智能控制在鍋爐汽包液位自動控制中的應(yīng)用

內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）智能控制在鍋爐汽包液位自動控制中的應(yīng)用摘要鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，為確保安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，對鍋爐的自動控制就顯得十分重要，其中汽包水位是一個非常重要的被控變量。鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)過程難以建立數(shù)學(xué)模型，并具有非線性、不穩(wěn)定性和時滯等特點。傳統(tǒng)的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)大都采用PID控制，其控制效果還可以進(jìn)一步提高。而模糊控制不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強，非常適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制，但其靜態(tài)性能不能令人滿意，限制了它的應(yīng)用。為消除模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，采用多模態(tài)控制，是常用的一種方式。本設(shè)計在研究鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用模糊控制理論設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，運用模糊控制、PID控制以及多模態(tài)控制分別對汽包水位進(jìn)行控制。介紹了模糊制器的設(shè)計方法，并應(yīng)用MATLAB軟件對汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，給出了仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明了多模態(tài)控制明顯改善了汽包水位控制的靜、動態(tài)特性，從而實現(xiàn)了對鍋爐汽包水位的最佳實時控制。關(guān)鍵詞：鍋爐汽包液位，PID控制，模糊控制，多模態(tài)控制，MATLAB內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）IntelligentControlofAutomaticControlinBoilerDrumLevelApplicationAbstractBolierisanecessarypowerplantintheprocessofindusty.Inordertoensuretheproductionandsecurity，theauto-controlofitisveryimportant.Thedrumwaterlevelisanimportantvariabletobeconrtolled，itishardtogetthemathematicmodelofthewaterlevelwithadjustvieprocess,itischaracteristicofnonlinearity,instabilityandtimelag.ThetraditionalcontrolmodeofthreevariableinthedrumwaterlevelmostlyusePID，theeffectofitcanbeimproved.Thefuzzycontroldoesnotneedprecisemathematicmodelofthecontrolledoboject，itonlyneedstheexperienceofoperatorandthedataofoperating，ithasgoodrobustnessandisfittocontrolthesystemwithnonlinearityandlag.Butitsstaticcharacteristicisdissatisfactory，which1imittheapplicationofit.Itisusualmodeinordertoeliminatethestaticerrorthatusingfuzzy-PIDcontrol.Thedesignisbasedontheestablishmentoftheboilerdrumwaterlevelintheregulationofthemathematicalmodeloftheobject.Itusethetheoryoffuzzycontroltodesigntheboilerwaterlevelcontrolsystem,andcontrolledthedrumwaterleveluseofFuzzycontrolandPIDcontrol,andmulti-modecontrol.Introducedthecontroller’sdesignandsimulationanalysis,andvericatedandsimulatedthedrumwaterlevelcontrolsystemusedMATLABsoftware.Itshowedtheresultsofthecomparisionaboutthefuzzycontrolandtradionalmethods.Itshowedthefuzzycontrolisclearthatimprovedcontrolsystemfordrumwaterlevelofthestaticanddynamiccharacteristics,thusrealizingtheboilerdrumwaterlevelofthebestreal-timecontrol.Keywords:boilerdrumlevel,PIDcontrol,fuzzycontrol,multi-modecontrol,MATLAB,目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1熱電廠工藝流程 11.2鍋爐的工作過程簡介 21.3課題背景 31.4本文研究內(nèi)容 4第二章鍋爐汽包水位及控制方式 52.1鍋爐汽包水位的特性 52.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性 52.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性 62.2汽包水位控制方式 72.2.1單沖量控制方式 82.2.2雙沖量控制方式 92.2.3三沖量控制方式 9第三章模糊控制原理 113.1概述 113.1.1模糊控制的形成 113.1.2模糊控制的特點 113.2模糊控制的工作原理 133.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成 133.2.2模糊控制的基本原理 143.3模糊控制器的設(shè)計方法 153.3.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 153.3.2精確輸入量的模糊化 163.3.3確定控制規(guī)則 193.3.4模糊量的判決方法(解模糊) 22第四章汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究 254.1汽包水位的PID控制方式 254.1.1PID控制方式概述 254.1.2PID參數(shù)的整定 274.1.3鍋爐汽包水位PID控制器 274.1.4仿真研究 274.2汽包水位的模糊控制方式 294.