【JL046】基于MATLAB的锅炉水位模糊控制系统的设计和分析
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导教师 ： 刘 雪梅 论 文 题 目： 基于 班 级 ： 191002 学 生： 何羊羊 学号 ： 103591 背景 锅炉是化工、石油、电力等工业部门的重要热源、能源动力设备，锅炉控制系统的水平已经成为衡量锅炉性能的一个重要因素。 意义 对锅炉和工业炉采用计算机和模糊控制，具有减少环境污染，降低氧化物燃烧率，提高自动化水平，改善劳动条件等优点，同时可提高热效率，对实现工业现代化有一定的促进作用。 本文的背景及意义 论文的结构和主要内容 第一部分 绪论 第二部分 控制方法分析 第三部分 锅炉汽包水位系统特性与控制策略分析 第四部分 锅炉汽包水位控制方法设计与仿真研究 第五部分 总结与展望 主要内容 本文就锅炉水位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉水位控制特性提出的问题，建立了锅炉水位控制特性的数学模型，分别采用 过仿真比较得出模糊控制方法优于 模糊控制器的设计 模糊化过程，知识库，模糊推理，反模糊化计算 产生虚假液位的原因 （ 1）锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化（汽容积增加）而引起汽包水位上升（ 2）蒸汽流量增加，汽包汽压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水的汽化，使汽包水位随压力下降而升高。总之，由于存在“虚假液位”现象，当负荷蒸汽流量增加时，汽包水位开始不但不降反而上升，即先上升后下降；当蒸汽负荷量突然减小时，则汽包水位变化的情况相反，先降后升。 模糊推理及控制规则 模糊推理 C表示输出模糊量 U， 控制规则 if e ec if e ec if e ec n d n d .4914 传递函数的推导 给水流量主通道传递函数及蒸汽流量干扰通道传递函数 )1()1()()()(2101 )()(12221 K d V w V 111)()()(2212202 )()(02 201 01()(（仿真研究 系统仿真 仿真波形 模糊系统仿真 模糊 仿真过程 定义输入输出变量和语言隶属度，定义语言变量隶属度 仿真过程 定义模糊控制规则及输出预览 模糊 总结及展望 全文总结 针对工业过程中出现的非线性、大滞后、强耦合、难于控制的工业锅炉控制对象的特点，在传统 合当前发展比较迅速的模糊控制理论，使用模糊控制理论和 合 系统保持最优的瞬态参数，易于达到满意的控制效果 未来工作展望 在锅炉控制系统中，目前只是考虑了每个控制系统中的控制量，忽略了其他控制系统的参量对本控制系统的影响，毕竟锅炉控制系统中的各控制量是存在相互耦合的，对整个锅炉的控制方案在以后的工作中还有待于有更全面的改近。 大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够顺利完成，要特别感谢我的导师刘雪梅老师，感谢各位系的老师的关心和帮助。 最后向所有关心和帮助过我的人表示真心的感谢。 致谢 英 文 翻 译 系 别 自动化系 专 业 自动化 班 级 191002 学生姓名 何羊羊 学 号 103591 指导教师 刘雪梅 外文翻译 on is an of it is to to as in be in an in if s in if or or in to of if is of of In or of to by in of o, in to to of a d v a n c e d l e v e l c o n t r o l m e t h o d s a n d s t r a t e g i e s . is on DE is in of to of In of it to in to in is is a of 一 is a in A to a a by a ID to on of to at of is to a as of a or of a in ID ID of be in of of to an to of of ID of or or to is by of to A be a P in of PI is to of an to of a is to s at of to on a to at is a of or is to is is e), or by As a to is of of a of a be of as it is be of as is or to a is is is to a to If to be in a or A do we ID do to be up is as If a a at by be in to in or to on on V. on V as to or in a to In a be to a a an to V. in to a is an of a to of of or of ID ID ID is to ID of as he a to is to be by by a p, is a e: t: or of pA in a in a in If is In a in a to a a or If is be to