畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-火電廠主汽溫控制系統(tǒng)研究

1、引 言過熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱其蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓局部損壞；過熱蒸汽溫度過低，會(huì)引起電廠熱耗上升，并使汽輪機(jī)軸向推力增大而造成推力軸承過載，還會(huì)引起汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度增加，從而降低汽輪機(jī)的內(nèi)效率，加劇對葉片的腐蝕。所以鍋爐運(yùn)行中必須保持過熱汽溫穩(wěn)定在規(guī)定值附近。因此，火電廠鍋爐過熱汽溫，通常要求它保持在額定值5范圍內(nèi)1。而汽溫調(diào)節(jié)過程是典型的大延遲熱工過程，由于大延遲的存在使過程可控指數(shù)很低，受控對象為多容、大慣性系統(tǒng)，受控系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性和時(shí)變特性，且影響汽溫變化的擾動(dòng)因素很多，如蒸汽負(fù)荷、火焰中心位置等。這就給汽溫調(diào)節(jié)帶來很大的困難。

2、而一些常規(guī)的控制方案用于大機(jī)組汽溫調(diào)節(jié)效果不夠理想，因此研究火電廠的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的新型控制策略具有重要的意義。模糊控制是當(dāng)今控制領(lǐng)域中令人矚目的控制方法和技術(shù)，它通過把專家的經(jīng)驗(yàn)和要求總結(jié)成假設(shè)干規(guī)那么，采用簡便、快速、靈活的手段，來完成那些用經(jīng)典和現(xiàn)代控制手段難以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化的目標(biāo)，因而在多個(gè)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于常規(guī)模糊控制器的控制規(guī)那么是根據(jù)現(xiàn)場操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，其語言規(guī)那么和合成推理往往是固定的，它假設(shè)控制過程不會(huì)產(chǎn)生超出這些經(jīng)驗(yàn)范圍的顯著變化，從而有一定的局限性2。對于一個(gè)非線性、大延遲的系統(tǒng)，使用常規(guī)的PID控制，或是簡單的模糊控制將難以到達(dá)滿意的控制

3、效果。大型火電廠鍋?zhàn)o(hù)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)是提高電廠經(jīng)濟(jì)效益，保證機(jī)組平安運(yùn)行的不可缺少的環(huán)節(jié)。主蒸汽溫度一般可看作多容分布參數(shù)受控對象，其動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為具有明顯的滯后特性，因此對該對象的控制比擬困難，本文結(jié)合模糊控制和串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)，提出主汽溫FUZZY-PI串級(jí)控制方法，并且使用MATLAB 中的SIMULINK 軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果說明該控制器可以使系統(tǒng)具有很好的抗干擾性能和魯棒性3。第一章 緒論1.1 論文的選題背景和意義在火電廠中，熱工對象普遍存在著大滯后和大慣性的特征，如電廠汽包鍋爐蒸汽壓力和燃料控制系統(tǒng), 汽包鍋爐過熱蒸汽的溫度控制系統(tǒng) ,這給控制帶來了一定的困難。本文以汽包鍋爐過

4、熱蒸汽溫系統(tǒng)為研究對象, 對汽溫動(dòng)態(tài)特性分析。過熱蒸汽溫度一般可以看成多容分布參數(shù)受控對象，其動(dòng)態(tài)特性描述一般可用多容慣性環(huán)節(jié)來表示, 通過其階躍擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 該對象具有明顯的滯后特性。原因主要有:鍋爐燃燒工況不穩(wěn)定, 煙氣側(cè)擾動(dòng)頻繁且擾動(dòng)量較大, 影響過熱蒸汽溫度變化快;由于工藝特性決定各級(jí)過熱汽管道較長, 造成過熱汽溫對其控制輸入噴水減溫器的減溫水量變化反響較慢;外部擾動(dòng)(如主蒸汽流量波動(dòng)、主汽壓力波動(dòng)、汽水別離器水位波動(dòng)、給水溫度及流量變化、蒸汽吹灰投入等) 變化頻繁且擾動(dòng)量較大, 而使主汽溫度長期不能穩(wěn)定;由于參數(shù)整定不當(dāng)引起一、二級(jí)噴水量不匹配, 使得噴水量內(nèi)擾較大

5、, 造成過熱汽溫在外擾較小時(shí)仍偏離設(shè)定值較大。因此, 針對上述情況設(shè)計(jì)的過熱汽溫控制系統(tǒng), 既要求對煙氣側(cè)擾動(dòng)及負(fù)荷波動(dòng)等較大外擾具有足夠快的校正速度,同時(shí)又要求對減溫水內(nèi)擾有較強(qiáng)的抑制能力, 從而使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和良好的控制品質(zhì), 并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的平安性。常規(guī)控制方案: 一種是串級(jí)控制, 另一種是導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)控制。當(dāng)工況變化大時(shí), 難以保證控制品質(zhì)。因而考慮在串級(jí)控制系統(tǒng)中引入模糊控制器, 根據(jù)運(yùn)行人員的操作經(jīng)驗(yàn), 采用復(fù)合模糊串級(jí)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果說明: 與傳統(tǒng)的PID 控制相比, 復(fù)合模糊串級(jí)控制具有更快的響應(yīng)、更小的超調(diào)和更強(qiáng)的抗干擾能力4 。1965年，美國加利福尼亞大學(xué)

6、的扎德教授發(fā)表了開創(chuàng)性的論文，從而產(chǎn)生了模糊集合論，并奠定了模糊集理論和應(yīng)用研究的根底。其后，一些學(xué)者把模糊集的思想引入系統(tǒng)控制，提出了模糊控制的概念，并開展了理論及應(yīng)用方面的研究。1974年，英國的E.H.Mamdani 首先把模糊控制語言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)；在以后的20多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的重視。國外不少專家、學(xué)者、 工程技術(shù)人員都致力于模糊控制的研究，并將模糊控制器用于工業(yè)過程控制方面，取得了良好的效果。在高度工業(yè)化的日本，其模糊控制理論和研究都處于世界領(lǐng)先地位。從家用電器到生產(chǎn)過程控制，應(yīng)用模糊控制技術(shù)的新一代產(chǎn)品已大量上市。從1979年開始，

7、我國也開始了模糊控制理論及應(yīng)用方面的研究。目前，模糊理論方面的研究已取得了重要的成果。在各種模糊控制算法和模糊與常規(guī)復(fù)合控制算法的研究中取得了許多有價(jià)值的成就。傳統(tǒng)的PID控制器，由于其控制規(guī)律簡單，參數(shù)設(shè)置亦不復(fù)雜，在過程控制中仍得到廣泛的應(yīng)用。但其致命的缺點(diǎn)是事先設(shè)定好的控制參數(shù)不能適應(yīng)過程的不確定性而做出相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，由于控制參數(shù)不能隨之而變化，不能對受控過程參數(shù)做出適時(shí)調(diào)整，從而使過程的品質(zhì)指標(biāo)惡化。 Carcia和Morari在1982年提出了內(nèi)?？刂?，這一控制的優(yōu)點(diǎn)是能將PID控制、SIMULINK 預(yù)估控制、確定性線性二次最優(yōu)反響控制和多種預(yù)測控制等歸納在同一架構(gòu)

