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略尔滨理工大学工学硕十学位论文 中储式磨煤机制粉系统控制算法研究 摘要 中储式磨煤机制粉系统具有运行可靠、维护简单、对煤种适应性强等优 点，但它难以投入自动控制的缺点一直以来是电厂自动控制的难题。利用传 统的三套独立p i d 调节系统难以达到良好的控制效果，究其原因有下面两 个原因： 1 中储式磨煤机制粉系统是一个惯性大，迟滞性和延时性强的多输入多 输出系统，工作过程复杂；其数学模型很难建立。传统的控制器的参数是入 为设定的，因此不具备参数的自适应调节，因此难以取得满意的控制效果。 2 磨煤机的各个被控参数之f b 】耦合性强，相互之阃的影响大，使得磨煤 机常规的各自独立的三控系统在调解时容易产生共振，因此，要想获得理想 的控制效果就必须解祸 如果一个控制器能够解决好上述两个问题，就能够解决磨煤机的控制问 题。本文利用模糊控制原理，依据运行人员的经验，在深入分析磨煤机对象 特性和动态特性的基础上，针对哈尔滨热电厂# 6 炉中储式磨煤机制粉系 统，设计了分级式的f i 复合控制器。由于模糊规则是根据优秀的运行人 员的经验制定而成，所以该控制器具有良好的解耦性，而且由于引入了积分 环节，消除了被控参数的稳态误差，因而具有良好的鲁棒性。 本文在s i m u l i n k 上进行了仿真，最大限度的模拟现场运行情况，并对 仿真结果做出详尽的分析仿真结果表明，本文设计的f i 复合控制器具 有良好的控制品质。被控参数在严厉的扰动下能够较快的稳定在给定值附 近。 综上所述，该算法的提出对磨煤机控制具有定的理论价值和实用价 值。 关键词模糊控制；对象特性；动态特性；f - i 复合控制器；仿真 堕查薹矍：叁：兰竺：耋竺丝耋 a l g o i u t h ms t u d yo fc o n t r o lo n m i d d l e s t o r a g ec o a l m i l l i n gs y s t e m a b s t r a c t 1 1 圮m i d d l e s t o r a g eb a l lc o a lm i l l i n gh a st h ea d v a n t a g e so fr e l i a b l er u n n i n g f l e x i b l em a i n t e n a n c ea n da d a p t a b l et oc a t e g o r yo fc o a l h o w e v e r , t h ed i s m e r i to f i tb e i n gd i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yh a sb e e nt h ep u z z l eo fe l e c t r i c p o w e rp l a n t i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ew e l lp e r f o r m a n c eu s i n gt h et r a d i t i o n a lt h r e e s e t so fi n d i v i d u a lp i dr e g u l a t i n gs y s t e m 1 1 1 eb a s i cr e a s o ni st h a t ： 1 t h em i d d l e s t o r a g eb a l lc o a lm i l l i n gi sam u l t ii n p u tm u l t io u t p u ts y s t e m w i t ht h ep r o p e r t i e so fl a r g ei n e r t i a ，g r e a th y s t e r e s i sa n ds t r o n gt i m ed e l a y t h e w o r k i n gp r o c e s si sc o m p l e x i t ya n dd i f f i c u l tt oc r e a t em a t h e m a t i c a lm o d e l s n i e t r a d i t i o n a lp a r a m e t e r so fc o n t r o l l e ra r es e tm a n u a l l y , w h i c hc a n n o tp r o v i d ea u t o a d a p t i v ea d j u s t m e n ts oi tw i l ln o th a v es a t i s f i e dc o n t r o l l i n ge f f e c t 2 t h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e r so fc o a lm i l l i n gh a v es t r o n g e rc o u p l i n ga n d g r e a ti m p a c te a c ho t h e r s oi tm a k e st