In of at a is a of it is of he is to of of is by to of of to is by is a e: : in to to of a is to it to a in on he of of is by of to of by d. of of to is is a e: t: or of of is to is to of by of a in is to in a to if he to of ID u(t) as of ID p: p An to i is be by we d to to in of 二 is to to By it to In to a to is UI to It as re to a of to or to + is it in to is a It in an in is it is to a is a of on it to or It is of a of be is a in is or of or is it be a a to an as t or be in is at of DE to be in is to is it a or of of or a as a QL as or or to or a or 四 of is an to So is of of is a 8/2000 / NT E, as is to of is to of to it a as as of of it of is in it it is ok of be to to in an in a of , 3 in , 0 t In to 27 55 of by a b 本科毕业设计论文 题 目 基于 专业名称 自动化 学生姓名 何羊羊 指导教师 刘雪梅 毕业时间 2014 毕业 任务书 一、 题目 基于 二、 指导思想和目的要求 通过毕业设计，加深对所学自动控制 原理，过程控制，计算机控制技术，电力电子等的基本原理的掌握及应用，达到理论联系实际，提高计算和动手能力的目的，为今后的学习工作打下一定的基础。 三、主要技术指标 1被控量的稳态误差为 ： 02动态质量：超调量小于 20%分很高很高的 、进度和要求 1. 准备阶段 ， 完成开题报告与外文翻译 第 1周 第 2周 2. 完成总体设计方案的论证并撰写开题报告 第 3周 第 4周 3. 理论推导被控对象的数学模型，分析未校正系统的性能。第 5周 第 8周 第 9周 第 12周 第 13周 第 14周 第 15周 五、主要参考书及参考资料 1 卢京潮自动控制原理西安：西北工业大学出版社， 2010 2 薛定宇，陈阳泉系统仿真技术与应用清华大学出版社， 2004 3 韦巍智能控制技术北京：机械工业出版社， 2000 4 徐兵过程控制北京：机械工业出版社， 2004 设计 论文 5 李世勇模糊控制与智能控制哈尔滨工业大学出版社， 2006 6. 郭庆祝 任光 合智能控制理论的船用锅炉水位仿真研究 2005(3)： 16 18 7. 耿瑞 自适应模糊 制系统计算机仿真 2007(1)： 43 46 8. 王立新 第一版 华大学出版社， 2003 9. 张建民，王涛，王忠礼 第一版 金工业出版社，2003 10. 席爱民 . 模糊控制技术 . 西安 :西安电子科技大学出版社 ， 2008 11. 王海英 . 袁丽英 . 吴勃 北京：高等教育出版社 . 2012 12精讲多练 西安交通大学出版设 . 2012 13糊控制理论与工程应用 M中科技大学出版社， 2006 14糊控制在液位控制系统中的设计 2013第 24期 15 汽包水位模糊 电脑知识与技术 . 2010第 21期 学生 何羊羊 指导教师 刘雪梅 系主任 史仪凯 西北工业大学明德学院本 科毕业设计论文 I 摘要 锅炉是化工、石油、电力 等工业部门的重要热源、能源动力设备，锅炉控制系统的水平已经成为衡量锅炉性能的一个重要因素。锅炉安全经济的运行时刻保障着国民财产生命安全，促进国民经济发展，锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其使用安全性尤其重要。计算机控制系统的主要任务是对锅炉的主要被控参量进行自动控制，使锅炉在要求的良好工作状况下更好的运行。 本文就是针对锅炉汽包水位的动态特性，研究模糊 文分别介绍了传统控制 糊控制理论的起源与发展及其优缺点，通过对锅炉汽包水位动态特性的探 讨，分析了锅炉汽包水位的控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量之间的关系。通过对锅炉汽包水位的研究，得出传递函数以及特性曲线。分别采用传统的 糊控制算法分别对锅炉的汽包水位进行控制，并采用 行仿真验证，仿真结果证明，模糊 制有很好的控制效果，可满足锅炉的汽包水位控制要求。 对锅炉和工业炉采用计算机和模糊控制，具有减少环境污染，降低氧化物燃烧率，提高自动化水平，改善劳动条件等优点，同时可提高热效率，对实现工业现代化有一定的促进作用。 