鍋爐壓力控制系統(tǒng)研究

1、中華人民共和國教育部東北林業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計論文題目:鍋爐壓力控制系統(tǒng)研究學生:李紹杰指導教師:張妤講師學院:成人教育學院專業(yè):電氣工程及其自動化20102011年7月火電廠粉塵分析及治理方法研究摘要壓力控制在工業(yè)控制中一直是富有新意的課題,對于不同的控制對象,有著不同的控制方式和模式。壓力系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重,難以建立精確的數(shù)學模型,給控制過程帶來很大難題。本文以電廠鍋爐主蒸汽壓力為研究對象,研究一種最佳的控制方案,以達到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標。本文對主汽壓力可采用的控制方案進行了深入研究,首選的研究方案是PID控制。壓力PID控制器的原理,是將壓力偏差的比例、積分和微分通

2、過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制。PID控制的重點是參數(shù)的調(diào)節(jié),本文利用了人工整定方法對其參數(shù)進行整定。第二個研究方案是模糊PID控制,研究了模糊控制的機理,確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)。通過對主汽壓力特點的分析,建立了模糊控制規(guī)則表。借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱,對鍋爐主汽壓力PID控制和模糊PID控制進行仿真分析。結(jié)果表明模糊PID 控制效果達到了鍋爐主汽壓力控制系統(tǒng)的性能指標,是一種較為理想的智能性控制方案。關(guān)鍵詞:壓力控制;模糊PID控制;參數(shù)整定;仿真Research on pressure control of boiler systemSummaryP

3、ressure control in the industrial control has always been the innovation topics. For different control objects .Have different control modes and patterns. The pressure system inertia is big. The lag is serious. Different to establish accurate mathematical model. To the control procedure brings great

4、 challenges. Object this article to main steam pressure of boiler in power plant for study. Study of a best of control program. To achieve the system stability. Adjustment time is short and small overshoot of the performance.This article the control plan which may use to the host steam pressure has

5、conducted the through research. The first choice research plan is the PID control .Principle of pressure PID controller. Is the ratio of the pressure deviation. Integral and differential through linear combination constitution control quantity. Control of the controlled object. PID control parameter

6、s is the focus of adjustment. This article used the artificial installation method to carry on the installation to its parameter. The second research plan is the fuzzy PID control. Has studied the fuzzy control mechanism. Determine the structure of the fuzzy controller. Through to host steam pressur

7、e characteristic analysis. Has established the fuzzy control rule table. With the aid of in MATLAB Simulation and Fuzzy toolbox. For boiler main steam pressure PID control and simulation analysis of fuzzy-PID control. The result indicated the fuzzy PID control effect has achieved the boiler host ste

8、am pressure control system performance index. Is one kind of more ideal intelligence control plan.Key words: Pressure controlFuzzy PID ControlParameter SettingSimulation目錄摘要Abstract1 緒論. 錯誤!未定義書簽。1.1 課題的研究背景. 錯誤!未定義書簽。1.2 模糊控制在電廠鍋爐主蒸汽壓力控制系統(tǒng)中的應用. 錯誤!未定義書簽。1.3 本文主要研究內(nèi)容. 錯誤!未定義書簽。2 模糊基本理論. 錯誤!未定義書簽。2.1

9、 模糊集合論. 錯誤!未定義書簽。2.2 模糊語言變量. 錯誤!未定義書簽。2.3 模糊推理. 錯誤!未定義書簽。2.4 本章小結(jié). 錯誤!未定義書簽。3 鍋爐主蒸汽壓力的模糊控制器的設(shè)計. 錯誤!未定義書簽。3.1 電廠主蒸汽壓力被控對象的數(shù)學模型特性的分析. 錯誤!未定義書簽。3.2 鍋爐主蒸汽壓力的模糊PID控制器. 錯誤!未定義書簽。3.3 本章小結(jié). 錯誤!未定義書簽。4 仿真研究. 錯誤!未定義書簽。4.1 仿真工具. 錯誤!未定義書簽。4.2 PID控制器的仿真研究. 錯誤!未定義書簽。4.3 模糊PID控制器的仿真研究. 錯誤!未定義書簽。4.4 本章小結(jié) (195 結(jié)論 (2

10、0參考文獻致謝鍋爐壓力控制系統(tǒng)研究1 緒論1.1 課題的研究背景隨著電廠鍋爐機組越來越向著高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展,對熱工自動控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)的要求也越來越高。從30年代起,鍋爐控制中就采用了PID控制器。目前,國內(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?？刂品椒ㄟh遠落后于國外的控制技術(shù),尤其是北歐國家和德國。在國內(nèi)無論是燃燒過程自動控制系統(tǒng)、汽包水位自動控制系統(tǒng),還是主蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)等,主要都是采用各種類型的常規(guī)PID控制策略,也就是說PID控制在電廠的大大小小的控制系統(tǒng)中仍占著主導地位。多年來,雖然PID控制在電廠熱工過程控制中發(fā)揮了很大作

