基于MATLAB的锅炉水位模糊控制系统的设计和分析
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共56页)
编号：155459370
类型：共享资源
大小：1.14MB
格式：RAR
上传时间：2021-10-17
上传人：好资料QQ****51605
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
20
积分
- 关 键 词：
-
基于
MATLAB
锅炉
水位
模糊
控制系统
设计
分析
- 资源描述：
-
基于MATLAB的锅炉水位模糊控制系统的设计和分析,基于,MATLAB,锅炉,水位,模糊,控制系统,设计,分析
- 内容简介：
-
本科毕业设计论文题 目基于MATLAB的锅炉水位模糊控制系统的设计和分析专业名称 自动化 学生姓名 何羊羊 指导教师 刘雪梅 毕业时间 2014-6 毕业 设计论文 任务书1、 题目基于MATLAB的锅炉水位模糊控制系统的设计和分析2、 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：2动态质量：超调量小于20%分很高很高的vv四、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 4.模糊PID控制器的设计。 第9周第12周 5.完成论文撰写 第13周第14周6.准备答辩 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，20102 薛定宇，陈阳泉系统仿真技术与应用清华大学出版社，20043 韦巍智能控制技术北京：机械工业出版社，20004 徐兵过程控制北京：机械工业出版社，20045 李世勇模糊控制与智能控制哈尔滨工业大学出版社，20066. 郭庆祝 任光.基于 Fuzzy-PID 组合智能控制理论的船用锅炉水位仿真研究.天津航海.2005(3)：16187. 耿瑞.基于 MATLAB 的自适应模糊 PID 控制系统计算机仿真.信息技术.2007(1)：43468. 王立新.模糊系统与模糊控制.第一版.北京：清华大学出版社，20039. 张建民，王涛，王忠礼.智能控制原理及应用.第一版.北京：冶金工业出版社，200310. 席爱民. 模糊控制技术. 西安:西安电子科技大学出版社 ，200811. 王海英. 袁丽英. 吴勃.控制系统的MATLAB仿真与设计. 北京：高等教育出版社. 201212.罗建军.精讲多练MATLABM.西安:西安交通大学出版设. 201213.曾光奇模糊控制理论与工程应用M.武汉：华中科技大学出版社，200614.吕春兰模糊控制在液位控制系统中的设计.河南科技.2013第24期15.刘述民. 汽包水位模糊PID控制策略分析.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 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pid控制在锅炉控制中的应用。本文分别介绍了传统控制pid理论、模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pid控制算法、模糊控制算法分别对锅炉的汽包水位进行控制，并采用MATLAB进行仿真验证，仿真结果证明，模糊pid控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pid控制，模糊控制，MATLAB ABSTRACT Heat boiler is an important chemical，petroleum，electric power and other industrial sectors，the level of energy and power equipment，boiler control systems has become an important factor to measure the performance of the boiler。Safe and economical operation of the boiler when the national security of property safety of life，promote economic development，and an important guarantee for the rational use of energy conservation，the boiler is heated by the flame and has explosive special equipment and pressure vessels，the use of safety is especially important。The main task of the computer control system is the main accused parameters for automatic control of boiler the boiler in good working condition requires a better run。 This article is aimed at the dynamic characteristics of the boiler drum level ，fuzzy pid control in the boiler control。This paper introduced the traditional pid control theory fuzzy control theory of the origin and development of their advantages and disadvantages ，and by exploring the dynamic characteristics of the water level of boiler drum， analyzes the flow of feedwater flow and steam boiler drum level control characteristics of the boiler relations between 。