h ep i ds y s t e mc r e a t er e s o n a n c ei n m o d u l a t i n g t h e r e b yi no r d e rt og a i np e r f e c te f f e c td e c o u p l i n gm u s tb ed o n e i ft h ec o n t r o l l e rc a l ls o l v et h ea b o v et w op r o b l e mp r o p e r l y , t h ec o n t r o l l i n g o fc o a lm i l l i n gw i l lb es o l v e d i nt h i st h e s i sb a s e do nf u s s yc o n t r o l l i n gp r i n c i p l e a n dt h eo p e r a t o r s e x p e r i e n c e 船w e l la sd e e p l ya n a l y s i so fc o a lm i l l i n go b j e c t p r o p e r t ya n dd y n a m i c a lp r o p e r t yw ed e s i g nak i n do fc o m p l e xf - lc o n t r o l l e rw i t h g r a d i n ga g a i n s th a r b i nt h e r m o - e l e c t r i cp l a n tp o i n t # 6b o i l e rm i d d l e - s t o r a g eb a l l c o a l - m i l l i n gs y s t e m f o rt h ef u s s yr u l e ra r ee s t a b l i s h e do nq u a l i f i e dr u n n i n g o p e r a t o r s e x p e r i e n c e s t h ec o n t r o l l e rh a v e g o o dd e c o u p l i n gp e r f o r m a n c e ， m o r e o v e rd u et ot h ei n t r o d u c t i o no fi n t e g r a lt h es t e a d ys t a t ee r r o ro fc o n t r o l l e d p a r a m e t e r sa r ee l i m i n a t e ds ot h a ti th a sf a v o r a b l er o b u s t n e s s 1 1 1 ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e di ns i m u l i n kt o o l si nm a t l a b s i m u l a t i n g l o c a le n v i r o n m e n t s 船m u c h 嬲p o s s i b l ea n da n a l y z i n gt h er e s u l t si nd e t a i l t h e s i m u l a t e dr e s u l t sc a ns h o wt h a tc o m p l e xf - ic o n t r o l l e rw i t hg r a d i n gh a sp e r f e c t c o n t r o l l i n gq u a l i t y t h ep a r a m e t e r sc o u l dq u i c k l yb es t a b i l i z e dn e a r b yt h eg i v e n 玎 ：至篓翌二耋茎：耋竺：竺堡耋 v a l u eb yt h ec o m r o l l e ru n d e rt h es e v e r ep e r t u r b a t i o n i nab r i e f , t h ea l g o r i t h mh a sg r e a tv a l u e si nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n s k e y w o r d s f u z z yc o n t r o l ；o b j e c tp r o p e r t y ；d y n a m i cp r o p e r t y ；f - ic o m p l e x c o n t r o l ；s i m u l a t i o n 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文中储式磨煤机制粉系统控制算 法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期日j 独立进行 研究工作所取得的成果据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：老臣玄 日期：2 0 0 6 年3 月1 8 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 中储式磨煤机制粉系统控制算法研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。