鍋爐汽包液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子

2、版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交

3、論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程

4、序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3

5、）其它鍋爐汽包液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究摘 要鍋爐是化工、發(fā)電、煉油、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。因此，對(duì)鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要。鍋爐汽包液位控制是鍋爐生產(chǎn)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。鍋爐的大部分事故是由汽包液位控制不當(dāng)而引起的，由于受到蒸汽負(fù)荷干擾而產(chǎn)生虛假液位，使控制器反向動(dòng)作，進(jìn)而引發(fā)汽包液位的大幅振動(dòng)。本文針對(duì)鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性，研究fuzzy-pid控制在鍋爐汽包液位控制中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)大都采用pid控制。而模糊控制不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強(qiáng)，適合用于非線性、

6、滯后系統(tǒng)的控制，但其靜態(tài)性能不能令人滿意，限制了它的應(yīng)用。為消除模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，本文將fuzzy-pid引入鍋爐汽包液位的三沖量控制中，并利用simulink分別在設(shè)定值及干擾作用下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，較之單純的模糊控制和常規(guī)pid控制，這種控制效果較為理想，可滿足鍋爐的汽包液位控制要求。關(guān)鍵詞：汽包液位；pid控制；糊控控制；fuzzy-pid控制；仿真 the design and imitate resesrch of intellectual control system of boiler drum water levelabstractthe boiler is ab

7、solutely necessary significant power plant of industry productions process such as the chemical industry，heatedible oil，generation of electrical energy，papermaking and refines sugar and so onso，it is especially important to analyze and research the automatic control in the boiler installationsegment

8、 that the boiler drum water level control is the most significant in the process of boiler productionthe most accidents of boiler were caused by the unfit control of drum water level，which was due to the interference of steam to the drum，causing the false water level，making the reaction of controlle

9、r，then arousing the large margin vibration of the drum water levelaccording to the feather of the drum water level，we research the using of the fuzzy-pid compound control in the boiler drum water level control systemthe traditional control mode of three-variable in the drum water level mostly uses p

10、idthe fuzzy control does not need precise mathematical model of the controlled object，it only needs the experience of operator and the data of operating，it has good robustness and is fit to control the system with nonlinearity and time lag，but its static characteristic is dissatisfied，which limits i

11、ts applicationit is usual mode of three-variable drum water level in order to eliminate the static error that using fuzzy-pid control，and the simulation with the action of setting value and noisethe result of simulation indicates that the effect of control improves comparing with simple fuzzy contro

12、l and traditional pid control，which can satisfy the control requirement of the drum water levelkey words：drum water level；pid control；fuzzy control；fuzzy-pid control；simulation目 錄鍋爐汽包液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究i摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 課題背景與意義11.2 鍋爐控制的研究現(xiàn)狀31.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容5第二章 控制理論分析62.1 pid控制理論62.2 模糊控制理論82.2.1

13、 模糊控制理論的起源與發(fā)展82.2.2 模糊控制的基本思想92.2.3 模糊控制系統(tǒng)的組成112.2.4 模糊控制器的設(shè)計(jì)122.2.5 模糊論域、量化因子和比例因子的選擇162.2.6 模糊控制的主要優(yōu)點(diǎn)172.2.7 模糊控制存在的問(wèn)題182.3 模糊-pid控制182.3.1 模糊自適應(yīng)pid原理簡(jiǎn)介182.3.2 多模態(tài)模糊-pid控制原理192.3.3 多模態(tài)模糊-pid控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)19第三章 鍋爐汽包液位系統(tǒng)特性與控制方法分析203.1 汽包液位的動(dòng)態(tài)特性203.1.1 汽包液位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性203.1.2 汽包液位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)特性223.2 鍋爐汽包液位控制

14、233.2.1 單沖量控制系統(tǒng)243.2.2 雙沖量控制系統(tǒng)253.2.3 三沖量控制系統(tǒng)26第四章 鍋爐汽包液位pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究284.1 汽包液位的pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)284.1.1 汽包液位的pid控制系統(tǒng)的建立284.1.2 pid參數(shù)的整定284.2 仿真研究304.2.1 關(guān)于matlab304.2.2 關(guān)于simulink314.2.3 仿真研究31第五章 多模態(tài)模糊-pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究335.1 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真研究335.1.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)335.1.2 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)395.1.3 仿真研究395.1.4 多模態(tài)模糊-pid控制系統(tǒng)的設(shè)

