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基于模糊控制理论的锅炉燃烧系统控制 专业：机电工程 研究生：姚若玉 指导老师：李振国副教授 摘要 石河子热力公司2 6 # 供热站自八八年成立以来，一直担负着为全市供暖的任务。虽然 设备几经更新，但由于种种原因，采暖能耗一直很高，其中锅炉燃烧控制落后是原因之一。 本文以2 6 ”供热站的2 台5 0 t h 燃煤锅炉的燃烧控制为课题，以改进原有p i d 控制为 目的，以当前发展比较迅速的模糊控制理论为手段，提出了采用8 0 5 1 单片机控制变频器 改变给煤机、引风机和送风机转速的设计方案，实现了燃烧过程的计算机控制。系统对锅 炉燃烧进行监控，通过传感器采样信号，计算是否达到最佳含氧量、最佳风煤比，来控制 给煤量、引风量和送风量，使燃烧达到最佳热效率和提高锅炉运行的经济效益。用 m a t l a b 对应用模糊自整定p i d 控制器的锅炉燃烧控制系统模型进行仿真研究。 针对锅炉这种具有非线性、参数不稳定、难以建立精确数学模型的控制对象，采用传 统的p i d 控制，效果不佳。结合模糊控制理论和p 1 d 控制，本文提出用模糊自整定控制 器实现对锅炉的控制。并利用m a t l a b 仿真工具对模糊自整定p i d 控制器的性能作了初 步研究。仿真结果表明，明显优于传统p i d 控制，具有超调量小、过渡时间短、稳定性 好、适应性强等特点，能够达到预期的控制效果。 关键词：锅炉：模糊自整定控制：单片机：系统仿真 c o n t r o lo fb o i l e r b u r n i n gs y s t e m b a s e do n f u z z y c o n t r o lt h e o r y s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ： y a o r u o y u i n s t r u c t o r ：a s s o c i a t ep r o f l iz h e n g u o a b s t r a c t s h i h e z i h e a t i n gc o m p a n y h a sb e e ne s t a b l i s h e ds i n c e19 8 8 ，i t s2 6 4h e a t i n gs t a t i o nt a k e so n t h e h e a t i n g t a s ka l lt h r o u g h e q u i p m e n th a sb e e nr e n o v a t e d m a n yt i m e s ，b u th e a t i n ge n e r g y w a s t ei sv e r y h i 曲f o r l o t so f r e a s o n s ，o n er e a s o ni sb u r n i n gc o n t r o ll e v e li sv e r yl o w i nt h i sp a p e r , t w o5 0 t hc o a l f i r e db o i l e r s b u r n i n gc o n t r o ls y s t e mo f 2 6 ”h e a t i n gs t a t i o n w a s s t u d i e da si t st h e s i s ，t h e p r i m a r y p i dc o n t r o l l e rw a s i m p r o v e d a si t sp u r p o s e ，f u z z yc o n t r o l t h e o r yd e v e l o p e dr a p i d l ya tp r e s e n tw a sa p p l i e da si t sm e a n s t h ed e s i g ns c h e m e i st h a t c o n t r o l l i n g t r a n $ d u c e l sc h a n g er o t a t es p e e do f s u p p l y i n gc o a le l e c t r o m o t o r , f a n ，a n db l o w e r u s i n g8 0 5 1m i c r o - c o n t r o l l e r i tr e a l i z e dc o m p u t e r c o n t r o lo f b u r n i n g p r o c e s s t h i ss y s t e m f i n i s h e ds u p e r v i s o r yc o n t r o lo f b o i l e r b u r n i n g ，s a m p l e ds i g n a l st h r o u g h s e n s o r sa n dc a l c u l a t e d t h e s i g n a l sw h e t h e r r e a c h e dt h eb e s tc o n t e n t o f o x y g e n a n dt h eb e s tw i n d c o a lr a t i o u s i n gi t c o n t r o l st h e q u a n t i t yo f c o a l ，e n t e r i n gw i n da n