毕业设计（论文）-基于Fuzzy-Smith控制的火电厂过热器温度控制系统设计.doc

摘 要 目前，火电厂过热汽温控制中，过热蒸汽出口温度控制要求高、可控性差，工艺上对过热汽温控制的质量有非常严格的要求，在火电厂安全性和经济性运行中有着重要的作用。由于过热器具有大滞后、非线性、时变、多变量和有自平衡能力等特点，如何提高过热汽温的控制质量，是热工过程控制领域的重要研究课题。 本文对被控对象过热器进行了特性分析，较为详细的描述了Smith预估控制和模糊控制的系统结构及原理。论文针对过热器具有的诸多特点及火电厂对过热汽温控制的要求，提出了对火电厂过热汽温，采用Fuzzy-Smith控制的控制策略。其主要目的是使Smith预估控制和模糊控制的优势结合、互补，探索进一步提高过热汽温控制质量的有效途径。 仿真结果表明，过热汽温Fuzzy-Smith控制系统不依赖被控对象的数学模型，控制质量超过过热汽温常规PID控制系统，这有利于火电厂实现安全、经济、可靠、优化和环保的要求，具有广阔的应用前景。关键词：过热器；汽温控制；模糊控制；Smith控制 Abstract At present,control of steam-gas exit temperature has high requirements and bad controllability in the process of superheated steam temperature control in power plant.There are very strict requirements to the quality of superheated steam temperature control in craft work,which plays an important role in security and economy run of power plant.Due to the characteristics of super-heater such as great lag，nonlinear,time-varying,multivariable and self-balance,that how to improve the control quality of superheated steam temperature has become the significant research topic in thermal process control field. It analyzes the characteristic of super-heater which is the controlled object in the article,depicts in common use comparatively detailed,Smith predictive control and the system configuration and the theory fuzzy control.Paper puts forward Fuzzy-Smith control strategy according to the characteristics of super-heater like great lag,nonlinear,time-varying,multivariable and the control requirements of superheated steam temperature in power plant.Its main objective is to make combination and complementary of advantages in order to explore the effective approach to improve the control quality of superheated steam temperature. The result of simulation indicates that super-heated steam temperature its control quality is better than superheated steam temperature cascade control system after being added into gas，steam disturbance and super-heater,the changed controlled object,which is beneficial to power plant to realize safe,economic,credibly, optimized, environmental requirements and it have wide application