15、計(jì)455.1.5 仿真研究465.2 幾種控制效果比較分析47第六章 結(jié)束語(yǔ)48參考文獻(xiàn)50致謝52 引 言課題背景與意義鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)重要的動(dòng)力設(shè)備，它產(chǎn)生的高壓蒸汽可作為動(dòng)力源，也可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過(guò)程的熱源。就熱電廠而言，鍋爐產(chǎn)生的合格蒸汽用來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再由氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送給用戶。為此，生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是保障國(guó)家財(cái)產(chǎn)及人民生命安全，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，合理使用和節(jié)約能源的重要保證。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)備和壓力容器，其安全性尤為重要。只有在充分保證鍋爐安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和運(yùn)行可靠的前提下，

16、通過(guò)科學(xué)管理、技術(shù)改造、提高操作及運(yùn)行水平，使鍋爐實(shí)現(xiàn)熱效率高的狀態(tài)。鍋爐控制系統(tǒng)的研究對(duì)于提高系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化也有一定的促進(jìn)作用。其中，壓力、液位、溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)，液位過(guò)高會(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；液位過(guò)低會(huì)影響汽水循環(huán)，使金屬局部過(guò)熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。因此，必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使液位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。正常運(yùn)行時(shí)的鍋爐燃燒系統(tǒng)必須使出口的過(guò)熱蒸汽溫度維持在一定范圍內(nèi)，該參數(shù)的控制質(zhì)量直接影響著機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，可能造成過(guò)熱器、蒸汽管道及汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞；過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低，降低

17、汽輪機(jī)的效率，加劇對(duì)葉片的侵蝕。所以，在鍋爐運(yùn)行中必須保持過(guò)熱汽溫的穩(wěn)定性。另外，壓力過(guò)大容易帶來(lái)危險(xiǎn)。所以，要把壓力、液位、溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐主要有下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)：(1) 保持汽包液位汽包液位是工業(yè)鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)。液位過(guò)高會(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；液位過(guò)低會(huì)影響汽水循環(huán)，使金屬管壁局部過(guò)熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。因此，必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將其嚴(yán)格控制在工藝允許的范圍內(nèi)。(2) 維持蒸汽壓力蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽的重要工藝參數(shù)。蒸汽壓力過(guò)低或過(guò)高，

18、對(duì)于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。壓力過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鍋爐受損；壓力過(guò)低，就不可能提供給負(fù)荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。因此，控制蒸汽壓力是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。(3) 維持爐膛負(fù)壓爐膛負(fù)壓的變化，反映了引風(fēng)量與送風(fēng)量的相適應(yīng)程度。通常要求爐膛負(fù)壓保持在-20-40pa的范圍內(nèi)，這對(duì)燃燒狀況、鍋爐房工作條件、爐膛的維護(hù)及安全運(yùn)行都最為有利6。如果爐膛壓力太大，爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備與操作人員的安全。負(fù)壓太小，爐膛吸入冷風(fēng)量增大，增加引風(fēng)機(jī)的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，需要維持爐膛壓力在一定的范圍之內(nèi)。(4) 保持過(guò)熱蒸汽溫度恒定為了保證汽輪機(jī)正常工作，必須

19、保證過(guò)熱蒸汽溫度恒定，汽溫過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，所以，過(guò)熱蒸汽溫度是影響安全的重要參數(shù)，一般要求溫度變化保持在士5的范圍之內(nèi)。(5) 保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性鍋爐的熱效率主要取決于空燃比。如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過(guò)多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。因此，必須使空氣和燃料維持適當(dāng)?shù)谋壤?，使鍋爐工作在最佳工況下，使鍋爐熱效率最高，避免環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過(guò)對(duì)工業(yè)鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)的分析，我們知道:工業(yè)鍋爐的汽包液位是正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，汽包液位是一個(gè)十分重要的被調(diào)參數(shù)。如果液位

20、過(guò)低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時(shí)控制，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸；液位過(guò)高會(huì)影響汽包的汽水分離。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會(huì)使過(guò)熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，還會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。由此可見(jiàn)，鍋爐給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它對(duì)減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。本文以鍋爐汽包液位控制為例來(lái)研究模糊-pid復(fù)合控制在鍋爐控制中的應(yīng)用。鍋爐控制的研究現(xiàn)狀鍋爐是火力發(fā)電廠的重要設(shè)備，同時(shí)也是工礦企業(yè)生產(chǎn)的重要熱力設(shè)備，隨著改革