关键词： 锅炉水位 糊控制， 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 is an of an to of of of of an of is by of is of is of in a is at of in of of by of of of of of ID to of a in 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 of 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 录 第一章 绪论 . 1 题背景与意义 . 1 . 3 文的主要研究内容 . 5 第二章 控制方法分析 . 5 . 6 糊控制方法 . 8 糊控制理论的起源与发展 . 8 . 10 . 11 . 13 量化因子和比例因子的选择 . 17 糊控制的主要优点 . 19 糊控制存在的问题 . 19 . 20 . 21 第三章 锅炉汽包水位系统特性与控制策略分析 . 22 包水位的动态特性 . 23 包水位在给水流量作用下的动 态特性 . 24 包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 . 25 炉汽包水位控制 . 27 冲量控制系统 . 28 冲量控制系统 . 28 冲量控制系统 . 28 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 V 章小节 . 29 第四章 锅炉汽包水位控制方法设计与仿真研究 . 30 炉汽包水位的 . 30 炉汽包水位的模糊控制 . 311 . 321 . 321 . 343 . 365 . 365 . 41 第五章 总结与展望 . 433 . 443 . 443 参考文献 . 454 致谢 . 465 西北工业大学明德学院本 科毕业设计论文 1 第一章 绪论 题背景与意义 中国的锅炉产业，既不是 “ 朝阳产业 ” ，也不是 “ 夕阳产业 ” ，而是与人类共存的永恒产业，在中国还是一个不断发展的行业。 20世纪 80年代以后，中国经济快速发展，锅炉行业尤为突出，全国锅炉企业增加将近二分之一，并形成了独立研发开发新产品的能力，产品的技术性能已接近发达国家的水平，锅炉是经济发展时代必不可少的商品，未来将怎样发展，是非常值得研究的。 目前，我国有工 业锅炉几十万台，各种工业炉窑十万余台，由于技术落后，设备落后，操作水平低，目前锅炉和工业炉窑普遍存在着热效率低，能耗高的问题。我国正面临着能源短缺的危机，锅炉和计算机控制是一项重要的节能措施，实践证明，炉窑采用计算机控制可以节能 6% 10%。此外，锅炉和工业炉采用计算机控制，还具有减少环境污染，降低氧化物燃烧率，提高自动化水平，改善劳动条件等优点。计算机控制系统的主要任务是对锅炉的的主要被控参量进行自动控制，使锅炉在要求的良好工作状况下更好地运行。 锅炉是化工、石油、电力等工业部门的重要热源、能源动 力设备，锅炉控制系统的水平已经成为衡量锅炉性能的一个重要因素。锅炉安全经济的运行时刻保障国民财产生命安全，促进国民经济发展，锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其使用安全性尤其重要。只有在充分保证锅炉生产安全，保护环境和运行可靠的前提下，可以通过科学管理，技术革新，提高运行及操作水平，使锅炉实现热效率高的状态。考虑到锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性，稳定性，经济型具有重要的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用。其中压力、温度、水位是衡量锅炉运行质量的重要指标，水位过高会影响汽水 分离，产生汽带水现象；水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，引起重大事故。所以，务必对汽包水位进行自动调节，使水位在精确控制的规定范围内变化。正常运行时的锅炉燃烧系统务必使出口的过热蒸汽温度维持在一定的可调控范围内，此参数的控制程度直接影响着机组运行的经济性和安全西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 性。过热炉蒸汽温度过高会使过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热炉蒸汽温度过低，会降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。因此，必须把水位、压力、温度严格控制在规定的范围内。 为了满足负荷设备的要求，使锅炉能够安全性及经济性的运行， 工业锅炉主要有以下的自动调节要求： 1 保持汽包水位 汽包水位是工业锅炉正常运行的主要指标。水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；水位过低会影响水循环，导致金属局部过热而爆管，导致重大事故。所以，务必对汽包水位进行自动调节，把水位严格控制在规定的范围内。 2 维持蒸汽压力 蒸汽压力是用来衡量锅炉的蒸汽生产量及负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。当蒸汽压力过高或过低时，对于金属导管和负荷设备都是非常不利的。压力过高，会加速金属的变形，导致锅炉受损；压力过低，就很难给负荷设备 提供符合质量要求的蒸汽。所以，控制蒸汽压力是保证安全生产及燃烧经济性的必要条件。 