foreground.Keywords: Super-heater; the main steam temperature control; Fuzzy control; Smith control目 录引言1第一章 过热汽温系统概述31.1过热器的布置及其流程31.2过热汽温对象的特性41.2.1汽温对象的静态特性41.2.2汽温对象的动态特性51.3过热汽温对象的数学模型7第二章 模糊控制与Smith控制理论82.1模糊控制理论82.1.1模糊控制简介82.1.2 模糊控制的基本原理82.2模糊控制器的设计92.2.1模糊化运算102.2.2知识库102.2.3模糊推理122.2.4清晰化计算122.3 Smith控制理论13第三章 过热汽温控制系统仿真研究173.1基于过热汽温控制的模糊控制器的设计173.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)简介173.1.2基于过热汽温控制的模糊控制器的设计183.2过热汽温Fuzzy-Smith控制系统仿真研究203.2.1控制方案和仿真框图的建立203.2.2仿真分析213.3过热汽温PID控制系统仿真研究223.4过热汽温Fuzzy-Smith控制系统参数变化时的仿真研究233.4.1改变时滞参数时的仿真分析233.4.2改变被控对象参数时的仿真分析23总结25参考文献26谢辞28引 言 随着社会的不断进步，整个国民经济对电力的需求越来越大，对电力供应的可靠性也提出了更高的要求。为保证电力供应的稳定：一方面要求发电机组的输出能力要能及时跟上电网负荷的变化，另一方面又要保证机组的安全运行。目前，火电厂大容量、高参数机组不断增加和电网调度自动化的程度日益提高，锅炉过热汽温控制系统作为整个生产过程中温度最高的部分，对机组运行的安全性和经济性有着直接的影响。过热汽温过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响生产运行的安全；过热汽温过低，会降低全厂的热效率，同时使通过汽轮机最后几级的湿度增加，引起叶片的磨损，影响汽轮机安全运行。在额定功率运行时，通常规定允许过热汽温偏离额定值的范围为，然而影响汽温变化的因素很多，主要有锅炉负荷、炉膛过量空气系数、给水温度、受热面污染情况和燃烧器运行方式等，而且汽温对象本身有大延迟、大惯性和时变等特性2。 同时，伴随着科学技术的不断进步，对工业过程控制的要求也逐渐提高，不仅要求控制的精确性，而且还开始注重控制的实时性、容错性、鲁棒性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另一方面，一些复杂的系统一般具有如下特点：缺乏精确的数学模型、分布式的参数、庞大的数据和信息量及高标准的性能要求等。因此，建立在数学模型基础上的控制方法对此显得无能为力，这就要求人们不断应用新的控制理论和控制技术，提高控制水平和机组的经济性，以获得良好的经济效益来适应现代电力生产的需求。这也就给智能控制的发展带来了良好的机遇。 智能控制(Intelligent Control，IC)是指人们应用人工智能(Artificial Intelligent，AI)的理论和技术及运筹学的优化方法与控制理论的方法和技术相结合，在未知环境下，仿效人类的智能，实现对系统的控制。主要用来解决那些传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题。当前最主要的有三种形式：模糊控制、专家规则控制与专家系统控制、人工神经网络控制。智能控制作为一种新的控制方法，近年来已广泛应用到了锅炉过热蒸汽温度控制中3。 目前，串级控制在火电厂中的过热汽温实时控制中占主导地位，但其控制效果还不能令人十分满意。长期以来，针对火电厂被控对象过热器具有大滞后、非线性、多变量和时变等特点，国内外对过热汽温控制方法进行了很多有益探索和研究。因为国内外在过热汽温控制系统的技术和发展方面十分接近，所以，这里主要对当前国内过热汽温过程控制的方法，进行有限的阐述1。 PID控制算法是其中最简便的，控制参数可依据经验公式进行整定或解析设计。火电厂中的过热汽温实时控制，如果采用传统的PID控制规律，因为参数整定困难，缺乏对过热器动态变化的自适应能力，达不到火电厂中的过热汽温实时控制的要求。 过热器实时控制常规控制方案主要包括串级控制、Smith预估控制、导前微分、分段式控制和温差控制等，但投运效果均不理想。导前微分或串级控制是目前针对时滞被控对象应用最广泛的控制策略4。 模糊控制是由控制理论与模糊集合理论相结合发展起来的一种新型控制技术。因它能利用熟练运行人员的操作经验或领域专家的知识，解决复杂被控对象的控制问题，故模糊控制从一开始便立刻引起控制界的广泛兴趣，并得以迅速发展。模糊控制的发展历史不长，模糊控制本身还存在一定的缺陷等原因。如果单独使用模糊控制对过热汽温进行过程控制，也不能满足过热汽温实时控制的要求。