11、用,在一些機組的某些控制系統(tǒng)上也有令人滿意的控制效果,但是,由于PID算法本身的限制,在某些復雜對象上應用時,控制效果很不理想,甚至無法實現(xiàn)自動控制。究其原因,主要是因為PID控制實施有效的前提是要有準確的被控對象模型。當實際被控對象模型發(fā)生變化時,按照原被控對象模型進行參數(shù)整定的PID控制器的控制效果就很難保證了。而且在實際的工程應用中,被控對象的模型往往是不精確的、時變的,有時甚至根本無法獲得,這時采用常規(guī)的 PID控制就很難達到理想的控制效果。也就是說面對越來越復雜的被控對象,常規(guī)PID 控制己束手無策,要想獲得好的控制效果,必須采用其它的控制策略。英國科學家Ea.HeMamdani首先

12、應用Fuzzy控制方法來控制用于試驗的鍋爐和汽輪機;美國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,蒸汽消費量減少了15%;在燃油鍋爐上應用最優(yōu)控制,自適應控制等現(xiàn)代控制技術(shù)的例子也有多次報道1。電廠鍋爐主蒸汽壓力,是指從汽包出來的飽和蒸汽經(jīng)過布置在鍋爐煙道中的各種形式的過熱器與高溫煙氣進行熱交換后,最后在過熱器出口所得到的蒸汽的壓力。它是電廠生產(chǎn)過程中的一個非常重要的監(jiān)測和控制參數(shù),過高或過低都會影響到機組的安全性和經(jīng)濟性。主蒸汽壓力過高,可能使過熱器管道和汽輪機高壓缸等設(shè)備產(chǎn)生變形而被損壞;主蒸汽壓力過低,會導致機組效率降低。因此,一般要求主蒸汽壓力基本上維持在額定值(即

13、給定值附近。由于主蒸汽壓力被控對象總是存在著一定的遲延,而且隨著機組容量的增加和參數(shù)的提高,鍋爐過熱器管路長度和受熱面面積增加,主蒸汽壓力的遲延也會增大,而被控對象遲延越大,控制難度也越大,所以主蒸汽壓力的控制已成為電廠各個控制系統(tǒng)中的一個控制難點。在機組運行工況波動比較大時,許多電廠只好由運行人員手動進行主蒸汽壓力的本題目來自于科研控制6。通過對一些大型電廠主蒸汽壓力控制情況的調(diào)研了解到:目前電廠的主蒸汽壓力控制普遍采用串級PID控制策略(個別小型電廠的主蒸汽壓力控制因遲延現(xiàn)象不是很嚴重仍采用單回路PID控制。主蒸汽壓力串級PID控制系統(tǒng)包括主回路和副回路兩個回路。副回路包括副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機

14、構(gòu)、主蒸汽壓力被控對象的導前區(qū)和測量導前壓力的壓力變送器。副調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)器,它的任務(wù)是根據(jù)導前壓力的變化調(diào)節(jié)減溫水的流量,其作用是在擾動引起主蒸汽壓力變化之前先進行調(diào)節(jié),可以抑制擾動對主蒸汽壓力的部分影響。主回路包括主調(diào)節(jié)器、副回路、主蒸汽壓力被控對象的惰性區(qū)和測量主蒸汽壓力的壓力變送器。主調(diào)節(jié)器采用PI或PID調(diào)節(jié)器,它的任務(wù)是消除主蒸汽壓力與給定值之間的偏差。由于影響主蒸汽壓力的因素很多,如:負荷的變化、煙氣溫度和壓力的波動、主蒸汽溫度的變化、給水流量和溫度的波動、吹灰器投入、磨煤機的切換等,在主蒸汽壓力串級PID控制系統(tǒng)中,有時會將負荷信號、燃料量信號、主蒸汽壓力信號、給水流量

15、信號以前饋形式引入到串級系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器中,以實現(xiàn)“超前”調(diào)節(jié)。盡管主蒸汽壓力串級PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)已采用導前汽溫信號和前饋信號來參與調(diào)節(jié),獲得了部分超前調(diào)節(jié)的效果,但以調(diào)節(jié)參數(shù)固定不變的PID控制器來控制主蒸汽壓力這種時變的復雜對象時,控制效果仍會很不理想。1.1.2.1 模糊控制的產(chǎn)生自20世紀70年代以來,現(xiàn)代控制理論己經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)過程、軍事科學以及航空航天等許多方面取得了成功的應用。但是他們都有一個基本的要求,要建立被控對象的精確數(shù)學模型。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展,各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高,所研究的系統(tǒng)也日益復雜多變。然而由于一系列原因,諸如