8、之下，內(nèi)?？刂圃O(shè)計(jì)簡單、跟蹤性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可測干擾的影響，是一種設(shè)計(jì)和分析預(yù)測控制系統(tǒng)的有力工具5。在控制工程中，被控對象總是含有種種不確定性。如果用精確數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，那么當(dāng)不確定參數(shù)變化劇烈時(shí)，往往難以獲得滿意的控制效果，甚至造成無法控制。為了解決這個(gè)問題，出現(xiàn)模糊控制等方法。這些方法在一定條件下是可行的。但是當(dāng)系統(tǒng)操作環(huán)境突變例如被控對象發(fā)生故障或運(yùn)行環(huán)境發(fā)生突變，系統(tǒng)的參數(shù)變化很大，常規(guī)自適應(yīng)控制器中的辨識(shí)器難以跟隨參數(shù)的實(shí)際變化，導(dǎo)致控制器性能不佳；另外，基于對象模型識(shí)別的常規(guī)自適應(yīng)控制器以及目前已提出的模糊自適應(yīng)控制器或者基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)控制器由于計(jì)算

9、量大，控制規(guī)律復(fù)雜，很難滿足實(shí)時(shí)性要求，尤其是在操作環(huán)境突變的暫態(tài)性比擬差。1.2論文需要解決的問題論文主要有以下幾個(gè)方面的工作需要完成：1通過給定的數(shù)據(jù)和傳遞函數(shù)，根據(jù)給定的衰減率進(jìn)行串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器整定計(jì)算，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。2熟悉MATLAB仿真工具SIMULINK。3利用上述模糊控制方法針對過熱器這一溫度對象，進(jìn)行模糊控制器設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 第二章 模糊控制理論的數(shù)學(xué)根底及模糊控制算法概述模糊集合及其運(yùn)算定義1：設(shè)U為以u表示的一個(gè)論域空間，此空間可以是連續(xù)的，也可以是離散的。論域空間U上的模糊集合F由隸屬函數(shù)表示，在區(qū)間0，1上取值，即：U0，1。模糊集合可看成普通集合概念的推廣

10、。普通集合的隸屬函數(shù)只能取兩值0，1。因此模糊集合可以用其元素u和它的隸屬度來表示： F= (u, uU當(dāng)U連續(xù)時(shí)，模糊集合F可以簡寫為： ；當(dāng)U離散是，模糊集合F可簡寫為： 。定義2：設(shè)A和B為論域U上的兩個(gè)模糊集合，規(guī)定AC的隸屬函數(shù)分別為，并且對于U上的每一個(gè)元素有： 上三式分別為A與B的并集、交集和A的補(bǔ)集。式中“表示取大運(yùn)算，“表示取小運(yùn)算，成為Zadeh算子。定義3：笛卡爾乘積，假設(shè)A1，A2，An分別為U1,U2,，Un中的模糊集合，A1，A2，An的笛卡爾乘積在乘積空間的隸屬函數(shù)為：或者：模糊關(guān)系及其合成定義4：模糊關(guān)系：一個(gè)n維的模糊關(guān)系為中的模糊集合并表示為： 定義5：模糊

11、關(guān)系的合成：假設(shè)R和S分別為和中的模糊關(guān)系，那么R和S的合成也為一個(gè)模糊關(guān)系，表示為，定義為： 其中：可以使最小算子，也可以使代數(shù)積、有界積等6。語言變量定義6：模糊數(shù)：設(shè)A為論域U上的模糊集合，為其隸屬函數(shù)，又設(shè)，假設(shè)對任意，都是一個(gè)閉區(qū)間，那么稱A是一個(gè)模糊數(shù)。凡具有連續(xù)隸屬函數(shù)的凸模糊子集都是模糊數(shù)，凸模糊集是指以實(shí)數(shù)為論域且隸屬函數(shù)滿足 的模糊子集而言。定義7： 語言變量：語言變量由一個(gè)5元素的集合來表征，其中N是語言變量的名稱，如年齡、顏色、速度、體積等；U是N的論域；是語言變量值的集合，每個(gè)語言值都是定義在論域上的一個(gè)模糊集合；G是語法規(guī)那么，用以產(chǎn)生語言變量N的語言值的名稱；是語

12、義規(guī)那么，使與語言變量相聯(lián)系的算法規(guī)那么，用以產(chǎn)生模糊子集的隸屬函數(shù)。例：“年齡為一個(gè)語言變量，他的語義項(xiàng)集合T年齡可為：T年齡=老，非常老，比擬老，年輕，年少，模糊邏輯和近似推理在模糊邏輯和近似推理中，有兩類重要的模糊推理規(guī)那么，即：廣義肯定式推理GMP前提1 if x is A then y is B前提2 if x is A結(jié)論 y is B廣義否認(rèn)式推理GMT前提1 if x is A then y is B前提2 if y is B結(jié)論 x is A在廣義肯定式推理中，當(dāng)A= A,B= B時(shí)，廣義肯定式推理就成了肯定式推理；在廣義否認(rèn)式推理中，當(dāng)B=非B，A=非A時(shí)，廣義否認(rèn)式推理就

13、成了否認(rèn)式推理。由于廣義肯定式推理是前向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式推理，所以在模糊控制中這種形式的推理更常用。定義8：復(fù)合推理規(guī)那么：假設(shè)為中的一個(gè)模糊關(guān)系，且為中的一個(gè)模糊集合，為中的一個(gè)模糊集合，由推出的方法定義為 假設(shè)式中取最小算子，那么上式即為Zadeh提出的取大-取小復(fù)合推理規(guī)那么7。在工業(yè)過程中，由于一系列原因例如被控對象和過程是非線性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)耦合、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜以及現(xiàn)場測量儀表?xiàng)l件的缺乏等，不可能建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而通常只能測得其參數(shù)間模糊的關(guān)系估計(jì)。因此，往往采用傳統(tǒng)的控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，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

14、制效果好。所謂模糊控制，就是在控制方法上應(yīng)用模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識(shí)來模擬人的模糊邏輯思維方法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。根本Fuzzy控制系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：圖2-1 根本Fuzzy控制系統(tǒng)方框圖要設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器以實(shí)現(xiàn)語言控制必須經(jīng)過以下三步：1. 精確量的模糊化，把語言量的語言值化為某適當(dāng)區(qū)域上的模糊子集；2. 模糊控制算法的設(shè)計(jì)，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)那么，并計(jì)算模糊控制規(guī)那么決定的模糊關(guān)系；3. 輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)用一簡單的模糊控制器圖2-1來說明Fuzzy控制的實(shí)現(xiàn)步驟。圖中R是系統(tǒng)設(shè)定值精確量；e、ec

15、分別是系統(tǒng)誤差和誤差變化精確量；E和EC分別為反映系統(tǒng)誤差與誤差變化的語言變量的模糊集合模糊量；u為模糊控制器輸出的控制作用精確量；y為輸出量精確量，下面簡要介紹模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。精確量的模糊化設(shè)誤差的根本論域?yàn)?，誤差所取的模糊集合的論域?yàn)椋@時(shí)需要通過量化因子進(jìn)行論域變換，量化因子的定義是 2-1一旦量化因子選定，系統(tǒng)的任何誤差總可以量化為論域X上的某一元素。例如，實(shí)測誤差為，那么它必屬于以下3種情況之一：123對于情況2及3，分別將量化為-n與n。對于情況1，假設(shè)，那么將量化為；假設(shè)，那么需要將量化為，為某一整數(shù)。從式2-1可以看出，一旦給定論域，量化因子的取值大小可使根本論域發(fā)生不同