尽管国内许多控制专家就过热汽温可控性差的问题，做了很多研究，也提出了不少新的、先进的控制方案，但因工程实现存在困难，真正应用甚少，故火电厂过热汽温实时控制问题也一直未能得到彻底的解决5。 第一章 过热汽温系统概述1.1过热器的布置及其流程 锅炉过热器是由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成。其任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定的数值，然后送到汽机去做功。通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。由于过热器承受高温高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。 锅炉过热器的布置示意图如图1-1所示。 图1- 1过热器布置及流程简图1一汽包;2一顶棚过热器;3一级减温器;4一低温段对流过热器;5一屏式过热器;6一二级减温器;7一高温段对流过热器;8一过热蒸汽;9-燃烧器;10一炉膛;11一烟道过热器;12一烟道 其中：顶棚过热器:布置在炉膛、水平烟道及转向室的顶部，用于吸收炉膛辐射热，属于辐射式过热器。低温段对流过热器:布置在竖井烟道上部，其传热方式为对流热，属于对流式过热器。屏式过热器:布置在靠近炉膛前墙的顶部，吸收炉膛的辐射热，属于辐射式过热器。高温段对流过热器:布置在炉膛出口折焰角的上方，吸收炉膛部分辐射热和大部分对流热，由于传热方式以对流为主，故称对流过热器。 由于过热器受热面积大，所以将其一部分布置在炉膛内及炉膛出口处，用以吸收部分炉膛内的辐射热量，满足蒸汽吸热的需要。为了减小热偏差，改善管子的工作条件，应控制过热器管壁温度不超过所用材料的最高允许温度，并使过热器具有良好的温度特性。该过热器系统采用了部分辐射式过热器和部分对流式过热器，系统进行了七次混合，一次左右交叉，这有利于消除过热器的热偏差，防止超温，确保过热器的安全工作。 由以上过热器在锅炉中的位置分布可知，它由多段组成，过热器不仅以对流方式吸收炉膛中的热量，还以辐射的方式吸收炉膛中的热量。过热器用多段喷水方式进行减温以控制出口汽温，随着机组容量的增大，蒸汽过热段吸收的热量相对提高，使过热器的受热面积加大，管段加长，减温器数量增多，一般200-300MW机组的锅炉过热器采用两段喷水，更大容量机组的锅炉采用三段甚至四段喷水减温，稳定各段汽温以保证出口汽温的稳定。1.2过热汽温对象的特性1.2.1汽温对象的静态特性 过热汽温调节对象的静态特性是指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。从图1-2所示的静态特性可以看出，对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温的静态特性完全相反。对于对流式过热器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和流速都增加，因而使过热汽温升高，所以对流式过热器的出口汽温随负荷增加而升高；对于辐射式过热器，由于负荷增加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量，因此辐射式过热器的出口汽温随负荷增加而降低。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器受热面积，因而总的汽温将随负荷增加而升高。 10080602040 图1-2 过热汽温的静态特性1.2.2汽温对象的动态特性蒸汽从汽包出来以后，通过过热器的低温段至减温器，然后再到过热器的高温段，最后至汽轮机。过热汽温喷水减温系统示意图见图1-3，是过热汽温，它是控制系统的被调量，是喷水减温器后的过热温度，D是蒸汽流量，W是喷水量，它是系统的调节量。火电厂锅炉所产生的过热汽温并不是固定不变的，它要受到设计、运行、安装等多种因素的影响。锅炉运行中要控制好过热汽温，必须对影响过热汽温的因素进行分析。锅炉运行中影响过热汽温的因素有很多。如蒸汽负荷、烟气温度和流速、给水温度、炉膛热负荷、送风量、给水母管压力、燃烧器火焰喷嘴方向和减温水量等。归纳起来，主要为蒸汽流量，烟气传热量和减温水三个方面的扰动。对被控对象过热器的特性分析，是探索改善过热汽温的过程控制，寻求设计控制系统结构和控制规律要解决的第一个主要问题2。图1-3 过热汽温喷水减温系统示意图 （1）烟气扰动下过热汽温的动态特性 烟气传热量扰动引起的原因很多，如蒸发受热面结渣、过剩空气系数改变、汽包给水温度变化和燃烧火焰中心位置的改变等。被控对象特征总的特点是有延迟、有惯性、时变、非线性和有自平衡能力。图1-4所示为烟气流量阶跃变化时汽温的响应曲线。