Through the study of the boiler drum level ，draw the transfer function and characteristic curves。Respectively， using the traditional pid control algorithm ，fuzzy control algorithm respectively boiler drum level control ，and using MATLAB simulation，simulation results show that fuzzy PID control has good control effect ，which can meet the boiler drum level control requirements。 For boilers and industrial furnaces using fuzzy control ，but also has to reduce environmental pollution, reducing the oxide burn rate， improve the level of automation ，improve working conditions ，etc，while increasing thermal efficiency，achieving industrial modernization also has a role in promoting 。Keywords： pid control of boiler water level ，fuzzy control，MATLAB 目录第一章 绪论11.1 课题背景与意义11.2锅炉控制的研究现状31.3 本文的主要研究内容5第二章 控制方法分析62.1 PID控制器62.2 模糊控制方法82.2.1 模糊控制理论的起源与发展82.2.2模糊控制的基本思想102.2.3模糊控制系统的组成122.2.4模糊控制器的设计132.2.5论域.量化因子和比例因子的选择17 2.2.6 模糊控制的主要优点192.2.7 模糊控制存在的问题19 2.3模糊PID控制20 2.4本章小结21第三章 锅炉汽包水位系统特性与控制策略分析223.1 汽包水位的动态特性233.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性243.1.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性253.2 锅炉汽包水位控制27 3.2.1 单冲量控制系统27 3.2.2 双冲量控制系统28 3.2.3 三冲量控制系统283.3 本章小节29第四章 锅炉汽包水位控制方法设计与仿真研究304.1 锅炉汽包水位的PID控制314.2 锅炉汽包水位的模糊控制314.2.1模糊控制器结构设计314.2.2精确量的模糊化31 4.2.3建立模糊控制规则334.2.4基于控制规则库的模糊推理35 4.2.5仿真实现354.3本章小节41第五章 总结与展望435.1全文工作总结435.2未来工作展望43参考文献44致谢45IV 第一章 绪论1.1 课题背景与意义 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 40Pa的范围内，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PID控制在锅炉水位控制中的应用。1.2锅炉控制的研究现状锅炉是化工、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。 目前，一些可以人员运用控制理论来控制锅炉：1. 基于PID控制的锅炉控制传统的PID控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PID控制的锅炉控制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PID参数 ，Ki，的在线自整定，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PID控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PID控制在锅炉控制中的应用进行研究。1.3 本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PID控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PID控制方法，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PID控制算法对锅炉水位进行控制。观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PID调节效果不理想，没有消除“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e和变化率（二维结构），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。 第二章 控制方法分析2.1 PID控制器PID控制器是一种比例、积分、微分并联的控制器。它是应用最广泛的一种控制器。 PID控制器的数学模型可以用以下的公式表示： （2-1） 其中：一控制器的输出 一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号 一控制器的比例系数 一控制器的积分时间 一控制器的微分时间在PID三种控制器中，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） （2）积分部分数学表达式的表示如下： （2-3） 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，对积分部分的作用影响极大。