21、開(kāi)放后國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鍋爐工業(yè)得到了飛速發(fā)展，我國(guó)每年有很多套的新造工業(yè)鍋爐投入運(yùn)行。因?yàn)殄仩t的燃燒是多輸入多輸出系統(tǒng)，各參數(shù)之間相互影響，相互制約，并且有時(shí)受負(fù)荷干擾嚴(yán)重，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，用經(jīng)典控制理論難以實(shí)現(xiàn)有效的控制，目前在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法是具體分析生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)和要求，在設(shè)計(jì)單回路為主的基礎(chǔ)上，考慮到多變量系統(tǒng)的特點(diǎn)，加以補(bǔ)充修正。因各回路之間的相互制約，控制效果也不盡人意，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高，這樣中小型用戶就難以實(shí)施。因此還有相當(dāng)多的鍋爐，特別是中小型鍋爐還在簡(jiǎn)單的啟動(dòng)停止的狀態(tài)下運(yùn)行，控制靠人工實(shí)現(xiàn)，這樣，鍋爐運(yùn)行好壞完全依靠工人的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。這一方

22、面造成經(jīng)濟(jì)效益差和不安全，容易造成工業(yè)事故，另一方面，煤燃燒不充分也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前，一些科研人員運(yùn)用以下控制理論來(lái)控制鍋爐：1基于pid控制的鍋爐控制傳統(tǒng)的pid控制用在鍋爐控制中，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性較強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方法，但是也存在局限性，超調(diào)量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制。2基于模糊控制的鍋爐控制模糊控制用在鍋爐控制中，有效地克服復(fù)雜系統(tǒng)的非線性及不確定特性，與傳統(tǒng)控制比較有較強(qiáng)的魯棒性，但模糊控制的控制作用較粗糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低。3基于模糊-pid控制的鍋爐控制模糊-pid控制用在鍋爐控制中，能對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測(cè)分析，采用模

23、糊推理的方法實(shí)現(xiàn)pid控制與模糊控制在規(guī)定的閾值范圍內(nèi)的自動(dòng)切換，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性，控制也更精確。4基于集散控制系統(tǒng)1 2的鍋爐控制集散控制系統(tǒng)是一個(gè)集中監(jiān)視、分散控制的儀表化系統(tǒng)，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工程師站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。集散控制系統(tǒng)用于鍋爐控制中，使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)振蕩、蒸汽耗熱量大大降低，提高動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)，改善勞動(dòng)環(huán)境，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。5基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制4的鍋爐控制現(xiàn)在許多人把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于鍋爐控制中，達(dá)到了很好的控制效果，具有響應(yīng)速度快，精度高和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。神

24、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的特性解決了模糊邏輯設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ο到y(tǒng)的輸入/輸出信息進(jìn)行分析、捕捉、歸納，形成自處理的“自學(xué)習(xí)”功能，即能產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)哪：?guī)則和隸屬函數(shù)，以自動(dòng)方式適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的需要。神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單易于理解、方法簡(jiǎn)便、調(diào)整靈活、計(jì)算量小使用性強(qiáng)、控制精確效果好等特點(diǎn)，不僅適用于過(guò)程控制，而且也適合實(shí)時(shí)控制。6基于專家控制8的鍋爐控制專家控制是基于知識(shí)的智能控制，它是人工智能、專家系統(tǒng)、自動(dòng)控制、模糊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用專家系統(tǒng)的推理機(jī)制決定控制方法的靈活選用，實(shí)現(xiàn)解析規(guī)律與啟發(fā)式邏輯的結(jié)合、知識(shí)模型與控制模型的結(jié)合，它模仿人的智能行為，采取有效的控制策略

25、，從而使控制性能的滿意實(shí)現(xiàn)成為可能。專家控制用在鍋爐控制中，控制效果好，動(dòng)態(tài)特性較好，簡(jiǎn)單易懂，參數(shù)調(diào)整相對(duì)于傳統(tǒng)pid控制也簡(jiǎn)單的多。近年來(lái)，人們對(duì)模糊智能pid控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能pid控制器、混沌pid智能控制器及遺傳算法一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid智能控制器等，產(chǎn)生了濃厚的興趣，研究者甚多。模糊控制己成為智能自動(dòng)化控制研究中最為活躍而又富有成果的領(lǐng)域。其中，模糊-pid控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來(lái)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。本文就是對(duì)模糊-pid控制在鍋爐控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容本文將探討鍋爐汽包液位的控制方案。首先要分析幾種控制理論的原理和鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性，