t/szoot/s 图1-4 烟气流量变化时汽温的响应曲线因从烟气侧来的扰动使沿整个长度的过热器传热量发生变化，故汽温变化反映较快，延迟时间只有1020s，烟气传热量扰动可以用来作为控制量信号。（2） 蒸汽扰动下过热汽温的动态特性 引起蒸汽流量扰动的原因有两个，一是蒸汽母管的压力变化，二是汽轮机控制汽门的开度变化。在实际生产过程中，通常将两种过热器结合使用，除此之外，还增设屏式过热器。对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量要多，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的，过热器出口汽温在蒸汽流量扰动下的动态特性曲线，如图1-5所示。o100500zooD% 图1-5 蒸汽量变化时汽温的响应曲线当蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，迟延时间较小，约有15s左右。过热汽温动态特性的特点是有延迟，有惯性且有自平衡能力。因蒸汽流量的扰动是由用户决定的，故不能将这种扰动作为控制信号用。（3）减温水扰动下过热汽温的动态特性 常用的减温方法有喷水式减温和表面式减温两种。喷水式减温器与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小1/4。减温水量扰动下的被控对象特征曲线，如图1-6所示。其特点是有延迟，有惯性和有自平衡能力。减温水量是经常使用的控制量11。t/st/st/swooo 图1-6 减温水量变化时汽温的响应曲线 综上所述，过热汽温被控对象在各种扰动下都有延迟，有惯性，有自平衡能力。就t/Tc值而言，减温水量扰动时其值最大，烟气扰动下次之，蒸汽流量扰动时为最小。需要指出的是，在喷水减温控制系统中，因减温水量的扰动强烈，对此段的温度要求比对高温段出口要求低，故常将减温水量作为串级控制系统的副参数。 正常运行中，过热汽温控制的基本原则是：正常运行时使用减温水控制，在低负荷运行，汽温达不到额定数值时，则可根据不同的负荷，由运行人员采用不同的汽温定值进行控制。若采用关闭减温水和提高火焰中心的方法还维持不了汽温数值时，也可适当采用提高过剩空气系数的方法进行控制。1.3过热汽温对象的数学模型 根据汽温的阶跃响应曲线，利用面积法、切线法、半对数法等，可以求出过热汽温控制对象的传递函数为 （1-1） 式中：K一整个汽温的放大系数; T、n一分别为整个汽温对象的时间常数和阶数。 现以某电厂一机组过热器为例，通过以上分析可知，在90%负荷的稳定运行状态下，通过施加减温水的阶跃扰动，测得汽温对象的阶跃响应特性,过热汽温对象的传递函数为： (1-2)可见该对象具有明显的滞后特征，一般认为纯迟延时间与过程的时间常数T之比大于0.3，则说明该过程是具有大迟延的工艺过程7。另外当对象特性变化较大和外界扰动较大时，常规的PID算法就很难达到预期的控制效果。因此我们考虑采用以常规的串级控制为基础，采用Fuzzy-Smith的控制方法。利用Smith预估器对模糊控制进行有效的补偿，既可以很好的解决火电厂过热汽温所具有的大惯性，大迟延的特性，进而对过热汽温进行有效的控制。其中模糊控制原理和Smith预估补偿原理将在第二章中详细介绍。第二章 模糊控制与Smith控制理论 模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。一方面，模糊控制提出一种新的机制用于实现基于知识甚至语义描述的控制规律；另一方面，模糊控制为非线性控制器提出一个比较容易的设计方法，尤其是当受控装置含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。针对过热汽温系统具有大延迟特性，模糊控制又不能解决大延迟特性，而Smith预估控制是解决具有大延时特性的最有效的方法之一，因而采用Smith预估控制有利于改善控制系统的控制品质。 本章将首先简述模糊控制系统的组成，然后讲述模糊控制的原理，其次讲述模糊控制器的基本设计，最后讲述Smith预估控制原理。2.1模糊控制理论2.1.1模糊控制简介1965年扎德（Zadeh）提出的模糊集理论成为处理现实世界各类物体的方法，此后，对模糊集合和模糊控制的理论研究和实际应用获得广泛开展，在过去的20年中，模糊控制也是智能控制中一个十分活跃的研究与应用领域。一般的模糊控制是一种基于模糊控制规则的控制。被控对象的非线性、时变性及随机干扰等因素，或多或少地造成了模糊控制的不适合和不完整，这必然会影响控制效果。另外，模糊控制系统的稳定性也得不到保证。对模糊控制系统进行分析，有利于了解模糊控制系统的优势和不足，有利于为过热汽温模糊控制系统的设计提供相关的重要理论依据，有利于在模糊控制器设计的过程中，扬长避短，最大限度地发挥模糊控制的优势，克服模糊控制自身的不足。2.1.2 模糊控制的基本原理 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。