16、被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)間的強烈耦合、較大的隨機干擾、過程機理錯綜復雜、各種不確定性以及現(xiàn)場檢測手段不完善等,難以建立被控對象的精確模型。雖然常規(guī)PID控制技術(shù)可以解決一些問題,但范圍是有限的。對于那些難以建立數(shù)學模型的復雜被控對象,采用傳統(tǒng)的控制方法,包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法,往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員所進行的手動控制效果好。1.1.2.2 模糊控制的發(fā)展概況模糊控制的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要的階段,第一階段為基本模糊控制,第二階段為自適應模糊控制,第三階段為智能模糊控制。第一階段:基本模糊控制的理論和應用研究自從1974年Mamdani首先把模糊控制應用于鍋爐蒸汽機控制

17、以來,人們已取得了大量的在這方面的研究成果并付諸于實踐,模糊控制的簡單易行和良好性能引起人們的高度重視掀起一陣“模糊熱”,特別是1987年在日本,基于模糊控制的仙臺地鐵開通以后,各種家電的模糊產(chǎn)品相繼研制出成功并進入市場,如洗衣機、照相機、攝像機、復印機、吸塵器、電冰箱、微波爐、電飯鍋、空調(diào)器、電視機、淋浴器等,這些家電產(chǎn)品在節(jié)約資源、方便使用以及使用效果方面更富有“人情味”,更符合人的實際生活。同時,各種各樣的模糊控制系統(tǒng)也被研制成功5。例如,各種熔爐、電氣爐、水泥生成爐的控制系統(tǒng)、核能發(fā)電供水系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)、電梯升降機控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng),以及活躍于航空、宇宙、通信領(lǐng)域里的專家系統(tǒng)

18、。這些模糊控制系統(tǒng)的應用取得了明顯的效益,并且受到了人們普遍的重視。第二階段:自適應模糊控制器研究及應用根據(jù)模糊控制原理可知,要使模糊控制有效,關(guān)鍵在于條件語句的正確完整和模糊算法的正確選擇,但在復雜的過程中有時很難總結(jié)出完整的經(jīng)驗,即控制規(guī)則很粗糙,不完善,這樣勢必影響效果。另一方面,即使控制規(guī)則較完善,但是由于過程是不斷變化的,總是按照原來的控制規(guī)則進行運算,所得的結(jié)果可能與實際過程相差甚遠,因而就使人們?nèi)パ芯窟@樣的控制器,它能在運行中自動修改完善和調(diào)整模糊控制規(guī)則,使系統(tǒng)的性能不斷完善直至達到預定的效果。第三階段:智能模糊控制盡管自適應模糊控制能較好地解決一些問題,但是畢竟是有限的,因為

19、在自適應控制中,還是依照人的意志,事先作了適當?shù)膭澐?在允許范圍內(nèi)進行調(diào)整而已,為了使復雜工業(yè)生產(chǎn)過程能進行自動控制,就必須不斷了解過程的機理,同時結(jié)合操作經(jīng)驗,利用模糊語義和模糊條件語句構(gòu)成原始的具有人工智能的專家系統(tǒng)。利用生產(chǎn)式學習系統(tǒng)軟件來決定處理問題的過程,并對原有知識進行反饋修正,如此不斷進行就是智能控制。在我國模糊控制的研究正處在基本模糊控制器的應用和自適應模糊控制的研究和應用階段。智能模糊控制的研究成果很少。1.2 模糊控制在電廠鍋爐主蒸汽壓力控制系統(tǒng)中的應用目前,已有專家或技術(shù)人員對模糊控制技術(shù)在電廠主蒸汽壓力控制中的應用進行了研究,取得了一定的研究成果。文獻3提出了一種基于模

20、糊規(guī)則的PID?？刂破鞯脑O(shè)計方法,即用模糊規(guī)則的方式根據(jù)當前偏差和偏差變化值設(shè)定合適的PID控制器的參數(shù),相當于一種變PID參數(shù)的控制方式。顯然這種控制方法比固定參數(shù)的PID控制的控制效果要好。文獻2采用模糊規(guī)則的方式,分別根據(jù)機組當前負荷值和當前的偏差、偏差變化值粗調(diào)和細調(diào)PID參數(shù)值,也是一種變PID參數(shù)的控制方式。文獻4采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),不斷修正模糊控制器的隸屬度函數(shù),實現(xiàn)模糊規(guī)則的自動更新。這種方法使得模糊控制器有了自學習功能。當主汽壓偏差較大時,利用模糊控制的仿人智能特性迅速給出適當?shù)淖饔昧恳砸种聘蓴_,保證系統(tǒng)響應的快速性;當主汽壓偏差較小時,采用專家自整定PID自動根據(jù)偏差噪聲范圍