26、然后分別設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)pid控制的汽包液位控制系統(tǒng)、基于模糊控制的汽包液位控制系統(tǒng)和基于多模態(tài)模糊pid控制的汽包液位控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將重點(diǎn)介紹模糊控制器的設(shè)計(jì)，它是整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心。 將上述三種汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后，要用matlab軟件中的simulink模塊逐一進(jìn)行仿真，分析和比較它們的仿真結(jié)果，最后確定要采用的控制方案?？刂评碚摲治鰌id控制理論pid控制器即比例、積分、微分控制器。它是應(yīng)用最廣泛的一種控制器。pid控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： (2-1)式中，u（t）控制器的輸出； e（t）控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)； kp控

27、制器的比例系數(shù)； ti 控制器的積分時(shí)間； td控制器的微分時(shí)間。pid控制規(guī)律由比例、積分、微分三部分組成。分別介紹如下：(1) 比例部分比例部分?jǐn)?shù)學(xué)式表示如下： (2-2)偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)kp，kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越?。坏玨p越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生震蕩，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，比例系數(shù)kp選擇必須適當(dāng)，這樣才能取得過(guò)渡時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。(2) 積分部分積分部分?jǐn)?shù)學(xué)式表示如下： (2-3) 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存

28、在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷地積累，輸出控制量以消除偏差。可見(jiàn)，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差，可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時(shí)間ti，對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng)ti較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生震蕩，但是消除靜差所需的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)ti較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中有可能產(chǎn)生震蕩，但消除靜差所需的時(shí)間較短。(3) 微分部分微分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式表示如下： (2-4)微分作用的引入是為了改善高階對(duì)象的控制品質(zhì)，因?yàn)槲⒎肿饔檬前凑掌畹淖兓厔?shì)來(lái)控制，具有及時(shí)性。微分部分

29、的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間td決定。td越大，則它抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。因?yàn)槲⒎肿饔玫囊霑?huì)把高頻干擾放得很大，反而可能使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)降低。td越小，它反抗e(t)變化的作用越弱。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。 在計(jì)算機(jī)中，pid控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期很短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使pid算法離散化，將描述連續(xù)-時(shí)間pid算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散-時(shí)間pid算法的差分方程，數(shù)字pid位置型控制算式，如下式所示： (2-5)式中：u(k)k采樣周期時(shí)的輸出； e(k)k采樣周期時(shí)的偏差；

30、 ts采樣周期。令 ， ， 則有 (2-6)其中kp，ki，kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。 pid控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來(lái)控制。pid調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器。我們今天所熟知的pid控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但pid控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。模糊控制理論模糊控制理論的起源與發(fā)展模糊控制理論屬于智能控制的范疇，它是在美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的扎德(l.a.zadeh)教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合

31、理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理、和模糊控制等方面的內(nèi)容。模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合化、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。1974年，英國(guó)瑪莉皇家學(xué)院的mamdani(馬丹尼)教授將模糊控制首次用于蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力和速度控制，性能比pid更好，這也許就是模糊控制技術(shù)首次在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用。1980年，丹麥工科大學(xué)的ostergara等對(duì)水泥窖進(jìn)行模糊控制。20世紀(jì)90年代后，模糊控制技術(shù)飛快發(fā)展，特別是在日本，模糊控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活中。目前，模糊控制技術(shù)已經(jīng)用在列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)、凈水處理、汽車(chē)速度控制、電梯群管理

32、控制等領(lǐng)域，并取得了很好的控制效果16。 模糊控制的誕生和社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要是分不開(kāi)的。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。然而由于一系列原因，諸如被控對(duì)象或過(guò)程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)干擾、過(guò)程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量手段不完善等，難以建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問(wèn)題，但范圍是有限的。對(duì)于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對(duì)象，采用傳統(tǒng)控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動(dòng)控制效果好