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu) 294.2.2模糊控制器的設(shè)計 294.2.3仿真研究 324.3汽包水位的多模態(tài)控制方式 344.3.1多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計 354.3.2仿真研究 35第五章結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 38致謝 40內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第一章引言1.1熱電廠工藝流程熱電廠的生產(chǎn)工藝為：取生水，流入水處理車間，首先用混凝澄清，機械過濾等方法在澄清池、過濾池、清水箱除去水源水中的懸浮物、膠體雜質(zhì)和有機物等，接著進(jìn)入陽床、中間水箱、陰床，采用樹脂離子交換水中的溶解鹽離子，來進(jìn)行除鹽，最后在混床中進(jìn)行再次除鹽，得到的除鹽水流入鍋爐，煤粉、石油等在鍋爐的爐膛里燃燒、使鍋爐水冷壁管流淌的、經(jīng)化學(xué)處理過的軟化水被加熱成過飽和水，再經(jīng)汽水分離后，過熱蒸汽經(jīng)飽和蒸汽管道送入汽輪機，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化成機械能，汽輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，再將機械能轉(zhuǎn)化成電能；從汽輪機中間段抽出一部分做過功的蒸汽供給熱用戶使用，或經(jīng)熱交換機將水加熱后，供給用戶熱水；還有部分做過功的蒸汽，排入凝汽器內(nèi)的管道，被流入凝汽器內(nèi)的循環(huán)水冷卻成水，又經(jīng)凝結(jié)水泵、給水泵加壓重新送入鍋爐使用。汽輪發(fā)電機一般發(fā)出10千伏的電，一部分通過電網(wǎng)，經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換成380伏的電到達(dá)普通用戶；另外一部分通過電網(wǎng)直接供給其它的廠礦等。圖1.1熱電廠的主要工藝流程圖1.2鍋爐的工作過程簡介鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機、壓縮機、泵類的動力源。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖1.2所示。由省煤器3、汽包4、下降管5、過熱器7、上升管6、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管8等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包；汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。圖1.2鍋爐的汽水系統(tǒng)“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膛、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器吸煙氣熱量，成為熱空氣后與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。1.3課題背景鍋爐是全廠重要的動力設(shè)備，在鍋爐的幾個控制系統(tǒng)中，汽包水位的控制是保證鍋爐安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的主要標(biāo)志之一。鍋爐汽包水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務(wù)之一，在爐的安全生產(chǎn)、降低能耗、蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起著重要作用?？梢婂仩t汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。因而，對鍋爐汽包水位的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究是必要的。而對水位的控制不當(dāng)，往往是因汽包受到蒸汽負(fù)荷干擾后，產(chǎn)生虛假液位，使控制器反向動作。本設(shè)計就是針對鍋爐汽包水位的動態(tài)特性，研究模糊多模態(tài)控制在鍋爐控制中的應(yīng)用。此控制結(jié)合了傳統(tǒng)PID控制和模糊控制的優(yōu)點，具有很好的控制效果。并采用MATLAB進(jìn)行仿真驗證，可滿足鍋爐的汽包水位控制要求。另一方面，自從1965年美國加利福尼亞大學(xué)的Zadeh教授首先提出模糊數(shù)學(xué)和模糊控制以來，經(jīng)過幾十年的研究，模糊控制得到廣泛發(fā)展并在實際中得以廣泛應(yīng)用。這主要在于模糊邏輯本身提供了由專家構(gòu)造語言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法。模糊控制的突出特點在于:(1)控制系統(tǒng)的設(shè)計不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)。(2)控制系統(tǒng)的魯棒性強，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯后系統(tǒng)。(3)以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家的“知識”。(4)控制推理采用“不精確推理”。由于推理過程模仿人的思維過程，引入人類的經(jīng)驗，因而能夠處理復(fù)雜系統(tǒng)。但是在一般的模糊控制系統(tǒng)中，通常采用偏差E及其變化EC作為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PD控制器的作用，故其靜態(tài)性能不能令人滿意。由于比例積分控制作用既能消除穩(wěn)態(tài)誤差，又具有較高的動態(tài)響應(yīng)。因此常常把PI控制策略引入Fuzzy—PI(或PID)復(fù)合控制，是常用的一種方式。多模態(tài)PID在工業(yè)過程中有大量的成功應(yīng)用，但在鍋爐水位控制上還沒有形成系統(tǒng)的理論，還存在一些不足，仍然有必要繼續(xù)研究。1.4本文研究內(nèi)容本文針對鍋爐汽包水位的動態(tài)特性，對現(xiàn)有的模糊PID控制器進(jìn)行歸納與對比，對鍋爐汽包水位模糊PID控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及性能上的分析比較，并利用MATLAB中的模糊邏輯工具箱進(jìn)行設(shè)計、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有不精確推理的特性，將模糊控制與PID控制結(jié)合起來，以解決汽包水位的非線性、時變及滯后的特性，同時具有較好的穩(wěn)定性及魯棒性，用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。第二章鍋爐汽包水位及控制方式本章主要介紹了鍋爐汽包水位在給水流量及蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，并對傳統(tǒng)的汽包水位單沖量、雙沖量及三沖量控制方式進(jìn)行了分析與介紹，并比較了這幾種方案各自的利弊。2.1鍋爐汽包水位的特性鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋護(hù)和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即給水流量W和蒸汽流量D。2.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性圖2.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包水位看作單容量無自衡過程，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖中的H1線。圖2.1給水流量作用下水位階躍響應(yīng)但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當(dāng)水位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位的變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。因此，實際水位曲線如圖中的H線，即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)表示時，總之，汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。2.