成果 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 湿乏 确 日期：2 0 0 6 年3 月1 8 日 日期：2 0 0 6 年3 月1 8 日 哈尔演理t 人学t 学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国是一个以煤炭为主要能源的国家，在电力行业，尽管水电和火电等近 年发展迅速，但目i ；i 我国火力发电量占总发电量的份额仍在8 0 以上。据统 计，火力发电厂的厂用电大约占总发电量l o ，而制粉系统用电量占厂用电 1 5 - 2 5 ，是电厂的耗电丈户之一。同时，制粉系统的安全经济运行直接影响 发电机组的正常运转。目前，我国绝大部分2 0 0 m w 以下燃煤机组及部分 3 0 0 m w 机组均采用中日j 储仓式球磨机制粉系统虽然该制粉系统具有运行可 靠、维护简单、对煤种适应性强等优点，但它难以投入自动控制的缺点也很突 出。制粉系统是一个多变量祸合、变量时滞和模型时变的控制对象。磨煤机的 实际运行过程很难用精确的数学模型去描述，因而使得控制理论的应用受到了 很大的限制。以往设计的控制系统是基于3 套独立的p i d 控制回路，对于各系 统之间的耦合及大迟延特性均显得无能为力，所以制粉系统一般以手动控制为 主。然而，长期手动不仅容易造成球磨机满煤、跑粉、超温等事件的发生，而且 也不能使系统长期保持在最佳工况下运行，大大妨碍了电厂的安全运行，增加 了发电成本。 1 2 本课题研究的意义 如何使制粉系统安全运行，降低单位磨煤电耗，提高机组的自动投入率， 已成为火电厂的一大攻关项目。本课题针对哈尔滨热电厂# 6 炉制粉系统的实际 情况，根据中储式球磨机制粉系统的特点，研究采用先进的控制理论和控制策 略来实现制粉系统的有效控制，改善目i j i 中储式制粉系统控制品质不佳的现 状。 通过本课题研究，设计适用于中储式制粉系统控制算法，为设计实际控制 系统提供有效的基础，具有理论价值和工程应用价值。该项目的完成将使中储 式制粉系统的控制品质有显著的改善，提高火电机组运行的安全性和经济性。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 1 3 制粉系统简介 制粉系统可以分直吹式和中储式丽大类。在直吹式制粉系统中，磨出的煤 直接吹入炉膛燃烧。而在中储式制粉系统中，磨出的煤先存储在煤粉仓理，然 后根据锅炉的需要再从煤粉仓送到炉膛里。本文涉及到的制粉系统是中储式制 粉系统。 中储式制粉系统的特点是工作可靠性高，系统发生故障不会立即影响到锅 炉的运行磨煤机的工作与锅炉工况互不牵连，相对独立。因此磨煤机可以经 常保持满负荷工作，以减少电能消耗，这对低负荷下工作经济性差的地磨煤机 来说非常重要；此外磨煤机运行灵活，也使得锅炉负荷的滞延性小。另外，中 储仓式制粉系统对煤种适应性广，可采用热风送粉，能保证低煤质的着火和燃 烧稳定。缺点是系统复杂，投资、钢材消耗。运行费用部比直吹式多【2 】。 1 3 1 中储式制粉系统的构成 中储式钢球磨煤机制粉系统一般由给煤机、磨煤机、粗粉分离器，细粉分 离器、绞龙输粉机、煤粉仓等设备构成。按照其输粉方式的不同可分为乏气送 粉和热风送粉系统。其中乏气送粉制粉系统一般如图l l 所示。不同机组的具 体管路和调节阀设计可能有所差别，但基本部具有与图中功能相似的各个调节 门。 乏气送粉制粉系统运行时，原煤和热风通过干燥管一同进入球磨机，磨制 好的煤粉由热风从磨煤机内输送至粗粉分离器分离，粗粉返回磨煤机重新碾 磨，合格的煤粉继续输送至细粉分离器被再次分离。风、粉经细粉分离器分离 后，煤粉经绞龙输粉机分配到不同的粉仓储存待用，由细粉分离器上部出来的 乏气( 携带有一部分极细的煤粉) 经排粉机提高压头后作为输送煤粉的一次风。制 粉系统不工作时，机组采用热风送粉方式，即采用排粉机入口冷、热风门的近 路风经排粉机提高压头后作为一次风。热风送粉制粉系统一般如图i 2 所示， 系统结构大体与乏气送粉相同。磨煤乏气由排粉机提高压头后经独立的风门作 为三次风进入炉膛。而一次风则来自送风机或者一次风机( 1 2 5 m w 和2 0 0 m w 机 组一般不设独立的一次风机，而直接用空预器来的热风) 竺至鎏堡：全兰：兰竺：竺耋兰 * n 圈1 一l 乏气送粉制粉系统图 f i g 1 一ls y s t e md i a g r a mo f c o n v e y i n g c o a lp o w d e rb yv e n ta i r ”n 图l 2 热风送粉制粉系统图 f i g 1 - 2s y s t e md i a g r a mo f c o n v e y i n gc o a lp o w d e rb yh o ta i r 3 哈尔滨理t 大学 学硕i 学位论文 1 3 2 中储式制粉系统的运行特点 磨煤机磨煤过程所消耗的能量主要用于简体转动和提升钢球，因此磨煤机 空载时功率较大，随着磨煤出力的增加，磨煤机功率增加较少，磨煤出力越 大，制粉单耗就越小，所以，磨煤机在高出力下保持运行，对提高制粉系统的 经济性作用较大1 3 1 磨煤机的电动机功率、进出1 3 差压、磨出力与简体内的存煤 量之间关系，可按如图l 3 所示的曲线表示。 