16、程度的縮小與放大，即當(dāng)大時(shí)，根本論域縮小，而當(dāng)小時(shí)，根本論域放大，從而提高了誤差控制的靈敏度。同理，對于誤差變化率的根本論域，假設(shè)選定構(gòu)成論域的元素量化檔數(shù)n，那么誤差變化率的量化因子定義為 對于系統(tǒng)控制量的變化，根本量化因子的概念，定義為 為其比例因子。其中，為控制量變化的根本論域；為根本論域的量化檔數(shù)。一般來說，等級(jí)分的越細(xì),控制精度越高，但占用的計(jì)算機(jī)內(nèi)存也越大，速度下降，所以在劃分等級(jí)時(shí)，必須綜合這兩項(xiàng)指標(biāo)。本文、和分別規(guī)定為以下模糊子集：E= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PBEC= NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PBU= NB, NM, NS,

17、ZO, PS, PM, PB它們的論域劃分為14個(gè)等級(jí)，隸屬函數(shù)是正態(tài)分布的，這符合傳統(tǒng)習(xí)慣和人的思維特點(diǎn)。在給定論域上確定模糊子集的隸屬函數(shù)時(shí)要注意下面三個(gè)問題：1、任意兩個(gè)相鄰子集的最大隸屬度值在0.40.7之間。這個(gè)值取得較小時(shí)，控制作用比擬靈敏；較大時(shí)，對被控對象參數(shù)的變化適應(yīng)性較強(qiáng)，即魯棒性強(qiáng)。2、隸屬函數(shù)的形狀對控制效果影響較大。窄型隸屬函數(shù)，控制靈敏度高；寬型隸屬函數(shù)控制特性比擬平緩，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。因此，一般在系統(tǒng)誤差較大的范圍內(nèi)，采用具有低分辨率隸屬函數(shù)的模糊集合，而在誤差較小，或接近于零時(shí)，宜采用高分辨率隸屬函數(shù)的模糊集合。3、為了保證控制作用的隸屬函數(shù)是單峰的，各模糊子集必

18、須是正規(guī)凸的。模糊推理算法模糊控制規(guī)那么的一般形式為：if E is, EC is then U is 這里、是模糊子集；E表示被控量的設(shè)定值R對其實(shí)際值Y的偏差e=R-Y所對應(yīng)的模糊子集，EC用來表示偏差變化率的模糊子集，U表示輸出控制量的模糊子集，是E的模糊子集劃分?jǐn)?shù)目，是EC的模糊子集的劃分?jǐn)?shù)目。上述模糊條件語句可歸結(jié)為一個(gè)模糊關(guān)系，即： 式中，符號(hào)“表示Cartesian積。如果偏差、偏差變化率分別取E和EC，根據(jù)模糊推理合成規(guī)那么，輸出的控制量應(yīng)當(dāng)是模糊子集U， 式中符號(hào)“表示模糊合成運(yùn)算。這樣，假設(shè)輸入量E、EC和輸出控制量U，就可以根據(jù)上述規(guī)那么把相應(yīng)的模糊關(guān)系求出來；凡過來，假

19、設(shè)系統(tǒng)的模糊關(guān)系為時(shí)，就可以根據(jù)E和EC求出模糊控制量U。輸出量的模糊判決通過模糊推理得到的模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊子集，但被控對象只能接受精確的控制量，因此需要解決將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量的判決問題。現(xiàn)有的解模糊方法很多，如重心法、最大隸屬度法、系數(shù)加權(quán)平均數(shù)法和取中位數(shù)法等。其中，重心法不僅有公式可循，而且在理論上比擬合理，它涵蓋和利用了模糊集合的所有信息，并根據(jù)隸屬度的不同而有所側(cè)重，所以本文采用重心法。通過根本模糊控制設(shè)計(jì)過程可知，模糊控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：模糊控制系統(tǒng)不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，特別適宜于系統(tǒng)過程與模糊性對象采用，因?yàn)樗鼈兊木_數(shù)學(xué)模型很難獲得或根本無法找到。模糊控制的知識(shí)表

20、示，模糊規(guī)那么和合成推理是基于專家知識(shí)或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)，并通過學(xué)習(xí)可不斷更新，因此，它具有智能性和自學(xué)習(xí)性。模糊控制的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以計(jì)算機(jī)微機(jī)、單片機(jī)等為主體，因此它兼有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，如具有數(shù)字控制的精確性和軟件編程的柔軟性等。模糊控制系統(tǒng)的人-機(jī)界面具有一定程度的友好性，它對于有一定操作經(jīng)驗(yàn)的而對控制理論并不熟悉的工作人員來說，很容易掌握和學(xué)會(huì)，并且易于使用“語言進(jìn)行人-機(jī)對話，更好的為操作者提供控制信息。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。盡管模糊控制有許多優(yōu)點(diǎn)，但在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中

21、尚有許多問題需要深入研究。作者在查閱、綜合、分析了大量文獻(xiàn)的根底上，選定了幾種具有代表性的新型模糊控制算法加以概述。Fuzzy-PID復(fù)合控制Fuzzy-PID復(fù)合控制指的是模糊技術(shù)與常規(guī)的PID控制算法相結(jié)合的一種控制算法。這種控制方法常見的一種是模糊控制與PI調(diào)節(jié)器相結(jié)合應(yīng)用的Fuzzy-PI雙?？刂菩问?。這種改良的控制方法的出發(fā)點(diǎn)主要是因?yàn)橐话隳：刂破飨到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比擬差，難以到達(dá)較高的控制精度。尤其是在離散有限論域設(shè)計(jì)時(shí)，更為明顯。而PI調(diào)節(jié)器的積分作用從理論上可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制為零，有著很好的消除誤差作用。因此，有人提出了模糊控制和PI控制相結(jié)合的一種方案，以增加穩(wěn)態(tài)控

22、制性能。當(dāng)誤差在一個(gè)閥值以外時(shí)，那么采用模糊控制以獲得更好的瞬態(tài)性能；當(dāng)誤差落到閥值以內(nèi)的范圍時(shí)，那么采用PI控制，以獲得更好的穩(wěn)態(tài)性能。這種復(fù)合控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。圖2-2 Fuzzy-PI復(fù)合串級(jí)控制系統(tǒng)自組織模糊控制模糊控制器具有良好控制效果的關(guān)鍵是有一個(gè)完善的控制規(guī)那么。但對于高階、非線性、大時(shí)滯、時(shí)變以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜被控過程，僅靠對操作者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)或模糊信息的歸納，很難設(shè)計(jì)出適合被控過程的所有不同運(yùn)行狀態(tài)的控制規(guī)那么。為解決這類設(shè)計(jì)問題，人們設(shè)計(jì)了一種可以在運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)對本身或控制規(guī)那么進(jìn)行調(diào)整的模糊控制器，即自組織模糊控制器。它可使系統(tǒng)的性能不斷完善，能適應(yīng)