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性在蒸汽流量D擾動作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖2.2所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加，從鍋爐的物料平衡關(guān)系看，蒸汽流量D大于給水量W,水位應(yīng)下降，如圖中曲線H1。但實際并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中的H2線。因此，實際的水位曲線為Hl+H2，即為圖中的H線。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升)，這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2.2中H2的時間常數(shù)只有10~20秒。圖2.2蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓及蒸汽量有關(guān)，對于一般100—230噸/小時的中高壓鍋爐，如負(fù)荷階躍變化10%時，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)30—40毫米。由于“虛假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，其出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛假水位”現(xiàn)象，“虛假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計調(diào)節(jié)系統(tǒng)時必須考慮。2.2汽包水位控制方式給水控制的任務(wù)是維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機側(cè)的影響，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應(yīng)能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。這里的沖量指的是變量。2.2.1單沖量控制方式單沖量水位控制方式方框圖如圖2.4所示。單沖量即汽包水位（被控變量），操縱變量是給水流量，屬典型的單回路定制控制系統(tǒng)，它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。此方式將水位信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。圖2.3汽包水位單沖量控制方框圖這種控制方式，在停留時間較長且負(fù)荷比較穩(wěn)定的場合，再配上一些聯(lián)鎖報警裝置，也可以保證安全操作.但在停留時間較短，負(fù)荷變化較大時，采用此方式就不合適。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，汽包容量較大、水位在受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢、“假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場合采用單沖量水位調(diào)節(jié)是能夠滿足生產(chǎn)要求的。2.2.2雙沖量控制方式在汽包水位控制中，最主要的擾動是蒸汽負(fù)荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。這樣不僅可以補償“虛假水位”引起的誤動作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動作及時，如圖2.5所示。圖2.4汽包水位雙沖量控制方框圖從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點是:(1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)的不良影響，(2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖量調(diào)節(jié)由于有以上特點，所以能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)到調(diào)節(jié)要求的。雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是:調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動，當(dāng)給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。同時調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難。2.2.3三沖量控制方式為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上引入了給水流量信號，由水位H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽包水位H是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量D、給水流量W是兩個輔助沖量信號。前饋—串級控制方式的方框圖如圖2.5所示，該方案與前饋—反饋控制方式相似，此方案在負(fù)荷變化時，液位可以保持無差。圖2.5汽包水位三沖量前饋一串級控制方框圖第三章模糊控制原理3.1概述3.1.1模糊控制的形成模糊數(shù)學(xué)最早于1965。由美國加利福尼亞大學(xué)的L.A.Zdaha教授提出。它的出現(xiàn)打破了經(jīng)典數(shù)學(xué)，“非對即錯”、“非0即1”的局限性。模糊數(shù)學(xué)是建立在模糊集合基礎(chǔ)之上的，模糊集合相對于經(jīng)典集合的最大不同就是引入隸屬函數(shù)。經(jīng)典集合對集合中的對象關(guān)系進(jìn)行嚴(yán)格劃分，一個對象要么完全屬于一在控制工程中，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計，都需要了解被控制對象的數(shù)學(xué)模型。但是工業(yè)生產(chǎn)過程中，要得到精確的數(shù)學(xué)模型有時是非常困難的，甚至是不可能的。然而，一個熟練的操作人員卻可以不依賴于數(shù)學(xué)模型，僅依賴于人的經(jīng)驗知識、感覺和邏輯判斷，取得較好的人工控制效果。由此，人們加以總結(jié)，可以把憑經(jīng)驗所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，如水位太高則減小給水量，溫度太低則增加燃燒量等等。由這些規(guī)則所構(gòu)成的控制器對復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，由于這些規(guī)則基于模糊邏輯，是模糊數(shù)學(xué)與控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，這種控制方式就是模糊控制。3.1.2模糊控制的特點由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入和輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運行經(jīng)驗，就可以對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，實際是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。它具有如下一些突出優(yōu)點:(1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據(jù)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。(2)由工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。(3)基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個系統(tǒng)語言規(guī)則卻具有相對獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。