功率 差压 出力 i 电机功率 2 进出口差压3 磨煤机出力 图1 3 磨煤机特性曲线图 f i g 1 - 3p e r f o r m a n c ed i a g r a mo f c o a lm i l l i n g 磨煤机投入运行时，随着筒内存煤量的不断增多，电动机功率也不断增 大。当功率达到最大时，磨煤机出力并没有达到最大，出力最大点在功率最大 点右边，因此，将磨煤机运行工作点推向最大出力点附近，既可提高出力，又 可节约单位电耗。随着存煤量的增加，出力逐渐增加，存煤量达到一定时的出 力将达到最大。继续使存煤量增加。出力反而减小，球磨机将出现进煤大于出 粉的情况，球磨机内存煤量急剧上升，造成堵煤。磨煤机制粉能力的大小受磨 煤机制粉出力、干燥出力和通风出力三者的限制，而且等于三者中较小者。 1 磨煤机出力磨煤机出力除了与设备类型，简体转速及煤种有关外，还有 钢球数量、规格和筒内载煤量有关。由图l 3 可知，提高磨煤机出力和降低磨 煤机电耗的关键在于维持简内的合理载煤量。 2 千燥出力影响磨煤机干燥出力的因素主要足煤的水分、热风温度和干燥 风量。在乏气送粉系统中，则通常为热风加冷风。为了保持磨入口负压、降低 风机电耗、提高锅炉燃烧效率，磨a d 总风量需在一定范围内调节。 哈尔滨理t 人学t 学顾十学位论文 3 通风出力磨煤机内磨制好的煤粉需要有相当的磨煤通风量将其携带 出。如果风压大，则制出的煤粉较粗，将会导致燃烧不充分，容易结焦等 现象出现，不满足生产要求；压力过低时，煤粉过细，增加磨煤机负担， 使得大好过大，生产成本增加。 一般在乏气送粉系统中采用磨煤机入口冷、热风门束协调干燥风量和磨煤 风量；而在热风系统中则优先采用磨煤机入口热风门、磨煤机再循环风门来调节 磨煤粉量和干燥风量的配比，磨煤机冷风门只作为辅助调节手段。 1 4 课题难度 磨煤机控制难度可归为四点：客观性差；被调量与控制变量关系复杂；影 响因素多；动、静态差异大。 1 4 1 客观性差 现有磨煤机的控制是存煤量为基础的，但是由于钢球磨煤机内部结构复杂 和测量手段的限制，无论采用差压测量还是震动信号测量部有较大误差。因 此，以存煤量为基础的控制具有一定的局限性。 1 4 2 被调量与控制变量关系复杂 钢球磨煤机是一个多输入( 给煤机转速，热风门开度，循环门开度等) 多 输出( 磨煤机负荷，出口温度，入口负压) ，强耦合，大惯性，大延时的时变系 统。如果采用常规的p i d 调节，强行割裂各变量之日】的关系，不但不能取得良 好的控制效果，而且极易造成系统不稳定。 1 4 3 影响因素多 磨煤机的被控量主要受给煤量，热风门，冷风门开度的影响，但是还受到 钢球装载量，煤含水量，煤含灰量，冷、热风温度高低的影响。 1 4 4 动、静态差异大 钢球磨煤机的各被控量之间的动态差异非常大，主要表现为有自平衡能力 和无自平衡能力。这是不利于控制的特点。 哈尔演理t 大学t 学硕+ 学位论文 1 5 磨煤机制粉系统自动控制的研究现状 目前国内的各火电机组制粉系统的自动控制通常采用的是三个独立的p i d 回 路，即由磨煤机冷风门或排粉机再循环风门控制磨煤机入口负压，由磨煤机热 风门控制磨煤机出口温度，由给煤机转速控制磨煤机负荷。这种设计思路简单 清晰，易于实现，但由于磨煤机的三对输入输出参量日j 存在强烈的耦合作用， 导致自动常常不能长时i 日j 稳定投入；同时由于被控对象的时变性和非线性，使 得系统很可能在某一工况下是稳定的，而在另一工况下却出现不稳定。实践表 明，国内大多数采用这一类调节方法的制粉系统自动投入情况部不尽如人意。 随着先进控制理论和检测技术以及计算机技术的飞速发展，火电厂的热工 控制水平有了较大提高，球磨机制粉系统这一较难控制的系统开始受到研究人 员的重视，人们在消化引进国外钢球磨制粉系统控制技术的同时，积极探索采 用先进实用的控制手段。一批基于多变量控制理论、解耦控制、模糊控制论、 预测控制、自适应控制理论的控制策略被应用于球磨机制粉系统的控制中，并 取得了一些理论和实践应用方面的成果。由于模糊控制足通过模仿人操作行为 的控制方法，专门用于人能操作好、但常规控制系统难于控制好的复杂过程， 而中储仓式钢球磨制粉系统正是这样的一个过程，因此，从方法论上来说，建 立在模糊集合理论基础上的模糊控制方法，可以较好地解决制粉系统的复杂控 制问题。一些电厂在把模糊控制应用于磨煤机的自动控制后，系统控制品质及 鲁棒性都很好。从运行情况看，磨内负荷可以维持在非自稳状态的高负荷区， 增加了制粉效率，在保证系统安全运行的同时，也提商了经济效益及自动化投 入率，有效降低了厂用电 5 ，6 1 。然而，模糊控制并不能十分满意地表达经验知 识，推理规则仅仅是与人的思维比较接近的一种人为的规定，而以函数形式表 达的控制规则，是通过总结人的控制习惯得出的理想化的模型，所以完全以函 数形式表达的规则不可能适应于所有的对象。同时，磨煤机特性的个体差异较 大，即便是同一台机组、同一型号的磨煤机，也会因为系统安装、维护及运行 时日j 的不同，使运行规则存在很大的差异。