21、的變化在線整定PID參數(shù),以保證較好控制效果7。近年來模糊控制在電廠鍋爐控制方面的運用已經(jīng)有了較大的發(fā)展,許多公司都已在自己的控制系統(tǒng)組態(tài)軟件模塊加入了模糊控制模塊。相信在不久的將來,模糊控制將能更廣泛的應用到電廠熱工控制領(lǐng)域8。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文著重對鍋爐主蒸汽壓力控制系統(tǒng)進行研究。針對電廠主蒸汽壓力系統(tǒng)的大滯后、大慣性、非線性等特點,改變傳統(tǒng)PID控制方法,采用PID控制器與模糊控制相結(jié)合的控制手段對其進行控制;對鍋爐主汽壓力的模糊PID控制算法進行MATLAB仿真研究,與傳統(tǒng)PID控制方法進行比較,仿真結(jié)果表明,模糊PID控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性及良好的控制品質(zhì),提高了系統(tǒng)的動

22、、靜態(tài)性能指標。2 模糊基本理論2.1 模糊集合論在現(xiàn)實世界中,有很多事物的分類邊界是不分明的,或者說是難以明確劃分的。比如,將一群人劃分為“高”和“不高”兩類,就不好硬性規(guī)定一個劃分標準。如果硬性規(guī)定, 1.80m以上的人算“高個子”,否則不算,則有可能會出現(xiàn)兩個本來身高“基本一樣”的人卻被認為一個“高”,一個“不高”,這就有悖于常理,因為這兩個人在任何人看來都是“差不多高”。這種概念外延的不確定性稱它為模糊性。定義論域U中的模糊子集A,是以隸屬函數(shù)A表征的集合。即由映射A:U0,1 (2-1 uA(u確定論域U的一個模糊子集A。A稱為模糊子集A的隸屬函數(shù),A(u稱為u對A的隸屬度,它表示論

23、域中的元素u屬于其模糊子集A的程度。它在0,1閉區(qū)間內(nèi)可連續(xù)取值。A(u=1,表示u完全屬于A;A(u=0,表示u完全不屬于A; 0A(u1,表示u隸屬于A的程度。對于論域U上的模糊集合A,通常的表示方法有查德記號表示法、向量表示法、單點表示法、序偶表示法、隸屬函數(shù)的解析式表示法等。定義論域U中模糊子集的全體,稱為U中的模糊冪集,記作F(U,即F(U=A|A:U0,1對于任一uU,若A=0,則稱A為空集;若A=1,則稱A=U為全集,通常全集記為E。定義設(shè)A、B是論域U上的兩個模糊集合,即A,BF(U,對任一uU,都有B(uA(u ,則稱B包含于A,或稱A包含B;若對任一uU ,都有B(u=A(

24、u ,則稱B等于A。設(shè)A、B是論域U上的兩個模糊集合,隸屬函數(shù)分別為A和B,常用的運算有:1“并”運算ABAB(U=maxA(u,B(u= A(u B(u2“交”運算ABAB(U=minA(u,B(u= A(u B(u3“補”運算AA(u=1-A(u這里,符號“”、“”稱為Zadeh算子,為模糊邏輯中的運算符號,在無限集合中,它們分別表示sup和inf,在有限元素之間,則表示max和min,即取最大值和最小值。隸屬度函數(shù)的確定在模糊數(shù)學中占有重要的地位,這是因為模糊集合是由隸屬度函數(shù)刻畫的,模糊集合的各種運算都是利用隸屬度函數(shù)來進行的,因此,在模糊集合的各種應用場合,首先要解決的問題就是確定隸

25、屬度函數(shù)。確定隸屬度函數(shù)總是力圖盡量符合客觀實際,但不同的人對于同一個模糊概念的認識又是有差異的,因此隸屬度函數(shù)的確定又帶有主觀性。如何評價隸屬度函數(shù)是否符合客觀實際,到目前為止還沒有一個標準。常常用初步確定的一個粗略的隸屬度函數(shù),然后通過在實踐運用中“學習”和檢驗,逐步修改和完善。確定隸屬函數(shù)可以通過“主觀”途徑和“客觀”途徑進行,當隸屬度無法通過主觀途徑給出時,往往需要在實驗基礎(chǔ)上獲得11。(1模糊統(tǒng)計法模糊統(tǒng)計法是對模糊性事物的可能性程度進行統(tǒng)計,其統(tǒng)計結(jié)果即為隸屬度。其基本思想是:對論域U上的一個確定元素u,考慮n個有模糊集合A屬性的普通集合A*以及元素u0對A*的歸屬次數(shù)。u對A*的