当较大时，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： （2-4） 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决定，越大，则它的抑制C(t)变化的作用越强，越小，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，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计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，PID控制规律的实现，也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PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程，即为数字PID位置型控制算式，如下式： （2-5） 式中： 即有 （2-6） 其中分别为比例、积分、微分系数。PID控制是现在最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其中较小的变形来控制。PID调节器及其改进型在工业过程控制中最常见的控制器。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展与19151940期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，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。2.2 模糊控制方法2.2.1 模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Queen Mary大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King 利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PID控制的效果。 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AT&T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VLSI芯片。从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。2.2.2模糊控制的基本思想 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IF）用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。2.2.3模糊控制系统的组成模糊控制系统的基本原理可由图2.1表示： 图2.1 模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VC，VB等其他各种高级语言。（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。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。2.2.4模糊控制器的设计模糊控制系统的核心模糊控制原理结构如图2.2所示 图2.2模糊控制器的组成模糊控制器主要由模糊化，模糊推理和模糊决策（反模糊化）三部分组成。模糊控制器的输入是外模糊值，经模糊化后转换为模糊输入。根据输入条件满足的程度和控制规则进行模糊推理得到模糊输出。该模糊输出经过模糊决策（反模糊化）转化为非模糊量用于过程的控制。模糊控制器三部分的共同基础是知识库，它包含模糊化所用的隶属函数，模糊推理的控制规则有其明显的优越性。由于模糊控制实质上是用计算机去执行操作人员的控制策略，因而可以避开复杂的数学模型。对于非线性、时变的大滞后及带有随机干扰的系统，由于数学模型的建立，因而常规控制方法也就失败，而对这样的系统，设计一个模糊控制器，也没有多大困难。模糊控制器在模糊控制系统中具有举足轻重的作用，模糊控制器的设计包括以下几项内容：（1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量（即控制量）；（2）设计模糊控制器的控制规则；（3）确立模糊化和非模糊化的方法；（4）选择模糊控制器的输入、输出变量的领域并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； （6）合理选择模糊控制器的采样时间。模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库（含数据库和规则库）模糊推理和反模糊化计算四部分的设计问题。下面分析一下四大部件的设计。 1.模糊化过程 在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输出量进行采样、量化并模糊化。将精确量转化为模糊量的过程成为模糊化，以便实现模糊控制算法。模糊化过程主要完成：测量输入变量的值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言值表示的某一限定码的序数。每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数定义。对于某一个输入值，它必定与某一个特定模糊自己的隶属程度相对应。三种模糊化函数如图2.3所示。 图a 图b 图c 图2.3三种模糊化函数 图a给出了输入变量X0在给定模糊子集A中具有最大隶属程度，也即表示当前输入、属于语言值A的程度最高。对于图b只有在点X0处的隶属度为1，其他输入值对应的隶属度函数值都为0，而图c所表示的隶属度函数曲线是钟型曲线，它是连续函数。除以上三种隶属度函数之外，其他类型的隶属度函数只要符合一定的条件也是可以的。已有经验表明，通常选择三角形和梯形函数的隶属度函数在实际应用中带来许多方便。