因此，这些先进控制方法在制粉系 统的某些环节得到应用。但是对于庞大的中储式制粉系统而言，还没有哪种控 制方法可以解决整个制粉系统的自动控制并具有普遍性。 哈尔滨理下大学t 学硕十学位论文 1 6 课题研究的理论依据 1 6 。1 模糊控制理论概述 美国加利福尼亚大学的z a d e h 教授于1 9 6 5 年创建模糊集理论，在随后的几十 年罩随着模糊系统理论在工业界的成功应用，越来越多的学者开始研究模糊系 统理论。1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 成功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控 制，标志着模糊控制首次进入电力生产领域1 7 , 8 9 j 。模糊控制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本身提供了由专家构造语占信息并将 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，是处理系统和控制系统中不精确和不确定性 的一种有效方法。模糊控制是模糊数学同控制理论相结合的产物，属于现代控 制理论的一个分支，它与专家控制、神经网络控制一起构成了智能控制领域 d o , i q 。模糊控制适合那些常规自动控制难以实现，而有经验的操作人员进行手 动控制却可以收到令人满意的效果的场合。模糊控制是建立在人的直觉和经验 的基础上，把那些熟练操作人员的实践经验进行总结和形式化描述，用语言表 达成一组定型的条件语句和不精确的决策规则，然后利用模糊集合作为工具使 其定量化，用形式化的人的经验法则模仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的 工业过程进行控制l l 乙”j 。 一般而言，模糊控制器的设计一般大致可分为三部分。首先，将精确的输 入量模糊化，通过隶属函数的建立，完成精确的数学量到模蝴的语言变量的转 换。隶属函数通常采用三角函数，j 下态分布函数等，以符合人的思维方式，这 部分功能称为模糊器。第二步是进行模糊推理，即是根据控制过程的输入模糊 变量和预先取得模糊规则库，通过某种合理的方法进行归纳组合，从而获得模 糊推理结果即输出模糊结果集的过程。由于推理规则库主要是按现场的操作经 验与知识而建立的，因此模糊控制具有一定的模拟人的思维的特点，这部分功 能称为模糊推理机。第三部是解模糊过程，将推理得到的模糊语言控制量转化 为精确的数学变量，去驱动控制机械装置，这部分功能称为解模糊器。因此， 简单来说模糊控制器就是由模糊器、模糊推理机、解模糊器构成的控制系统“。 l7 】 ， o 与传统经典控制方法比起来，模糊控制的特点为： 1 设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模型，但要对受控对 哈尔滨坪t 人学t 学顾十学p 论史 象的特性有充分了解，足以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建 立知识模型的。 2 用语言变量代替常规的数学变量，或两者结合运用，柬构造形成专家的 知识库。 3 控制系统的鲁棒性强，适应于常规控制难以解决的非线性，时变性，多 层次，多干扰的滞后系统i 博】。在常规模糊控制中，一般根据( 被调量与给定值 之问的) 偏差和偏差变化来确定控制作用，但用这种简单形式的模糊控制规则 来全面地描述操作人员的控制经验是很困难的，而在不同工况下，控制规则也 不一定相同。比如，按额定负荷工况下模糊控制规则设计的控制系统在低负荷 下的控制性能就不理想，这是因为模糊控制本身自适应能力有限，因此常规模 糊控制的性能受到很大的限制。另外，球磨机是一“多输入多输出”的强耦 合、非线性、大延迟、大惯性的复杂系统，由于被控过程的非线性、高阶次、 时变以及随机干扰等因素的影响，造成模糊控制规则比较粗糙或者不够完善， 也会不同程度的影响控制效果。 1 7 论文内容 本文对球磨机制粉系统的特性进行了详细的分析，对球磨机制粉系统的控 制和优化运行提出了一些新颖的思路和方法。第二章，介绍了模糊控制的理论 基础、模糊控制器的结构和原理及模糊控制器的设计过程。第三章，介绍了球 磨机制粉系统的对象特性及相关的动态数学模型。第四章，对所设计的控制器 进行详细阐述，并对仿真结果加以分析。 哈尔滨理t 大学t 学颅i 学位论文 2 1 模糊控制技术 第2 章模糊控制理论与方法 我们熟悉的一类控制器算法，如：p i d 控制器、自校正控制器、预测控器、 神经网络控制器等各种现代控制算法，都是基于对象数学模型的控制方法，即 在设计控制器或整定控制器参数时，都要精确知道被控过程的动态数学模型 l l 副。但是在热工过程控制中，尤其像中储式钢球磨制粉系统的相关过程，往往 存在着严重的非线性、时变性和各种不确定性，很难用精确的数学模型来描述 制粉系统整个过程的动态特性，这时，用基于数学模型的控制方法难于取得满 意的控制品质。另一类控制器的设计并不需要精确知道被控对象的数学模型， 而只是根据人的操作经验来设计控制器，这类控制器称为类人决策控制器或智 能控制器，如模糊控制系统、各种自学习控制系统及专家系统等。比如上面所 提到的复杂热工过程，若采用基于操作人员经验的智能控制方法，则相对而 言，要比基于对象模型的控制算法更有效。 