ds e n d i n gw i n g f o r r e a c h i n gt h eb e s tt h e r m a l e f f i c i e n c yo f b u r n i n g a n d i m p r o v i n ge c o n o m y b e n e f i to f b o i l e rr u n n i n g s i m u l a t i o no f b o i l e r b u r n i n gc o n t r o ls y s t e mw a sa l s op e r f o r m e dt os t u d yt h ec o n t r o l l e r ss e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l b ym a t l a b a i m i n g a tt h en o n l i n e a r o b j e c to f b o i l e rw i t hi n s t a b i l i t yp a r a m e t e ra n d d i f f i c u l tb u i l d i n gm a t h m o d e l ，u s i n gt r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e rc a n tr e a c ht h eb e s te f f e c t c o m b i n i n gf u z z yc o n t r o l t h e o r ya n dp i dc o n t r o l ，a na d a p t i v ec o n t r o l l e rt oc o n t r o lb o i l e ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a n d t h e c a p a b i l i t yo f t h es e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e rw a ss t u d i e du s i n gm a t l a b s i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s f u z z y - p i di sb e t t e rt h a n p i d c o n t r o l l e r f u z z y p i dh a sm a n y c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss m a l le x c e e d e dv a l u e ，s h o r tt r a n s i t i o n ，b e t t e rs t a b i l i t ya n ds t r o n g a d a p t a b i l i t ye t c ，a n dc a nr e a c ha n t i c i p a t i v ec o n t r o le f f e c t k e yw o r d s ：b o i l e r ；s e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e r ；m i c r o c o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o n 听安建筑科技人学砸j 研究生毕业论文 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。4 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：挑考玉日期：2 嘲年4 日研日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：嘲锘玉 注：请将此页附在论文首页。 导师签名翱 日期： 刎钐刁 1 概述 1 1 引言 随着城市建设的迅速发展，北方地区冬季城市集中供热成为现代化建设必须采取的 步骤。而供热面积的不断扩大，使如何科学有效的控制和管理供热系统，提高供热的经 济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。 在供热系统中，锅炉房供热所占比例很大。据对全国2 9 个大中城市近3 7 亿平方米 的调查，分散锅炉房供热占8 4 ，且锅炉容量大多在2 0 t h 以下，这些锅炉是主要的耗能 设备。据不完全统计，采暖地区采暖能耗已达1 2 7 亿吨标准煤，占全国总能耗的1 0 7 ， 造成如此大的能耗主要是由于大部分锅炉自动化程度不高，运行效率低，浪费能源严重。 为此，国内专家对锅炉本体燃烧的自动控制作了很多研究，本篇论文以石河子市热力公 司2 6 4 热力站锅炉系统的改造为背景，利用近几年来工业控制领域中比较先进的模糊控制 技术，来改善原有锅炉系统的控制方式，使锅炉燃烧系统得到最佳控制。 当然供热系统的功效不仅是通过锅炉系统控制的改造来完成的，更需要热源( 锅炉 系统) 、热网、热用户这个不可分割的整体之间合理匹配才能最大限度的实现高效、节能 的目的。本文主要针对锅炉燃烧控制系统进行研究，供热系统中其它部分的改造在此不 作为讨论对象。 热水锅炉控制系统主要包括给水系统控制、燃烧系统控制两个任务( 见图1 1 - 1 ) 。其 中锅炉燃烧系统的控制是主要的。 