一旦模糊集合设计完成，则对于任一的物理输入X，映射的过程实际上是将当前的物理输入根据模糊子集的分布情况确定出此时刻输入值对这些模糊子集的隶属程度。因此，为了保证在所有论域内的输入量都能与某一模糊子集相对应，模糊子集的数目和范围遍及整个论域。这样，对于每一个物理输入量至少有一个模糊子集的隶属程度大于零。 2. 知识库 知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和正则化以及输入空间的区分，隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制策略给出了一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合，在建立控制规则时，首先要解决诸如状态变量的选择、控制变量的选择、规则类型的选择和规则数目的确定等事项。 （1）数据库 模糊逻辑控制中的数据库主要包括：量化等级的选择、量化方式、比例因子和模糊自己的隶属度函数。这些概念都是建立在经验和工程判断的基础上的，其定义有一定的主观性。 （2）规则库 模糊控制系统是用一系列基于专家知识的语言来描述的，专家知识常采用“IFTHEN”的规则形式，而这样的规则很容易通过模糊条件语句描述的模糊逻辑推理来实现。用一系列模糊条件描述的模糊控制规则就构成模糊控制规则库。与模糊控制规则库相关的主要有：过程状态输入变量的控制输出变量的选择、模糊控制规则的建立和模糊控制规则的完整性、兼容性、干扰性等。 3. 模糊推理 模糊决策推理是模糊控制的核心，它利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出了适合的控制量。模糊推理是以模糊判断为前提的，运用模糊语言规则，推出新的模糊判断结论的方法。目前，模糊逻辑推理方法还在发展之中，比较典型的有扎德方法、马达尼方法、鲍德温方法，耶格方法、楚卡莫托方法。从条件变量的多少、模糊规则多少的角度来划分，模糊规则推理方法又可分为近似推理、模糊条件推理、多输入模糊推理、多输入多规则推理等四种模糊推理规则。这四种推理规则都可以选用不同的推理方法（如扎德法、马达尼法、鲍德温法等），但通常最简单、最方便的推理法还是马达尼的极大极小推理法。 4. 反模糊化过程 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就成为精确化过程（又称反模糊化）。常用的反模糊化的计算方法有以下三种：（1)最大隶属度函数法这种方法是取模糊子集中隶属函数度最大的元素，作为执行量。若对应的模糊子集为，则决策应满足 （2-7） 这个判别方法简单易行，实时性也好，但它概括的信息量少，因为这种方法完全不考虑其他隶属度较小的元素的影响作用。如果最大点，有多个，它们是 （2-8）则取他们的平均值 （2-9）（2)重心法 重心法是取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理最终输出值即： （2-10） 但实际上我们是通过技术输出范围内整个采样点（即若干离散值）的中心。这样在不太花太多时间的情况下，用足够小的取样间隔来提高所需要的精度，这是一种最好的折衷方案。即 （2-11）与最大隶属度法相比较，重心法具有更平滑的输出推理控制。即对应与输入信号的微小变化其推理的最终输出一般也会发生一定的变化，且这种变化明显比最大隶属度函数法要平滑。(3)加权平均法加权平均分的最终输出值是由下式决定的 （2-12） 这里的系数的选择要根据实际情况而定。不同的系数就决定系统有不同的响应特性。当该系统选择时，即区别其隶属函数是，这就是重心法。在模糊逻辑控制中，可以通过选择和调整该系统来改善系统的响应特性。这种方法具有灵活性。反模糊化的计算方法还有很多，如左取大、右取大、取大平均等。总的来说，反模糊化计算方法的选择与隶属度函数的形状选择、推理方法的选择都是相关的。2.2.5论域.量化因子和比例因子的选择（1）论域的基本领域模糊控制器的输入变量误差、误差变化的实际范围称为这些变量的基本领域，被控对象实际要求的变化范围为模糊控制器输出变量（控制量）的基本领域，设其为-yu， +yu，显然基本领域内的量为精确量。 误差量所取得模糊子集的论域为：-n，-n+1，0，n-1，n 误差变化变量所取得模糊子集的论域为：-m，-m+1，0，m-1，m控制量所取得模糊自己的论域为：-1，-1+1，0，1-1，1有关论域的选择性问题，一般选择误差论域的n6，误差变化的论域m6，控制量的论域i7。因为这样可以满足模糊集论域中所含元素个数为模糊语言集总数的两倍以上，确保模糊集能较好的覆盖论域，避免出现失控现象。值得指出，增加论域中的元素个数，即把等级细分，可以提高控制精度，但是受到计算机字长的限制，另外也要增大计算量。关于基本论域的选择，由于事先对被控对象缺乏经验知识，所以误差以及误差变化的基本论域只能做初步的选择，待系统调整时再进一步确定。被控对象的基本论域根据被控提供的数据选定。（2）量化因子和比例因子 为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本领域转换到相应的模糊集的论域，这中间必须将输入变量乘以相应的量化因子。量化因子一般用K表示，误差的量化因子和误差变化的量化因子分别由下面的两个公式表示： （2-13） 在模糊控制器实际工作过程中，一般误差和误差变化的基本论域选择范围要比模糊论域选择范围小的多，随意量化因子一般都远大于1。每次采样经模糊控制算法给出的模糊控制量还不能直接控制对象，必须将其转换到为控制对象所能接受的论域中去。输出控制量的比例因子由下式确定： （2-14） 由于控制量的基本论域为已连续的实数域，所以，从控制量的模糊集论域到基本论域的变换，由下式确定： （2-15） 式中为控制量模糊集合论域中的任一元素或者为控制量模糊集合判决所得到的确切控制量，为控制量基本论域中的一个精确量，为比例因子。比较量化因子和比例因子，不难看出，两者均是考虑到两个领域变换而引出的，但是对输入变量而言的量化因子确实具有量化效应，而对输出而言的比例因子只起比例作用。（3）量化因子和比例因子的选择 设计一个模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则外，合理的选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出变量的比例因子也是很重要的。