在上述的智能控制中，模糊控制足最典型的智能控制技术之一 1 9 6 5 年，美国著名控制论学者l a z a d e h 发表了原创性的论文，第次提出 了与传统控制理论完全不同的模糊集合论，在以后又多次进行了理论上的深 化。1 9 8 6 年，世界上第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在著名的a t & t 实验室 研制成功。在这短短的2 】年时间咀，模糊控制实现了从理论研究到实际应用的 跃变，这一事实说明模糊控制理论这门新兴的学科具有十分强劲的生命力和广 阔的应用前景。模糊控制提供了一种新的很有魅力的工具与手段，具有很多优 点：能表现自然语意；可进行模糊逻辑和近似推理。模糊控制规则主要来源于操 作者的某些经验、诀窍和专家知识。从某种意义上讲，模糊控制的实现也是专 家系统的一次成功应用1 1 3 a 4 1 5 】基本的模糊控制器结构如图2 l 。 在计算模糊控制算法时，首先计算实际输出值与给定值的误差，然后将误 差的精确量转化为模糊量，经过模糊控制规则处理，得出模糊输出变量，最后 将模糊变量经过去模糊处理( 模糊判决) 得到精确值，送至被控对象实施控制动 作，这就是模糊控制的基本过程。 。 模糊控制器涉及的模糊f f u z z y ) 概念的论域有3 个：偏差e ( 或e ) 偏差变化率 c ( 或a ) 、控制量输出u 。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 幽2 1 模糊控制系统的基本结构图 f i g 2 - - 1b a s i cs 帆c t u c h a r t o f f u z z y c o n t r o ls y s t e m 模糊控制根据偏差和偏差变化率综合地进行权衡和判决，如图2 - _ 2 所示。 给定值 最大正误差 最大负误差 图2 _ _ 2 偏著及偏筹变化率示意图 f i g 2 - - 2d e v i a t i o na n dv a r i a b l er a t eo f d e v i a t i o ns k e t c hm a p 当偏差为负大，偏差变化率也为负大( 图中，负区中箭头向下的点) 时，这时 的控制量应为正大。如果偏差仍是负大，而偏差的变化率为正大( 图中，负区中 箭头向上的点) 时，是即使不改变控制量，偏差也将会减小。在人们的习惯思维 中，常把事物分为3 个等级，如液位可分为高、中、低，人的年龄可分为老 中、青等，究竟液位或年龄值是多少才算高或老，我们并不能很精确的知道。 因此，对偏差及其变化率和控制量的判断当然也可用“大”、“中”、“小”3 个等级的模糊变量来区分。例如：对偏差( 论域e ) ，则有偏差大、偏差中、偏差 小；对偏差变化率( 论域c ) ，则有速率大、速率中、速率小；对控制量( 论域 u ) ，则有控制量大、控制量中、控制量小等，当然，也可以进步将论域细分 到更小的档次，具体需视实际情况而定。 哈尔滨理t 久学t 学硕+ 学位论文 2 2 模糊控制的原理 模糊控制系统的设计无需知道被控过程的数学模型，而只是根据专家提供 的语占模糊规则，因而模糊控制是一种模仿人操作经验的非线性控制。模糊控 制的价值体现在以下两个方面：第一，模糊控制提出了一种新的用于实现知识 ( 规则) 甚至语义描述的控制规律；第二，模糊控制为非线性系统提出了一个比较 容易的设计方法。特别是当被控对象含有不确定性且很难用常规线性理论处理 时，模糊控制则更加有效。 模糊控制主要基于模糊集合理论和模糊推理方法，以下先对模糊控制的相 关基础理论作简单介绍。 2 2 1 模糊控制理论的数学基础 1 模糊集合与隶属函数在经典集合理论中，任何一个元素与任何一个集 合之日】的关系，只有“属于”和“不属于”两种情况，绝对不允许模棱两可。而模糊 集合则把它扩展为可被称作“隶属度( d e g r e eo fm e m b e r s h i p ) ”的从0 到l 之间 连续的变化值来描述元素属于该集合的程度。 设 u ) 是一连续或离散的集合，u 定义为论域( u n i v e r s eo fd i s c o u r s e ) ，1 1 表示 论域u 中的元素。模糊集合是用隶属函数来表示的，它在【0 ，1 1 区间内可连续取 值。 【定义l 】：论域u 中的模糊子集a ，是以函数“。为表征的集合。即由映射 1 4 ： u _ o ，l 确定论域u 的一个模糊子集a 。“称为模糊子集的隶属函数，1 4 a ( “) 称为1 1 对a 的隶属度，也可简记为( “) 它在【o ，l 】闭区日j 内可连续取值。 上述定义表明，。( “) 的值越接近于l ，表示“从属于a 的程度越大；反 之，“。( “) 的值越接近于0 ，表示u 从属于a 的程度就越小。显然，“( ”) 的值域 为 0 ，l ，隶属函数“己蜕变为普通集合的特征函数，模糊集合a 也蜕变为一个 清晰集合。 模糊集合的几种表示方法： z a d e h 表示方法： 当u 为离散有限域 u l1 1 2 ，u 3 1 l i i ) 时，按照z a d e h 表示方法，表示方法 如式2 1 所示： 哈尔演理丁大学t 学硕十学位论文 ：业+ 型+ 从盟跚 卿“2月 。 式中4 ( q 珈，并不代表“分式”而是表示对于集合a 的隶属度“。