33、。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對(duì)模糊事物進(jìn)行識(shí)別和判決，看起來(lái)似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確控制的目的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員雖然不懂被控對(duì)象模型，但卻能十分有效地對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行控制。模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人，扎德教授舉過(guò)停車(chē)的例子，正如一個(gè)汽車(chē)司機(jī)，不懂汽車(chē)模型而能很好地駕駛汽車(chē)一樣。這是因?yàn)椴僮魅藛T對(duì)系統(tǒng)的控制是建立在直觀的經(jīng)驗(yàn)上的，憑借在實(shí)際中取得的經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策就可以完成控制工作。人的經(jīng)驗(yàn)是一系列含有語(yǔ)言變量值的條件語(yǔ)句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語(yǔ)言變量和條件語(yǔ)句。因此，模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗(yàn)就有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？梢园讶说慕?jīng)驗(yàn)用模糊條件語(yǔ)

34、句表示，然后用模糊集合理論對(duì)語(yǔ)言變量進(jìn)行量化，再用糊推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策。這也就是模糊控制器的工作過(guò)程。模糊控制的基本思想控制理論的發(fā)展和數(shù)學(xué)有著密切的關(guān)系，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，這種關(guān)系就更為密切。無(wú)論是采用經(jīng)典控制理論還是采用現(xiàn)代控制理論去設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般需要了解被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)、階次、參數(shù)等等，然后在此基礎(chǔ)上合理地選擇控制策略。但是在許多情況下無(wú)法建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。如煉鋼爐的冶煉過(guò)程、工業(yè)鍋爐的燃燒過(guò)程等等。此類過(guò)程的變量多，各種參數(shù)又存在不同程度的時(shí)變性，且過(guò)程具有非線性、強(qiáng)藕合等特點(diǎn)，因此建立這一類過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型困難很大，

35、難以進(jìn)行控制，但有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制卻可以收到令人滿意的效果。模糊控制的基木思想就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是由語(yǔ)言來(lái)表達(dá)的，這些語(yǔ)言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。如人工控制水槽液位的?jīng)驗(yàn)可以表達(dá)為：若水槽無(wú)水或水較少時(shí)，則開(kāi)大水閥；若液位和要求的液位相差不太大，則把水閥關(guān)小；若液位快接近要求的液位，則把閥門(mén)關(guān)得很??；這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，“較小” 、“不太大” 、“接近” 、“開(kāi)大” 、“關(guān)小” 、“關(guān)得很小”這些表示液位狀態(tài)和控制閥門(mén)動(dòng)作的概念都帶有模糊性，這些規(guī)則的形式正是模糊條件語(yǔ)句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述過(guò)程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之

36、間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過(guò)程變量的檢測(cè)值(需化成模糊變量)用模糊邏輯推理的方法得出此刻的控制量。這就是模糊控制的基本思路。 由于模糊控制器的模型不是由數(shù)學(xué)公式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型，而是由一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成的語(yǔ)言形式，因此從這個(gè)角度上講，模糊控制器又稱模糊語(yǔ)言控制器。模糊控制器的模型是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)組成的知識(shí)模型，是基于知識(shí)的控制，因此，模糊控制屬于智能控制的范疇。因此可以說(shuō)，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)

37、字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1 模糊控制系統(tǒng)原理框圖(1)模糊控制器：它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。由于被控對(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的規(guī)則各異，可以構(gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運(yùn)算放大器加上阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成pid控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成各種串、并聯(lián)校正器；在現(xiàn)代控制理論中，設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制器、解耦控制器和魯棒控制器等。而在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識(shí)表示和規(guī)則推理的語(yǔ)言型“模糊控制器” ，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。模糊控制器的主要功能

38、有三個(gè)：模糊量化處理、模糊推理(決策)、精確化處理。 (2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置，如工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最普遍最典型的各種調(diào)節(jié)閥和變頻器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制作用常常表現(xiàn)為角度、位置或電壓等發(fā)生變化，因此，它往往是由伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓閥等加上驅(qū)動(dòng)裝置組成。 (3) 被控對(duì)象：被控對(duì)象是一種設(shè)備或裝置或是若干個(gè)設(shè)備組成的群體，它們?cè)谝欢ǖ募s束下工作以實(shí)現(xiàn)人們的某種目的。工業(yè)上典型的被控對(duì)象是各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程，從數(shù)學(xué)模型的角度講，它們可能是單變量或多變量的，可能是線性的或是非線性的，可能是定常的或時(shí)變的，可能是一階的或高階的