(4)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性，時變及純滯后系統(tǒng)的控制。簡單的模糊控制器與常規(guī)的控制器相比具有一定的優(yōu)點，然而它也存在一些缺陷：eq\o\ac(○,1)精度不太高。這主要是由于模糊控制表的量化等級有限而造成的，通過增加量化等級數(shù)目雖可以提高精度，但查詢表將過于龐大，須占用較大空間，使運算時間增加。實際上，如果模糊控制器不引入積分機制，原則上誤差總是存在的。eq\o\ac(○,2)自適應(yīng)能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當(dāng)對象參數(shù)隨環(huán)境的變遷而變化時，它不能對自己的規(guī)則進(jìn)行有效的調(diào)整，從而使其良好的性能不能得到充分的發(fā)揮。eq\o\ac(○,3)易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。如果查詢表構(gòu)造不合理，或量化因子和比例因子選擇不當(dāng)，都會導(dǎo)致振蕩。針對上述不足，人們提出了許多方案，多模態(tài)控制就是其中常用且有效的一種形式。3.2模糊控制的工作原理3.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)屬于計算機控制的一種形式，其組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其組成框圖如圖3.1所示。一般可以分為五個組成部分:圖3.1模糊控制系統(tǒng)組成(1)模糊控制器:模糊控制的核心部分。一般為一臺微計算機，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，可選用單板機或單片機。隨著近幾年來日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。模糊控制系統(tǒng)中的控制器采用的是基于知識表示和規(guī)則推理的語言型控制器，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。(2)輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取信號，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)/模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A從轉(zhuǎn)換器外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。(3)執(zhí)行機構(gòu):包括各種交、直流電動機，伺服電動機，步進(jìn)電動機，氣動調(diào)節(jié)閥，液壓機構(gòu)等等。(4)被控對象:被控對象是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，或是一個生產(chǎn)、自然、社會的生物等等的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。它可以是線性或非線性的、定常或時變的，也可以是單變量或多變量的、有時滯或無時滯的以及有強干擾的多種情況。被控對象缺乏精確數(shù)學(xué)模型的情況適宜選擇模糊控制，但具有較精確的數(shù)學(xué)模型的被控對象，也同樣可以采用模糊控制方案。(5)傳感器:傳感器是將被控對象或各種過程的被控變量轉(zhuǎn)換為電信號(模擬的或數(shù)字的)的一類裝置。被控變量往往是非電量，如溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時，應(yīng)注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。3.2.2模糊控制的基本原理以單沖量鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)為例說明模糊控制的基本原理。鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)由汽包、水位傳感器、模糊控制器和給水調(diào)節(jié)閥組成(系統(tǒng)組成框圖如圖2.4)。當(dāng)汽包水位連續(xù)變化時，水位變送器信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送入模糊控制器，模糊控制器的輸出控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、信號放大去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量，從而使水位保持在允許的范圍內(nèi)變化。由上述模糊控制的過程來看，它與一般反饋控制的思路一致。但是，模糊控制器處理的是模糊變量，而非一般反饋控制的精確變量。因此，偏差量E在送入模糊控制器之后應(yīng)先進(jìn)行模糊量化，將E變成模糊量，如水位偏高、偏低、偏差為0等等。量化后的模糊量，在模糊控制器中根據(jù)規(guī)則庫進(jìn)行推理，得到一個模糊輸出量。由于執(zhí)行機構(gòu)即給水調(diào)節(jié)閥只能接受精確信號，故在D/A轉(zhuǎn)換前模糊控制器還要將模糊輸出量轉(zhuǎn)換成為精確的數(shù)字信號，此數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到精確的控制量，再送給調(diào)節(jié)閥改變水量。規(guī)則庫是根據(jù)人的操作經(jīng)驗或?qū)＜医?jīng)驗知識，按人的直覺推理的一種語言表示形式。通常由一系列關(guān)系詞連接而成，如上例汽包水位控制系統(tǒng)中，控制規(guī)則可以用語言描述如下:若水位偏高則減小給水量，偏高得越多給水量越??；若水位偏低則增加給水量，偏低得越多給水量越大；若水位偏差為O，給水量保持不變；綜上所述，模糊控制算法可概括為下述四個步驟:(1)根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計算系統(tǒng)的輸入變量；(2)將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?3)根據(jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量(模糊量)；(4)由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。3.3模糊控制器的設(shè)計方法3.3.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)指的是確定哪些變量是它的輸入變量，哪些變量是它的輸出變量。由于模糊控制規(guī)則是總結(jié)操作人員控制經(jīng)驗得到的，所以，選擇的變量應(yīng)當(dāng)是操作人員能觀察到的變量。一般而言，通常選擇被控對象的輸出變量與設(shè)定值的偏差、偏差的變化、偏差變化的變化等，作為模糊控制器的輸入變量，而把控制量作為模糊控制器的輸出變量。根據(jù)模糊控制器輸入變量的個數(shù)，可分為一維模糊控制器、二維模糊控制器、三維模糊控制器等等。其結(jié)構(gòu)示意如圖3.2所示。（a）一維模糊控制器(b)二維模糊控制器(c)三維模糊控制器圖3.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)3.3.2精確輸入量的模糊化由于偏差及偏差的變化都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。每一個輸入值都可對應(yīng)一個模糊集合，某一范圍連續(xù)變化的值就可有無限多個模糊集合，這在工程實踐中是無意義的。為了便于工程實現(xiàn)。通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級，所定義級數(shù)的多少取決于所需輸入量的分辨率。(1)選擇輸入、輸出量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，具有“if……then……”的形式。在條件語句中描述輸入變量的一些詞匯如“正大”、“負(fù)小”等的集合，稱為該變量的詞集。