( 蜥) 和元素本 身对应关系。“+ ”也不表示“求和”，而是表示论域u 上组成模糊集合a 的全 体元素t t 。( i = l ，2 ，3 n ) 问排序与整体间的关系。 当u 为连续有限域时，按照z a d e h 表示方法为： a ；f 竺生盟 ( 2 2 ) 式中f ( 积分符号) 并不表示积分运算， 度“。( “) 之间一一对应的总体集合。 矢量表示法： 如果单独地将论域u 上的元素a c i = l ， 糊子集a ，则可以是： 而是表示连续论域u 上的元素u 与隶属 2 ，3 n ) 按顺序写成矢量形式来表示模 a = ( a ( u t ) ，a ( u 2 ) aaa(u。)(2-3) 上式即为矢量表示法。应该注意的是：为了使各个模糊集具有相同的矢量 维数，在矢量表示法中隶属度为0 的项不能省略，必须依次列入。 序偶表示法： 若将论域u 上的元素虬( i = l ，2 ，3 n ) 与其对应的隶属度值4 a ( 虬) 组成序偶 ，也可将a 表示成： a = 。 a ( 2 - 4 ) 2 模糊关系描述元素之日j 相互关系的数学模型称为关系，而描述元素之间 相关程度的数学模型称为模糊关系。模糊关系是模糊数学的重要组成部分。 模糊关系的定义： 两个非空集合u 和v 之间的直积 u 矿= z , v | “e u ，v v 中的一个模糊子集r 被称为u 到v 的模糊关系，又称为二元模糊关系，其特性 可用下面的隶属函数来描述： ：u x v _ 【o ，i l 隶属函数u r ( 轧v ) 表示序偶i l v 的隶属程度，也描述了沁v ) 问具有关系r 的量级。特别在论域u = v 时，称r 为u 上的模糊关系。当论域为n 个集 u 。( i - l 2 n ) 的直积u ，x c ，2 ax u 。时，它们所对应的模糊关系r 称为n 元模糊 关系。 3 模糊逻辑推理模糊逻辑推理是一种不确定的推理方法，是以模糊逻辑为 哈尔演理t 人学t 学颅十学位论文 前提运用模糊语占规则，推出一个新的近似的模糊结论的方法。 模糊推理的z a d e h 方法： 模糊取式推理 己知模糊蕴含关系a b 的关系矩阵r ，对于给定的a a u ，则可推得结 论b ，b v ，且b 为： b f - a 。r 模糊拒式推理 已知模糊蕴含关系爿_ b 关系矩阵r ，对于给定的b ，b 。v ，则可推得结论 a i ，a t u ，且a 为： a 。= r b 2 2 2 模糊控制器( f u z z y c o n t r o l l e r ) 结构及工作原理 - 模糊控制是一种以模期集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基 础的新型计算机控制方法。它的基础是模糊数学，实现手段是计算机。模糊控 制系统的基本结构如图2 一l 所示：其中模糊量化、模糊规则、模糊推理和解模糊 四部分统称为模糊控制器。 要实现语占控制的模糊逻辑控制器，就必须解决三个基本问题1 1 4 , 1 6 | 。 1 通过传感器将检测到的物理最转换成电量。再通过模数转换器将转换成 精确的数字量，输入至模糊控制器后，首先要把这些精确的输入量转换成模糊 集合的隶属函数，这一步称为模糊量化，其目的是把传感器的输入转换成知识 库可以理解和操作的变量格式。 2 根据有经验的操作者或专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻 辑推理以得到一个模糊输出集合，即输出一个新的模糊隶属函数，这一步称为 模糊控制规则的形成和推理，其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个 控制规则确定其适配的程度，并且通过加权计算合并那些规则的输出。 3 根据模糊逻辑推理得到模糊输出，再用不同的方法找一个具有代表性的 精确值作为控制量，这一步称为解模湖判决。其目的是把分布范围概括合并成 单点的输出值，加到执行器上实现现场的控制。 2 2 3 模糊控制器的设计 模糊控制器在模糊控制系统中占有举足轻重的作用，因此设计和调整模糊 控制器的工作是非常重要的。 哈尔滨理t 夫学t 学硕叶学位论文 模糊控制器的设计包括以下几项内容： 确定模糊控制器的输入变量和输出变量； 设计模糊控制器的控制规则： 确定模糊化和解模糊的方法； 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数 ( 如量化因子、比例因子等) ： 编制模糊控制算法的应用程序； 1 糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制的输入变 量和输出变量。究竟选择何种信息作为模糊控制器的变量，必须深入研究手动 控制过程中有经验的操作人员主要根据哪些信息去控制被控对象向预期目标逼 近。 0 手动控制过程中的信息量 人在进行手动控制时，操作者期望实现控制目标，一旦偏离了目标，操作 者便根据偏差的大小进行调整误差的“大”或“小”在人脑中是模糊的。在 整个手动过程中，人所获得的信息一般可以概括为三个：误差、误差的变化和误 差变化的速率。 模糊控制器的输入输出变量 由于模糊控制器的控制规则往往是根据手动控制的大量实践经验总结出来 的，因此模糊控制器的输入变量自然也可以有三个：即误差、误差的变化和误差 变化的速率；而输出变量一般取控制量的变化，即增最。