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。 量化因子和的大小对控制系统的动态性能影响极大。过小，系统上升速度过小可能造成系统产生震荡，甚至使系统不稳定。选的较大时，系统的超调也较大，过渡过程较长。因为从理论上将增大，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，但是由于超调过大，使得系统的过渡过程变长。过大时系统上升速度过快，也会产生震荡，甚至使系统不稳定。选的较大时，系统的超调较小，但是系统的响应速度变慢。量化因子和的大小影响着输入变量误差和误差变化的不同加权程度，和两者之间也相互影响。 输出控制量的比例因子作为模糊控制器的增益，它的大小影响着控制器的输出，选择过小会使动态响应过程变长，而选择过大会使系统震荡加剧。通过调整选择过大会使系统震荡加剧，通过调整可以改变被控对象输入的大小。2.2.6 模糊控制的主要优点 模糊控制在实践应用中，具有传统控制无法与之比拟的优点，其中主要是： （1）使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产过程很难过程的精确数学模型，而语言方法确实是一种很方便的近似。 （2）对于具有一定操作经验，但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。 （3）操作人员易于加入通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。 （4）采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变换具有较强的适应性。2.2.7 模糊控制存在的问题虽然模糊控制取得了很多研究成果，但是由于它的发展历史还不长，因此理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性还都是不够的；另一方面，模糊控制虽有其独特的优点，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。目前模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。控制规则的选择，论域的选择，模糊集的定义，量化因子的选取多采用凑法式，这对复杂系统的控制难以奏效的。 另外，信息简单的模糊化处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度则必然增加量化技术，从而导致规则搜索范围陆围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制，有待人们进一步地研究探索。2.3模糊PID控制原理常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少积分控制作用，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。故把PI(PID) 控制策略引入模糊控制器，构成 Fuzzy_ PI（或PID） 复合控制，使动态静态性能都能得到很好地改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。 模糊控制和PID控制相结合的形式有多种： （1）模糊复合控制：控制策略是：在大的偏差范围内，即偏差e在某个阀值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能，在小的偏差范围内，即e落到阀值之内时转换成PID（或PI）控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阀值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为FuzzyPI双模控制。 （2）比例模糊PI控制 当偏差 e大于某个阀值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差 e减小到阀值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的震荡现象。因此在接近稳定点切换成PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零（这时绝对误差实际上并不一定为零）切换至PI控制。 （3）模糊积分混合控制 是将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。2.4本章小结本章介绍了传统PID控制理论、模糊控制理论的起源与发展和它的优缺点。通过比较发现采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。 第三章 锅炉汽包水位系统特性与控制策略分析锅炉是一种既受压又直接受火的特种设别，是工业生产中的常见设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。汽包水位是影响锅炉运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度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，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小的方向发展。这样，要使锅炉的蒸发量随时自适应负荷设备的需求量，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。在现代控制理论中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，导致金属管壁局部过热而爆炸。无论满水或缺水都会造成事故。因此，必须对汽包水位近行自动调节，将水位严格控制在规定的范围内。下面就汽包水位的动态特性和控制器的设计过程做具体的研究。汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离。产生蒸汽带水现象，会使过热器壁管结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。锅炉汽包给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。汽包水位间接地表示了锅炉负荷和给水的而平衡关系，随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的个数和体积减小，使汽包的蓄水量和蒸发量减少，从而加快了汽包水位的变化速度；（2）锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了； （3）提高了锅炉的工作压力，给水管道系统相应复杂，流量特性更不易满足控制系统的要求。由此可见，锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要意义。锅炉水位自动控制（给水自动控制）的任务就是控制给水流量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。3.1 汽包水位的动态特性维持锅炉汽包水位在规定的范围内；是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常运行主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁上的结垢；水位过低，则可造成水的急速蒸发，局部水冷管壁被烧坏，严重时会爆炸，汽包水位与蒸汽含盐量的关系图如3.1图所示： 图3.1汽包水位与蒸汽含盐量的关系 工业锅炉的汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。如果只考虑扰动，汽包水位动态特性可用方程如下表示： （3-1） 式中T1T2时间常数； 给水流量项时间常数； 蒸汽流量项时间常数； 给水流量项的放大系数； 蒸汽流量项的放大系数； （为稳定状态下的水位，为水位高度的变化）； （为给水流量的变化，为最大蒸汽负荷量）； （蒸汽负荷量）。3.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量发生变化时，汽包水位对象的微分方程式可以表示为： （3-2） 经拉式变换后得 从而可得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数： （3-3） 的数值一般很小常常可以忽略不计，对于一些锅炉，在给水量增加时，在较长一段时间里，汽包水位并不增加，有一段较长的起始惯性段，这类锅炉用下面近似计算公式： （3-4）根据以上公式，在给水流量阶跃输入作用下，当突然加大给水流量（蒸汽量不变），给水量大于蒸发量，但汽包水位已开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低的更多地给水进入了水循环系统，它从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和热水管路中由于热量的“损失”，汽泡体积减少。经煤气进入汽包得给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少让出的空间。这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。但水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不变化，完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。因此，当把汽包和给水看作单容无自衡对象时，水位响应曲线应为一条直线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内汽泡含量减少，导致水位下降。因此实际水位响应曲线如图所示，当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现出一段起始惯性段（图像及公式来源，王立新.模糊系统与模糊控制.第一版.北京：清华大学出版社，2003）。图3.2给水流量扰动下的水位特性曲线用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个惯性环节的串联，可表示为： （3-5）由切线法求得： （3-6）3.1.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，其干扰通道的动态特性。 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性（给水量不变）可直接从公式导出： （3-7） 经拉式变换后： （3-8） 其传递函数为： （3-9） 上式可以用两个动态环节的并联来等效，即： （3-10） （3-11） 当蒸汽流量在时间t0陡然增加D的扰动下，汽包水位的阶跃反应曲线如图3.3所示。 图3.3汽包水位的阶跃反应曲线图用传递函数来描述可以表示为： （3-12）式中，为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度；K2T2分别为只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位变化H2的放大倍数和时间常数。由切线法可求得蒸汽负荷增加时的传递函数为： （3-13） 在锅炉生产过程中，当蒸汽负荷突然增加时，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，水位应下降。但因蒸汽流量与给水流量产生不平衡的初始阶段，水位下降存在时间上的延迟，所以实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸汽流量，水位不但不下降，反而迅速上升，这是由于汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加造成的。这种现象常称为“虚假液位”现象。