3 维持炉膛负压 炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量不相适应的问题，一般要求炉膛负压保持在 20 40范围内，此时的燃烧状况，锅炉房工作条件，炉膛的维护及安全运行都最为有利。如果炉膛负压过小，炉膛很容易向外喷火，既影响环境卫生，又会危及操作人员与设备的安全。负压太大，炉膛吸入冷风量增大，引起引风机的电耗和烟气带走的热量损失。所以，炉膛压力需要维持在一定的范围内。 4 维持过热蒸汽温度恒定 为了使汽轮机能 够正常工作，必须保证过热蒸汽温度恒定，气温过低或过高都会影响汽轮机的安全运行，因此，过热蒸汽温度是影响设备安全运行的重要参数，通常要求气温变化保持在 5 的范围内。 5 保证锅炉燃烧的经济性 锅炉的热效率主要取决于空燃烧比。如果比值不当，空气不足，会导致燃料的不充分燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。所以，务必使燃料和空气保持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作中最佳状况下，保持炉膛烟气出口处的过剩空气系数为最佳值，使锅炉燃 烧率最高，避免污染环境，达到节能降耗减排的目的。 通过对锅炉工业自动调节任务的分析，我们了解到：工业锅炉的汽包水位是衡量设备正常运行的主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的被调参数。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又非常快，因此汽包内的水量变化速度更快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高可能影响汽包的汽水分离。产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果此蒸汽作为汽轮机动力，还会损坏汽轮机叶片，对设备运行的经 济性、安全性会产生一定的影响。因此，锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。 本文就是 以 锅炉汽包水位为例来研究模糊 制在锅炉 水位 控制中的应用。 锅炉是化工、石油、电力等工业部门的重要热源、能源动力设备，是工矿企业生产的重要热力设备，改革开放后国民经济高速发展，锅炉行业得到了飞速的发展，我国目前有数十万套锅炉在运行，每年还有数十万套的新造工业锅炉投入运行。由于锅炉的燃烧是多输入多输出系统，各参数之间相互影响，相互制约，并且有时受负 荷干扰严重，目前很难用精确的数学模型来表示，用相互经典控制理论难以实现有效的控制，当前在工程设计中常用的方法是具体分析生产过程的特点和要求，在设计单回路为主的基础上，考虑多变量系统的特点，加以补充修正。由于各回路之间的相互制约，控制效果也不太满意，并且设计复杂，造价高，这样中小型用户就很难负担。因此还有相当多的锅炉特别是中小型锅炉还在简单的启动停止的状态下运行，控制靠人工实现，在此情况下锅炉运行情况的好坏完全依靠于操作人员的经验和责任心。一方面造成经济效益差，不安全，很容易造成工业事故，另一方面，煤燃烧不充 分也容易造成严重的环境污染。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 目前，一些可以人员运用控制理论来控制锅炉： 1. 基于 传统的 制应用在锅炉控制系统中，原理简单，易于实现，鲁棒性较强，是应用最广泛的控制方法，但是也存在局限性，超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。 2. 基于神经网络控制的锅炉控制 现在许多人把神经网络控制应用于锅炉控制中，达到了很好的控制效果，它具有响应速度快，精度高和鲁棒性的特点。神经网络自学习的特性解决了模糊逻辑设计中的一些问题。神经网络能够对系统的输入和输出信息进行分析、捕捉、归纳 ，形成自处理的 “ 自学习 ” 功能，既能产生恰当的模糊规则和隶属函数，以自动方式适应实时系统的需求。神经模糊控制具有控制简单易于理解、方法简便、调整灵活、计算量小、使用性强、控制精确效果好等特点，不仅适用于过程控制，而且也适用于实时控制。 3. 基于模糊 模糊控制应用在锅炉控制中，能对不确定的参数、条件、延迟和干扰等因素进行监测分析，采用模糊推理的方法实现 在线自整定，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更加精确 。 4. 基于模糊控制的的锅炉控制 模糊控制应用在锅炉控制中，能够有效的克服复杂系统的非线性及不确定特性，因此与传统控制相比较具有较强的鲁棒性。但模糊控制的控制作用比较粗糙，使得稳态控制精度较低。 5. 基于专家控制的锅炉控制 专家控制是基于知识的智能控制，它是人工智能，专家系统，自动控制系统，模糊控制技术相结合的产物。它利用专家系统的推理机制决定控制方法的灵活选用实现解析规律与启发式逻辑的结合，知识模型与控制模型的结合，它模仿人的智能行为，采取有效的控制策略，从而使控制性能的满意实现成为可能。专家控制应用 在锅炉控制中，控制效果很好，动态性能好，简单易懂，参数调整相对于西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 传统控制简单的多。 