在用模糊控制方法解决控制问题时，只需对控制中所可能出现的各种情形加以分析，依据控制者的经验和知识，寻求解决的一般方法，然后用模糊控制规则集的形式加以体现，模糊控制的精度依赖于模糊控制规则集制定的是否完整和详细。 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统。如图2-1所示。图2-1 模糊控制系统框图 模糊控制器的基本结构如图2-1虚线框中所示。它由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化四个基本单元组成。它们的作用说明如下：（1）模糊化。测量输入变量和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符。本单元可视为模糊集合的标记。（2）知识库。涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和语言控制规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义。语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。（3）模糊推理。这是模糊控制的核心，以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程。根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。（4）清晰化。起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制规则。此精确控制作用必须进行输出定标，这一作用是在对受控过程进行控制之前通过变量交换实现的5。2.2模糊控制器的设计 模糊控制可以被认为是在总结采用人类自然语言概念操作经验的基础上升华而发展起来的模仿人类智能的一类控制方法，这类控制的核心是模糊控制器。 模糊控制器的作用过程，是将控制偏差等精确量模糊数学化为模糊量，然后，根据基于语言控制规则或操作经验提取的模糊控制规则，经推理得到控制作用的模糊量，最后，采用一定的清晰化算法，将模糊控制量换算为精确控制量输入给执行机构，从而完成系统的模糊作用过程。2.2.1模糊化运算模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。模糊化在处理不确定信息方面具有重要的作用。对输入数据进行模糊化是必不可少的。在模糊控制器中，一般可以将误差、误差变化率作为模糊控制的输入量。在模糊控制系统中，误差e和误差变化率ec的变化范围必须被变换成相应的语言变量E及EC的实际变化范围，E及EC的实际变化范围被称为误差及其变化率语言变量的基本论域。在模糊控制系统设计过程中，由于必须将模糊控制器输入量误差e的任何实际数值，变换成其论域中相应的元素，二者的差异很大，因而需要通过量化因子进行论域变换。设误差的实际变化范围为，其模糊论域为，故误差的量化因子为 （2-1） 同理，可得误差变化率的量化因子同上式所示。与量化因子进行论域变换相对应，需要通过比例因子才能将经过模糊控制器运算后的结果，变换成输出量，。输出量u的比例因子为 （2-2）2.2.2知识库一、数据库模糊控制器中的知识库由两部分组成:数据库和模糊控制规则库。首先讨论数据库。数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括模糊空间分割和隶属度函数的选择等。 1、I/O空间的模糊划分 I/O空间的模糊划分是指输入输出语言变量的论域上定义了多少个基本模糊子集，换言之，即每个语言变量的辞集定义多少个语言值。对于一般的工业生产过程控制，I/O论域多划分为7个左右等级，如正大(PB)、正中(PM)、正小(PS) ,零(ZO)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)。 论域上定义的基本模糊子集可以在论域上均匀地分布，也就是每一基本模糊子集的支集都覆盖了论域上等宽度的一个区段。也可以定义不均匀的或不对称的模糊划分。不均匀和不对称的模糊划分，使得模糊控制器有更灵活的非线性特性，以适应对象的各种特性。 模糊分割的个数决定了最大可能的模糊规则的个数。例如，对于双输入/单输出的模糊系统，x和y的模糊分割数分别为5和7，则最大可能的规则数为57=35。显然，模糊分割数越多，控制规则数也越多，控制就比较精细和灵活。但模糊分割不可太细，否则，需要确定太多的控制规则，除了工作量相当大外，还容易出现控制规则彼此矛盾、很难纠正和影响过程控制效果的情况。当然，模糊分割数太少将导致控制太粗略，难以对控制性能进行有效的调整，同样也会影响过程控制的效果。目前，尚没有一个确定模糊分割数的指导性的方法和步骤，主要依靠经验和试凑来确定6。总之，在选取语言变量值时，既要考虑到控制规则的精细、灵活和彼此不矛盾，又要兼顾简单、有效和容易实现。