厂给水系统控制 供暖系烈，压力调节系统 ii 给煤调节系统 燃烧系统控制1 送风调节系统 l 引风调节系统 图1 1 1 锅炉控制系统组成 锅炉燃烧系统是一个复杂的多输入多输出对象，而且各量之间存在着关联( 见图 1 1 - 2 ) 。炉膛负压主要受引风和送风的影响，而其它各量对它的影响很小；v - o 通道是 保证锅炉燃烧经济性的做法，即通过送风一氧量通道使含氧量稳定在最佳值附近，通过 对含氧量的调节达到对送风系统的调节。燃烧调节主要分为三个回路：燃烧量( 给煤量) 调节，送风量( 最佳燃烧) 调节，引风量( 保证炉膛负压) 调节。 给水调节系统主要控制目标是二次供水温度，次要目标是一次供水温度。鉴于给水 调节不是本篇研究的问题，在此不作过多介绍。 燃烧勤。 j 盘力p 送风量v 三曼芑乏之烟气氧量0 2 堕 引风量s 。占乡二二x 作 墨 信 口喜口 执 迸风重。 兀号 行 件 变 机 瞠负压- 送 构 器 手动操作 给煤机、炉撵转速 迸风机 引风机 图2 7 - - 1 锅炉微机控制系统框图 将原来的传统控制系统改造为以m c s 5 1 系列单片机8 0 5 1 控制。原来的控制系统采 用可编程控制器( p l c ) 控制，但p l c 价格较高，不如单片机价格低；单片机的抗干扰 性能虽不如p l c ，但通过在输入、输出端采用光电隔离等措施后，实际应用既能提高锅 炉热效率，达到节能效果，又能使运行安全可靠，实现控制自动化。 炉膛负压调节子系统的主要干扰是引风量的变化。当因汽包压力变化而引起送风量 变化时，必须使引风量作相应变化，以使送风和引风匹配，保证炉膛处于负微压。 燃烧经济性调节子系统的任务是促进煤量恰好满足保证燃烧，提高锅炉热效率。在 该子系统中，根据实际送风量求出调煤量初值，再根据炉膛温度的偏差和偏差变化来代 替燃煤量，通过温度变化来控制燃煤量，经p i d 运算得煤量增量值，再由烟气含氧量来 西安建筑科技大学硕士研咒生毕业论文 辅助校正风煤比，从而调节炉排转速，达到控制给煤量，保证燃烧经济性。 为实现无扰动手动自动切换，还对手操跟踪信号进行采样。主机输出的数字信号经 d a 转换，变为相应的模拟量去推动现场操作执行机构动作，控制给煤机转速、炉排转 速、鼓风机风门开度、引风机风门开度，实现系统控制方案的各项要求。 另外，8 0 5 1 单片机还可以通过扩展外部接1 2 1 电路，与其它锅炉控制系统( 汽包水位 控制系统、过热蒸汽温度控制系统) 进行连接，为以后的工作打好铺垫。 3 控制算法研究 3 1 引言 工业锅炉是一个典型的多输入、多输出、多变量互相耦合的复杂非线性被控对象。 对于锅炉燃烧过程，通常由于其时变性和不确定性，很难建立既有足够精度又便于系统 控制的数学模型。鉴于锅炉燃烧过程的复杂性和控制难点，要实现既提高锅炉的热效率， 又满足用户负荷要求，并保证运行安全，其控制算法与决策的参考因素必须是多元的， 控制算法应根据多个工艺参量的现行值和历史数据，进行综合分析、推理和计算。这是 传统控制理论不易实现的，常规的p i d 控制器，很难整定p i d 参数，因此比较难达到预 期效果。总结分析发现，在复杂控制系统中，采用f u z z y - - p i d 复合型控制器，可以达到 理想的控制效果，它对各种被控对象，不同的控制指标均能实现p i d 最佳效果。 模糊控制器是近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的数学模 型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制 和p i d 控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制的灵活性、适应性强的优点，又 具有p i d 控制精度高的特点。 3 2p l d 控制算法 在目前使用的锅炉控制方案中，系统中采用的大都是p i d 控制器，下面对过程控制 中常见的p i d 控制作出介绍。 图3 2 1常规p i d 控制系统原理图 3 2 1p i d 控制原理 在模拟控sr j , ，常规p i d 控制原理如图3 2 1 所示，系统由p i d 控制器和被控对象组 成。p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( 0 构成控制偏差： e ( f ) = r ( t ) - c ( o( 3 2 1 ) 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象 进行控制，故称为p i d 控制器。其控制规律为 ) “，卜+ 寺舢1 t o d e 厂( t ) l ( 3 z 之) 或写成传递函数形式 g = 舞= k e ( 1 + 去+ 碉 ( 3 2 _ 3 ) 式中，k p 为比例系数o t i 为积分时间常数5 t d 为微分时间常数。 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 、比例环节：即成比例地反映控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差一旦产生，控制器立 即产生控制作用，以减少偏差。 2 、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。 3 、微分环节：能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，从而加快系统的动作速度， 减小调节时间。 