模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。其中，模糊 制技术扮演了十分重要的角色，并且将成为未来研究与应用领域的重点技术之一。本文就是对模糊 文的主要研究内容 本论文就锅炉水位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉水位控制特性所提出的问题。建立了锅炉水位控制特性的数学模型，分别采用 制手段和模糊控制方法来设计锅炉水位控制系统，进行讨论对比，仿真 表明模糊控制方法优于 制方法，首先通过研究发现，锅炉汽包水位控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量有关。我们通过对锅炉汽包水位的研究，得出传递函数以及特性曲线。当蒸汽流量与给水流量不平衡时，会产生 “ 虚假液位 ” ，现象。这是汽包水位控制主要克服的问题之一。 为此，我们首先采用经典 察此控制系统的动态响应特性，抗干扰性，和被控对象变化的抑制效果。从仿真图中可以看到 有消除 “ 虚假液位 ” 的影响，鲁棒性不强。 因此，我们提出模糊控制的构想，模糊控 制器的输入变量是实际水位和给定水位的偏差 维结构），输出变化量 u。同样的，我们也观察到此模糊控制器具有较好的鲁棒性。可靠性高，控制效果好。但是模糊控制作用较粗糙，使得稳定控制精度较低。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 第二章 控制方法分析 分、微分并联的控制器。它是应用最广泛的一种控制器。 )()(1)()( dt （ 2 其中： )(控制器的输出 )(控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号 控制器的比例系数 控制器的积分时间 控制器的微分时间 在 种控制器中，它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。此三部分分别是： （ 1）比例部分 比例部分数学式表示如下： )( （ 2 （ 2）积分部分数学表达式的表示如下： )( （ 2 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，那么它的控制作用就会不断地积累，输出控制量可以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 偏差。但是积分作用具有滞后性，积分控制作用太强会使超调加大。控制的动态性能变化，甚至会使闭环系统不稳定。 积分时间 T ， 对积分部分的作用影响极大。当 T 较大时，则积分 作用比较弱，这时，有利于系统减少超调，过渡过程不易产生震荡。但是消除静态所需的时间较长。当 T 较小时，则积分的作用较强。这是系统过渡过程中有可能产生震荡，但消除静态误差所需的时间最短。 （ 3）微分部分 微分部分数学表达式如下： ( （ 2 微分作用反应系统偏差的变化率，具有预见性，能遇见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分作用消除一次，可以改 善系统的动态性能。 微分部分的作用性强弱由微分时间 定， 大，则它的抑制 C(t)变化的作用越强， 小，它反抗 e(t)变化作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。 计算机数字控制系统中， 算机数字控制系统大多是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化，变成数字量，方能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算取逼近。 在数字计算机中， 必须用数值逼近的方法。当 采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使 法离散化，将描述连续 时间 为描述离散 时间 为数字 ，如下式： )1()()()()(0 （ 2 式中： 采样周期时的输出)( 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 采样周期时的偏差)( 采样周期令 即有 p 1()()()()( （ 2 其中 ， 分别为比例、积分、微分系数。 通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其中较小的变形来控制。 们今天所熟知的 制器产生并发展与 1915 1940 期间。尽管自 1940 年以来，许多先进控制方法不断推出，但 制器以其结构简单，及其易于操作等优点，仍被广泛应用于、化工、电力、轻工、和机械等工业过程控制中。 糊控制方法 糊控制理论的起源与发展 模糊控制是基于丰富操作经验总结出来的、用自然语言表达控制策略，或通过大量实际操作数据归纳总结出的控制规则，用计算机 实现的自动控制。它与传统控制的最大不同，在于不需要知道控制对象的数学模型，而需要对设备进行控制的操作经验或数据。 模糊控制理论是在加利福尼亚大学的扎德教授于 1965 年创立的模糊控制的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。 