39、，可能是確定的或是隨機(jī)過(guò)程，當(dāng)然也可能是混合有多種特性的過(guò)程。模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：(1) 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)；(2) 設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；(3) 確立模糊化和非模糊化的方法；(4) 確定模糊控制器的參數(shù)。模糊控制器的結(jié)構(gòu)指的是確定哪些變量是它的輸入變量，哪些變量是它的輸出變量。由于模糊控制規(guī)則是總結(jié)操作人員控制經(jīng)驗(yàn)得到的，所以，選擇的變量應(yīng)當(dāng)是操作人員能觀察到的變量。一般而言，通常選擇被控對(duì)象的輸出變量與設(shè)定值的偏差、偏差的變化、偏差變化的變化等，作為模糊控制器的輸入變量，而把控制量作為模糊控制器的輸出變量。根據(jù)模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)，可分為一維模糊

40、控制器，二維模糊控制器，三維模糊控制器等。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 (a)一維模糊控制器 (b)二維模糊控制器 (c)三維模糊控制器 圖2.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題就是模糊化過(guò)程、知識(shí)庫(kù)(含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù))、模糊推理和反模糊化計(jì)算四部分的設(shè)計(jì)問(wèn)題。下面分別予以介紹。1. 模糊化過(guò)程在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需要對(duì)輸入量進(jìn)行采樣、量化并模糊化。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過(guò)程稱為模糊化，以便實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。模糊化過(guò)程主要完成：測(cè)量輸入量的值，并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常用語(yǔ)言值表示的某一限定碼的序數(shù)。每一個(gè)限定碼表示論域內(nèi)的一個(gè)模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來(lái)定義。對(duì)于某一個(gè)輸

41、入值，它必定與某一個(gè)特定模糊子集的隸屬程度相對(duì)應(yīng)。圖2.3給出了三種模糊化函數(shù)。 (a)三角形隸屬函數(shù)曲線 (b)對(duì)稱梯形隸屬函數(shù)曲線 (c)正態(tài)形隸屬函數(shù)曲線圖2.3隸屬函數(shù)曲線以正態(tài)形隸屬函數(shù)為例，它的函數(shù)表達(dá)式如式為： (2-7)當(dāng)模糊集設(shè)計(jì)完成，則對(duì)于任一物理輸入x，映射的過(guò)程實(shí)際上是將當(dāng)前的物理輸入根據(jù)模糊子集的分布情況確定出此時(shí)此刻輸入值對(duì)這些模糊子集的隸屬程度。因此，為了保證在所有論域內(nèi)的輸入量都能與某一模糊子集相對(duì)應(yīng)，模糊子集的數(shù)目和范圍遍及整個(gè)論域。這樣，對(duì)于每一個(gè)物理輸入量至少有一個(gè)模糊子集的隸屬程度大于零。2. 知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)提供必要的定義，包含了

42、語(yǔ)言控制規(guī)則論域的離散化、量化和隸屬度函數(shù)的定義等。規(guī)則庫(kù)根據(jù)控制目的和控制策略給出了一套由語(yǔ)言變量描述的并由專家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合，在建立控制規(guī)則時(shí)，首先要解決諸如狀態(tài)變量的選擇、控制變量的選擇、規(guī)則類型的選擇和規(guī)則數(shù)目的確定等事項(xiàng)。(1) 數(shù)據(jù)庫(kù)模糊邏輯控制中的數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括：量化等級(jí)的選擇、量化因子、比例因子和模糊子集的隸屬度函數(shù)。這些概念都是建立在經(jīng)驗(yàn)和工程判斷的基礎(chǔ)上的，其定義有一定的主觀性。(2) 規(guī)則庫(kù) 模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識(shí)的語(yǔ)言來(lái)描述的，專家知識(shí)常采用“ifthen”的規(guī)則形式，而這樣的規(guī)則很容易通過(guò)模糊條件語(yǔ)句描述的模糊邏輯推理來(lái)實(shí)現(xiàn)。用一系列模糊條件

43、描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成模糊控制規(guī)則庫(kù)。與模糊控制規(guī)則庫(kù)相關(guān)的主要有：過(guò)程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇和模糊控制規(guī)則的建立等。3. 模糊推理模糊決策推理是模糊控制的核心，它利用知識(shí)庫(kù)的信息模擬人類的推理決策過(guò)程，給出了適合的控制量。模糊推理是以模糊判斷為前提的，運(yùn)用模糊語(yǔ)言規(guī)則，推出新的模糊判斷結(jié)論的方法。目前模糊邏輯推理方法還在發(fā)展之中，比較典型的有扎德(l.a.zadeh)方法、瑪達(dá)尼(mamdani)方法等等。從條件變量的多少、模糊規(guī)則多少的角度來(lái)劃分，模糊規(guī)則推理方法又可分為近似推理、模糊條件推理、多輸入模糊推理、多輸入多規(guī)則推理等四種模糊推理規(guī)則。4. 反模糊化過(guò)程通過(guò)模糊推理得

