jì)4.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)簡(jiǎn)介 針對(duì)模糊邏輯尤其是模糊控制的迅速推廣和應(yīng)用，Mathworks公司在其Matlab軟件中添加了Fuzzy Logic工具箱。該工具箱由澳大利亞Queensland大學(xué)的A.Lot教授編寫，以其功能強(qiáng)大和方便易用的特點(diǎn)得到了用戶的廣泛歡迎。 模糊邏輯工具箱提供了建立和測(cè)試模糊邏輯系統(tǒng)的一整套功能函數(shù)，包括定義語(yǔ)言變量與其隸屬度函數(shù)、輸入模糊推理規(guī)則、對(duì)整個(gè)模糊推理系統(tǒng)的管理以與交互式地觀察模糊推理的過(guò)程和輸出結(jié)果。同時(shí)，模糊邏輯工具箱中還包含了五個(gè)圖形用戶界面(GUI)工具，用于建立、編輯和觀察模糊推理系統(tǒng)(FIS)，它們分別

51、是： 1）模糊推理系統(tǒng)編輯器(FIS Editor)。該編輯器用于建立模糊邏輯系統(tǒng)的整體框架，包括輸入與輸出數(shù)目、解模糊化方法等；其中模糊推理系統(tǒng)可以采用Mamdani或Sugeno兩種類型，解模糊方法有最大隸屬度法、中位數(shù)法、加權(quán)平均法等幾種。 2）隸屬度函數(shù)編輯器(Membership Function Editor)。用于通過(guò)可視化手段建立語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)；如隸屬函數(shù)的形狀、圍，以與論域大小等。系統(tǒng)提供的隸屬函數(shù)有三角形、梯形、高斯形、鐘形等，也可由用戶自行定義。 3）模糊規(guī)則編輯器(Rule Editor)。通過(guò)編輯器來(lái)設(shè)計(jì)和修改“IfThen”形式的模糊控制規(guī)則。由該編輯器進(jìn)行模

52、糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)非常方便，它將輸入量的各語(yǔ)言變量自動(dòng)匹配，設(shè)計(jì)者只需通過(guò)交互式的圖形環(huán)境選擇相應(yīng)的輸出語(yǔ)言變量。規(guī)則編輯器還可以為每條規(guī)則選擇權(quán)重，以便進(jìn)行規(guī)則的優(yōu)化。 4）模糊規(guī)則觀察器(Rule Viewer)。用于顯示各種模糊控制規(guī)則輸入量和輸出量的隸屬函數(shù)。通過(guò)指定輸入量，可以直觀地顯示所采用的控制規(guī)則，以與通過(guò)模糊推理得到相應(yīng)輸出量的過(guò)程，以便對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行修改和優(yōu)化。 5）輸出曲面觀察器(Surface Viewer)。用于顯示輸入、輸出量對(duì)應(yīng)的表面空間，并可改變各軸對(duì)應(yīng)的變量與觀察的視角，便于用戶對(duì)設(shè)計(jì)的模糊推理進(jìn)行修改和優(yōu)化。這些圖形化工具之間是動(dòng)態(tài)的，在使用中，對(duì)任意一個(gè)GU

53、I的參數(shù)或性質(zhì)被用戶修改，其他打開(kāi)的任何GUI中相應(yīng)的參數(shù)或性質(zhì)都自動(dòng)地被改變，這一點(diǎn)極方便了用戶對(duì)自己的模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 11。4.1.2基于再熱汽溫控制的模糊控制器的設(shè)計(jì)在MATLAB命令窗口中鍵入fuzzy，回車，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口(FIS Editor)。如圖4-1所示。圖4-1 模糊邏輯編輯窗口模糊決策采用Mamdani模糊推理法，解模糊數(shù)采用重心法。在Edit菜單下，選擇Add Variable/Input添加輸入，并將兩個(gè)輸入分別命名為E、EC，將輸出命名為U，其中E為偏差、EC為偏差變化率、U為閥門開(kāi)度。在再熱汽溫模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，取E、EC、U的論域均為-5 5。

54、 圖4-2為變量編輯窗口。圖4-2 變量編輯窗口對(duì)變量采用正、負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)的描述方法，即采用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB7個(gè)狀態(tài)來(lái)描述。E、EC、U的隸屬函數(shù)選常用的三角形（trimf）隸屬度函數(shù)。圖4-3為E的隸屬度函數(shù)，EC和U的隸屬度函數(shù)與E的隸屬度函數(shù)一樣。圖4-3 E的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則是對(duì)專家的理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。由第二章中所述本文共有49條控制規(guī)則如表4-1所示。表4-1 模糊控制規(guī)則表UENBNMNSZOPSPMPBECNBNBNBNMNMNMNSNSNMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPMZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPMPMNSZOPSP