（机械工程专业论文）参数可调模糊pid在锅炉控制系统中的应用.pdf

哈尔滨 1 程大学硕十学位论文 于两曼 对于工业锅炉这种具有多输入、多输出，动态特性复杂，且控 制品质要求较高的系统，传统的p i d 控制器控制效果并不理想，而 迅速发展起来的智能控制理论为解决类似的控制难题提供了一个新 的途径。本文就是针对工业锅炉的特点，提出了利用模糊控制理论 与p i d 有机结合的方法，提高控制系统的自组织、自学习能力，以 满足锅炉生产这种复杂系统的控制要求。 本文分析了锅炉生产过程中主蒸汽压力及水位变化特点，建立 了被控对象的计算机数学仿真模型，结合锅炉生产的工艺流程提出 了水位流量串级控制系统和以主蒸汽压力、空燃比、炉膛负压组成 的燃烧控制系统。 本文中提出了将模糊控制和p i d 控制两者结合起来构成模糊 p i d 控制器，同时为了改进模糊p i d 控制器的自适应能力和鲁棒性， 引入了参数自调整功能，通过对水位控制系统和主蒸汽压力控制系 统仿真研究证明控制系统消除了静差，鲁棒性和抗干扰能力得到增 强，控制效果一好。 经过仿真比较证明，建立在传统模糊推理系统基础之上，利用 自适应神经网络学习方法构建性能更好的t a k a g i s u g e n o 型模糊推 理系统是可行的。 从本文的计算机仿真结果中可以看出，参数可调模糊p i d 控制系 统对于具有非线性、时变、大滞后特点的锅炉控制对象的控制效果 是优于传统控制器的，控制系统的设计是合理可行的。 关键词：模糊控制；p i d 控制；自适应神经一模糊推理；参数自调整 哈尔滨丁释大学硕十学伊论文 a b s tr a c t t h ei n d u s t r i a lb o i l e ri sas y s t e mt h a ti sc h a r a c t e r i z e da s m u l t i i n p u t s ，m u l t i o u t p u t s ，c o m p l e xd y n a m i cb e h a v i o r s ，a n dh i g h c o n t r o 1r e q u i r e m e n t s i ti sn o tc o n t r o l l e de f f e c t i v e l ye n o u g hb yt h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r ，b u ti n t e l l i g e n c ec o n t r o lt h e o r y ，w h i c hh a s r a p i d l yd e v e l o p e d ，p r o v i d e sa n e ww a yt os o l v es u c hc o n t r o lp r o b l e m s c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u s t r i a lb o i l e r ，a ni n t e g r a l m e t h o dw h i c hc o m b i n e sf u z z yc o n t r o lt h e o r yw i t hp i di sp r e s e n t e di n t h i se s s a y t h em e t h o dc a ni m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e m sa b i l i t i e so f s e l f _ o r g a n i z a t i o na n ds e l f - s t u d yt om e e tt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so f s u c hc o m p l e xs y s t e mf r o mb o i l e rp r o d u c t i o n i nt h i se s s a y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a i nv a p o rp r e s s u r ea n dw a t e r l e v e lv a r i a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fb o i l e rp r o d u c t i o na r ea n a l y z e da n d ac o m p u t e rd i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec o n t r o ll e ei se s t a b l i s h e d b yi n c o r p o r a t i n gt h ep r o c e s sf l o wo fb o i l e rp r o d u c t i o n ，t h ee s s a y p r e s e n t sas e r i e s - s t a g ec o n t r o ls y s t e mt of o r mac o m b u s t i o nc o n t r o l s y s t e mc o n s i s t i n go fm a i nv a p o rp r e s s u r e ，a i r - f u e lr a t ea n dh e a r t h n e g a t i v ep r e s s u r e i ti s p r o p o s e di n t h i se s s a yt om a k eaf u z z yp i dc o n t r o l l e rb y c o m b i n i n gf u z z yc o n t r o lw i t hp i dc o n t r o l ，m e a n w h i l e ，t oi m p r o v et h e s e l fa d a p t a b i l i t yb yi n t r o d u c i n gp a r a m e t e rs e l f - r e g u l a t i o nf u n c t i o n i t h a sb e e np r o v e db yd i g i t a ls i m u l a t i o nt h a ts t a t i cd i f f e r e n c ei nc o n t r o l s y s t e mi se l i m i n a t e d ，a n da n t i d i s t u r b a n c ea b i l i t yi si m p r o v e da n dt h a t t h ec o n t r o le f f e c ti ss a t i s f a c t o r y i th a sb e e n p r o v e db yd i g i t a lc o m p a r i s o nt h a te s t a b l i s h i n g t a k a g i s u g e n ot y p ef i so fb e t t e rp r o p e r t i e si sp r a c t i c a lb yu s i n gs t u d y m e t h o do fs e l fa d a p t i n gn e r v o u sn e t w o r kb a s e do nt r a d i t i o n a lf i s t h er e s u l t so ft h ec o m p u t e rd i g i t a ls i m u l a t i o ni nt h i se s s a ys h o w t h a tf u z z yp i dc o n t r o l s y s t e mh a sab e t t e r c o n t r o le f f e c tt h a nt h e 哈尔滨1 i 程大学硕+ 学位论文 t r a d i t i o n a lc o n t r o l l e rw h e nt h eb o i l e ro fac o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e mi s t ob ec o n t r o l l e d ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r ，c h a n g e a b l e a n db i gl a g ，a n dt h a tt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ：p i dc o n t r o l ； a n f i ；s e l f r e g u l a t i o n f u n c t i o n s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：抛 日期： 加占年，月肜日 啥尔滨t 稃大学硕士学佛论文 第1 章绪论 1 1 论文的目的和意义 随着中国经济的高速发展，能源需求的瓶颈效应越发明显。g d p 总量已经跃居世界前几位的中国经济要想实现持续、高速发展必须 走节约高效之路。 锅炉是现代工业、企业、事业单位的耗能大户，在整个工业生 产的能源消耗中占相当的比重。我国能源消耗居高不下，其中一个 重要原因就是工业生产现代化水平低，控制理论与计算机技术紧密 结合的现代控制系统在生产中应用较少。大多数中小型锅炉的控制、 操作水平基本上停留在手工和简单仪表操作的水平，因而我们急需 利用现代科技的最新发展成果，借鉴国外的成功经验，努力钻研先 进的控制技术，提高我国的锅炉生产的现代化水平。这样不仅可以 大大减轻工作人员的劳动强度，改善工作环境和条件，而且还可以 使锅炉燃烧效率最佳，节约燃料，提高产品的质量。因此开展锅炉 计算机控制系统研究是很有必要的。 1 2 控制理论三个重要发展阶段的简介 自美国数学家维纳在四十年代创立控制论以来，自动控制理论 经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段，目前正处 于智能控制理论发展和兴盛阶段【”】。 经典控制理论以“调节”为控制核心，主要是利用反馈来改变 系统输入量，使系统输出按控制要求工作，解决的是单变量系统的 反馈控制问题。而现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数 学工具，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统，着重解决多 变量系统的优化控制问题。二者在工业和国防等领域均获得了成功 的应用，促进了社会生产力的发展【2 】。 然而随着科学技术的迅猛发展，某些复杂的工业过程如工业锅 炉、水泥生产过程等被控对象在结构、规模上变得日益复杂化、大 型化。控制系统具有多输入多输出的强耦合性、参数时变、非线性 特性、变结构以及各种不确定性因素干扰，更突出的问题是从系统 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 对象所能获得的知识信息量相对不足、难以准确测量，使得建模比 较困难或得到的数学模型不精确。而人们对系统控制性能的要求却 大幅度地提高，对于这样的系统，无论是经典的还是现代的控制理 论，实现控制的预期目标都比较困难。 正如z a d e h ( 1 9 7 3 ) 提出的“不相容原理”那样：“当一个系统 复杂性增大时，人们能使其精确化的能力将降低。当达到一定的阈 值时，复杂性和精确性将相互排斥”【25 1 。由于系统的复杂性与所要 求的精确性之间存在尖锐矛盾，很多科学家提出了智能控制的思想， 以1 9 8 7 年召开的第一届智能控制国际会议为标志，智能控制己经开 始成为一门新兴的学科。 智能控制方法打破了常规控制理论依赖于精确数学模型的思维 模式，吸取了如人工智能、运筹学、系统论、计算机科学、生物学 等学科中的先进思路，是一种无需人的干预就能够针对控制对象的 状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。主要有自学 习控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等方法，它避开了建 立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难。 它实质上是一种非参数模型的控制方法，因而在鲁棒性、抗干扰能 力方面有很大的优势。随着科学技术的发展，智能控制系统日益显 示出其重要价值【l5 1 。 控制理论专家a u s t r o m 在智能控制国际大会上指出：模糊逻辑 控制、神经网络与专家控制是三种典型的智能控制方法。 1 3 模糊控制理论的产生及发展简介 在自然界中存在着大量的模糊概念和模糊现象，人们语言中最 常用的词汇更是很模糊的概念。即使是一些本来有严格定义的特征， 为了从宏观上把握事物的主要特征和便于处理，有时也更多地用模 糊概念来描述。比如按年龄将人分为“年轻人、中年人、老年人”， 按身高分为“高个子、中等个、矮个子”。可见模糊概念在自然界和 人类社会中是普遍存在的。由于经典的数学无法真实地描述和处理 这类没有明确边界的模糊概念和现象，模糊数学便应运而生【5 1 。 模糊数学诞生于1 9 6 5 年，其创始人是美国加州大学自动控制专 2 哈尔滨下丰旱人学硕十学佗论文 家l a z a d e h ( 扎德) 教授。他首次提出用隶属函数( m e m b e r s h i p f u n c t i o n ，简称m f ) 来描述模糊概念，并创立了模糊集合论，为模 糊控制奠定了基础。 模糊控制理论的发展大致可以分为以下个几阶段： 第一阶段：1 9 6 5 1 9 7 4 年，即模糊数学发展与成形的阶段。在这 个阶段，扎德教授做了许多原创性工作，例如，1 9 6 8 年扎德首次公 开发表了“模糊算法”；1 9 7 3 年又发表了语言与模糊逻辑相结合的系 统建立方法。除此之外，1 9 7 4 年伦敦大学m a m d a n i 博士首次尝试利 用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎。 第二阶段：1 9 7 4 1 9 7 9 年，这是产生简单模糊控制器的阶段。在 这期间，美国加州一公司率先生产了第一只模糊逻辑芯片；1 9 8 0 年 丹麦的斯密斯公司首次应用芯片在水泥烘干机中成功地实现了模糊 控制，但其自适应能力和鲁棒性很有限，稳定性也不够理想。 第三阶段：1 9 7 9 年现在，这是发展高性能模糊控制器的阶段。 1 9 7 9 年t j p r o c k y 和e h m a m d a n i 共同提出了自学习概念， 使系统性能大为改善；1 9 8 3 年日本富士电机开创了日本第一项应用 一一水净化处理；1 9 8 7 年日本仙台地铁线采用了模糊控制器。8 0 年 代中后期，日本系列模糊家电产品所取得的巨大的经济效益更引起 了国际控制界学者的广泛关注。今天，模糊控制技术己经应用到相 当广泛的领域中，家用电器设备已成为主攻市场，诸如智能洗衣机、 微波沪、吸尘器、空调机、照相机和摄影机；在工业闭环控制系统 中则有水净化处理、发酵控制、化学反应釜、水泥窑炉等等；在专 用系统和其他方面的应用有地铁控制、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎、 声控直升机、纸币识别装置以及机器人控制等等。因而，模糊控制 理论的研究与应用在9 0 年代初中期达到了兴盛时期。 模糊系统理论于7 0 年代才引入我国，1 9 7 9 年，中国的研究人员 也对模糊控制器进行了研究，并在模糊控制器的定义、性能、算法、 鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的 成果。我国在模糊系统理论方面的研究成果令世人瞩目，已引起国 际模糊界的特别关注。 哈尔滨。j ：程大学硕十学位论文 _ _ _ - i _ _ _ i i i i i 目_ _ ；i i _ i ；i 目j _ ；i ；i _ 目_ i i ；i _ _ i _ e _ l - i l - 目_ l _ _ - i _ 1 i 1 9 8 8 年，北京师范大学汪培庄的博士生张洪敏和张志明研制成 功国际上第二台快速模糊控制器( 取名为f u z z yi n f e r e r l c em a c h i n e ) ， 与日本山川i 列的机器相比，体积仅是它的十分之一，而运行速度提 高了5 0 。1 9 9 4 年国家经贸委作为国家技术开发项目专项投资上亿 元资金开发模糊技术产品，国家技术监督局也专门成立了模糊技术 标准化工作组，制定各种模糊产品国家标准。 1 4 模糊控制的特点 模糊控制在这短暂的三十多年里得以广泛发展并在现实中得以 成功应用，其根源在于模糊逻辑提供了由专家构造语言信息并将其 转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而 无法建立精确的数学模型系统的控制问题。从广义上讲，模糊控制 是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的 对象实施的一种控制，它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同 时也构成了智能控制的重要组成部分。它主要有以下特点： ( 1 ) 在设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模型，是 以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型。 ( 2 ) 是一种反应人类智慧和思维的智能控制，采用人类思维中的模 糊量，如“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。推理过程模 仿人的思维过程，因而整个控制过程更容易让人理解与接受。 ( 3 ) 模糊控制的核心是控制规则，这些规则是以人类语言表示的， 容易被人们所接受和理解。二 ( 4 ) 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制方法难以解决的非 线性、时变、滞后及强耦合问题。 1 5 模糊控制的研究现状和热点 近十年来，模糊控制技术的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 模糊控制器量化因子、比例因子的选取和整定 对于模糊控制器的量化因子、比例因子的选取是影响控制效果 的一个很重要的因素。如何根据不同的被控对象选取不同的量化因 子和比例因子；对于不同控制对象其模糊控制器的量化因子和比例 因子是否有一个大致的范围，从事这方面的研究不是很多，只有少 4 哈尔滨下程大学硕十学位论文 数文献在设计模糊控制系统中，对量化因子和比例因子的选取原则、 整定方法进行了初步的研究。 ( 2 ) 模糊控制器的隶属函数的选取和构造 模糊集合是由隶属函数来描述的，隶属函数在模糊集合中有着 非常重要的地位，正确地选取和构造隶属函数是能否运用好模糊控 制的关键之一。不同的被控对象其模糊控制器的隶属函数是不一样 的，模糊控制器隶属函数的自动生成、优化和新型的隶属函数研究 的问题是我们值得认真思考和探索的问题。 ( 3 ) 模糊控制规则的优化 模糊控制器要有良好的控制效果，必须具有较完整的控制规则， 但是在复杂的工业过程中由于经验不足导致模糊控制规则或缺乏， 或粗糙。要提高模糊控制器的性能，必需对控制规则进行优化，其 内容主要包括两个方面：其一是模糊控制规则条数的优化，即对于 一个系统的控制规则条数最佳数值，控制规则太少则控制是不完全 和粗糙的，太多则会使推理时间变长，影响其实时性；其二是不同 的规则语句之间是否存在矛盾，如果两条和多条控制规则之间是矛 盾的，则可能产生控制发散和振荡。有些文献对这方面做了一些研 究和探讨，优化方法主要有利用神经网络、遗传算法、混沌理论等 来对模糊控制规则进行优化。 ( 4 ) 稳态误差的消除 模糊控制器本质上相当于一个p d 控制器，具有很好的超调性和 鲁棒性，但是模糊控制器一个大的缺陷就是存在稳态误差问题，因 而阻碍了其在高精度控制领域的应用。模糊控制在工业过程控制中 应用之所以没有像在家电控制中的应用那么广泛，其最根本的一个 原因就是其稳态误差问题。在模糊控制中引入智能积分器来消除稳 态误是当前模糊控制应用研究领域的一个热门课题。 将模糊控制看作经典自动控制方法的发展和补充，吸收人工神 经网络、遗传算法、专家系统等合理的思想，将模糊控制和p i d 控 制器有机的结合，模糊控制理论就可能发挥自己的优势，在更广泛 的领域得到很好的应用效果。 哈尔滨丁稃大学硕十学能论文 第2 章模糊控制系统的组成与设计 在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象 的数学模型，但却能十分有效地对系统执行控制。模糊数学的创始 人，著名的控制论专家扎德教授举过停车的例子，正如一个汽车司 机，不懂汽车的数学模型而能很好的驾驶汽车一样。这是因为操作 人员对系统的控制是建立在直观的经验上的，凭借在实际中取得的 经验采取相应的决策就可以很好的完成控制i 作。人的经验是一系 列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰 当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。因此，模糊集合理论 用于描述人的经验就有着独特的优势。可以把人的经验用模糊条件 语句表示，然后用模糊集合理论对语言变量进行量化，再用模糊推 理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这也就 是模糊控制器的工作过程。 随着技术的飞速发展，模糊控制理论和模糊技术成为最广泛、 最有前景的应用分支之一，模糊( f u z z y ) 控制以它全新的控制方 式在控制界受到了极大的重视并有了迅速的发展。它的优点是不需 要知道被控对象的数学模型而能够利用专家已有的知识和经验，特 别适合于那些难以建立精确数学模型、非线性、大滞后和时变的复 杂过程系统。 2 1 模糊控制系统的组成 模糊控制系统的组成如图2 1 所示。 模糊控制器采用的是台微计算机，它是整个模糊控制系统的 核心部分。它是基于模糊知识表示和规则推理的语言型“模糊控制 器”，这也是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。主 要实现以下功能： 。 ( 1 ) 模糊化：这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。 ( 2 ) 知识库：由数据库和模糊控制规则库两部分组成，用来保 存数据和控制规则。 ( 3 ) 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人 6 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含 关系及推理规则来进行的。 ( 4 ) 清晰化：清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊 量) 变换为实际用于控制的数字量。 一。一? i! i模糊控制： 图2 1 模糊控制系统组成框图 由于模糊控制器的控制规则是根据人的手动控制规则提出的， 一般说来，人对误差最敏感，其次是误差的变化。所以模糊控制器 的输入变量选择为误差和误差的变化，输出量通常选控制量的变化。 2 2 模糊控制器设计的内容 模糊控制器的设计一般包括以下几项内容： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) ，包 括语言值及其隶属度函数。 ( 2 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域。 ( 3 ) 设计模糊控制器的控制规则，确立模糊化和非模糊化( 又 称清晰化) 的方法。 ( 4 ) 确定模糊控制器的参数( 如量化因子、比例因子) 。 ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序。 2 2 1 系统输入输出选取的语言变量 每个模糊语言变量具有多个模糊语言值，如n b ( n e g a t i v eb i g 负大) 、n m ( n e g a t i v em i d d l e 负中) 、n s ( n e g a t i v es m a l l 负小) 、z o ( z e r o 零) 、p s ( p o s i t i v es m a l l 正小) 、p m ( p o s i t i v em i d d l e 正中) 、 p b ( p o s i t i v eb i g 正大) 等等。 7 哈尔滨+ 1 ：程大学硕七学侍论文 选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定的控制规则 更加具体，但是控制规则相应变得很繁杂，这样会降低模糊控制的 可靠性。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性 能变坏。在控制器设计时本文选择全部七个语言变量，当然如果可 以达到控制要求，也可以只选择其中的三个或五个语言变量。 2 2 2 隶属函数( m e m b e r s h ipf u n c t i o n ) 的选取 由于模糊集合完全由隶属函数所表征，而隶属函数的定义是有 主观性。同一个模糊概念由不同的人所定义的隶属函数可能会大相 径庭，本文中是以数学公式的形式来定义隶属函数的。在本文研究 中应用了以下几种类型的隶属函数。 2 2 2 1 高斯隶属函数的应用( g a u s s i a nm e m b e r s h i pf u n c t i o n ， 简称g a u s s m f ) 高斯m f 由两个参数bc 来表示： 肜娜缸疗扛；叫 ：。一；( ( 2 1 ) 高斯m f 完全由c 、盯来确定，c 表示m f 的中心，g r 决定m f 的宽度。图2 4 所示为g a u s s i a n ( x ，4 ，1 0 ) 所定义的g a u s s m f 。 隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高；相反，隶属 函数曲线形状较缓，控制特性也较平缓，系统稳定性较好。因此， 在选择模糊变量的隶属函数时，在误差较大的区域用低分辨率的模 糊集，在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集。 图2 2 高斯型隶属函数曲线 8 哈尔滨t ：程大学硕十学位论文 2 2 2 2 钟形隶属函数的应用( g e n er a i iz e db e | i s h 目；p e db u ii t in m e m b e r s h ipf u n c t i o n ，简称g b e l l m f ) 广义的钟形m f ( 或钟形m f ) 由三个参数缸，b ，c 来描述： 咖m 禹如卜膏 ( 2 2 ) 图2 3 钟型隶属函数曲线 其中参数b 通常是正的( 如果b 是负的，则此m f 的形状是一 个颠倒的钟形) 。通过调整c 和d ，可以改变隶属函数的中心和宽度， 而隶属函数交叉点处的斜度由参数b 来确定。 2 2 2 3 三角形隶属函数的应用( tr ia n g i em e m b e r s h i pf u n c t i o n 简称t r i m f ) 三角形隶属函数由三个参数 口，b ，c 来描述。 t r i a n g l e ( x ；a ，b ，c ) = 0 x 口 _ x - - 6 l ，口x i d 一口 ( 2 - 3 ) c _ - - x ，b x 蔓c c d 0 c x 参数缸，b ，c ( 口 6 un m ，。则5 也可称为负大。 ( 2 ) 第二种方法是将在某区间的精确量x 模糊化成这样一个模 糊子集，它在点x 处隶属度为1 ，除x 点夕卜其余各点的隶属度均取0 ， 如表2 2 所示。 本文中采用的是第一种方法。 2 2 5 模糊推理系统的设计 模糊推理又称为近似推理，是从一组模糊i f - t h e n 规则和已知事 实中得出结论的推理过程。基于模糊操作的不同定义，人们提出了 多种模糊推理方法。常见的形式主要有纯模糊推理系统、m a m d a n i ( 玛达尼) 和t a k a g i s u g e n o ( 高木关野) 模糊推理系统。本文在设 计模糊控制器时分别使用了后两种模糊推理系统。 2 2 5 1m a m d a n i ( 玛达尼) 模糊推理系统的设计方法 e b r a h i mm a m d a n i 在1 9 7 5 年首次实现了对蒸汽发动机进行模糊 控制。使用的就是m a m d a n i 模糊推理系统，它将输入信号映射为输 入隶属函数，规则前提中的“模糊与”采用t 范式算子m i n ，而推 理方法采用t 范式算子m i n 或乘积，反模糊化采用重心法。每一条 规则推理后得到的输出是变量的分布隶属度函数。在将多条规贝| j 的 结果合成以后，对每一条输出变量模糊集合都进行反模糊化( 解模 糊化) 处理，得到实际的输出。 它是模糊推理中用的较为普遍的一种方式，从仿真研究中可以 看出它的控制效果主要取决于隶属函数形状、参数的选取及规则的 正确性、完整性。 2 ，2 5 2t a k a g i - s u g e n o 型模糊推理系统的设计方法 基于m a m d a n i 的模糊推理系统是建立在专家的经验基础上，有 一定的局限性和模糊性，而且当系统一旦选定结构参数后，结构就 固定了，参数一般不调节，而t a k a g i s u g e n o ( 高木一关野) 型模糊推 理系统与上述的模糊推理方法不同，它将去模糊化也结合到模糊推 理中，其输出直接就是精确量。t a k a g i s u g e n o 型模糊逻辑系统事实 上是一般化模糊逻辑系统的特例，特别适合开发从给定的输入输出 1 2 哈尔滨t 稗大学硕+ 学待论文 数据集中产生模糊规则的系统化的方法。规则的形式为： i fxi sa ，yi sbt h e n z = f ( x ，y ) 其中a 和b 是酊件中的模糊集合，而厂( x ，j ，) 是后件中的精确 函数。通常厂( ，y ) 是输入变量的多项式，也可采用其他的函数。 当f ( x ，y ) 是一阶多项式时，所产生的模糊推理系统为一阶t s 模 糊模型。当，是常数时，称为零阶t s 模糊模型，它也可以看成是 m a m d a n i 模糊推理系统的一个特例，即规则的后件由一个模糊单点 表示。 i fxi saa n dyi sbt h e nz 2 k 其中，k 为常数。而一阶t s 型模糊规则的形式如下： i fxi saa n dyi sbt h e nz 2 p + x + q + y + r 上式中，p 、q 、r 均为常数。对于一个由n 条规则组成的t s 型 模糊推理系统，设每条规则具有下面的形式： 如果x 是a ，a n dy 是口j ，则有z = 五( ，y ) ( i ；1 ，2 ，n ) ， 系统的总输出为： 月，( x ) e ( y ) ，( x ，y ) y = 生一 ( 2 4 ) 三 心( 工) 毋( y ) l i 本文中将t a k a g i s u g e n o ( 高木关野) 型模糊推理系统与自适应 神经系统结合起来，尝试了利用已有的数据快速构建t a k a g i s u g e n o ( 高木关野) 型模糊推理系统的方法，并进行了计算机的仿真研究， 取得了满意的效果。 2 2 6 系统去模糊化的方法 7 一般模糊推理得到的结果是模糊值，不能直接用于被控对象， 需要先转化成执行机构可以执行的精确量，此过程也称为解模糊过 程，或称为模糊判决，目前去模糊方法比较多，经常用到的是：重 心法和最大隶属度法。其中重心法就是加权平均法，它可以反映整 个模糊量信息对去模糊化后精确值的影响，但计算量较大。最大隶 属度这种方法非常简单，如果只有一个元素的隶属度最大，则直接 哈尔滨下干旱大学硕十学何论文 选择模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量。最大隶属度法能够 突出主要信息，而且计算简单，但很多次要信息都被丢失了，显得 比较粗糙。针对锅炉控制系统的精度要求，考虑现有微机强大的计 算能力，在系统设计中采用的是重心法。 2 2 7 控制系统量化因子、比例因子的选择 模糊控制器中量化因子和比例因子是为了将输入、输出变量从 基本论域转换到相应的模糊集的论域。量化因子一般用k 表示，误 差的量化因子k e 及误差变化的量化因子k e c 分别由下面两个公式来 确定，即：k e = i 1 e max 和k e c = m e c ma x 。( 2 - 5 ) 每次采样经模糊控制算法给出的控制量( 模糊量) 不能直接控 制对象，还必须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去。 比例因子起的正是这个作用。输出量的比例因子由下式确定，即： k u = u 。，( 2 - 6 ) 设计一个模糊控制器除了要有一个好的模糊规则外，合理的选 择模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子也是非 常重要的。实验结果表明，量化因子和比例因子的大小及其不同量 化因子之间大小的相对关系，对模糊控制器的控制性能影响很大。 k e 选得较大时，系统的超调也较大，过渡过程较长。这是因为 k e 增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大了误差变量的控制作 用，虽然能使上升时间变短，但由于超调过大，使得系统的过渡过 程变长。 k e c 选择越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。k e c 对超 调的抑制作用十分明显。量化因子的大小意味着对输入变量误差和 误差变化的不同加权程度，在选择量化因子时要充分考虑到这一点。 输出比例因子k u 作为模糊控制器的总增益，它的大小影响着控 制器的输出，也影响着模糊控制系统的特性。k u 选择过小会使系统 动态响应过程变长，而k u 选择过大会导致系统振荡加剧。通过调整 k u ，可以改变对被控对象的控制量的大小。 量化因子和比例因子的选择并不是唯一的，可能有几组不同的 值，都能使系统获得较好的响应特性。对于比较复杂的被控对象， 1 4 哈尔滨i ：稃大学硕十学位论文 有时采用一组固定的量化因子和比例因子难以收到预期的控制效 果，所以在系统设计中采用改变量化因子和比例因子的方法，来调 整个控制过程中不同阶段上的控制特性，使其对复杂过程控制达到 良好的控制效果。 2 3 本章小结 简单的模糊控制器具有设计比较简单、控制性能比较好的特点。 但应该指出，这种控制器的模糊控制表由输入输出变量及其论域和 模糊变量的赋值表决定，一旦模糊控制表确定之后，这种模糊控制 器的控制规则就固定下来。对于不同的被控对象，简单的模糊控制 器采用不变的控制规则，不一定能获得预期的控制效果。应该尽量 采用变量化因子和比例因子的方法，以适应不同的控制阶段。 哈尔滨r 。稃大学硕十学何论文 第3 章锅炉工艺过程的机理及控制目标 3 1 锅炉的构造及工艺过程 3 1 1 锅炉的构造 蒸汽量为2 0 t h 的水管锅炉的工艺流程如图3 1 所示。 图3 1 燃煤锅炉工艺流程示意图 它主要由以下几部分组成： ( 1 ) 汽包：由上下锅简和三簇沸水管组成。水在管内受外烟气 加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和 蒸汽集聚在上锅筒里面。 ( 2 ) 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料由煤斗 落在转动的链条炉排上，进入炉内燃烧。历需的空气由炉排下面的 风箱送入，燃尽的灰渣被炉筚带到除灰口，落入灰斗中，得到的高 温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排至大 气。 ( 3 ) 过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽 的换热器。 ( 4 ) 省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气 温度的换热器。省煤器由蛇形管组成，小型锅炉中常采用有肋片的 铸铁管式省煤器或不装省煤器。 1 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 ( 5 ) 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热 燃料燃烧所需要的空气的换热器。通常，大、中型锅炉均设有空气 预热器，小型锅炉为力求简单，一般不采用空气预热器。 为保证锅炉正常工作，还必须有一些辅助设备，包括以下几部 分： ( 1 ) 引风设备：包括引风机、烟囱、烟道口部分，用它将锅炉 中的烟气连续排出，有些小型锅炉不采用引风机，而只利用烟囱的 自然抽力来排除烟气。 ( 2 ) 送风设备：由送风机和风道所组成，用它来供应燃料燃烧 所需要的空气。 ( 3 ) 给水设备：由给水泵和给水管路组成，给水泵是用来克服 给水管路与省煤器的阻力和锅筒的压力，把给水泵送入锅筒。为了 安全，锅炉房通常要有两台以上给水泵，并且采用气动和电动两种 拖动方式，起着相互备用的作用。 ( 4 ) 水处理设备：其作用为清除水中杂质和降低给水硬度，以 防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀，从而提高锅炉的经济性和安全 性。 ( 5 ) 燃料供给设备：其作用是保证锅炉所需燃料的供应。 ( 6 ) 除灰尘设备：除灰尘设备是收集锅炉灰渣并运往贮灰场地 的设备。除灰尘设备是除去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染 的设备。 3 1 2 锅炉的工艺过程 锅炉的工艺过程概括起来应包括三个同时进行着的过程。 燃烧过程：燃料在炉膛里进行燃烧，将其化学能转化为热能， 燃烧产物是高温烟气； 传热过程：高温烟气通过汽锅受热面将热量传递给气锅内温度 较低的水，进行水的加热； 汽化过程：水沸腾汽化，生成蒸汽。 根据锅炉的工作过程，锅炉控制主要分为两大部分：汽包水位 控制系统和燃烧控制系统。 哈尔滨下程大学硕十学忙论文 3 2 汽包水位控制系统 汽包水位高低是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包 水位关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。随着科学技术的飞 速发展，现代锅炉向蒸发量大、汽包容积相对减小的方向发展。这 样，锅炉的蒸发量随负荷设备的需要量频繁变化时，汽包水位的变 化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。因 此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围 之内。下面就汽包水位的控制系统作一个分析研究。 3 2 1 锅炉汽包水位系统分析 根据物料不平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动 态特性方程经推导和化简可写成： 正疋雾+ 正鲁= ( 鲁+ k w u w ) - ( 誓+ k o u d ) ( 3 - 1 ) 式中，h 为汽包水位的高度 t w 为给水流量项的时间常数( s ) t d 为蒸汽流量项的时间常数( s ) k w 为给水流量项的放大倍数 k d 为蒸汽流量项的放大倍数 d 为锅炉蒸汽流量( k g s ) w 为锅炉给水流量( k g s ) t ，t 2 为时间常数( s ) * a da 共甲u d2 瓦m ”2 i 。 上述式3 1 同时考虑了给水扰动和蒸汽流量扰动。本文在建立 模型时主要考虑给水流量的影响，而蒸汽流量就作为实际控制中的 补偿。如果蒸汽流量不变，给水流量发生变化时，汽包水位调节对 象的运动方程可表示为： 五正警+ 正警= 乃警竭“， ( 3 2 ) 将式3 2 进行拉氏交换可得： 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 互疋s 2 h ( s ) + t , s h ( s ) = 巧s ( s ) + k ( s ) ( 3 - 3 ) 由式3 3 可得到汽包水位调节对象在给水扰动下的传递函数： g 朋) = 器= 莉t w s + 河k w ( 3 - 。) 在工程中，中压以下( 蒸汽压力 2 o m p a ) 的锅炉，给水流量项 的时间常数t w 一般比较小，可以忽略不计。 锨耻器= 志( 3 - 5 ) 式3 - 5 中，占= 誓称为反应速度，即给水改变单位流量时水位 l 的变化速度，它与锅炉的蒸发量和汽包水容量有关。根据本文所控 制系统的水位被控对象的特点，给水流量的时间常数确定为5 s ，e 为2 0 r a m ，因此水位被控对象的数学模型为： g 。( 鳓：一! ：堕 ( 3 - 6 ) “ s o s + 1 1 3 2 2 锅炉汽包水位控制系统设计 在蒸汽流量扰动下，改变汽包的汽压容易发生“虚假水位”的 现象。所谓“虚假水位”就是当锅炉的蒸汽负荷突然增加时，蒸发 量大于给水量，汽包水位应下降。但在实际上，当蒸汽负荷增加时， 虽然锅炉给水量小于蒸发量，可水位不但不下降，反而迅速上升， 这种特殊现象称为“虚假水位”现象。 “虚假水位”产生的原因主要是当蒸汽流量增加时，汽包内的 汽压下降，炉水的沸点降低，使炉管和汽包内的汽水混合物中的汽 泡体积膨大，引起汽包水位上升。因此为了消除“虚假水位”现象， 一般大型锅炉在汽包水位控制中采用在给水流量反馈控制的基础上 再引入蒸汽流量前馈冲量，构成三冲量汽包水位控制系统。它包含 给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸 汽流量前馈与液位一流量串级系统组成的复合控制系统。但是在实 际控制中如果蒸汽流量的变化比较频繁，依赖模型的前馈控制器设 计是比较困难的，本文中为了体现模糊控制不依赖模型的特点采用 1 9 哈尔滨1 。稗大学硕十学付论文 的是液位一流量串级系统，构成双冲量控制回路。通常把蒸汽流量 变化作为扰动信号加入系统中，构成的控制回路如图3 2 所示。 水 出 图3 2 锅炉水位流量串级控制回路示意图 3 3 燃烧控制系统 通常将锅炉燃烧系统视为三输入三输出系统，输入量为燃料量、 送风量和引风量；输出量为主蒸汽压力、炉膛温度和炉膛负压。同 时，还存在着错综复杂的扰动参数，包括蒸汽流量扰动和燃料品质 扰动等，这些参数互相作用如图3 3 所示。 燃料量 送风量 引风量 蒸汽压力 炉膛温度 炉膛负 图3 3 燃烧系统输入输出关系示意图 3 3 1 燃烧控制系统的基本任务和组成 锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量 适应蒸汽负荷的需要，同时又要保证锅炉安全经济运行。每台锅炉 燃烧过程的具体控制任务及控制系统的选择因实际应用情况面有所 差别。燃烧控制系统的任务归纳起来有以下几个： ( 1 ) 维持蒸汽母管压力稳定。蒸汽压力反映了锅炉在运行过程 哈尔滨r ：群大学硕十学何论文 中的能量平衡和物料平衡的状况，所以，蒸汽压力调节系统除了安 全的目的之外，主要起定值负荷调节作用。当锅炉负荷增加，压力 就下降，这时，就得增加燃料的供应量以保持能量的平衡；反之亦 然。 ( 2 ) 保证空燃比。当燃料量变化时，必须相应的调节送风量， 使风量与燃料相匹配，达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。反 之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，浪费 燃料并导致严重的环境污染：如果空气过多，就会使大量的热量损 失在烟气之中，使燃烧效率降低。一般说来，烟气含载量应控制在 7 1 1 o 左右。 ( 3 ) 保证一定的炉膛负压。送风量发生变化时，必须相应地改 变引风量，以保证炉膛负压在一定范围内。炉膛压力的高低，关系 锅炉的安全运行，负压过小炉膛