造成“虚假液位”的原因有两个，如图3.4所示：图3.4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，如图3.4中h2曲线所示。这是引起汽包“虚假液位”的主要原因。（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，如图3.4h2曲线所示。虚假液位h2等于h2和h2之和。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。3.2 锅炉汽包水位控制汽包水位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。其中，单冲量控制系统以汽包水位测量为唯一的控制信号；双冲量控制系统在汽包水位信号为主要控制信号的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号；三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制。3.2.1 单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。单冲量汽包水位控制系统存在两个主要问题： （1）当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少给水量。这个错误举动反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。 （2）在给水扰动时，调节器要等到水位改变了以后才动作，又经过一段时间延迟后才能影响到水位，导致汽包水位发生较大变化，调节时间长。3.2.2 双冲量控制系统在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号。引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对控制的不良影响。当蒸汽负荷变化时，使调节阀一开始就向正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制质量。3.2.3 三冲量控制系统一般而言，锅炉容量越大，汽包容水量相对就越小，允许的蓄水量就更小，这就要求提高对汽包水位的控制。在双冲量控制系统中，对于给水量的自发变化不能及时调节，只有在延迟一段时间后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化反映出来。对于几台锅炉并列运行时，几台锅炉的汽包水位控制会相互影响，使得控制过程非常复杂。针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进了给水量信号控制。这个调节器接受三个输入调节信号；汽包水位作为主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号。因此，对中小型锅炉，由于汽包相对负荷而言，容量较大，水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象不很严重。因此一般采用单冲量调节方法就可以满足生产运行的要求，但是单冲量调节方法不能克服“虚假水位”对水位控制的不良影响，当蒸汽量大幅度增加时，由于假水位上升，调节器输出信号不但不去开大调节阀增大给水流量，以维持物料平衡，反而去关小调节阀，减小给水流量，等到假水位消失后，水位将更加迅速下降，显然这帮了倒忙，在外扰作用下必将引起水位发生较大幅度波动。为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号，所以双冲量控制比单冲量控制更好些。然而双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位的影响，因为当给水压力波动时，给水流量将相应变化，此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，即采用三冲量水位控制回路。所以，通过分析我们发现三冲量控制要比单冲量控制和双冲量控制要优越些。本文就是采用这种三冲量的控制方式，将蒸汽流量作为前馈信号，把给水流量作为控制信号，组成汽包水位的三冲量控制系统，同时考虑到传统PID控制对汽包运行中出现的“虚假水位”现象无能为力，所以将模糊PID控制器应用到该三冲量控制系统中，实现工业锅炉汽包水位的定值控制。3.3 本章小节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。本章通过对锅炉汽包水位动态特性的研究，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“虚假水位”现象。并通过对锅炉汽包水位的单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制的分析，本文打算用三冲量的控制系统来研究锅炉汽包水位的控制。 第四章 锅炉汽包水位控制方法设计与仿真研究4.1锅炉汽包水位的PID控制通过对实际系统的缝隙，采用三冲量控制系统有利于消除系统的时滞现象和虚假液位。同时通过对实际的策略建立系统模型，得到系统传递函数。给流水量主通道传递函数： （4-1） 蒸汽流量干扰通道传递函数： （4-2）PID仿真系统如4.1图所示： 图4.1PID仿真系统PID controller1 中，Kp=3，Ki=0.01，Kd=1.8，PID controller中，Kp=3，Ki=0.02，Kd=2.PID的数学模型如图： 其传递函数为： 第一个PID控制器的函数为：，Kp=3，Ki=0.01，Kd=1.8.传递函数为，。 第二个PID控制器的函数为：，Kp=3，Ki=0.02，Kd=2，传递函数为： 仿真波形如图4.2所示： 图4.2PID仿真图 ，时间T=300ms。 ， 4.2 锅炉汽包水位的模糊控制4.2.1模糊控制器结构设计模糊控制器的结构设计就是要确定模糊控制器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来控制被控对象向预期目标逼近。 