通常将摸糊控制器输 入变量的个数称为模糊控制器的维数，常见的模糊控制器的结构有三种形式， 如图2 - _ 3 所示： 厶昏吒匿卜上而赢卧 bc ( ( 鼻) 二囊c ) 三雄 图2 _ _ 3 模糊控制器的结构一般形式 f i g 2 - 3g e n e r a lf o r m a to f f u z z yc o n t r o l l e rf r a m e w o r k 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制的效果越好，但是维数高的模 糊控制器实现起来相当复杂和困难。而维数低的控制器控制效果又不太理想， 因此目前大多使用的是二维模糊控制器，其控制精度一般可以满足要求。 2 模糊控制器规则的设计模糊控制规则的设计是设计模糊控制器的关键， 哈尔滨理t 人学t 学硕+ 学位论文 具体内容包括三个方面：选择描述输入输出变量的模糊子集、定义各模糊变量的 模糊子集和建立模糊控制器的控制规则。 选择描述输入输出变量的模糊子集 模糊控制器的控制规则一般表示为一组条件语句。在条件语句中用于描述 输入输出变量状态的词汇( 如“正大”、“负小”等) 的集合，称为这些变量的 词集，亦称变量的模糊状态。一般选用“大、中、小”三个词汇来表示输入输 出变量的状态。由于人们的行为在正负两个方向的判断是基本对称的，将 “大、中、小”加上正负方向并考虑到零点状态，这样一共就有七个词汇，即： 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 或用英文词头缩写的形式表示为： n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b 选择较多的词汇描述输入、输出变量可以使制定控制规则方便，但是控制 规则相应变得复杂。选择词汇过少，使得描述量变得粗糙，导致控制器的性能 变坏。一般情况下都选择七个词汇，但也可以根据实际需要选择三个或五个语 言变量。 对误差变化这个输入变量，在选择描述其状态的词汇时，常常将“零”分 为“正零”和“负零”，以表示误差的变化在当前是“增加”趋势还是“减 少”趋势。于是子集又增加了正零( p o ) 和负零( n o ) 。 描述输入输出变量的词汇部具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此， 模糊集合的确定问题就转化为求取模糊集合隶属函数的问题了。 定义模糊变量的模糊子集 定义一个模糊变量实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确 定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应 模糊变量的子集。 在选择隶属函数时，要注意表示隶属函数的模糊集合必须是凸模糊集合， 即在最大隶属区域向两边延伸时，其隶属度只能单调递减，不允许呈波浪形。 在实际应用中通常耿为三角形、梯形或正态型分布曲线。 从自动控制的角度出发，希望一个控制系统在要求的范围内能够很好地实 现控制。模糊控制系统设计时也要霞视这个问题。因此在选择描述某一模糊变 量的模糊子集时，要使它们在论域上分布合理，即较好地覆盖整个论域。通常 的方法是：在定义这些模糊子集时要注意使论域中任何一点对模糊子集的隶属度 的最大值不能太小，否则在这样的点附近将会出现控制动作的死区，使控制品 质变坏。 此外，还需考虑各模期子集( 尤其是相邻的两个模糊子集) 之间的相互影响。 哈尔滨理t 夫学t 学硕十学位论文 在图2 4 中，a 1 和a 2 分别为两种情况下两个模糊子集a 和b 交集的最大隶属 度，显然a l 大于a 2 。一般可用a 值( 两个模糊子集交集的最大隶属度) 大小来描述 两个模糊子集之间的影响程度。当a 值较小时，控制动作的灵敏度较高；而a 值较大时，具有较好的适应系统参数变化的能力。a 值不宜取得过大或过小，a 值过小，控制动作的变化太剧烈，控制系统不易稳定运行；a 值过大，则两个模 糊子集难以区分，造成控制灵敏度大大下降，控制精度得不到保证。 图2 - - 4 不同模糊子集的相互天系 f i g 2 - _ 4c o r r e l a t i o no f d i f f e r e n t 呦s u b s y s t e m 建立模糊控制规则 模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的。利用模糊集合理论可 将手动控制策略归纳为具体的控制规则，根据推理运算的结果得到相应的控制 作用。 要建立模糊控制器的控制规则，就是要利用语言来归纳手动控制过程中使 用的控制策略。手动控制一般都可以用“i f t h e n ”形式的条件语句来加以描 述。常见的模糊条件语句及其对应的模糊关系有： 1 ) i f a t h e n b ( 若a 则b ) r = a x b 2 ) i f aa n d b t h e n c ( 若a 且b 则c r 鼍a b ) ( b c ) 这条语句也可表示为： i f a t h e n i f b t h e n c ( 菪a 则若b 则c ) i 净a x ( b x c ) 3 ) i r a t h e n be l s e c ( 若a 则b 否则