23、不斷變化的情況。目前主要有以下兩種自組織模糊控制器。1、帶修正因子的自組織模糊控制器在采用公式法的常規(guī)模糊控制器中，是利用以下計(jì)算控制量U的： 其中：x，y分別為模糊控制量偏差及偏差變化率的論域元素，a是介于0，1之間實(shí)數(shù)。a值的大小，直接反響了對偏差e及偏差變化率e的加權(quán)程度。因此通過調(diào)整單一因子a的值，就可以方便地修改控制規(guī)那么，以改善系統(tǒng)的控制效果。但這種單因子自調(diào)整方法存在一些缺乏，就是其控制規(guī)那么只依賴一個(gè)a值，a值一旦確定，那么偏差e及偏差變化率e的權(quán)重就確定了。這在實(shí)際系統(tǒng)中，顯然不能滿足系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的需要。為了克服單因子的缺點(diǎn)，后來又有人提出帶兩個(gè)因子及帶四個(gè)因子的自組織模

24、糊控制器，但其結(jié)果，從理論上還是會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差的。最近又有人提出對多因子進(jìn)行尋優(yōu)的模糊控制器，即采用ITAE積分性能指標(biāo)： 式中，表示誤差函數(shù)加權(quán)時(shí)間之后的積分面積的大小。括號(hào)中英文字母漢譯分別是：I-積分；T-時(shí)間；A-絕對值；E-誤差。該指標(biāo)能夠綜合評價(jià)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，從理論上來講，應(yīng)具有良好的品質(zhì)，但在實(shí)際工程中，采用尋優(yōu)的方法很難到達(dá)理想的控制效果。盡管如此，帶修正因子的自組織模糊控制器可以拋開控制表。把模糊控制規(guī)那么綜合成一個(gè)簡單算式，直接求出控制器，并可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過調(diào)整a值，很方便的進(jìn)行在線調(diào)整控制規(guī)那么，以改善系統(tǒng)的控制性能。因此這是一種既方便又有效的自組

25、織模糊控制器，特別適合于工程應(yīng)用。2、參數(shù)自整定模糊控制器模糊控制系統(tǒng)的性能不但與控制規(guī)那么有關(guān)，而且模糊化和精確化的兩個(gè)過程直接影響被控過程動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣，這主要反映在量化因子、和比例因子的選取上。通常這三個(gè)因子都是一次確定的，這樣做往往不能全面適應(yīng)被控對象變化的情況。借鑒PID參數(shù)自整定的思想，又提出了在線自整定模糊控制器的概念，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。我們知道，典型的單變量二維模糊控制器代數(shù)模型可用下式表示： 比例因子和分別相當(dāng)于模糊控制的比例作用和微分作用的系數(shù)，那么相當(dāng)于總的放大系數(shù)。、增大，相當(dāng)于控制器的比例作用和微分作用增強(qiáng)；而增大，相當(dāng)于控制器總的放大倍數(shù)增大。因此，假設(shè)要加快系

26、統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少穩(wěn)態(tài)誤差與誤差變化率，就必須增大、，但可能引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間增長、，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生振蕩乃至系統(tǒng)不穩(wěn)定。過大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出上升速率過大，從而產(chǎn)生過大超調(diào)乃至振蕩或發(fā)散。系統(tǒng)參數(shù)自調(diào)整的思想是：當(dāng)偏差較大時(shí)，縮小和，放大，降低對e和ec的分辨率；而當(dāng)偏差和偏差變化率較小時(shí)，參數(shù)整定思想與上述相反。圖2-3 參數(shù)自整定模糊控制系統(tǒng)參數(shù)自整定模糊控制器的提出和實(shí)現(xiàn)，無疑為提高控制器的性能提供了一種有益的方法。但通常對三個(gè)因子的自整定過程中，變化不大，因而仍然不能保證對人和系統(tǒng)都有優(yōu)良的品質(zhì)。自適應(yīng)模糊控制器一個(gè)控制過程，如果不能完全預(yù)知其環(huán)境和控制對象，但能夠在其運(yùn)行過程

27、中，利用輸入和輸出觀察到的信息，逐步減少對系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的先驗(yàn)不確定性，以逐步到達(dá)最優(yōu)或次優(yōu)，那么稱其為一個(gè)自適應(yīng)模糊控制過程。采用模糊信息處理技術(shù)，具有自適應(yīng)功能的控制系統(tǒng)稱為自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。自適應(yīng)模糊控制器是在根本模糊控制器的根底上，增設(shè)了三個(gè)功能塊兒構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。性能測量：根據(jù)測量出的實(shí)際輸出特性與希望特性的偏差，確定輸出響應(yīng)的校正量；控制量校正：通過修正控制規(guī)那么來實(shí)現(xiàn)對控制量的校正；模糊控制的過程為每一個(gè)采樣周期過程的每一個(gè)輸出的校驗(yàn)，給出關(guān)于該輸出的性能測量，然后算出每一個(gè)采樣周期的輸出特性的校正量P(nT),通過控制量校正求出控制量校正量R(nT)，進(jìn)而修正

28、控制規(guī)那么。2.4.4多變量模糊控制前面提到的幾種模糊控制是針對簡單系統(tǒng)采用的雙輸入單輸出的模糊控制器，而圖2-4 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)對于多變量復(fù)雜系統(tǒng)，各輸入輸出變量之間存在著不同程度的相互影響。當(dāng)多個(gè)輸出變量之間耦合程度較強(qiáng)時(shí)，便無法分為幾個(gè)獨(dú)立的單回路控制系統(tǒng)，這時(shí)必須才用多變量控制策略。對于多變量被控過程，如果采用模糊控制，即模糊集合表達(dá)的控制規(guī)那么，那么其表達(dá)形式與單變量系統(tǒng)的模糊控制根本相同，所不同的是多變量模糊控制規(guī)那么更難提取，同時(shí)，由于多變量系統(tǒng)變量增多，用于表達(dá)多變量控制規(guī)那么的計(jì)算量增大，對計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量的要求增大。為了解決多變量模糊控制系統(tǒng)中的這些問題，Gupta等在19

29、86年對多變量控制系統(tǒng)的表達(dá)式進(jìn)行了研究，給出了多變量模糊控制規(guī)那么的分解近似表達(dá)式。這樣，不但為研究多變量模糊控制系統(tǒng)提供了根本結(jié)構(gòu)，而且降低了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的要求。可是，對于建立規(guī)那么庫仍不易實(shí)現(xiàn)。徐承偉分別用模糊關(guān)系和語言變量描述方法對多變量被控過程建模，并利用解耦思想在模糊模型上設(shè)計(jì)解耦補(bǔ)償器，但還不夠成功，存在求解計(jì)算量大，甚至描述不正確等問題。但是到目前為止，還沒有很好的方法解決8。第三章 汽溫調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性及常規(guī)控制方式3.1汽溫控制系統(tǒng)介紹3.1.1 汽溫調(diào)節(jié)的目的 蒸汽過熱器是鍋爐的重要組成局部，它的作用是將飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度的過熱蒸汽，鍋爐過熱器是由輻射過熱器