2、 基本模糊子集的录属函数定义根据论域为离散和连续的不同情况，隶属度函数的描述也有如下两种方法。 (1)数值描述方法 当论域为离散，且元素个数为有限时，模糊集合的隶属度函数可以用向量或表格的形式来表示。(2)函数描述方法对于论域为连续的情况，隶属度常采用函数的形式来描述，最常见的有铃形函数、三角形函数、梯形函数等。隶属度函数的形状对模糊控制器的性能有很大影响。当隶属度函数比较窄瘦时，控制较灵敏；反之，控制较粗略和平稳。通常，当误差较小时，隶属度函数可取得较为窄瘦；误差较大时，隶属度函数可取得宽胖些。二、规则库 模糊控制规则库由一系列“IF-THEN”型的模糊条件句构成。条件句的前件为输入变量，后件为控制变量。模糊控制规则的建立是非常重要的，规则是否正确地反映操作人员和有关专家的经验和知识，是否能适应被控对象的特性，直接关系到整个控制器的性能和控制效果。 控制规则的生成方法有以下几种:1) 根据专家经验或过程知识生成控制规则2) 根据过程模型生成控制规则3) 从输入输出信息中得出控制规则初步建立的模糊控制规则不一定是完美无缺的，也往往需要进一步调整。没有一套很完善规范的调整办法，往往需要试凑，经过实验检验效果。 2.2.3模糊推理 对建立的模糊控制规则要经过模糊推理才能决策出控制变量的一个模糊子集,因而模糊推理在模糊控制过程中也是很重要的一个组成部分。下面仅介绍一下本论文模糊控制器中所使用的模糊推理方法，即Mamdani推理法。 Mamdani模糊推理法采用取小运算规则定义模糊蕴涵表达的模糊关系。记为。考虑以下模糊推理形式： 规则1： 规则2： 规则n： 前提： 由前提“”和各模糊规则“（i=1，2，n）可以得到推理结果为 （2-3） 其中表示min。 最终结论是由综合推理结果，得到的，即 （2-4） 其中表示max。2.2.4清晰化计算以上通过模糊推理得到的是模糊量，表示可能的控制行为的分布。而对于实际的控制则必须为清晰量，因此需要将模糊量转换成清晰量，这就是清晰化计算所要完成的任务。在实际应用中，清晰化常用的方法有三种，即重心法、最大隶属度法和系数加权平均法。本论文中采用的是重心法来进行清晰化计算2。1、重心法也称为质心法或面积中心法，是最为常用的方法，该方法有最小的均方误差。重心法示意图如图2-2所示。10y 图2-2 重心法示意图重心法的数学表达式是 （2-5） 式(2-5)中，表示输出模糊子集中所有元素的隶属度值在连续论域x上的代数积分，而u的取值是表示其左、右两边的面积为相等。2、最大隶属度法这种方法最简单，只要在推理结构的模糊集合里取隶属度最大的那个元素作为输出即可。不过，要求这种情况下其隶属函数曲线一定是正规凸模糊集合。如果该曲线是梯形平顶的，那么具有最大隶属度的元素可能不止一个，这时就要对所有取最大隶属度的元素求其平均值。3、系数加权平均法系数加权平均法的输出执行量由下式决定： （2-6）式中：系数的选择要根据实际情况，不同的系统就决定系统有不同的响应特性。当该系数选择时，即取其隶属函数时，就是重心法。在模糊控制中，可以通过选择和调整该系数来改善系统的响应特性。因而这种方法具有灵活性。虽然模糊控制具有对参数变化和噪声不敏感、鲁棒性强等特点，但是它却不能很好的解决大时滞系统的延时影响，所以有必要在模糊控制系统中引入一种能够很好的解决大延时影响的控制，本文采用Smith预估补偿控制来解决这种大延时带来的影响67。2.3 Smith控制理论Smith控制的工作原理是将被控对象在基本扰动作用下的动态特性，简化为一个纯迟延与一个一阶惯性环节相串联的数学模型，预估器根据这个输入的数学模型，预先估计出所采用的控制作用对被控量的可能的影响，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制动作，这有利于改善控制系统的动态性能9。当采用单回路控制系统时，如图2-3所示，控制器的传递函数为 图2-3 单回路控制系统 当被控对象的传递函数为时，从设定值作用至被控变量的闭环传递函数是 （2-7）扰动作用至被控变量的闭环传递函数是 （2-8）如果以上两式特征方程中的项可以消除，则迟延对闭环极点的不利影响将不复存在。Smith预估补偿方案主体思想就是消去特征方程中的项。实现的方法是把被控对象的数学模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质。Smith预估补偿控制系统如图2-4所示。 图2-4 Smith预估补偿控制系统 图2-4中是被控对象除去纯迟延环节后的传递函数,是Smith预估补偿器的传递函数。假若系统中无此补偿器，则由控制器输出到被控量之间的传递函数为 （2-9） 式（2-9）表明，受到控制作用之后的被控量要经过纯迟延之后，才能返回到控制器。