44、到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)能最佳代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過(guò)程就稱為反模糊化過(guò)程。常用的反模糊化的計(jì)算方法有以下三種：(1) 最大隸屬度函數(shù)法這種方法是取模糊子集中隸屬度最大的元素umax作為執(zhí)行量。當(dāng)多個(gè)最大隸屬度元素時(shí)，就取它們的平均值作為輸出。 這種判別方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)性也好，但它概括的信息量少，因?yàn)檫@種方法完全不考慮其它隸屬度較小的元素的影響和作用。(2) 中位數(shù)判決法計(jì)算隸屬函數(shù)曲線同橫坐標(biāo)軸圍成區(qū)域的面積，取1/2面積處橫軸坐標(biāo)為決策值的方法叫做中位數(shù)法。中位數(shù)法

45、比最大隸屬度法包含了更多的信息。但是，它往往會(huì)導(dǎo)致隸屬函數(shù)不同而中位數(shù)相同的現(xiàn)象，無(wú)法突出主要信息，這顯然不合理。因此，中位數(shù)較少采用。(3) 加權(quán)平均法加權(quán)平均法是將各等級(jí)隸屬度與該等級(jí)值相乘，并求乘積和，然后除以隸屬度和，所得值即為控制決策值，即 控制決策值=(等級(jí)值隸屬度)/ 隸屬度 (2-8)模糊論域、量化因子和比例因子的選擇 (1) 模糊論域和基本論域模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化的實(shí)際范圍稱為這些變量的基本論域，設(shè)誤差的基本論域?yàn)?emax，+emax，誤差變化的基本論域?yàn)?ecmax，+ecmax。被控對(duì)象實(shí)際要求的變化范圍為模糊控制器輸出變量的基本論域，設(shè)其為-yu，+yu

46、，顯然基本論域內(nèi)的量為精確量。誤差變量所取的模糊論域?yàn)椋?n，-n+1，0，n-1，n誤差變化變量所取的模糊論域?yàn)椋?m，-m+1，0，-1，控制量所取的模糊論域?yàn)椋?，0，有關(guān)模糊論域的選擇問(wèn)題,一般選n6，m6，6，這樣能確保模糊集能較好地覆蓋模糊論域，本文中取n=m=6。(2) 量化因子和比例因子為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊論域，這中間必須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子。量化因子一般用k表示，誤差的量化因子ke和誤差變化的量化因子kec分別由下面兩個(gè)公式來(lái)確定： (2-9)在模糊控制器的實(shí)際工作過(guò)程中，一般誤差和誤差變化的基本論域選擇范圍要比模糊論域選擇范圍

47、小，所以量化因子一般都大于1。 模糊控制器輸出的控制量還不能直接控制對(duì)象，必須將其轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象所能接受的基本論域中去。輸出控制量的比例因子由下式確定： (2-10)對(duì)輸出而言的比例因子起比例作用。(3) 量化因子和比例因子的選擇量化因子ke和kec的大小對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響極大。ke過(guò)小，系統(tǒng)上升速度過(guò)小，可能造成系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。ke選的較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)也較大，過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。因?yàn)閗e增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，雖然能使上升時(shí)間變短，但是由于超調(diào)過(guò)大，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。18ke過(guò)大時(shí)系統(tǒng)上升速度過(guò)快，也會(huì)產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。k

48、ec較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)較小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。量化因子ke和kec的大小影響著輸入變量誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，ke和kec兩者之間也相互影響。輸出控制量的比例因子ku作為模糊控制器總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，ku選擇過(guò)小會(huì)使動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而ku選擇過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇。因此，量化因子和比例因子必須選擇適當(dāng)，才能使系統(tǒng)產(chǎn)生較好的控制效果。模糊控制的主要優(yōu)點(diǎn) 在實(shí)踐應(yīng)用中，模糊控制具有許多傳統(tǒng)控制無(wú)法與之比擬的優(yōu)點(diǎn)，其中主要是: (1) 使用語(yǔ)言方法，可不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。因?yàn)閷?duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程很難獲得過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，而語(yǔ)言方法卻是一種很方便的近似。(2) 對(duì)