3 2 2 数字p l d 控制算法 在当前常见的计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，p i d 控制算法通常又分 为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 1 、位置式p i d 控制算法： 在计算机控制系统中，式( 3 2 2 ) d 0 的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处 理。按模拟p i d 控制算法的算式( 3 2 - 2 ) ，以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以 和式代替积分，以增量代替微分，则可做如下近似变换： t “k t o = 0 , 1 ，2a ) f k k i e ( f ) a t m r p ( _ ，r ) = 丁p ( r ) ( 3 2 - 4 ) 0j = 0j ；o a e ( t ) 。 出 式中t 为采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证有足够的精度。将e ( k t ) 简化表示e ( k ) 等，将式( 3 2 - 4 ) 代入式( 3 2 2 ) n 得离散的p i d 表达式为： 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 或 喝卜专扣+ 等眦嗽叫】 。z 嘲 k “( ) = k ，p ( t ) + k ，p ( ，) + k 。k ( 七) 一e ( k 一1 ) 】 ( 3 2 - 6 ) j = o 式中：k 为采样序号，k = o ，1 ，2 ； u ( k ) 为第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k ) 为第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k - 1 ) 为第k - 1 次采样时刻输入的偏差值； k i 为积分系数，k ，= k p ； k d 为微分系数，k d = k p i l d 。 由z 变换的性质 z e ( k 1 ) 】= z - i e ( z )( 3 2 7 ) z 静， - 嵩 z 固 式( 3 2 - 6 ) 的z 变换式为 ) 喝酢m ， 咎讽陋。) - - z - 1 酬 由式( 3 2 9 ) 便可得到数字p i d 控制器的z 传递函数为 ) = 鬻喝+ 南+ k d ”z _ 1 ) ( 3 2 - 9 ) f 3 2 - 1 0 ) 图3 2 2 数字p i d 控制器原理图 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 以此构造的数字p i d 控制器如图3 2 2 所示，由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行 机构，u ( k ) 的值和执行机构的位置是一一对应的，所以通常称为位置式p i d 控制算法。但 是，这种算法还存在它的缺点，因而产生了下面介绍的增量式p i d 控制算法。 3 2 - 3 增量式p i d 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式( 3 2 6 ) 导出提供增量的p i d 控制算式。 根据递推原理可得 k - l “( 七) = k ，口( _ j 一1 ) + 蜀p ( ，) + 足。 e ( k - 1 ) 一d ( 七一2 ) 】 ( 3 2 1 1 ) j = 0 用式( 3 2 - 6 ) 减去式( 3 2 - 11 ) ，可得 a u ( k ) = k p a e ( k ) + k ，+ k d l p ( | | ) 一a e ( k 一1 ) j ( 3 2 1 2 ) 式中 a e ( k ) = p ( ) - e ( k 1 )( 3 2 - 1 3 ) 式( 3 2 1 2 ) 称为增量式p i d 控制算法。可以进一步改写为 a u ( 的= a e ( k ) 一b e ( k - 1 ) + c e ( k 一2 )( 3 2 1 4 ) 热加专+ 争 b 喝( 1 + 2 争 f 3 2 1 5 ) f 3 2 - 1 6 ) c = k p 罟 ( 3 2 1 7 ) 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。可以看 出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，一旦确定了k p 、k l 、k d ，只要使 用前后3 次测量值的偏差，即可求出控制增量。 增量式控制与位置式控制相比，虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： 1 、由于计算机输出增量，所以误动作时影响小； 2 、手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换； 3 、算式中不需要累加，较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 增量式的不足之处主要表现在，积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。 3 2 4 对p i d 控制的分析 p i d 控制作为生产过程控制中应用最为广泛的控制方法，至今在过程控制中的应用以 有几十年的历史。