選擇模糊詞集時不一定是選擇的數(shù)量越多就越好，而需要兼顧簡單性和靈活性兩方面。一般說，每個變量以選用2—10個模糊語言為宜。由于人們一般習(xí)慣把事物分成三個等級，如大、中、??；好、中、差等等，所以一般都采用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入變量的狀態(tài)。這些詞集同樣也適用于輸出變量。同時人的行為在正負(fù)兩個方向上的判斷基本上是對稱的，將大、中、小再加上正、負(fù)兩個方向并考慮變量的0值，根據(jù)經(jīng)驗，控制精度要求高的場合可選七個詞匯，如負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z0)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)?？刂凭纫笠话愕膱龊峡蛇x5個模糊狀態(tài)，如負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(Z0)、正小(PS)、正大(PB)。在有些場合也可選3個模糊狀態(tài),負(fù)(N)、零(Z0)、正(P)。(2)量化因子確定好模糊詞集后，應(yīng)將輸入的連續(xù)變化的精確量離散化，以進(jìn)行模糊量化。通常將輸入變量變化的實際范圍稱為基本論域，正如前面所述，在某一基本論域內(nèi)連續(xù)變化的輸入量，可有無限多個模糊集合，通常把輸入變量范圍離散成若干級，即為模糊子集的論域。為了實現(xiàn)模糊控制器的設(shè)計，通常把輸入變量所取的模糊子集的論域范圍設(shè)定為[-6，+6]區(qū)間的離散變化量，使之構(gòu)成含13個整數(shù)元素的離散集合:{-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，1，2，3，4，5，6}其中的每個離散元素對應(yīng)一個模糊變量等級，習(xí)慣上有:“正大”(PB):可取在6附近；“正中”(PM):可取在4附近；“正小”(PS):可取在2附近；“零”(ZO):可取為零；“負(fù)小”(NS):可取在-2附近；“負(fù)中”(NM):可取在-4附近；“負(fù)大”(NB):可取在-6附近。應(yīng)注意的是，實際輸入精確量的基本論域變化范圍一般與模糊子集的論域不在同一區(qū)間內(nèi)，此時必須將輸入變量乘以量化因子。設(shè)輸入精確量x的基本論域范圍為[a，b]，則可根據(jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:若根據(jù)上式計算出的數(shù)值不是整數(shù)，可以把它歸為最接近的整數(shù)。(3)定義模糊變量的模糊子集定義模糊子集，就是要確定模糊子集(即前述的模糊狀態(tài)或模糊語言值)隸屬函數(shù)曲線的形狀，將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，即可得到有限個點上的隸屬度。所謂隸屬度是指元素屬于模糊子集的程度。因每一離散化的輸入精確量對所有的模糊子集具有不同的隸屬度，從中找出隸屬度最高的一個子集即為該輸入的模糊狀態(tài)。在模糊控制領(lǐng)域，經(jīng)常使用的隸屬函數(shù)一般有以下幾種:(1)對稱三角形(等腰三角形)其隸屬曲線如圖3.3所示，一般可描述為下式:式（3—1）圖3.3對稱三角形隸屬函數(shù)曲線(2)對稱梯形(等腰梯形)其隸屬曲線如圖3.4所示，一般可描述為下式:式（3—2）圖3.4對稱梯形隸屬函數(shù)曲線(3)正態(tài)型其隸屬曲線如圖3.5所示，一般可描述為下式:式（3—3）圖3.5正態(tài)形隸屬函數(shù)曲線3.3.3確定控制規(guī)則控制規(guī)則是模糊控制器的核心。在選擇好描述輸入、輸出變量的模糊語言即模糊狀態(tài)后，即可確定控制規(guī)則。控制規(guī)則是用一系列基于專家知識的語言來描述表征的，專家知識常采用形如“如果—那么”規(guī)則的形式，而這些規(guī)則通過模糊條件描述用模糊邏輯是很容易實現(xiàn)的。用一系列模糊條件描述表達(dá)的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成模糊控制的規(guī)則庫。建立模糊控制規(guī)則表的基本思想應(yīng)是盡量減小誤差，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。其總的原則是:當(dāng)誤差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主:而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。模糊控制規(guī)則的生成有四種形式，這四種形式并不相互排斥，要建立一個有效的模糊控制規(guī)則庫，應(yīng)把四種形式結(jié)合起來。(1)專家經(jīng)驗和控制工程知識模糊規(guī)則采用模糊條件句形式，即基于用模糊“如果—那么—”規(guī)則語言來表達(dá)知識和經(jīng)驗的。此方法產(chǎn)生模糊控制規(guī)則可有兩種途徑:最常用的一種方法是對人的專業(yè)特長的回憶性語言描述。另一種方法是通過精心組織的調(diào)查表與有經(jīng)驗的專家和操作工進(jìn)行對話。為優(yōu)化性能，還必須進(jìn)行反復(fù)剪裁、試驗。(2)基于操作工的控制作用在工業(yè)界許多人—機控制系統(tǒng)中，輸入—輸出關(guān)系不能充分精確獲知，也就無法用經(jīng)典控制理論來建模和仿真。然而，熟練的操作工雖沒有定量的模型卻能相當(dāng)成功地操作這種系統(tǒng)。事實上，熟練操作工有意識或無意識地應(yīng)用一系列“如果—那么—”的模糊規(guī)則去控制過程。為了實現(xiàn)這種過程的自動化，就必須將操作工的控制規(guī)律用語言變量表達(dá)成模糊“如果—那么—”規(guī)則，實踐中，這樣的規(guī)律能從以輸入—輸出操作數(shù)據(jù)形式的人工控制作用的觀察中推斷得到。(3)基于過程的模糊模型在語言方法中，受控過程的動態(tài)特性的語言描述可以被看成為過程的模糊模型。在模糊模型基礎(chǔ)上，為獲得動態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化性能，我們可以生成一系列的模糊控制規(guī)則，模糊控制規(guī)則的集合就構(gòu)成了模糊控制器的規(guī)則庫。雖然這種方法較為復(fù)雜，但是其性能和可靠性較好，同時為從理論上研究模糊控制器提供了更容易處理的結(jié)構(gòu)。但這種設(shè)計模糊控制器的方法還未被充分發(fā)展。(4)基于學(xué)習(xí)此方式將重點放在人的學(xué)習(xí)能力上，在學(xué)習(xí)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)造模糊控制規(guī)則和修改規(guī)則。它具有象人一樣的學(xué)習(xí)能力，以創(chuàng)造和修改一般基于系統(tǒng)所期望的全部性能的數(shù)據(jù)庫。綜合以上幾種模糊規(guī)則的生成方式，如果輸入、輸出的模糊狀態(tài)均采用7個(即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大)，我們可以采用以下方法確定模糊規(guī)則:當(dāng)誤差為負(fù)時，若誤差為負(fù)大，且誤差變化為負(fù)，這時誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的誤差并抑制誤差變大，控制量的變化取正大。比如鍋爐水位控制中，若誤差(誤差=設(shè)定值-實際值)為負(fù)說明實際水位高于設(shè)定水位，誤差變化為負(fù)說明實際水位有進(jìn)一步增加的趨勢，根據(jù)經(jīng)驗這種情況應(yīng)是給水量太大引起的，如果執(zhí)行機構(gòu)的比例系數(shù)為負(fù)的話，那么控制量就應(yīng)取為正大，即減小給水量。顯而易見，如果執(zhí)行機構(gòu)的比例系數(shù)為正時，則控制量應(yīng)取為負(fù)大，即與執(zhí)行機構(gòu)的比例系數(shù)為負(fù)時的相反，這一點在生成控制規(guī)則時應(yīng)引起注意。