26、歸屬次數(shù)和n的比值就是元素u對模糊集合A的隸屬度:A(u0=limnAu的次數(shù)*0(2專家經(jīng)驗法專家經(jīng)驗法是根據(jù)某領(lǐng)域?qū)＜业膶嶋H經(jīng)驗對模糊信息進行處理從而確定隸屬度函數(shù)的一種方法。例如,醫(yī)生治病的過程首先需要對病人的各種癥狀進行詢問或儀器檢查,最后判斷患者是否有這種疾病,假設(shè)病人論域U中一患者x,這種疾病患者全體為模糊集合A,各種癥狀是清晰的,用普通集合A1表示。有A(x=0或者1,就是說分為患者x不具備這種癥狀A1和具備這種癥狀A1,最后,由醫(yī)生對每一種癥狀是否屬于某種疾病賦予一定的權(quán)數(shù),則患者x屬于某種疾病A的隸屬度為A(x=ni i iAi x1此外,確定隸屬度函數(shù)還有二元對比排序法、相

27、對選擇法、可變模型法等等。(一正態(tài)型曲線如圖2-1所示,這是一種最常見的模糊分布,其表達式為:A(x=2-baxe b0其參數(shù)b值大,曲線變寬,反之,b值小,曲線變窄。的值決定了曲線的中心點。(二三角型曲線如圖2-2所示。 圖2-1 正態(tài)型曲線圖2-2 三角型曲線1.模糊關(guān)系。以集合A和B的直積AB=(x,yxA,yB為論域的一個模糊子集R,叫做集合A和B的模糊關(guān)系,也稱為二元模糊關(guān)系。如果(x,yAB,則隸屬函數(shù)R表明元素x和y屬于模糊關(guān)系R的程度。當論域為n個集合的直積A1A2A n,則稱為R為n元模糊關(guān)系。2.模糊關(guān)系矩陣。(1定義:當論域AB為有限集,模糊關(guān)系R可以用矩陣來表示,并把這

28、個矩陣稱為模糊關(guān)系矩陣或模糊矩陣,用黑體R表示。(2模糊向量:模糊向量是一種特殊的模糊矩陣,它在模糊控制中十分有用。將元素C i0,1,i=1,2,n寫成向量C=C1,C2,C n,稱C為模糊行向量。簡稱模糊向量,記為C H。C的轉(zhuǎn)置C L稱為模糊列向量。定義運算CD=C LD為模糊向量的笛卡爾積。2.2 模糊語言變量例如:設(shè)某一簡單壓力控制系統(tǒng),壓力誤差為模糊語言變量X,論域U=(-6PA,+6PA,壓力正、負誤差語言變量由G按照語法規(guī)則構(gòu)成的語言值名稱有:正很大(PVB、正大(PB、正中(PM、正小(PS、零(Z、負小(NS、負中(NM、負大(NB、負很大(NVB。 T(x=T(誤差=PV

29、B+PB+PM+PS+Z+NS+NM+NB+NVB詞義規(guī)則M是指模糊子集的隸屬函數(shù)。2.3 模糊推理推理是根據(jù)已有的命題按照一定的法則,去推斷出一個新的命題的思維方式。形式邏輯對于人類社會的發(fā)展起了很大的作用,但對于模糊性問題,形式邏輯和數(shù)理邏輯都沒有辦法解決。解決推理性問題需要用模糊推理方法。模糊推理是以模糊條件為基礎(chǔ)的,它是模糊決策的前提條件,更是模糊控制規(guī)則生成的根據(jù)。模糊推理在模糊控制和綜合評判等方面極為重要。假言推理規(guī)則可以寫成:CA CC A CA 結(jié)論:結(jié)論小前提:如今則大前提:若 其中,C =A R 表示一種近似推理合成規(guī)則,這是解決所有模糊推理的基礎(chǔ)?！啊贝砗铣蛇\算。R 是

30、集合A 、C 的模糊關(guān)系。近似推理規(guī)則說明,對于處于模糊概念的推理過程不必像形式邏輯中的那樣的判斷推理過程,而可以看成是模糊集合的變量和隸屬函數(shù)的演算過程。即輸入一個模糊子集A ,經(jīng)過模糊變換器R 變換,得到一個新的模糊輸出結(jié)果C =A R這種方法在模糊控制中應用最廣泛。它也是基于似然推理的合成推理法則,只是將模糊蘊涵關(guān)系A(chǔ) C 用A 、C 的直積A C 表示,即R=A C=A C=A L C ,因此有推理式C =A R=A (A L C 這里只介紹本設(shè)計所要用到的“若a 且b 則c ”型。設(shè)A 、B 、C 分別是論域U 、V 、W 上的模糊集合。若是一個雙輸入的模糊系統(tǒng),在這種條件下,模糊條