p i d 控制在过程控制中的生命力如此之强，是由于它本身的优点：p i d 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 控制的原理简单，使用起来比较方便；在过程控制中的适应性强，在多种生产部门都得 到应用，在生产过程控制发展历程中，尽管控制器的实现几经换代，但基本的控制功能 仍然是p i d 控制；p i d 控制的控制品质对被控对象的变化不很敏感，具有一定的鲁棒性。 但是，尽管具有上述的优点，p i d 控制仍然有其局限性，特别是在一些控制要求较高， 参数不稳定的控制系统中，p i d 控制的效果并不能令人十分满意。 3 3 模糊控制原理 模糊控制的基本原理模糊( f u z z y ) 控制是以模糊集合论、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，是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。其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授扎 德( l a z a d e h ) 首先提出的，经过2 0 多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取 得重大成功。其组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是它与一般的p i d 在原理和 方法上完全不同之处。 3 3 1 模糊控制器 模糊控制器( f c f u z z yc o n t r o l l e r ) 也称为模糊逻辑控制器( f l c f u z z yl o g i c c o n t r o l l e r ) ，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件句来描述的，因此， 模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器( f l c f u z 珂l a n g u a g e c o n t r o l l e r ) 。 模糊控制器的组成框图如图3 3 1 所示。它包括有：输入量模糊化接口、数据库、规 则库、推理机和输出解模糊接口5 个部分。 1 、模糊化接口：模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解， 因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换成一 个模糊矢量。 2 、数据库：所存放的是所要输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值( 即经 过论域等级的离散化以后对应值的集合) ，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推 理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。 3 、规则库：模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验， 它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成， 如i f - - t h e n 、a l s o 、o r 、a n d 等。关系词必须经过“翻译”，才能将模糊规则数值化。 假设有控制规则i f a a n d b t h e n c ，其中，a 是论域u 上的一个模糊子集，b 是论域 v 上的一个模糊子集。根据人工试验，可离线组织其控制决策表r ，r 是笛卡尔乘积集u 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 v 上的个模糊子集。则某一时刻，该控制的控制量由下式得出： c 2 ( a b ) r 规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则。 知识库由数据库和规则库两部分组成。 4 、推理机：推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解 模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考虑到推理时间，通常采 用运算较简单的推理方法。最基本的有z a d e h 近似推理，它包含有正向推理和逆向推理 两类。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统 中。 数据库 规则库 夤口识犀 输入 叫模糊化接口i - 推理机 i卜i 解模糊接口 _ 图3 3 1 模糊控制器的组成框图 5 、解模糊接口：推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是， 至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换， 求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换作用的功能部分称为解模 糊接口。 综上所述，模糊控制器实际上就是一个微机系统。它的绝大部分功能都是由计算机程 序来完成的，随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组单元的软件 功能。 