若系统采用预估补偿器，则控制器与反馈到控制器的之间的传递函数是两个并联通道之和，即 （2-10） 为使控制系统的反馈信号不延迟，且等于则要求（2-10）式为 （2-11） 从（2-11）式便可得到预估补偿器的传递函数为 （2-12） 一般称（2-12）式表示的预估器为Smith预估器,其框图如图2-5所示。 图2-5 Smith预估器框图从图2-5可以导出Smith预估控制系统的扰动传动函数为 （2-13）其中， （2-14） 式2-13中为无迟延环节时系统闭环传递函数。由以上分析可知，对于定值控制，闭环传递函数由两项组成：第一项为扰动对被控制量的影响；第二项为用来补偿扰动对被控制量的影响的控制作用。从图2-5中可以推倒出Smith预估控制系统的系统传递函数为 （2-15） 由（2-15）式可知，对于随动控制经预估补偿，其特征方程中以消去了项，即消除了纯迟延对控制系统品质的不利影响。从图2-5中可知，Smith预估补偿器由两部分组成，即一个是被控对象除去纯迟延后传递函数为的环节，另一个迟延时间等于的纯迟延环节。这就是Smith预估补偿器，他将消除大迟延对系统控制过程的不利影响，控制系统品质与被控过程无纯迟延时，完全相同1012。然而，Smith预估补偿控制也有其缺点，即对模型误差较为敏感，对于具有时变特性的对象，当模型误差较大时，Smith预估补偿控制的品质会变坏，甚至失去稳定性。而模糊控制具有对参数变化和噪声不敏感、鲁棒性强的特点。因此，把Smith预估补偿控制和模糊控制方法结合起来，利用Smith预估器对模糊控制进行有效的补偿，使两者的结合对于大时滞系统的控制可以达到优势互补。这就是本文所设计的Fuzzy-Smith控制方案，具体过程将在第三章中进行介绍。第三章 过热汽温控制系统仿真研究 本章主要论述了如何在MATLAB下进行仿真和以及对仿真结果的分析。首先简要的介绍了模糊控制工具箱的相关知识，并设计基于过热汽温控制的模糊控制器；其次设计了Fuzzy-Smith控制方案并建立了控制方案图；然后在SIMULINK环境下根据控制方案图建立了过热汽温Fuzzy-Smith控制系统仿真框图并进行了仿真分析；最后对被控对象进行了常规PID控制及在Fuzzy-Smith控制系统中改变被控对象参数的情况下分别进行了仿真，并对结果进行了详细的分析与研究。3.1基于过热汽温控制的模糊控制器的设计3.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)简介 针对模糊逻辑尤其是模糊控制的迅速推广和应用，Mathworks公司在其Matlab软件中添加了Fuzzy Logic工具箱。该工具箱由澳大利亚Queensland大学的A.Lot教授编写，以其功能强大和方便易用的特点得到了用户的广泛欢迎。 模糊逻辑工具箱提供了建立和测试模糊逻辑系统的一整套功能函数，包括定义语言变量及其隶属度函数、输入模糊推理规则、对整个模糊推理系统的管理以及交互式地观察模糊推理的过程和输出结果。同时，模糊逻辑工具箱中还包含了五个图形化的系统设计工具，用于建立、编辑和观察模糊推理系统(FIS)，它们分别是： 模糊推理系统编辑器(FIS Editor)。该编辑器用于建立模糊逻辑系统的整体框架，包括输入与输出数目、解模糊化方法等；其中模糊推理系统可以采用Mamdani或Sugeno两种类型，解模糊方法有最大隶属度法、中位数法、加权平均法等几种。 隶属度函数编辑器(Membership Function Editor)。用于通过可视化手段建立语言变量的隶属度函数；如隶属函数的形状、范围，以及论域大小等。系统提供的隶属函数有三角形、梯形、高斯形、钟形等，也可由用户自行定义。 模糊推理规则编辑器(Rule Editor)。通过编辑器来设计和修改“IfThen”形式的模糊控制规则。由该编辑器进行模糊控制规则的设计非常方便，它将输入量的各语言变量自动匹配，设计者只需通过交互式的图形环境选择相应的输出语言变量。规则编辑器还可以为每条规则选择权重，以便进行规则的优化。 模糊推理过程浏览器(Rule Viewer)。用于显示各种模糊控制规则输入量和输出量的隶属函数。通过指定输入量，可以直观地显示所采用的控制规则，以及通过模糊推理得到相应输出量的过程，以便对模糊规则进行修改和优化。 系统输入输出特性曲面浏览器(Surface Viewer)。用于显示输入、输出量对应的表面空间，并可改变各轴对应的变量及观察的视角，便于用户对设计的模糊推理进行修改和优化。 这些图形化工具之间是动态链接的，使用它们中的任意一个对FIS的修改将影响任何其它己打开的图形化工具中的显示结果15。3.1.2基于过热汽温控制的模糊控制器的设计 在过热汽温模糊控制系统设计过程中，取E、EC、U的论域均为-6 6，其中E为温度偏差、EC为温度偏差变化率、U为阀门开度。对变量采用正、负两个方向和零状态的描述方法，即采用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB7个状态来描述。 在MATLAB窗口中键入命令FUZZY，进入模糊逻辑编辑窗口FIS Editor。