當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減小誤差的趨勢，所以為盡快消除誤差且又不出現(xiàn)超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。具體而言，當(dāng)誤差為負(fù)大且誤差變化為正小時，控制量的變化取為正中；若誤差變化為正大或正中時，控制量不宜增加，否則造成超調(diào)會產(chǎn)生正誤差，此時控制量取為O等級。當(dāng)誤差為負(fù)中時，控制量的變化應(yīng)使誤差盡快消除，則控制量的選取應(yīng)與誤差為負(fù)大時相同。當(dāng)誤差為負(fù)小時，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差變化為負(fù)時，選取控制量為正中，以抑制誤差往負(fù)方向變化;若誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減小負(fù)小的誤差的趨勢控制量為正小。誤差為正時與誤差為負(fù)時相類同，符號應(yīng)做相應(yīng)的變化。根據(jù)以上闡述，結(jié)合實際操作經(jīng)驗可得出表3.1所列的控制規(guī)則表，這是一個二維模糊控制器的模糊控制規(guī)則。其中E代表誤差，EC代表誤差變化，表中的語言代表輸出的模糊控制量。如表中的第一行第一列所對應(yīng)的規(guī)則為“如果E是負(fù)大且EC是負(fù)大，則輸出為負(fù)大”，依此類推，于是可得到共49條控制規(guī)則。同時從該表中可看出，如果增加輸入、輸出的模糊狀態(tài)，則控制規(guī)則也相應(yīng)增加，這會給模糊控制器的應(yīng)用帶來困難。因此輸入輸出模糊狀態(tài)的選擇應(yīng)適當(dāng)。表3.1二維模糊控制規(guī)則表3.3.4模糊量的判決方法(解模糊)(1)常用判決法經(jīng)過模糊推理得到的控制輸出是一個模糊隸屬函數(shù)或者模糊子集，它反映了控制語言的模糊性，這是一種不同取值的組合。然而在實際應(yīng)用中要控制一個物理對象，只能在某一個時刻有一個確定的控制量，這就必須要從模糊輸出隸屬函數(shù)中找出一個最能代表這個模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精確量，這就是解模糊判決。從數(shù)學(xué)上講，這是一個從輸出論域所定義的模糊控制作用空間到精確控制作用空間的映射。目前主要的方法是最大隸屬度法、中位數(shù)判決法和加權(quán)平均判決法。eq\o\ac(○,1)最大隸屬度法(MOM)這種方法最簡單，只要在推理結(jié)論的模糊集合中取隸屬度最大的那個元素作為輸出量即可。不過要求這種情況下其隸屬度函數(shù)曲線一定是正規(guī)凸模糊集合(即其曲線只能是單峰曲線)。如果該曲線是梯形平頂?shù)?，那么具有最大隸屬度的元素就可能不止一個，這時就要對這所有取最大隸屬度的元素求其平均值。如某模糊控制器的輸出為:則由于2的隸屬度最大為0.8，故2為解模糊的結(jié)果。但若輸出改為:則由于有隸屬度最大的模糊等級不只一個，可取它們的平均值作為解模糊的結(jié)果，即取1.5。這種判決方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是它概括的信息量較少，因為它排除了其他一切隸屬度較小的元素的影響和作用。eq\o\ac(○,2)中位數(shù)判決法(Biseetor)計算隸屬函數(shù)曲線同橫坐標(biāo)軸圍成區(qū)域的面積，取1/2面積處橫軸坐標(biāo)為決策值的方法叫做中位數(shù)法。中位數(shù)法比最大隸屬度法包含了更多的信息。但是，它往往會導(dǎo)致隸屬函數(shù)不同而中位數(shù)相同的現(xiàn)象，無法突出主要信息，這顯然不合理。因此，中位數(shù)法較少采用。eq\o\ac(○,3)加權(quán)平均法(Centriod)加權(quán)平均法是將各等級隸屬度與該等級值相乘，并求乘積和，然后除以隸屬度和，所得值即為控制決策值，即如某模糊控制器的輸出為:則：所以控制決策值為12.6/4.6=2.74用軟件途徑進(jìn)行模糊控制的具體實施辦法有兩種,一是在控制過程中實時進(jìn)行模糊推理和決策，這一方法的不足之處是存入模糊推理關(guān)系矩陣要占用大量的內(nèi)存，而且進(jìn)行大量的模糊集合的交、并和合成運算，對計算機的運算速度要求比較高，因此這一方法一般不被人們采用。二是離線設(shè)計，即根據(jù)各種可能的輸入，經(jīng)模糊推理和決策計算出相應(yīng)的控制決策值，生成控制表，實時控制時查控制表進(jìn)行控制，這是通常采用的方法。(2)比例因子經(jīng)上述判決算法給出的控制量還不能直接去控制被控對象，必須將其轉(zhuǎn)換到對象所能接受的變化范圍中去，即應(yīng)通過比例因子將其轉(zhuǎn)換到輸出量的基本論域中去。比例因子與量化因子類似，也是由于考慮到論域變換引起的，對輸入變量而言，量化因子確實具有量化效應(yīng)，而對輸出而言，比例因子只起比例作用。設(shè)計一個模糊控制器，合理選擇輸入變量的量化因子和輸出變量的比例因子是非常重要的。第四章汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究本文采用單沖量控制方式進(jìn)行汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真。其結(jié)構(gòu)圖如圖4—1所示：圖4-1汽包單沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1汽包水位的PID控制方式大部分的控制系統(tǒng)中，其控制器使用的是PID控制器，為作對比這里首先對此方式進(jìn)行仿真實驗。本文所有的仿真實驗均基于MATLAB軟件，利用其所提供的Simulink工具箱進(jìn)行仿真。4.1.1PID控制方式概述PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r(t)與輸出值c(t)進(jìn)行比較構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，將其按比例、積分、微分運算后，并通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖4.2所示，所以簡稱為P(比例)、I(積分)、D(微分)調(diào)節(jié)器。圖4.2PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)框圖其常用的表示形式為:式（4—3）或式（4—4）式中:u為輸出；KP為比例系數(shù)；e為偏差:Ti為積分時間；Td為微分時間;Ki=KP/Ti；Kd=KpTd。在PID控制的三個作用中，比例作用是基本控制作用。增大比例系數(shù)KP一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。但單純采用比例控制，當(dāng)對象具有自衡特性時，系統(tǒng)將有余差。為消除系統(tǒng)余差，通常引入積分作用。引入積分作用后系統(tǒng)響應(yīng)時間增長，增大積分時間常數(shù)Ti有利于減小超調(diào)，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質(zhì)，因為微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，具有及時性。增大微分時間有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。因為微分作用的引入會把高頻干擾放大得很大，反而可能使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)降低。因此對于噪聲大的對象，一般不引入微分作用，或者先將測量值濾波。4.1.2PID參數(shù)的整定這里采用湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，湊試法是通過模擬或閉環(huán)運行(如果允許的話)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(例如階躍響應(yīng))，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。