3 3 2 模糊控制系统原理框图 模糊控制系统原理框图也可以由图3 3 2 所示，其中的模糊量化处理、模糊控制规则、 模糊决策、非模糊化处理环节组成模糊控制器。 模糊控制的核心问题是建立一个好的模糊控制器，也称为模糊逻辑控制器。由于其 采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句( i f t l l e n ) 来描述的，因此模糊控制器 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 是一种语言控制器，故也称为模糊语言控制器。事实上对模糊控制，不需要人们对控制 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脑的思维方式，一个模糊控 制器就是通过i f - - t h e n 形式的规则进行控制的。模糊控制过程是对系统输入信号进行分 析、判断、输出控制量的过程，由于它是模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用的控 制方法，因此非常适合非线性和多输入多输出系统。根据模糊控制器的结构可分为：一 维模糊控制器、二维模糊控制器、三维模糊控制器、多变量模糊控制器、自调整因子模 糊控制器等。 图3 3 2 模糊控制系统原理图 但是由于模糊控制的控制精度不够高，单纯利用模糊控制方法进行锅炉燃烧系统的 改造，不够理想。因此，下面介绍模糊- - p i d 复合控制算法。 3 4 模糊一p l d 复合控制 模糊控制与传统的p i d 控制相结合，具有广泛的实用性。f u z z y p i d 复合控制的应 用方式有：模糊自整定p i d 控制、f u z z y - - p i d 复合开关控制、模糊自适应p i d 控制、设 定值迁移模糊p i d 控制器等。这些新型控制器已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已 得到较为广泛的应用。随着模糊控制技术的应用，还会出现各种各样的复合方式，对实 际过程进行有效的控制。 本文仅对锅炉燃烧系统中采用的模糊自整定p i d 控制进行介绍。 3 4 1p i d 参数f u z z y 自整定控制原理 常规p i d 算法为： “( 尼) = k e e ( 七) + k ，e ( 七) + 足。e c ( k ) ( 3 4 - 1 ) 其中，e ( | 0 为其输入变量偏差； e e ( k ) = e ( k ) + e ( k - 1 ) 为偏差： e c ( k ) = e o r ) 一e ( k 一1 ) ( k = 0 ，1 ，2 ，) 为偏差变化； k p 为表征比例( p ) 作用的参数： k i 为表征积分( i ) 作用的参数； k d 为表征微分( d ) 作用的参数。 f u z z y 自整定p i d 参数控制器是一种在常规p i d 控制器的基础上，应用f u z z y 集合理 论建立参数k p 、k i 与k d 同偏差绝对值吲和偏差变化绝对值i 且e l 间的二元连续函数关系： k ，= i ( 怫i e c i ) k ，= f ：( i e i ，i e c i ) _ ( 3 4 2 ) k 。= 厶0 e i ，i e c l ) j 并根据不同的旧 e c i 在线自整定参数k p 、k i 与k d 挂jf u z z y 控制器。p i d 参数f u z z y 自整定控制原理如图3 4 1 所示。 图3 4 1p i d 参数f u z z y 自整定控制原理 3 4 2p i d 参数f u z z y 整定模型 一般情况下，在不同l 矧、i e c i 下被控过程对参数k p 、k i 与k d 的自整定要求可归纳为： 1 、当吲较大时，为使系统具有良好的快速跟踪性能，应取较大的k p 与较小的k d ， 同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取k i = 0 ； 2 、当吲处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，k p 应取得小些；在这种 情况下，k d 的取值对系统响应的影响较大，k i 的取值要适当； 3 、当吲较小时，为使系统具有较好的稳态性能，k p 与k i 均应取得大些，同时为避 免系统在设定值附近出现振荡，k d 值的选择是相当重要的。 对于f u z z y 自整定p i d 参数控制器，在具体做法上，根据语言变量偏差e 以及偏差 变化e c ，应用f u z z y 集合理论总结出一套k p 、k i 与k d 的f u z z y 整定模型。如表3 一l 、 表3 2 和表3 3 所示。 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 表3 1 k p 整定f u z z y 规则集模型 惑 n bn mn sop sp mp b p boon sn m n mn b n b p moon sn m n mn b n b p sp mp mon sn mn b n b op bp bp mon mn b n b n sp bp bp mp son m n m n mp bp bp m p mp soo n bp bp bp mp mp s0o 表3 2k i 整定f u z z y 规则集模型 惑 n bn mn sop sp mp b p bp bp bp bp bp bp bp b p mp bp sp sp sp sp sp s p sooooo n sn s on sn sn sn sn sn b n b n sooooon sn s n mp bp sp sp sp sp sp s n bp bp bp bp bp bp bp b 3 4 3 模糊自整定p l d 控制器 根据被控对象的性能要求，本文采用一种与传统p i d 控制器不同的模糊自整定p i d 控制器，它与基本模糊控制器相比，增加了一个参数在线自整定机构。