扎德教授在 1965 年发表了著名的模糊集合论论文，文中首次提出表达事物模糊性的重要概念，隶属函数，从而突破了 19世纪笛卡尔的 经典 理论集合，奠定模糊理论的基础。 1966 马厄诺斯发表了模糊逻辑的内部研究报告。接着，扎德 又提出模糊语言变量这一重要概念， 1974年，扎德又进行了模糊理论的研究，同时，英国 学的马丹妮首先使用模糊控制语句组成模糊控制器，把它成功地运用于西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 锅炉和蒸汽机的控制，使用效果良好。这一开拓性的工作，标志着模糊控制理论和技术的诞生。二十多年来，模糊控制不仅从理论和技术上都得到了长足的发展，成为自动控制领域中的一个非常活跃而又硕果累累的分支。 在模糊控制诞生后的最初几年里，这一新的控制思想吸引了各国学者，他们纷纷在各种应用领域尝试着这一新的控制方法并取得了令人振奋的成果。英国的用模糊控制器控制反应炉搅拌池的温度，荷兰学者利用模糊控制器控制解决了热进化过程非线性、时滞和非对称增益等问题的控制，达到了最佳 1979 年，英国的学者研究了一种自组织模糊控制器，它能在开展过程中不断地调整和修改控制规则，因而使控制系统的性能不断完善。自组织模糊控制器的出现，标志着模糊控制器由低级向高级阶段发展的开始。利用人工智能技术的方法，具有研究自学习自适应能力的模糊控制器，经进一步提高了它的智能水平，一直是人们努力的一个方向。自适应模糊控制器，专家模糊控制器，神经网络模糊 控制器等都是人们在这一方向上不断探索的研究成果。 1985 年在 贝尔实验室工作的渡边等，首先开发出实现模糊推理功能的 而促进了用硬件实现的模糊控制器的发展，给模糊控制带来了新的生机。 在我国， 1984 年我国学者汪培庄、楼世博给出了模糊控制的数学定义，并提出了可响应问题。李宝缓等人用连续数学仿真方法，研究了典型模糊控制的性能。清华大学的郑维敏教授等利用模糊集合理论分析了模糊控制的鲁棒性等。近年来，国内外学者在研究自校正、自学习的模糊控制器，以及专家系统与模糊集合等问题上都取得了一定的进展。 伺候，尤照升、陈国权、宋大鹤等人在模糊控制理论上取得了可喜的成果，为模糊控制技术在工业控制领域的应用打下了理论基础。伺候，彭映斌、胡家跃、戴忠达、吕川、田成方、王学慧、王旭东、李友善等人把模糊控制领域应用到冶金、化工等工业过程的控制领域（主要应用于钢厂燃油退火炉的温度控制、水泥回转炉生产过程控制方面），并取得了可喜的成果。尽管模糊控制已经取得了令人振奋的研究成果，但由于它的发展历史还不长，因此其理论上的系统性和完善性，其技术上的成熟性和规范性还都是不够的；另西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 一方面，模糊控制虽具有其独特的优点，但并不能取代传 统的控制方法，而是作为后者的补充和改进。 模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展和需要分不开的。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高 ,所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一些原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变形、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量的手段不完善等，难以建立被控对象的数学模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包 括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实际经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊控制事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。 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进行控制。模糊数学的创始人，著名的控制理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更好的驾驶汽车一样。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策略就可以 很好的完成控制规则。人的经验是一系列含有语言变量的条件语句和规则，而模糊控制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，模糊控制理论用于描述人的经验就有独特优势，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，产生相应控制决策。这也就是模糊控制器的工作过程。 控制理论的发展和数学有着密切的关系，尤其是现代控制理论的发展，这种关系就更为密切。无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论去设 计一个自动控制系统，一般需要了解被控对象数学模型的结构、阶次、参数等等，然后在此基础合理地选择控制策略。