30、，對流過熱器和減溫器等組成?，F(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫，高壓條件下工作的，鍋爐出口的過熱蒸汽溫度是整個(gè)汽水運(yùn)行過程中的最高溫度，對于電廠的平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響，汽溫過高會(huì)使過熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過高的熱應(yīng)力而損壞，汽溫偏低會(huì)降低機(jī)組熱效率，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所以，在鍋爐運(yùn)行中，必須保持過熱蒸汽溫度穩(wěn)定在規(guī)定值附近。一般要求過熱蒸汽溫度與規(guī)定值的暫時(shí)偏差值不超過10長期偏差不超過59。3.1.2汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成及功能 由于過熱器的管道較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其滯后和慣性較大，因此大局部機(jī)組的過熱蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)采用兩級(jí)噴水調(diào)節(jié)方式，第一級(jí)起粗調(diào)作用，正常運(yùn)行時(shí)，取兩側(cè)屏式過熱器出口汽溫的平均值作被調(diào)量

31、，其輸出直接控制兩側(cè)噴水調(diào)節(jié)門開度，改變減溫水量，適應(yīng)負(fù)荷改變時(shí)對蒸汽品質(zhì)的要求，同時(shí)保證屏的平安。第二級(jí)實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，調(diào)節(jié)減溫水量以消除燃燒工況不均勻時(shí)對系統(tǒng)的影響，保持額定的蒸汽溫度，保證最末級(jí)過熱器平安。3.1.3 過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性指汽溫隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)關(guān)系。對流式過熱器和輻射式過熱器的過熱汽溫靜態(tài)特性完全相反，對于對流式過熱器，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，通過其煙氣的溫度和流速都增加，因而使過熱汽溫升高。所以對流式過熱器的出口汽溫隨負(fù)荷增加而升高。對于輻射式過熱器，由于負(fù)荷增加時(shí)爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負(fù)荷增大所需要的熱量，因此輻射

32、式過熱器的出口汽溫隨負(fù)荷增加而降低如圖3-1所示?？梢?，過熱器的傳熱形式、結(jié)構(gòu)、布置將直接影響過熱器的靜態(tài)特性。現(xiàn)代大容量鍋爐的過熱器系統(tǒng)都采取了對流式過熱器、輻射式過熱器和屏式半輻射式過熱器交替串聯(lián)布置的結(jié)構(gòu)，這有利于減小過熱器出口汽溫的偏差，并改善了過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性。3.1.4 過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性如圖3-2所示，過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性是指引起過熱汽溫變化的擾動(dòng)與汽溫之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。引起過熱汽溫溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、進(jìn)入過熱器的蒸汽溫度變化、流過過熱器的煙氣溫度和流速變化等。歸結(jié)起來，過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的擾動(dòng)主要來自三個(gè)方面：蒸汽流量變化負(fù)荷變

33、化，加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化過熱器入口汽溫變化。通過對過熱汽溫調(diào)節(jié)對象作階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，可得到不同擾動(dòng)作用下的對象動(dòng)態(tài)特性，它們均為遲延的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)值、有較大差異。圖3-1 過熱汽溫的靜態(tài)特性 圖3-2 過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過熱器管路長度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使過熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度也幾乎同時(shí)改變。所以在負(fù)荷擾動(dòng)下，汽溫的遲延和慣性比擬小。當(dāng)煙氣熱量擾動(dòng)煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化時(shí)，由于煙氣流速和溫度變化也是沿整個(gè)過熱器同時(shí)改變，與蒸汽流量變化對傳熱情況類似，所以汽溫的反響也是較快的。當(dāng)減溫水

34、量擾動(dòng)時(shí)，改變了高溫過熱器的入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫。由于大型鍋爐的過熱器管路很長，因此減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的反響是較慢的。對于一般高中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的遲延時(shí)間 =3060s,時(shí)間常數(shù)=100s；而當(dāng)煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)， =1020s，=100s。3.2 主汽溫對象的一般特性在現(xiàn)代火力發(fā)電廠熱工控制中，鍋爐出口過熱蒸汽溫度、主汽溫是鍋爐的主要參數(shù)之一，對電廠的平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。主汽溫偏高會(huì)使過熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過高的熱應(yīng)力而損壞，威脅機(jī)組的運(yùn)行平安。主汽溫偏低那么會(huì)降低機(jī)組的熱效率，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 同時(shí)主汽溫偏低會(huì)使蒸汽的含水量增加；從而縮短汽輪機(jī)葉片的

35、使用壽命，因此必須將主蒸汽溫度嚴(yán)格控制在給定值附近。例如，亞臨界壓力機(jī)組的主蒸汽溫度通常要求其暫態(tài)偏差不能超過8穩(wěn)態(tài)偏差不允許超過2。然而，隨著電力事業(yè)的開展，現(xiàn)代鍋爐機(jī)組大多采用那些大容量高參數(shù)、高效率的大型鍋爐，其過熱器管道相應(yīng)地加長，其結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。此外，在電力生產(chǎn)過程中，過熱器出口溫度還受到諸如蒸汽流量負(fù)荷變化、爐膛熱負(fù)荷變化、煙氣量及煙氣溫度波動(dòng)、過熱器管壁結(jié)焦等等可測的或不可測的外部因素影響。在這些外部因素的共同作用下，主汽溫對象除了具有多容大慣性、大遲延特性之外，往往又表現(xiàn)出一定的非線性和時(shí)變特性。理論分析和大量的實(shí)踐說明，在影響過熱汽溫的諸多因素當(dāng)中，蒸汽流量負(fù)荷、煙氣擾動(dòng)熱負(fù)

36、荷、過熱器入口溫度 、減溫水量是三個(gè)最主要的因素。根據(jù)不同的調(diào)節(jié)機(jī)理，在實(shí)際應(yīng)用中可采用設(shè)置擺動(dòng)式燃燒器、煙氣擋板和多級(jí)噴水減溫等調(diào)節(jié)方式。其中，噴水減溫因?yàn)檎{(diào)節(jié)方式靈活、設(shè)備相對簡單易于控制是電廠主汽溫調(diào)節(jié),特別是高溫過熱器出口汽溫調(diào)節(jié)是最主要的調(diào)節(jié)手段.由于各種過熱器的構(gòu)造不同,它們的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性也有差異.所以在我們將應(yīng)用前一章所介紹的模糊自適應(yīng)預(yù)測控制算法著重研究。3.3 常規(guī)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析3.3.1過熱汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成圖3-3過熱汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。汽溫調(diào)節(jié)對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量為對象調(diào)節(jié)通道的輸入信號(hào)，過熱器出口汽溫為輸入信號(hào)。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)

37、中采用減溫器出口處汽溫作為輔助調(diào)節(jié)信號(hào)稱為導(dǎo)前汽溫信號(hào)。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作噴水量變化后，導(dǎo)前汽溫信號(hào)的反響顯然要比被調(diào)量信號(hào)早很多。圖3-3過熱汽溫串級(jí)控制由于從調(diào)節(jié)對象中引出了信號(hào)，對象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性可以看成由兩局部組成：以減溫水流量作為輸入信號(hào)，減溫器出口溫度作為輸出信號(hào)的通道，這局部調(diào)節(jié)通道稱為導(dǎo)前區(qū)，傳遞函數(shù)；以減溫器出口溫度作為輸入信號(hào)，過熱器出口汽溫為輸出信號(hào)的通道，這局部調(diào)節(jié)通道稱為惰性區(qū)，傳遞函數(shù)。顯然，導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性都要比惰性區(qū)的小得多。3.3.2串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖3-4所示，它有兩個(gè)閉合的調(diào)節(jié)回路：由對象調(diào)節(jié)通道的導(dǎo)前區(qū)、導(dǎo)前汽溫變送器、