建立E、EC、U的隶属函数，有三角形、高斯型、梯形等11种可供选择，在此选常用的三角形（trimf）隶属度函数。图3-1为E的隶属度函数，EC和U的隶属度函数图形与E的隶属度函数图形相同。图3-1 E的隶属度函数控制规则是对专家的理论知识与实践经验的总结。由第二章中所述本文共有49条控制规则如表3-1所示。表3-1 模糊控制规则表UENBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNMNSNSNMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPMZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPMPMNSZOPSPSPMPMPMPBPSPSPMPMPMPBPB 现在就可以进入规则编辑器中按照规则表3-1中定义的规则形式，在 Rule Editer 内，使用 Add rule将相对应的规则加入到其中。形式如if E is NB and EC is PS then U is NM。添加好规则后的规则编辑器界面如图3-2所示。图3-2 模糊规则编辑器在模糊推理过程浏览器中，可观测到规则的变化过程，如图3-3所示。模糊决策采用Mamdani模糊推理法，解模糊有重心法、最大隶属度法、系数加权平均法，在此采用重心法。如此设计的模糊控制器的输出与输入的特性曲面如图3-4所示。显然模糊控制是一种非线性控制。图 3-3 模糊规则的图形化显示图3-4 模糊控制输入输出曲面图 在Simulink平台下构建该模糊控制器的结构图，如图3-5所示图3-5 过热汽温控制模糊控制器3.2过热汽温Fuzzy-Smith控制系统仿真研究3.2.1控制方案和仿真框图的建立 通过前几章的讲述，本文所设计的Fuzzy-Smith控制方案如图3-6所示。图3-6 过热汽温Fuzzy-Smith控制方案图 由此控制方案图通过SIMULINK平台，可把其转化为相应的仿真框图，如下图3-7所示，并对其进行仿真研究，检验控制系统品质。如果仿真的控制效果不满意，一般首先调整比例变换因子，再调整模糊控制规则和隶属度函数。图3-7 过热汽温Fuzzy-Smith控制系统仿真框图3.2.2仿真分析被控对象为具有纯滞后的二阶系统，其函数为： （3-1）对图3-7进行仿真，得到的输出曲线如图3-8所示，由曲线可知，Fuzzy-Smith控制上升速度快、无超调且稳态精度高，对大时滞系统有良好的控制品质。图3-8 基于Fuzzy-Smith控制的输出曲线3.3过热汽温PID控制系统仿真研究 针对二阶大惯性纯滞后对象式3-1，用文献 16 中的二阶工程设计法，设计PID调节器的传递函数为。过热汽温PID控制系统仿真框图如图3-9所示，并对其进行仿真，得到的输出曲线如图3-10所示。图3-9 过热汽温PID控制系统仿真框图图3-10 基于PID控制的输出曲线 为便于比较，将图3-7的Fuzzy -Smith仿真框图与图3-9的PID仿真框图整合到一个仿真系统中，并给这两个系统同时输入一个阶跃信号，两系统的输出同接在一个Scope 上进行比较， 如图3-11所示。图3-11 两种控制方案仿真输出曲线结果表明，针对过热汽温这类大惯性纯滞后对象，采用Fuzzy-Smith控制方案，取得了性能优良的仿真结果。Fuzzy-Smith控制与常规PID控制方案的仿真结果表明，前者优于后者。3.4过热汽温Fuzzy-Smith控制系统参数变化时的仿真研究 控制系统仿真框图如图3-7所示，只需改变被控对象式3-1中的参数即可。3.4.1改变时滞参数时的仿真分析 被控对象的时滞参数=30，现改变时滞参数的值，并进行仿真，如图3-12中的三条曲线从左至右分别对应为100s、200s、300s时的响应曲线。图3-12不同时滞时间的响应曲线 仿真结果表明当被控对象的时滞参数在很大范围内变化时，本文所提出的Fuzzy-Smith控制方案依然具有很好的控制效果。3.4.2改变被控对象参数时的仿真分析改变被控对象中的参数，将由原来的2756.25改为5000，而其它参数不变时的仿真曲线如图3-13所示。图3-13 改变时的响应曲线将改为5000后，再将由原来的105改为300，其它参数不变时的仿真曲线如图3-14所示。图3-14 、同时改变时的响应曲线在被控对象参数保持不变的情况下，将被控对象由二阶改为三阶系统，在仿真对象后面增加一个惯性环节后的仿真曲线如图3-15所示。图3-15 被控对象变为三阶时的响应曲线从以上3个仿真结果可以看出，本文所提出的Fuzzy-Smith控制方案不依赖于精确的数学模型，对参数的变化有较强的适应能力。总 结由于被控对象过热器具有大延迟、大惯性、时变、非线性和具有自平衡能力等特性，目前火电厂的过热汽温常规PID控制系统的控制过程不理想，本文针对过热汽温提出了Fuzzy-Smith控制的方案。仿真实验表明，在过热汽温Fuzz