49、于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。(3) 操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)上。(4) 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)pid控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。模糊控制存在的問(wèn)題 雖然模糊控制取得了很多研究成果，但是由于它的發(fā)展歷史還不長(zhǎng)，因此，理論上的系統(tǒng)性和完善性，技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性還都是不夠的；另一方面，模糊控制雖有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但并不能取代傳統(tǒng)的控制方法，而是作為后者的補(bǔ)充和改進(jìn)。目前，模糊控制的設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，無(wú)法定義控制目標(biāo)?？刂埔?guī)則的選擇、論域的選擇、模糊集的定義、量化因子的

50、選取多采用湊試法，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的17。另外，信息簡(jiǎn)單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差。若要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制，有待人們進(jìn)一步地研究探索。模糊-pid控制模糊自適應(yīng)pid原理簡(jiǎn)介模糊自適應(yīng)pid參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對(duì)值、偏差變化率的絕對(duì)值的大小和調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)短，不斷地在線修正pid參數(shù)kp、ki、kd。對(duì)于汽包液位控制，其誤差e和誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入量，以滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)pid參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，再代入下式計(jì)算：kp=kp

51、+kp*ki =ki + ki *kd=kd+kd* (2-11)式中：kp、ki、kd為pid 3個(gè)控制參數(shù)的取值，kp*、ki *、kd*為pid參數(shù)基準(zhǔn)值；kp、ki、kd為pid參數(shù)校正值。pid調(diào)節(jié)器的輸出值u到鍋爐給水流量調(diào)節(jié)器。多模態(tài)模糊-pid控制原理這種控制策略是：在大偏差范圍內(nèi)，即偏差e在某個(gè)閾值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即e落到閾值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成pid控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉(zhuǎn)換閾值根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。多模態(tài)模糊-pid控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)模糊-pid控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理比較簡(jiǎn)單，原理如圖2.4所示 圖2.4 多模態(tài)模糊-p

52、id控制系統(tǒng)原理圖 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或受干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。多模態(tài)模糊-pid控制充分利用了模糊控制的及時(shí)性和pid控制的精確性的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。鍋爐汽包液位系統(tǒng)特性與控制方法分析本章主要介紹了鍋爐汽包液位在給水流量和蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)傳統(tǒng)的汽包液位單沖量、雙沖量及三沖量控制方式進(jìn)行了分析與介紹。 汽包液位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)，鍋爐汽包液位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代鍋爐要向蒸發(fā)量大和汽包容積相對(duì)減小的方向發(fā)展。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)

53、量隨時(shí)適應(yīng)負(fù)荷設(shè)備的需要量，汽包液位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險(xiǎn)的，這是因?yàn)橐何贿^(guò)低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動(dòng)停滯，致使金屬管壁局部過(guò)熱而爆管。無(wú)論滿水或缺永都會(huì)造成事故。因此，必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將液位嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。汽包液位的動(dòng)態(tài)特性 汽包的流入量是給水流量w，流出量是蒸汽流量d，當(dāng)給水量等于蒸汽量時(shí)，汽包液位就恒定不變，當(dāng)給水流量大于蒸汽流量時(shí)，液位會(huì)上升，蒸汽中含帶的水分過(guò)多，會(huì)造成蒸汽管壁結(jié)垢，影響蒸汽輸出的品質(zhì)，當(dāng)給水流量小于蒸汽流量時(shí)，液位會(huì)下降，給水的蒸發(fā)速度加快，造成虛假液位，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽包干涸，甚至引發(fā)爆炸。容易引起液位變化的主要擾動(dòng)是蒸汽流量d的變化和給水流量w的變化。汽包液位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性給水流量對(duì)液位的影響，即控制通道的動(dòng)態(tài)特性。給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量發(fā)生變化時(shí)，汽包液位對(duì)象的微分方程式可以表示為： (3-1)式中，t1，t2時(shí)間常數(shù)；tw給水流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；td蒸汽流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；kw給水流量項(xiàng)的放大系數(shù)；kd蒸汽流量項(xiàng)的放大系數(shù)。 (3-2)h0穩(wěn)定狀態(tài)下的水位；h水位高度的變化。 (3-3)w給水流量的變化；dmax最大蒸汽負(fù)荷量。