但是在许多情况下无法建立被控过程的数学模型，例如炼钢炉的冶炼过程、工业锅炉的燃烧过程等等。此类过程的变量多，各种参西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性、强耦合等特点，因此建立这一类过程的精确数学模型困难很大，难以进行控制。但是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。 模糊控制的基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验，而人的控制经验一般是由语言来表达的，这些语言的控制规则而又带 有相当的模糊性，例如人工控制水槽水位的经验可以表达为： 若水槽无水或水较少时，则开大水阀； 若水位和要求的水位相差不太大，则开大水阀； 若水位和要求的水位相差不太大，则把水阀关小； 若水位快接近要求的水位，则把阀门管的很小； 这些经验规则中， “ 较小 ” 、 “ 不太大 ” 、 “ 接近 ” 、 “ 开大 ” 、 “ 关小 ” 、 “ 关的很小 ” 这些表示水位状态和控制阀门动作的概念都带有模糊性，这些规则的形式正是模糊条件语句的形式，可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系， 又可以根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值（需化成模糊 模糊逻辑推理的方法得出此时刻的控制量。这正是模糊控制的基本思路。 由 于模糊控制器的模型不是由数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条件语句构成的语言形式，因此从这个角度上将，模糊控制器又称为模糊语言控制器。 模糊控制器的模型是由带有模糊性的有关控制人员和专家的控制经验和知识组成的知识模糊，是基于知识的控制，因此模糊控制属于智能控制的范畴。 因此可以说，模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模型集合、模糊语言变量以及模糊 逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控制。 模糊控制系统的基本原理可由图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 图 糊控制系统的基本原理框图 （ 1）模糊控制器：模糊控制器是模糊控制系统的核心，也是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的主要标志。模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模糊控制算法，根据控制系统的需要，可以是单片机，工业控制机等各种类型的计算机，程序设计可以用 C 语言或 其他各种高级语言。 （ 2）输入 输出接口：输入 输出接口是实现模糊控制算法的计算机与控制系统连接的桥梁。模糊控制器是通过输入 输出接口从被控对象获取数字信号量并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转化，并将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 （ 3）执行机构：执行机构是模糊控制器向被控对象来施加控制作用的装置，如工业过程控制中应用最普遍最典型的各种调节阀和变频器。执行机构实现的控制作用常常表现为使角度、位置或电压等发生变化。因此，它往往是由伺服电机、步进电动机、气动调节阀、液压阀等加上驱动装置组成。 （ 4）检测装置：检测装置 一般包括传感器和变送装置。他们检测各种非电量如温度、流量、压力、液位、转速、角度、浓度、成分等并转换放大为标准的电信号，包括模拟的或数字的等形式。 （ 5） 被控对象：被控对象是一种设备或装置或是若干个装置或设备组成的群体，它们在一定的约束下工作以实现人们的某种目的。工业上典型的被控对象是各种各样的生产设备实现的生产过程，从数学模型的角度讲，它们可能是单变量或多变量的，可能是现性的或是非线性的，可能是一阶的或高阶的，可能是确定性的或随机过程，当然也可能是混合有多种特性的过程。对于难以建立精确数学模型的复杂对象， 对于非线性和时变对象，模糊控制策略是较为适宜采用的一种方案。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人员的控制经验取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊信息输入；按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规律进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，在经过去模糊化处理得到输出控制的精确量，作用于被控对象。因此，模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化，模糊推理算法，模糊合 成和模糊判决等部分组成。 模糊控制系统的核
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