在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可分为单变量控量系统和多变量控制系统。在模糊控制系统中也可分类地划分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。按照输入变量的个数分为一维、二维、三维模糊控制器。在锅炉汽包水位控制系统中，输入变量选择为汽包水位的偏差值e和偏差值的变化量，输出变量选择为PID参数的校正值，即，在模糊P1D控制器中，采用的是二维模糊控制器，也是目前较为广泛采用的一类模糊控制器。本文所采用的模糊PID控制器的结构框图如图4.3所示。 图4.3模糊PID控制器结构框图4.2.2精确量的模糊化 模糊控制器的输入和输出信号均是精确量，而进行模糊推理需要模糊量，这样就需要在模糊控制算法实现过程中，能够进行精确量与模糊量之间的相互转换。 如果将每个模糊量对应一个模糊子集，则这样的模糊集就有无限多个。为简化问题，一般在实际应用中将精确量离散化，即将连续取值分为几档，每一档对应一个模糊集。控制系统中的偏差和偏差变化率的实际范围叫做这些变量的基本论域，设偏差的基本论域为-x，x，偏差所取的模糊集的论域为(-n，- n+l，0，n-1，n)。 实际应用中，如果取模糊集设在-6，+6之间，一般将其分为几档，每档应一个模糊集，而后进行精确量模糊化处理。当实际测量值与所设-6，+6，范围不一致，而在a，b之间范围，可以变换式在-6，+6间变化的变量x转化为-6，+6之间的量y。 （4-3）在锅炉汽包水位控制系统中，取汽包水位误差和误差变量，将其模糊化到相应论域。模糊化过程是通过比例变换因子将采样获得的具体值论域变换到模糊语言变量论域，取输入语言变量和的论域均为，=-3，-2，-1，0，1， 2，3，其模糊子集为，=NB，NM，NS，Z0，PS，PM ，PB。假设锅炉运行中要求汽包水位稳定在士50mm，则误差量化因子为：=6/0.05=120，误差变化量可整定为0.075， 0.0751，则误差变化量的量化因子为：=6/0.075=80，输出语言变量和的论域均为 ，= -3，-2，-1， 0，1，2，3，的论域为=0. 3，-0. 2，-0. 1，0，0. 1， 0. 2，0.3 ，模糊子集，=NB，NM，NS，ZO，PS，PM， PB。输出量，的比例因子k1， k2，k3均为1/3，语言变量的隶属度函数均采用隶属度函数。语言变量 ，隶属度函数如图4.4。 图4.4 ，隶属度函数 量化因子和，和比例因子k1，k2，k3称为模糊控制器的参数，它对模糊控制器的特性有着重大影响，当增加时，上升速度加快，超调量也随之增大，但稳态误差减少；的大小不仅影响特性曲线的上升段，而且对过渡时问也有影响；k1，k2，k3所决定的输出越大，对系统快速性有利，而对稳态工作不利，反之情况正好与此相反。本系统中的量化因子和比例因子由等级划分初步确定，在系统仿真中根据具休情况进行优化调整。4.2.3建立模糊控制规则模糊控制的实质是模仿人的智能和经验，其控制规则实际上是将这些人的思维活动和经验加以总结整理，形成以语言和模糊数学描述的控制策略，据此达到用机器代替人对复杂工业过程进行控制，模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊控制规则表。在锅炉汽包水位控制系统中，根据对控制过程中PID参数变化规律制定控制规则，决定PID参数的校正值，这种方法简单且效果明显，比较适用于各类过程控制系统。通常，PID控制器的控制算式为： （4-4） 针对不同的和人们总结出了一套，和的整定原则： (l)当较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的与较小的，同时为了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=0。 (2)当e中等大小时，为使系统具有较小的超调，应取得小些，在这种情况下，的取值对系统的影响较大，应取得小一些，的取值要适当。 (3)当较小时，为使系统具有较好的稳定性能，与Ki均应取得大些，同时为避免系统在设定值出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当较大时可取得小一些；较小时可取大一些。 该设计是采用的两个输入三个输出，所以采用的控制规则为： If e and then If e and then If e and then 根据以上规则可得参数模糊规则表如表 表4-1 的控制规则表 EC ENBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPBNBPSZEZENMPBPBPMNMPSZENSNSPBPMPMNSZENSNSZEPMNSPSZENSNMNMPSPMPSZEPSNSNMNMPMPSZENSPMNMNMNBPBZEZENMPBNMNBNB 表4-2的控制规则 EC ENBNMNSZEPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZENSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB 表4-3 Ki的控制规则 ECENBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSZEZENMNBNBNMNSNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPSPMPBPMZEZEPSPSPMPMPBPBZEZEPSPMPMPBPB 将控制决策表用模糊条件语句(ifandthen)表示为49条规则组成的49条规则便构成了描述锅炉汽包水位控制过程的模糊算法也就是一个离散形式的模糊模型，它用一个分段条件式语言控制模型代替了传统的动态数学模型，从而实现像锅护汽包水位这类复杂系统的模糊控制。4.2.4基于控制规则库的模糊推理 在模糊控制中采用易于实现的数据驱动的正向推理，并采用MAX一M则推理合成算法，即 （4-5） 式中模糊集合C表示输
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号