该机构的修正算 法是模仿人的控制思想，分析和识别系统的输出状态，动态独立地对k p 、k l 、k d 进行在 线整定，以调整整个控制过程中不同阶段的控制特性。这种算法，实际上相当于增加了 查询表的级数，体现了在不同阶段采用不同的量化等级也就是间接修改了控制规则。 表3 3 k d 整定f u z z y 规则集模型 赵 n bn mn sop sp mp b p bp sp sooop sp s p mn bn bn mn sn mn b n b p sn b n bn mn sn mn b n b on sn sn sn sn sn m n m n sn b n bn mn sn mn b n b n mn b n bn mn sn mn bn b n bp soooop sp s 该控制器如图3 4 2 所示，也就是由一个标准p 1 d 控制器和一个f u z z y 自调节机构组 成。f u z z y 自调节机构根据输入信号( 即偏差e ) 的大小、方向以及变化趋势等特性，通 过f u z z y 推理做出相应决策，在线整定p i d 参数k p 、k i 、k d ，以期获得满意的控制效果。 由于该f u z z y 自调节p i d 控制器是基于规则的，所以便有一个参数的初始化问题。图3 4 2 中n 为继电特性非线性环节，用于p i d 参数的预整定。当系统闭环运行后，f u z z y 自调 整系统就自动地在线整定p i d 参数。这种结构，无论是在跟踪设定值还是抑制扰动方面， 控制效果都有很大改善。 图3 4 - 2f u z z y 自调节p i d 控制器原理图 3 5 简化的模糊一p l d 控制 普通的模糊控制都是两维控制，主要可分为两类：模糊比例微分控制( f u z z y - - p d ) ， 由误差和误差变化率产生控制量输出；模糊比例积分控制( f u z z y - - p i ) ，由误差和误差变 化率产生控制量输出的增量。但两者都有各自的不足，f l l z 巧一p d 控制难以消除稳态误 差，f u z z y p i 控制由于积分环节的作用，在高阶系统过渡过程中的性能较差。采用模糊 - - p i d 控制可以改善以上两者的缺点，提高性能。但f u z z y - - p i d 控制需要三个输入，这 就增加了模糊规则的数量，使模糊控制器的设计十分困难。因此引入一种简化的模糊一 p i d 控制方案，将三维的控制规则简化为二维，减少了模糊控制规则的数目，简化了控制 策略和控制器的设计调整过程。 3 5 1 两维模糊控制 普通的两维模糊控制，非模糊的p i 控制器可以表示为： u “= k v e + k ，f e d t = k ps o + t 。e d t ( 3 5 1 ) 非模糊的p d 控制器可以表示为： u ”= k p e + 如0 = k v + 乃司( 3 5 2 ) 式中：e 误差； 0 误差变化率； ，k i 1 ，2 i 2 ，k d 幻一百。 如果变量e 和e 是模糊量，( 3 5 1 ) 和( 3 5 2 ) 就变成相应的模糊- - p i 和模糊- - p d 控制。 为了便于计算机实现，将微分和积分量进行离散化，f l l z z ) r p i 中的输出可以近似为： u f = u 吕+ k l a u ； a u = f i t ( 3 5 - 3 ) 输入中的误差微分可以近似为： a ：等 ( 3 5 - 4 ) 其中，t 采样时间； 缸误差在采样时间内的变化量。 为便于分析，将模糊控制的输出改写为： 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 u ”= k l f k 。口，( 髟r ) o u ”= k ：f k e e ，( 髟丁) 吼 ( 3 5 5 ) 其中，f ) 表示模糊运算。 将模糊控制与相应的非模糊控制比较，得到模糊- - p i d 控制的比例和积分系数分别是： k ，= k 1 f k d v r k l = k l f 疋j r = 蜀f ( k a 口) r ； ( 3 5 6 ) 模糊- - p d 控制的比例和微分系数分别是： k ，= k 2 f 疋) k d = k 2 f k d 肛) = k 2 f ( a t ) k 。) ； ( 3 5 - 7 ) 其中，a = k a x 。 3 5 2 三维模糊p l d 控制 由于模糊- - p i 控制在高阶系统中的过渡过程性能较差，而模糊- - p d 控制存在稳态误 差，因此提出模糊一p i d 控制器。 一般的三维模糊控制如图3 5 1 所示，由于有三个输入，控制器的规则库将是三维的， 并且当三个输入的隶属函数个数分别是n 、m 、l 时，一个完整的规则库有n x m x l 条规 则，如此多的规则将使控制器的设计和控制策略的调整非常困难。 。，回 e - 三维 l 虻互卜_ 叫互卜o f u z z y p 正) j 轴咂习 叵卜 推理规则 图3 5 1 三维模糊- - p i d 控制原理图 如果将两种二维模糊控制器结合起来构成一种混合型模糊- - p i d 算法： 【，严= u ，+ u 尸 ( 3 5 _ 8 ) 式中，“p i 冲u u 。