38、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成的副調(diào)節(jié)回路；由對象調(diào)節(jié)通道的惰性區(qū)、過熱汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器以及副調(diào)節(jié)回路組成的主回路。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，主要是由于有一個(gè)快速動(dòng)作的副調(diào)節(jié)回路存在。由圖可以看出，引入負(fù)反響而構(gòu)成的副回路起到了穩(wěn)定的作用，從而使過熱汽溫保持不變，因此可以認(rèn)為副回路起著粗調(diào)節(jié)過熱汽溫的作用。而過熱汽溫的規(guī)定值，主要由主調(diào)節(jié)器來嚴(yán)格保持。只要不等于規(guī)定值，主調(diào)節(jié)器就會(huì)不斷改變其輸出信號(hào)并通過副調(diào)節(jié)器不斷改變減溫水流量，直到恢復(fù)到等于規(guī)定值為止。可見，主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)相當(dāng)于副調(diào)節(jié)器的可變給定值。穩(wěn)定時(shí)過熱汽溫等于給定值，而導(dǎo)前汽溫那么不一定等于原來的數(shù)值，的信號(hào)數(shù)值等于穩(wěn)

39、態(tài)時(shí)主調(diào)節(jié)器輸出值。對于串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論擾動(dòng)發(fā)生在副調(diào)節(jié)回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，其調(diào)節(jié)品質(zhì)都是優(yōu)于單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的。圖3-4 汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖-減溫水流量；-減溫水流量擾動(dòng)；-調(diào)解作用引起的減溫水流量變化；-調(diào)解通道導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)；-調(diào)解通道惰性區(qū)的傳遞函數(shù)；-副調(diào)解器的傳遞函數(shù)；-主調(diào)解器的傳遞函數(shù)；-導(dǎo)前汽溫變送器的斜率；-主汽溫變送器的斜率；-執(zhí)行器的比例系數(shù)；-減溫水調(diào)節(jié)閥的比例系數(shù)1擾動(dòng)發(fā)生在副回路內(nèi)，例如當(dāng)減溫水流量發(fā)生自發(fā)性波動(dòng)可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變而引起變化時(shí)，對于單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于沒有副調(diào)節(jié)回路去迅速消除的波動(dòng)，所以必然要影響到主汽溫的穩(wěn)定；對于

40、串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于有副回路存在，而且導(dǎo)前區(qū)的慣性又小，副調(diào)節(jié)器能及時(shí)動(dòng)作，快速消除掉減溫水流量的自發(fā)性波動(dòng)，從而使過熱汽溫根本不變。2擾動(dòng)發(fā)生在副回路以外，引起過熱汽溫偏離給定值時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)首先由主調(diào)節(jié)器改變其輸入信號(hào)，通過副調(diào)節(jié)回路去改變減溫水流量，使過熱汽溫恢復(fù)的給定值。這時(shí)，主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對象可以近似認(rèn)為是等效對象，它的慣性遲延比采取單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)的調(diào)節(jié)對象=要小，因此在這種情況下，串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量還是優(yōu)于單回路系統(tǒng)的?？梢姡诖?jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副回路的任務(wù)是盡快消除減溫水流量的自發(fā)性擾動(dòng)和其它進(jìn)入副回路的各種擾動(dòng)，對過熱汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用。汽溫系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器一般采用比例

41、調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是保持過熱汽溫等于給定值，所以可采用比例積分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的整定根據(jù)參考文獻(xiàn)10知：副調(diào)節(jié)器 主調(diào)節(jié)器 變送器斜率 被控對象惰性區(qū) (/mA)被控對象導(dǎo)前區(qū) (/mA)根據(jù)參考文獻(xiàn)10可知被控對象的傳遞函數(shù) K=由于，nT=215+320=90,nT3,主副回路可相互獨(dú)立的原那么進(jìn)行參數(shù)整定，即認(rèn)為副回路是一個(gè)快速隨動(dòng)系統(tǒng)。副回路中調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定：副回路的特征方程式：1+= 0 1+=0 225+30s+1+=0這是一個(gè)二階系統(tǒng)，設(shè)副回路的整定要求為衰減率=0.75，相應(yīng)的阻尼系數(shù)由上式可算出調(diào)節(jié)器的比例帶為=主調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定：當(dāng)副回路整定好以后，副回

42、路的閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫為=當(dāng)前向傳遞函數(shù)遠(yuǎn)大于1時(shí)，那么上式中分母的1可以忽略，得副回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為=主回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為=.式中圖3-5 主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的根軌跡圖如圖3-5所示，在根據(jù)平面上相應(yīng)于的射線0-1，并計(jì)算出極點(diǎn)的位置。首先，令=時(shí)，在原點(diǎn)處的極點(diǎn)被抵消，根據(jù)軌跡的幅角條件，過P點(diǎn)做出與實(shí)軸夾角為的直線，此直線與射線0-1相交于點(diǎn)，應(yīng)用三角公式或直接從圖上量出的坐標(biāo)為.然后，設(shè)，那么坐標(biāo)為.應(yīng)用三角公式求出：至P點(diǎn)距離，到0點(diǎn)的距離；與負(fù)實(shí)軸的夾角。至此，可確定積分時(shí)間根據(jù)軌跡的幅角條件，零點(diǎn)Z至的幅角，可由此定出零點(diǎn)位置Z，并求出Z點(diǎn)的坐標(biāo)，j0,那么值為 調(diào)節(jié)器的比例帶可

43、用此法求出。零點(diǎn)Z至的距離，根據(jù)軌跡的幅值條件，那么調(diào)節(jié)器的比例帶為第四章 復(fù)合模糊控制系統(tǒng)及仿真研究4.1 復(fù)合模糊串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1.1復(fù)合模糊串級(jí)控制思想的提出常規(guī)噴水調(diào)節(jié)經(jīng)常采用帶負(fù)荷的前饋信號(hào)的串級(jí)PID控制系統(tǒng), 以保證過熱汽溫度在大局部工況下保持在設(shè)定值540左右,但假設(shè)采用以固定參數(shù)為主的常規(guī)PID制器, 當(dāng)外界擾動(dòng)較大和對象特性變化較大時(shí), 抑制干擾能力及控制效果均較差。因此，考慮模糊控制對對象模型難以確定、非線性、大滯后情況有良好的控制品質(zhì)。由于帶根本Fuzzy 控制器的減溫水量過熱汽溫Fuzzy控制系統(tǒng)誤差e 和誤差的變化率ec 作為輸入量,實(shí)質(zhì)上是具有PD 控制規(guī)律的