在湊試時，可參考以PID參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。eq\o\ac(○,1)首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。eq\o\ac(○,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)計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間Ti為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮小(如縮小為原值的0.8倍)，然后減小積分時間，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，使靜差得到消除。eq\o\ac(○,3)若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。4.1.3鍋爐汽包水位PID控制器這里采用PID控制器，控制器中引入微分作用的目的，是改善高階對象的控制品質(zhì)。直觀地看，微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，顯然更加及時。從傳遞函數(shù)看，引入D作用后使控制器的傳遞函數(shù)多了一個零點，如果與對象的高階極點對消，等效于使高階過程化為低階過程，如果配置得當(dāng)，顯然是有利的。工業(yè)鍋爐本身具有一定的滯后，若不加微分作用，則控制作用的及時性無法發(fā)揮。雖然工業(yè)鍋爐內(nèi)擾嚴(yán)重，但適當(dāng)?shù)募右稽c微分作用對于鍋爐水位的控制還是有一定好處。4.1.4仿真研究經(jīng)過反復(fù)湊試，可知Kp取8，Ki取0.5，Kd取20。PID控制系統(tǒng)仿真原理如圖4.3所示：圖4.3PlD控制系統(tǒng)仿真原理圖PID仿真結(jié)果如4.4所示：圖4.4PlD控制方式的仿真曲線由圖可知，超調(diào)量為18%，穩(wěn)態(tài)誤差為0，響應(yīng)時間為65s.4.2汽包水位的模糊控制方式從上述汽包水位的PID控制方式仿真曲線可見，雖然此方式穩(wěn)態(tài)誤差為O，但動態(tài)誤差較大，同時系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。本節(jié)討論簡單模糊控制方式的特點。4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)簡單模糊控制器一般采用二維結(jié)構(gòu)形式，即以誤差及誤差變化作為模糊控制器的輸入信號，根據(jù)二者模糊化的結(jié)果查詢模糊控制規(guī)則表，得到控制量的模糊量，再經(jīng)去模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量去控制執(zhí)行機構(gòu)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖4.5。圖4.5二維模糊控制器結(jié)構(gòu)4.2.2模糊控制器的設(shè)計對于鍋爐汽包水位控制系統(tǒng),采用二輸入—輸出的模糊控制器。即以汽包實際水位值與給定水位值之差e及其變化率作為輸入語言變量,控制給水閥門開度。(1)模糊化模糊控制器各語言變量—水位誤差E、誤差變化率EC、控制量U的論域均為:{－6,－5,－4,－3,－2,－1,0,1,2,3,4,5,6}，輸入語言變量E、EC和輸出語言變量U的模糊子集為:{正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大}，簡記為:{PB,PM,PS,0,NS,NM,NB}，輸入語言變量和輸出語言變量均采用三角形隸屬函數(shù)。e,ec,u的隸屬函數(shù)設(shè)計界面如圖4.6所示，圖4.6模糊變量的隸屬函數(shù)的設(shè)計界面(2)模糊規(guī)則的確定模糊規(guī)則基是模糊控制器的一個重要組成部分,由操作經(jīng)驗和專家知識總結(jié)得到的模糊規(guī)則均存放于此。模糊規(guī)則是設(shè)計模糊控制器的核心。建立模糊控制規(guī)則的方法常用是經(jīng)驗歸納法。根據(jù)鍋爐水位控制經(jīng)驗,可以得到用“if…then…”形式表達(dá)的模糊控制規(guī)則,如:If(EisNB)and(ECisNB)then(UisNB),以上模糊控制規(guī)則共計49條,模糊推理界面如4.7所示，輸出特性曲面如圖4.8。圖4.7模糊推理界面圖4.8輸出特性曲面(3)解模糊解模糊實際上就是一個從模糊控制作用空間到精確控制作用空間的映射,即解模糊判決。這里,輸出變量的解模糊采用最大隸屬度法。這種方法在輸出模糊集合中選取隸屬度最大的論域元素作為判決結(jié)果,如果在多個論域元素上同時出現(xiàn)隸屬度最大值,則取它們的平均值作為判決結(jié)果。這種方法的優(yōu)點是簡單易行,其缺點是概括的信息量較少。(4)輸入輸出量化輸入量化的作用是將實際輸入變量的基本論域變換成其相應(yīng)語言化變量的論域。輸出語言化變量U也需要通過輸出比例因子進(jìn)行輸出量化,將U的論域轉(zhuǎn)化為實際輸出變量的論域。Fuzzy控制器具體參數(shù)的選取如下:選取水位誤差e的基本論域為[－20mm,＋20mm],則e的量化因子ke＝6/20＝0.3；選取誤差變化率的基本論域為[－6,＋6],則4.2.3仿真研究為了仿真效果展示方便,取汽包水位變送器系數(shù)為1。調(diào)節(jié)閥采用線性閥,增益為5。step模塊為輸入階躍信號,信號值設(shè)置為1。其具體的汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性傳遞函數(shù)為:式（4—1）根據(jù)上述設(shè)計，模糊控制系統(tǒng)仿真如圖4.9所示。圖4.9模糊控制系統(tǒng)仿真原理圖進(jìn)入MATLAB環(huán)境后,鍵入Simulink命令打開相應(yīng)的系統(tǒng)模型庫。在Simulink中,選擇FuzzyLogicToolbox中的Fuzzylogiccontroller模塊,并鍵入名字mohuqi。建立Simulink模型結(jié)構(gòu)圖。MATLAB模糊邏輯工具箱(FuzzyLogicToolbox)提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(tǒng)(FIS)常用的工具函數(shù),本文利用工具箱中GUI編輯函數(shù)生成模糊控制系統(tǒng)。在MATLAB命令窗口運行fuzzy函數(shù),進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口FISEditor,并建立一個新的FIS文件。建立E、EC、U的隸屬度函數(shù),有三角形、高斯形、梯形等11種可供選擇,在此選常用的三角形(trimf)(centroid),選擇控制器類型Mamdani型。以If…then的形式輸入模糊控制規(guī)則。這樣就建立了一個FIS系統(tǒng)文件,取名為mohuqi1.fis。在MATLAB的命令窗口輸入下列命令:mihuqi=readfis(‘mihuqi1.fis’)，這就完成了模糊工具箱同Simulink的鏈接,為整個控制系統(tǒng)的仿真打下了基礎(chǔ)。模糊推理系統(tǒng)建立后,可取仿真時間為100s運行仿真。模糊控制的仿真結(jié)果如圖4.10中的曲線所示。圖4.10模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果從仿真曲線的對比可以看出,采用模糊控制超調(diào)量很小,為8%,過渡過程時間較短為56s,但存在穩(wěn)態(tài)誤差，其控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制方案。因此,汽包水位控制系統(tǒng)中,模糊控制策略完全可行,取得較好的控制效果。4.3汽包水位的多模態(tài)控制方式多模態(tài)控制即模糊PID開關(guān)切換控制，這類模糊PID控制的特點是在大偏差范圍內(nèi)利用模糊推理的方法調(diào)整系統(tǒng)的控制量，而在小誤差范圍內(nèi)采用PID控制，二者的切換根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖4.11所示，當(dāng)誤差的絕對值小于給定值時，采用PID控制，反之，則切換到模糊控制。