31、件語句“若a 且b 則c ”決定一個三元模糊關(guān)系R=(A B C ,根據(jù)Mamdani 推理法則有:R=(A B C=A L BL C當輸入為A 、B 時的輸出根據(jù)推理合成規(guī)則以及行向量的定義符有C =A B H R=A L B H R2.4 本章小結(jié)本章在模糊集合理論的基礎(chǔ)上,介紹了模糊邏輯和模糊推理。模糊理論是在模糊集合理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。掌握好這些知識,為后文建立模糊控制器打好基礎(chǔ)。3 鍋爐主蒸汽壓力的模糊控制器的設(shè)計3.1 電廠主蒸汽壓力被控對象的數(shù)學模型特性的分析鍋爐過熱器結(jié)構(gòu)如圖3-1所示,末級過熱器出口壓力為主蒸

32、汽壓力。文獻8中有結(jié)論:在同樣的減溫水擾動情況下,主蒸汽壓力在不同工況下的響應曲線有較大的差別。這說明了主蒸汽壓力的動態(tài)特性是隨工況的變化而變化的,也就是說主蒸汽壓力的模型參數(shù)在不同工況下是完全不同的。這里先分析一下主蒸汽壓力動態(tài)特性機理。有某工況下主蒸汽壓力與減溫水擾動的傳遞函數(shù)10為:(s T s T m m D s K S D s T e DT SP +-= 10 (3-1式中: D V /0= (3-2 (3-5 (21/P SP D T C D I I K -= (3-6 其中:T 主蒸汽壓力;D 、D SP 主蒸汽流量和減溫水流量;I 1、I SP 噴水處的蒸汽焓和減溫水焓;C P

33、 、C P2環(huán)節(jié)中工質(zhì)的平均定壓比熱和環(huán)節(jié)出口工質(zhì)的定壓比熱; 0工質(zhì)流過整個受熱管的平均時間;D 動態(tài)參數(shù);T m 金屬蓄熱時間常數(shù);V 、環(huán)節(jié)容積和環(huán)節(jié)內(nèi)工質(zhì)的平均密度;A 環(huán)節(jié)內(nèi)表面積;M j 、C j 管壁金屬的質(zhì)量和比熱;2對流放熱系數(shù);、流體熱導率和動力粘度;B 常數(shù)。從上述傳遞函數(shù)表達式中可以看出,主蒸汽壓力數(shù)學模型中的參數(shù)均可以看作是工況參數(shù)的函數(shù)2,而主蒸汽壓力的工況主要由主蒸汽流量(D和主蒸汽溫度(T決定的,也就是說引起主蒸汽壓力數(shù)學模型發(fā)生變化主要是D 和T 二個工況參數(shù)。而二個工況參數(shù), D和T中,主蒸汽溫度T的變化對模型參數(shù)的影響最小;而主蒸汽流量D的變化對模型參數(shù)的

34、影響最大。常規(guī)PID控制,具有結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)、魯棒性強等優(yōu)點,因此目前廣泛應用于電廠主汽壓力的調(diào)節(jié)。但常規(guī)PID控制器構(gòu)成的調(diào)節(jié)系數(shù)存在其固有的缺點:參數(shù)是根據(jù)被控對象的數(shù)學模型來整定的,而汽溫調(diào)節(jié)對象的時變性、不確定性和非線性,使其難以建立精確的數(shù)學模型,僅僅依靠PID控制,無論PID參數(shù)如何匹配,也很難使蒸汽壓力適應各種擾動的變化。而且,一旦運行工況發(fā)生較大變化,過熱汽溫對象的動態(tài)特性和模型參數(shù)會受到較大影響。所以,采用常規(guī)PID控制方法很難獲得令人滿意的控制性能。因此考慮將PID控制算法的實用性與模糊控制算法的智能性相結(jié)合,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,研究一種模糊PID控制器對鍋爐主汽壓力系統(tǒng)進行控

35、制。使鍋爐達到減小系統(tǒng)的振蕩性、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間,提高系統(tǒng)總體控制效果的性能指標22。3.2 鍋爐主蒸汽壓力的模糊PID控制器模糊PID控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析,采用模糊推理的方法實現(xiàn)PID三個參數(shù)K p、K i和K d的在線自整定12。模糊PID 控制不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理簡單、使用方便等特點,而且具有更大的靈活性、適應性、精確性等特性。典型的模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 圖3-2 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)包括一個常規(guī)PID控制器和一個模糊推理的參數(shù)校正部分。偏差e和偏差的變化率ec作為模糊系統(tǒng)的輸入,三個PID參數(shù)