p d 分别是模糊- - p i 控制和模糊- - p d 控制的输出控制量，同式( 3 5 5 ) a 这种模糊一p i d 控制的原理图如图3 5 2 所示，它的规则库不再是三维的，而是二维 的。将三维规则库的设计简化为二维规则库的设计，避免了设计三维规则库的困难，并 且两个二维规则库具有相同的输入，简化了规则库的设计。 考虑到f u z z y p i 和f u z z y - p d 控制的输入部分是相同的，为了进一步简化设计和运 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 算，又简化为图3 5 3 所示。这种结构更简单易于实现，计算量减小。简化的f u z z y - - p i d 控制的比例、积分和微分系数可表示为： k p = t k l f ( a t ) k 。) + k 2 f k 。) k ，= t k l f k 。 足d = k 2 f ( a t ) k 。) ； ( 3 5 9 ) 图3 5 2 混合型f u z z y - - p i d 控制原理图 l 。- 固 e- ”固u o 二维 打陶习私 推理规则 图3 5 - 3 简化的三维f u z z y - - p i d 控制原理图 3 6 链条锅炉燃烧控制方案 根据上述模糊自调节p i d 控制器的原理，结合链条锅炉燃烧的实际控制情况，给出 链条锅炉燃烧控制的系统框图如图3 6 1 所示。 燃烧控制中，空燃比由咖和咐的比值确定，虽然比值可以通过锅炉燃烧试验获得， 但实际运行时过剩空气系数与设定值之间存在着较大偏离。因此，引入模糊一p i d 控制器 对空气燃料比实现在线校正，使过剩空气系数稳定在一个较好的数值。烟气含量与过剩 空气系数有一一对应的关系，所以控制烟气含氧量就能得到理想的过剩空气系数。空气 燃料比校正系统的输入量为烟气含氧量偏差e 和偏差变化率p ，输出为送风量分流系数 v 的修正量。 压力调节的主调节器为模糊控制器，其输入量为汽压偏差e 和偏差变化率& ，经过 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 模糊化后进行模糊推理，得出燃料和送风系统的给定值r q ，燃料和送风采用p i d 闭环控 制，以克服燃料和送风系统的自发扰动，稳定燃烧量和送风量。 燃烧控制系统采用模糊自适应p i d 控制比传统p i d 控制具有更好的响应特性，并且 具有较好的鲁棒性。特别对于锅炉系统这种非线性和时变性的被控对象，可获得较满意 的控制效果。 p 一蒸汽压力b 一燃料量v 一送风量r p 。一蒸汽压力1 0 2 一烟气含氧量给定 图3 6 1 燃烧系统主控制图 4 1 硬件设计 4 系统设计 4 1 1 硬件结构 系统的主要控制芯片采用a t 8 9 c 5 1 单片机，8 k e p r o m 2 7 6 4 ，8 k r a m 6 2 6 4 ，可编程 i o 接口芯片8 2 5 5 a ，a d 转换器选用a d c 0 8 0 9 ，d a 转换器选用d a c0 8 3 2 ，地址及数 据锁存器选用7 4 l s 3 7 3 ，显示部分选用键盘显示器接口芯片8 2 7 9 等构成。 锅炉燃烧控制硬件结构见图4 1 1 所示。 图4 1 1 系统硬件结构图 锅炉控制系统采用a t 8 9 c 5 1 作为主机，a t 8 9 c 5 1 单片机是a t m e l 公司生产的，之 所以选用a t 8 9 c 5 1 单片机，是由于a t 8 9 c 5 1 芯片内有4 k 字节的e p r o m ，可随时擦除程 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 序存储器中的内容，使用方便，多用于程序设计阶段。而且和一般的8 0 5 1 相比，价格便 宜，而引脚的功能与8 0 5 1 完全兼容，其功能价格比较8 0 5 1 高，比较实用，而8 0 3 1 虽 价格便宜，目前应用较广，但内部无r o m ，所以选用a t 8 9 c 5 1 作为系统的主要控制芯片。 a t 8 9 c 5 1 硬件结构的特点： ( 1 ) a t 8 9 c 5 1 与m c s 5 1 产品兼容，内部有4 k 字节可编程闪速程序存储器，寿命 为1 0 0 0 写擦循环，数据保留时间为l o 年； ( 2 ) 1 2 8 字节内部存储器r a m ，3 2 个f o 线，2 个1 6 位定时器计数器，5 个两级 中断源结构，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。 ( 3 ) a t 8 9 c 5 1 还设有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可 选的省电模式。在闲置模式下，c p u 停止工作，但r a m 、定时器计数器、串行口和中 断系统仍在工作；在掉电模式下，保存r a m 的内容并且冻结振荡器，禁止所有其它片内 控制单元功能，直到下一个硬件复位为止。 4 1 2 系统主要功能 系统实现炉膛温度采集；压力、氧含量、炉膛负压的测量；实现开关量的输入输出： 压力上、下限信号，风室的挡风板控制及报警信号的输出均为开关量控制。在线修改参 数，实现声光报警等功能。 该系统由4 个控制部分组成，采用模糊控制，其方法是：从传感器采集的各路模拟 量信号( 炉膛负压、炉膛温度、压力、含氧量) ，经采样、放大、滤波后，利用转换器 a d c 0 8 0 9 将模拟信号转换为数字量信号，a d 转换后与期望值比较，按其差值大小，查 表决定调节量，然后利用d a c 0 8 3 2 将数字信