圖4.11模糊PID開關(guān)切換控制結(jié)構(gòu)4.3.1多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計鍋爐汽包水位采用常規(guī)的PID控制器時，控制效果不是非常理想，但由于其引入了積分作用，故穩(wěn)態(tài)時無靜差。而采用簡單模糊控制器時，雖然在動態(tài)偏差、響應(yīng)時間及對虛假水位的控制效果上均較常規(guī)PID控制好，但是在干擾的作用下存在靜差，這很大程度上阻礙了模糊控制器的應(yīng)用。為使鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的控制效果更加理想，解決模糊控制器穩(wěn)態(tài)誤差的問題，通常結(jié)合常規(guī)PID控制及模糊控制的優(yōu)點，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來，即構(gòu)成多模態(tài)控制系統(tǒng)。4.3.2仿真研究經(jīng)過多次調(diào)試，=0.2，多模態(tài)控制系統(tǒng)如圖4.12所示：圖4.12多模態(tài)控制系統(tǒng)仿真原理圖經(jīng)過仿真得系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4.13所示圖4.13仿真結(jié)果圖對比常規(guī)PID控制的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)采用多模態(tài)控制在取得合適的情況下可以明顯減小動態(tài)偏差，無超調(diào)量，過渡時間較小為40s.第五章結(jié)論目前，我國的工業(yè)生產(chǎn)中，使用大量的鍋爐設(shè)備。而鍋爐汽包水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務(wù)之一，在鍋爐的安全生產(chǎn)、降低能耗、蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起著重要作用。因此提高鍋爐汽包水位控制的效果是十分重要的。本設(shè)計針對鍋爐汽包液位的動態(tài)特性進(jìn)行控制，由于鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)過程難以建立數(shù)學(xué)模型，具有非線性、不穩(wěn)定性、時滯等特點。傳統(tǒng)的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)大都采用PID控制，其控制效果還有待于進(jìn)一步提高。而模糊控制不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強，非常適合用于非線性、時變及滯后系統(tǒng)的控制。但其靜態(tài)性能不能令人滿意，限制了它的應(yīng)用。為消除模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，把PID控制策略引入模糊控制中，構(gòu)成多模態(tài)控制，是常用的方式?？紤]到以上鍋爐水位控制的現(xiàn)狀及模糊控制的特點，本文將多模態(tài)引入鍋爐汽包水位的控制中，取代傳統(tǒng)采用PID方式的控制器，由以上設(shè)計仿真結(jié)果可知，多模態(tài)控制系統(tǒng)無超調(diào)，響應(yīng)時間短，無靜差等優(yōu)點，優(yōu)于PID控制及模糊控制，因此提高鍋爐水位的控制效果。參考文獻(xiàn)1．金以慧.過程控制[M].清華大學(xué)出版社.1993,123-1322.蔣慰孫，俞金壽等.過程控制工程[M].中國石化出版社.1999,65-843.楊獻(xiàn)勇.熱工過程自動控制.清華大學(xué)出版社[M].2000年,96-1034.孫秀全，唐分健.鍋爐和工業(yè)爐窯實用計算機控制技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社.1993.5,153-1685.孫優(yōu)賢，孫紅.鍋爐設(shè)備的自動調(diào)節(jié)[M].北學(xué)工業(yè)出版社1982.5,56-726.居滋培.過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社.2005,63-757.何克忠.計算機控制系統(tǒng)[M].清華大學(xué)出版社.1998,102-1538.侯志林.過程控制與自動化儀表[M].西安理工大學(xué).1999,86-929.張亮明、夏桂娟.工業(yè)鍋爐自動控制[M].中國建筑工業(yè)出版社.1987,25-3010.黃宋黎成，張勇.工業(yè)鍋爐汽包液位模糊串級控制[J].云南冶金.2000.12：45-4711.李玲玲等.工業(yè)鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2000.12：97-10112.潘樣亮，羅利文.模糊PID控制在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)爐.2004.5:38-4013.胡偉，王福忠，余發(fā)山，閏有運.工業(yè)鍋爐汽包水位模糊PID控制策略的研究[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版).2001.7:273-27714.何明革.蒸汽鍋爐水位的參數(shù)自調(diào)整Fuzz—PI控制[M].自動化與儀表.1994,86-11015.高俊.鍋爐汽包水位模糊控制的應(yīng)用研究[J].自動化與儀表.2003.5:86-16416.李占寶.電站鍋爐汽包水位模糊控制的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.200217.朱良紅.模糊控制技術(shù)在過程控制中的應(yīng)用研究[D].華僑大學(xué)碩士學(xué)位論文.200418.吳宇.工業(yè)鍋爐汽包水位智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子與自動化.1999.8:214-22519.呂廣紅等，基于模糊控制的鍋爐汽包水位串級控制系統(tǒng)[J].自動化與儀表2004(1),52-5920.莊得鋒、楊慧中，模糊控制器在高階水位控制中的設(shè)計及應(yīng)用[J]，東南大學(xué)學(xué)報2004,128-19621.NanjuNaetal.AstudyonwaterlevelcontrolofPWRsteamgeneratoratlowpowerandtheself-tuningofitsfuzzycontroller.FuzzySetsandsystems,1995，774:43-5122.l-HwanJungetal.Areal-timeself-tuningfuzzycontrollerthroughscalingfactoradjustmentforthesteamgeneratorofNPP.FuzzySetsandSystems,1995，74:53-60.致謝文章的最后，首先，我要感謝我的導(dǎo)師—李忠虎副教授，李老師扎實的專業(yè)知識、深厚的學(xué)術(shù)造詣和活躍的學(xué)術(shù)思想是非常值得我們學(xué)習(xí)的，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度更是讓我感到由衷的敬佩。從論文的選題、開題、修改直至最終完成，得到了李老師的精心指導(dǎo)。感謝他對我的論文所做的巨大幫助。最后，我要感謝測控專業(yè)的所有老師，感謝他們在四年的學(xué)習(xí)中對我的關(guān)心、幫助及諄諄教誨。正是他們的幫忙及知識的傳授為我打下理論的基礎(chǔ)，他們的治學(xué)態(tài)度和研究精神深深感染著我。最后我要感謝我的同學(xué)及家人對我四年來學(xué)習(xí)、工作上的支持和照顧。再次向所有關(guān)心、支持和幫助我的老師、同學(xué)表示衷心的謝意。目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1熱電廠工藝流程 11.2鍋爐的工作過程簡介 21.3課題背景