36、K p、K i和K d作為輸出,根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則作出模糊推理的參數(shù)校正,在線改變PID參數(shù)的值,從而實現(xiàn)壓力的控制。模糊PID控制使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能,而且計算量小13。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮,K p、K i、K d的作用如下:(1比例系數(shù)K p的作用是加快系統(tǒng)的響應速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。K p越大,系統(tǒng)的響應速度就越快,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高,但易產(chǎn)生超調(diào),甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。K p取值過小,則會降低調(diào)節(jié)精度,使響應速度緩慢,從而延長調(diào)節(jié)時間,使靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。(2積分系數(shù)K i的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。K i越大,系統(tǒng)的靜態(tài)誤

37、差消除越快,但K i 過大,在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,從而引起響應過程的較大超調(diào)。若K i 過小,將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。(3微分系數(shù)K d 的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性,其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化,對偏差變化進行提前預報。但K d 過大,會使響應過程提前滯動,從而延長調(diào)節(jié)時間,而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性16。本文所選的是單元機組為某電廠410t 循環(huán)流化床鍋爐的主汽壓力,這一具體對象的傳遞函數(shù)是9:(112025.1122+=-s e s G s(3-7考慮到實際現(xiàn)場的情況,在生產(chǎn)控制現(xiàn)場對于壓力控制,在時間剛剛開始的時候,也就是說在偏差很大

38、的時候,可以根據(jù)PID 控制的自身特點加以控制,此時不需要模糊控制器起作用,輸出值會自動的向給定值接近。當偏差逐漸變小,直到某一程度時,加入模糊控制作用,也就是說把模糊的作用利用在微觀的調(diào)控上。根據(jù)實驗設(shè)備的情況以及壓力控制的特點,應客觀的選取模糊控制器的作用范圍,這里將系統(tǒng)誤差e 的基本模糊范圍定義為(-6,+6,就是說當誤差到了這個范圍之后,模糊控制器開始發(fā)揮作用,這里將誤差e 和誤差變化率ec 變化范圍定義為模糊集上的論域:e ,ec=-6,-4,-2,0,2,4,6其模糊子集為e,ec=NB ,NM ,NS ,Z ,PS ,PM ,PB,設(shè)它們都服從三角形曲線分布。 將PID 的三個系

39、數(shù)K p 、K i 、K d 的變化范圍分別定義為 K p =0.2,0.4,0.6,0.8,1,1.2,1.4K i =0.001,0.002,0.003,0.004,0.005,0.006,0.007 K d =10,20,30,40,50,60,70它們的模糊子集為K p 、K i 、K d =NB ,NM ,NS ,Z ,PS ,PM ,PB,設(shè)它們都服從三角形曲線分布。由以上的說明,可以知道模糊控制器的輸入和輸出的模糊子集的隸屬度。模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗,建立合適的模糊控制規(guī)則表,得到針對K p 、K i 、K d 三個參數(shù)分別整定的模糊控制表,

40、如表3-1,3-2,3-3所示。該設(shè)計是采用的兩個輸入,所以采用的控制規(guī)則為:If e and ec then K p If e and ec then K i If e and ec then K d表3-1 Kp的模糊規(guī)則表ECE PB PM PS ZO NS NM NBPB NB NB NM NM NM ZO ZOPM NB NM NM NM PS ZO PSPS NM NM NS NS ZO PS PSZO NM NM NS ZO PS PM PMNS NS NS ZO PS PM PM PMNM NS ZO PS PS PM PB PBNB ZO ZO PS PM PM PB PB表

41、3-2 Ki的模糊規(guī)則表ECE PB PM PS ZO NS NM NBPB PB PB PM PM PS ZO ZOPM PB PB PM PS PS ZO ZOPS PB PM PS PS ZO NS NMZO PM PM PS ZO NS NM NMNS PS PS ZO NS NS NM NBNM ZO ZO NS NS NM NB NBNB ZO ZO NS NM NM NB NB表3-3 Kd的模糊規(guī)則表ECE PB PM PS ZO NS NM NBPB PB PS PS PM PM PM PBPM PB PS PS PS PS ZO PBPS ZO ZO ZO ZO ZO ZO