44、一種控制系統(tǒng), 考慮到語言變量根本論域的量化特點(diǎn),該系統(tǒng)不具有消除穩(wěn)態(tài)誤差的能力, 且由于在“0檔處量化死區(qū)的影響, 還可能出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)等幅振蕩。因而采用在根本Fuzzy 控制器根底上再構(gòu)造一個(gè)PI并聯(lián)通道的Fuzzy-PI復(fù)合模糊控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)過熱汽溫偏差較大時(shí), 利用模糊控制結(jié)適宜當(dāng)?shù)淖饔昧恳种聘蓴_, 保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,同時(shí)又保存了串級(jí)控制系統(tǒng)抑制內(nèi)擾的特點(diǎn), 保證控制精度和良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合模糊串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示11。圖4-1 復(fù)合模糊串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)方框圖4.1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和任務(wù)規(guī)劃本文主要研究溫度對一級(jí)過熱器的影響。其特性已經(jīng)在第四章中闡述過了。算

45、法研究在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行。本文控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真研究包含以下內(nèi)容： 1過熱器固有特性的識(shí)別與分析；2模糊控制器的設(shè)計(jì)及仿真試驗(yàn)；3Fuzzy-PI復(fù)合的設(shè)計(jì)及仿真試驗(yàn)；4. 對象固有特性的識(shí)別與分析世界上任何事物的運(yùn)動(dòng)都要遵循一定的客觀規(guī)律，控制就是通過規(guī)律性的人為干預(yù)對象的行為來到達(dá)預(yù)期目的的。因而，從某種意義上說，了解對象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是實(shí)施有效控制的前提，各種控制方法只是了解的方式和規(guī)律的表達(dá)方式的不同而已。對模糊控制而言，是根據(jù)手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)與控制指標(biāo)要求來完成。在系統(tǒng)工作區(qū)間內(nèi)，被調(diào)量的允許最大變化范圍是10，正常運(yùn)行時(shí)的最小偏差是5，控制量的變化范圍是060T/

46、H，通過分析可以得出以下規(guī)律；K包括量化因子和比例因子兩局部，主要受工作點(diǎn)及工作狀態(tài)的影響，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，過熱器對象的K將增加，且表現(xiàn)為非線性，這時(shí)減溫水的變化對被調(diào)量的控制作用加強(qiáng)；當(dāng)過熱器結(jié)垢非常嚴(yán)重時(shí)，將使K減小，減溫水的變化對被調(diào)量的控制作用減弱。量化因子和比例因子的取值影響模糊化的精度：量化因子越大系統(tǒng)調(diào)節(jié)惰性越小，系統(tǒng)上升速率越大，過大，將產(chǎn)生較大的超調(diào)量嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定工作。過小，導(dǎo)致快速性變差。另一方面，它嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)精度降低。而量化因子的作用效果與相反。比例因子作用類似比例作用，越大，上升速率越快，過大那么容易使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生波動(dòng)，可能導(dǎo)致

47、等幅震蕩甚至發(fā)散；越小，系統(tǒng)向前增益越小，輸出的上升的速度越小，快速性變差。對過熱器對象來說，結(jié)垢增加也將使得對象的容量滯后 增加，這時(shí)控制量對對象的控制作用沒有改變，但是對象的最大變化速度向后推移，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度降低。在相同條件下，較大的輸入量會(huì)產(chǎn)生較大的最大誤差變化率。相同的控制量，會(huì)在較低負(fù)荷處產(chǎn)生較大的誤差變化率。這些結(jié)論是基于有限數(shù)據(jù)總結(jié)的，可以設(shè)想把工作區(qū)間細(xì)分，逐段測試，可以把握更充分、更細(xì)致的材料，但這些實(shí)驗(yàn)還不能在工程上全部實(shí)現(xiàn)。 4.1.4 SIMULINK工具箱簡介控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)從成為一門專業(yè)的學(xué)科以來，已有二十多年的歷史，一直受到控制屆的普遍重視，在其開展

48、的過程中出現(xiàn)了各種各樣的實(shí)用工具和理論成果。MATLAB是MathWorks公司的軟件產(chǎn)品，正是進(jìn)行這種設(shè)計(jì)技術(shù)的方便可行的工具，目前已成為國際控制界應(yīng)用最廣泛的語言工具?，F(xiàn)在MATLAB已經(jīng)成為一個(gè)系列產(chǎn)品，MATLAB主包和工具箱TOOLBOX)。功能豐富的工具箱將不同領(lǐng)域和不同方向的研究者吸引到MATLAB的編程環(huán)境中，成為MATLAB的忠實(shí)用戶。SIMULINK是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)，離散及兩者混合的線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速度的多速率系統(tǒng)。SIMULINK為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就象用筆和紙畫一樣容易。SIMU

49、LINK包含有sinks輸入方式、Source輸入源、Linear線性環(huán)節(jié)、Nonlinear有線性環(huán)節(jié)、Connections連接與接口和Exrra其它環(huán)節(jié)子模型庫，而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)立用戶自己的模塊。用創(chuàng)立的模型可以具有階梯結(jié)構(gòu)，因此可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)立模型。在定義完一個(gè)模型以后，以后可以通過SIMULINK的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行為方式對于運(yùn)行仿真非常有作用。用Scope模塊和其它的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀察到仿真結(jié)果。除此之外以后該可以在改變參數(shù)后來迅速

50、觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果可以存放到的工作空間里做事后處理。模型分析工具箱包括非線性和平衡點(diǎn)分析工具、MATLAB的許多工作及MATLAB的應(yīng)用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。SIMULINK for Windows依賴于Windows和MATLAB的要求，因而它所需要的系統(tǒng)配置和其它設(shè)置就不必專門增加或改變，只要能滿足系統(tǒng)的需要即可12。4.1.5 模糊推理工具箱簡介二十多年前，LAZadeh教授提出了模糊集合理論已經(jīng)在眾多領(lǐng)域中的工程領(lǐng)域得到廣泛深入的研究。對于實(shí)際操作人員，即時(shí)沒有精確三數(shù)據(jù)個(gè)

51、過程模型，也可以操作和復(fù)雜的過程。而模糊理論正式將操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的算法，以實(shí)現(xiàn)模糊控制13。目前，模糊集合理論受到了世人前所未有的關(guān)注。澳大利亞Queensland大學(xué)的教授開發(fā)了基于MATLAB環(huán)境的“模糊推理系統(tǒng)工具箱Fuzzy Inference Toolbox For MATLAB。該工具箱集成度高，內(nèi)容豐富，根本包括了模糊集合理論的各個(gè)方面，根本包括了模糊集合理論的各個(gè)方面，其主要內(nèi)容有：1 模糊集合各種運(yùn)算。2模糊邏輯推理。3非模糊化。(4)模糊集合理論在自動(dòng)控制中的應(yīng)用4.2模糊控制器的設(shè)計(jì)采用Fuzzy logic 工具箱的FIS 編輯器編輯模糊控制

52、器, 針對火電廠主汽溫對象控制品質(zhì)要求, 保證出口溫度為530 545。4.2.1確定輸入輸出變量輸入變量為2個(gè)，分別為偏差e和偏差的變化率ec,輸出變量為u。模糊語言變量分別為E (溫度偏差) ，EC(溫度偏差變化率)和U(閥門開度)。4.2.2模糊化E 的論域?yàn)?- 20, 20 , 劃分為7個(gè)等級(jí)，模糊子集 ( i= 1, , 7)的7個(gè)語言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的實(shí)際物理意義為出口溫度很高、較高、稍高、正好、稍低、較低、很低, 它們的隸屬函數(shù)選trimf (三角形) 。EC 的論域?yàn)?- 20, 20 , 劃分為7個(gè)等級(jí)