42、 ZOZO ZO NS NS NS NS NS ZONS ZO NS NS NM NM NS ZONM ZO NS NM NM NB NS PSNB PS NM NB NB NB NS PS模糊控制器采用二維的Mamdani控制器,模糊控制決策采用Max-Min,去模糊采用重心法(Centriod。在線運行過程中,控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算,完成PID 參數(shù)的在線自校正。其工作流程圖3-3所示。 圖3-3 在線自校正工作流程圖3.3 本章小結(jié)本章對鍋爐主蒸汽壓力被控對象的數(shù)學模型特性進行了分析,并得出結(jié)論:整個主蒸汽壓力數(shù)學模型的模型參數(shù)可以認為是僅由主蒸汽流量來決定的。

43、針對PID控制器參數(shù)是根據(jù)被控對象的數(shù)學模型來整定的這個缺陷,設(shè)計了模糊PID控制器,確定了論域以及控制規(guī)則,為后一章仿真研究奠定基礎(chǔ)。4 仿真研究仿真是對實際過程的模擬,系統(tǒng)仿真就是在數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,以計算機為工具對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真根據(jù)真實系統(tǒng)的數(shù)學模型建立仿真模型,對系統(tǒng)環(huán)境加以模擬,在計算機上進行分析、計算、研究獲得真實的定量關(guān)系18。本章通過對系統(tǒng)采用不同的控制策略,得出它們各自的仿真結(jié)果,然后進行分析比較,從中找出一個合乎要求的解決方案。4.1 仿真工具仿真是控制系統(tǒng)進行科學研究的重要方法,通過仿真來分析各種控制策略和方案對控制系統(tǒng)的性能,優(yōu)化相關(guān)參數(shù),以獲得最

44、佳控制效果。為了進行模糊系統(tǒng)的仿真設(shè)計,國內(nèi)外的學者都開發(fā)了一些工具,其中一個就是MATLAB的模糊控制工具箱(Fuzzy Logic Toolbox。模糊控制工具箱是數(shù)字計算機環(huán)境下的函數(shù)集成體,是一個不針對具體硬件平臺的控制設(shè)計工具,它可以用完全圖形界面的工作方式設(shè)計整個模糊控制器。如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目,各輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)的形狀和數(shù)目,模糊控制規(guī)則的數(shù)目,模糊推理的方法,反模糊化的方法等等。在設(shè)好這樣一個模糊控制器之后,可以利用MATLAB 本身的Simulink仿真平臺來構(gòu)建整個模糊控制系統(tǒng)并進行仿真研究。它的優(yōu)勢在于可以利用MATLAB軟件本身的豐富資源,方便的將模

45、糊工具箱與其它一些工具箱集合使用,來構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的模糊系統(tǒng),比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng),遺傳算法模糊系統(tǒng),模糊PID系統(tǒng)等,并對這樣的系統(tǒng)進行仿真、分析17。MATLAB(MATrix LABoratory,即矩陣實驗室是Cleve Moler博士在New Mexico大學講授線性代數(shù)時,發(fā)現(xiàn)用高級語言編程極為不便而構(gòu)思開發(fā)的18。它是集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過幾年的試用之后,Moler博士等一批數(shù)學家與軟件專家組建了一個名為MathWorks的軟件開發(fā)公司,專門擴展并改進MATLAB,推出了該軟件的正式版本。除原有的數(shù)值計算能力外,還增加了圖形處理功能。MathWor

46、ks公司于1993年推出了基于Windows平臺的MATLAB 4.0。MATLAB 4.x版在繼承和發(fā)展其原有數(shù)值計算和圖形處理能力的同時,還推出了符號計算工具包、Notebook和一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境Simulink。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包19。它除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊、函數(shù)和表模塊、數(shù)學模塊、非線性模塊、信號模塊以及子系統(tǒng)模塊外,還包括各個工具箱特有的模塊,如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。用戶可以利用這些模塊搭建自己的系統(tǒng)并進行仿真,通過更改這些模塊的參數(shù)提高系統(tǒng)的性能,最終得到合乎自己設(shè)

47、計要求的系統(tǒng)23。本文的所有仿真都是在Simulink中完成的。 圖4-1 MATLAB與模糊邏輯工具箱及Simulink的關(guān)系圖由4-1圖可以看出,模糊邏輯工具箱必須在MATLAB環(huán)境下運行,它所創(chuàng)建的模糊控制器可以為其它工具箱所用,也可以用Simulink環(huán)境對它進行仿真。最后還可以C語言的形式輸出一個獨立的模糊控制器,嵌入到用戶自己的應用程序代碼中去20。4.2 PID控制器的仿真研究在Simulink中創(chuàng)建用PID算法控制鍋爐主汽壓力的結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示: 圖4-2 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖對PID參數(shù)整定的方法多種多樣,常見的有齊格勒尼柯爾斯參數(shù)整定、CHR參數(shù)整定、人工整定等,用理論整定方法算出的PID參數(shù)不一