53、, 模糊子集 ( i= 1, , 7) 的7個(gè)語言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的實(shí)際物理意義為出口溫度變化負(fù)的快速增加、負(fù)的增加, 負(fù)的稍微增加、不變、正的稍微增加、正的增加、正的快速增加, 它們的隸屬函數(shù)選trimf (三角形)。U 的論域?yàn)?- 20, 20 , 劃分為7個(gè)等級(jí), 模糊子集 ( i= 1, , 7)的7個(gè)語言取值N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB , 依次表示的實(shí)際物理意義為噴水減溫閥全關(guān)、半關(guān)、稍微關(guān)小、不動(dòng)、稍微開大、半開、全開, 它們的隸屬函數(shù)選trimf (三角形)141

54、5。4.2.3模糊規(guī)那么編輯該模糊控制器的模糊規(guī)那么具有如下形式:if E = and EC= then U = , i= 1,. . . , n, 其中, , 分別為E、EC 和U的模糊子集。由經(jīng)驗(yàn)整定規(guī)那么共49條, 如如果出口溫度太高, 且溫度偏差快速增加, 那么噴水減溫閥全開對應(yīng)規(guī)那么語言: if E = N B and EC= N B then U = PB如果出口溫度恰好, 且溫度偏差朝升高的方向快速增加, 那么噴水減溫閥全開對應(yīng)規(guī)那么語言: if E = ZO and EC= N B then U = PM如果出口溫度太低, 且溫度偏差快速減小, 那么噴水減溫閥不動(dòng)對應(yīng)規(guī)那么語言

55、: if E = PB and EC= N B then U = ZO其余規(guī)那么照規(guī)那么表4-1一一寫入控制規(guī)那么編輯中。建立好隸屬函數(shù)和規(guī)那么后,系統(tǒng)的決策局部選用Madani算法, 解模糊選用中位數(shù)16。U ECNBNMNSZOPSPMPBENBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB表4-1 模糊控制規(guī)那么表圖4-2 模糊規(guī)那么規(guī)那么和模糊推理的輸出曲面在任一編輯器的View下拉菜單中選擇“View rules

56、,可以觀察模糊規(guī)那么的圖形表示，如圖4-3所示17。圖4-3 觀察模糊規(guī)那么圖4-4 觀察輸出曲面推在任一編輯器的View下拉菜單中選擇“View rules,可以觀察模糊理的輸出曲面。用鼠標(biāo)按鈕按住輸出曲面并移動(dòng)鼠標(biāo)，可以從不同角度觀察輸出曲面，如圖4-4所示。在任一編輯器的File下拉菜單中選擇：Save to disk,將所做的工作保存到磁盤中。至此，就完成了整個(gè)模糊推理系統(tǒng)的建立。4.3 仿真研究 仿真簡介在SIMULINK的模型中，每一個(gè)模塊都有一些公共的特性，如一組輸入、一組輸出和一組狀態(tài)，狀態(tài)變量可能由連續(xù)狀態(tài)、離散狀態(tài)后兩種混合狀態(tài)組成。圖4-5 隸屬函數(shù)編輯器界面仿真包括兩個(gè)

57、階段：初始化階段和仿真階段。在仿真初始化階段，所以模塊的參數(shù)被傳給MATLAB，以便MATLAB進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)模型的遞階結(jié)構(gòu)被展開，所有的模塊在仿真是按照它們每步更新的先后順序進(jìn)行排序，除此之外對模塊與模塊之間的連接進(jìn)行檢查，以便確保每個(gè)模塊輸出的向量維數(shù)和輸入的維數(shù)相同。只有在上面的步驟完畢之后，才能進(jìn)行仿真18。翻開MATLAB軟件，在它的command window 中輸入fuzzy后如4-5所示然后單擊隸屬函數(shù)編輯器工具欄中Edit，在Edit中單擊add variable 增加輸入變量,如圖4-6所示：圖4-6 設(shè)置隸屬函數(shù)輸入變量之后再單擊選中所要修改的輸入、輸出變量名稱和改變他們

58、的MFS如圖4-7所示：圖 3-3圖4-7 設(shè)置輸入變量的隸屬度其它輸入、輸出變量變化也相同。 例如，我們可以以閥門開度e、閥門開度變化率ec為輸入變量，u為輸出變量。如圖4-8所示。圖4-8 隸屬函數(shù)圖形及其修改接著我們可以在隸屬函數(shù)編輯器上將完整的顯示輸入變量e如圖4-9所示。圖4-9 隸屬函數(shù)修改按照同樣的步驟和方法，按照自己的經(jīng)驗(yàn)，添加并設(shè)置輸入ec和輸出變量u的隸屬函數(shù)。ec和u的隸屬函數(shù)如圖4-10和圖4-11所示。圖4-10 變量ec的隸屬度函數(shù)圖4-11 變量u的隸屬函數(shù)4.3.2 常規(guī)串級(jí)PID 控制系統(tǒng)現(xiàn)行國產(chǎn)單元機(jī)組主汽溫自動(dòng)調(diào)節(jié)常采用串級(jí)系統(tǒng)。針對實(shí)際情況, 這里考慮了

59、兩種干擾作用。擾動(dòng)1主要是減溫水量的自發(fā)擾動(dòng), 擾動(dòng)2主要是燃燒率的變化19。，分別為汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器和主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù); ，分別為調(diào)節(jié)對象導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù); 是燃燒率擾動(dòng)對過熱汽溫的傳遞函數(shù);變送器斜率為mA/; , 分別為導(dǎo)前汽溫a 和過熱汽溫H的測量單元。被調(diào)量是過熱汽出口溫度, 而輔助信號(hào)為減溫器后的某一點(diǎn)過熱汽溫20。在正常運(yùn)行工況下對象的傳遞函數(shù)(直接引用文獻(xiàn)10 中的模型)。 在沒有任何外擾只有給定值擾動(dòng)的情況下，PID串級(jí)控制仿真系統(tǒng)模型如圖4-12所示調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用 25。圖4-12 主汽溫控制串級(jí)PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真圖4.3.3 復(fù)合模糊串級(jí)控制系統(tǒng)2122

60、主調(diào)節(jié)器采用復(fù)合模糊控制器如圖4-13所示, 即由一個(gè)常規(guī)比例積分(PI) 控制器和一個(gè)二維模糊控制器相并聯(lián)。副調(diào)節(jié)器依然采用上述形式。由simulink和fuzzy logic 工具箱庫中模塊根據(jù)被控對象設(shè)計(jì)要求搭接模塊 , 進(jìn)行仿真。圖4-13 復(fù)合模糊串級(jí)控制系統(tǒng)仿真圖圖4-14 鍋爐過熱汽溫Fuzzy-PI控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)圖在串級(jí)控制的根底上，我們把模糊控制與之結(jié)合起來，并且是在有擾動(dòng)的情況下進(jìn)行。就構(gòu)成模糊PI復(fù)合控制系統(tǒng)圖。如圖4-14所示。4.4 仿真結(jié)果圖4-15給定值等于1系統(tǒng)的輸出相應(yīng)曲線圖4-12、4-14仿真結(jié)果如圖4-15所示，曲線1是沒有內(nèi)、外擾動(dòng)、給定值等于1時(shí)串