基于模糊控制器的船用鍋爐燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì).ppt

摘要,模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。由于它不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是模擬人的思維方式來(lái)實(shí)施控制，因而對(duì)于船用鍋爐燃燒的控制就具有了傳統(tǒng)PID控制所無(wú)法比擬的自適應(yīng)能力。本文首先介紹船用鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制的主要任務(wù)，并介紹了目前船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展，以及模糊控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在制工程中的應(yīng)用。然后根據(jù)船用鍋爐燃燒過(guò)程的工作原理，通過(guò)對(duì)蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性的分析，得到了蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象的模型，并通過(guò)一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化，得到鍋爐蒸汽壓力近似數(shù)學(xué)模型。針對(duì)船用鍋爐這種具有非線(xiàn)性、參數(shù)不穩(wěn)定、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象，采用傳統(tǒng)的PID控制，效果不佳。結(jié)合模糊控制理論和PID控制，本文提出用模糊自適應(yīng)PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)船用鍋爐主蒸汽壓力的控制，空燃比的協(xié)調(diào)控制采用變偏置雙交叉限幅燃燒控制方法。本論文應(yīng)用MATLABSIMULINK對(duì)模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器的鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究。并利用MATLABSIMULINK仿真工具對(duì)模糊自適應(yīng)PID控制器的性能作了初步研究。仿真結(jié)果表明，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。關(guān)鍵詞：船用鍋爐；模糊控制：PID：模糊自適應(yīng)PID,目錄,1引言2PID控制原理3模糊控制基本原理4模糊PID控制基本原理5船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1鍋爐燃燒控制系統(tǒng)概述5.2主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真研究6.1控制器Simulink仿真6.2控制器MATLAB編程7小結(jié)參考文獻(xiàn),1引言,隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求也在不斷地增加，能源短缺威脅著整個(gè)世界。我國(guó)人口眾多，對(duì)能源的需求量很大，但我國(guó)人均能耗低于世界平均水平，而單位產(chǎn)值的能耗卻為發(fā)達(dá)國(guó)家的二倍?？梢?jiàn)，節(jié)能問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的影響國(guó)家發(fā)展的問(wèn)題。船用鍋爐是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分。在蒸汽動(dòng)力裝置的船舶上，蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽用于驅(qū)動(dòng)主汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以推動(dòng)船舶前進(jìn)，同時(shí)也為各種以蒸汽為動(dòng)力的輔機(jī)和其它需要以蒸汽為熱源的設(shè)備提供不同質(zhì)量的蒸汽。在柴油機(jī)動(dòng)力裝置的船舶上，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽主要用于加熱燃油、滑油、工作水、驅(qū)動(dòng)輔機(jī)及提供各種生活用汽。船用鍋爐在尺寸相對(duì)變化較小的情況下，其蒸發(fā)量越來(lái)越大。隨著對(duì)船舶續(xù)航力要求的提高，在保證快速性的前提下，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高，這就對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)提出了更高的要求，在保證系統(tǒng)響應(yīng)性能的同時(shí)，還要兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。船用鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線(xiàn)性的相互關(guān)聯(lián)的對(duì)象，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在著許多交叉的影響，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，所有的被調(diào)量都會(huì)發(fā)生變化。如何使主蒸汽壓力既具有良好的動(dòng)態(tài)特性，又能使入爐燃料得以充分燃燒(即高效燃燒問(wèn)題)，是燃燒優(yōu)化控制的真正內(nèi)涵，也是燃燒過(guò)程控制的關(guān)鍵。本論文結(jié)合船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的兩個(gè)任務(wù)：維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定和燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，研究并設(shè)計(jì)一個(gè)既能兼顧鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的快速性，又能兼顧燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。從而提高船用鍋爐的熱效率，節(jié)約能源。,2PID控制原理,數(shù)字PID控制在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其控制原理框圖如圖1所示：,圖1PID控制系統(tǒng)原理圖,PID控制是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差為e(t)=（t)-c(t)。將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID控制器。其控制規(guī)律為：PID控制規(guī)律離散表述形式：式中：Kp一一比例系數(shù)d；Ti一一積分時(shí)間常數(shù)；Td一一微分時(shí)間常數(shù)。,T為采用周期，k為采樣序號(hào)，k=1，e(k一1)和e(k)分別為第(k一1)和k時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。PID控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。(2)在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)乃，Z越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。(3)在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化超前，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”、“積分”項(xiàng)，往往是不夠的，需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)得動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。,3模糊控制基本原理,模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個(gè)重要分支。模糊集合和模糊控制的概念是由美國(guó)加州大學(xué)教授LAZadeh在其Fuzzysets)、FuzzyAlgorithm)及ARetionnaleforFuzzyContro1)等論著中首先提出的。模糊控制是根據(jù)對(duì)控制對(duì)象的粗略知識(shí)以及人們的生產(chǎn)技能等知識(shí)，導(dǎo)出自然語(yǔ)言的控制規(guī)則，利用模糊理論進(jìn)行控制的一種控制方法。模糊控制以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)等各種各樣處理器能接受的算法語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。其基本原理圖如圖2所示：圖2模糊控制原理圖,整個(gè)控制系統(tǒng)中，最重要的部分是模糊控制器。其控制流程如圖3所示圖3模糊控制器原理圖模糊控制的基本思想如圖2、圖3所示，處理器通過(guò)采樣獲取被控制量的精確值c(t)，然后將其與給定值進(jìn)行差運(yùn)算，得到偏差量e(t)。偏差e(t)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成模糊控制器輸入量e，把輸入量e進(jìn)行模糊化成模糊量，再把模糊量用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，從而得輸入量e模糊語(yǔ)言的一個(gè)子集，然后再由模糊子集和控制規(guī)則(模糊關(guān)系)根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策，得到模糊控制量為：u=e*R。式中u為一個(gè)模糊控制量。,4模糊PID控制基本原理,模糊控制理論與PID控制理論相結(jié)合應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩種控制策略各自的優(yōu)勢(shì)，提高步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)控制性能。根據(jù)模糊控制理論及PID控制理論的控制特性，可以有兩種整合控制器設(shè)計(jì)方式：(1)調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器。(2)模糊增益調(diào)整PID控制器。(1)調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器。調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器，主要是指在大偏差范圍內(nèi)(|e|/e01)時(shí)，利用模糊推理的方法調(diào)整系統(tǒng)控制量U，而在小偏差(|e|/e01)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍e0自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其控制原理如圖4所示:圖4調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器,(2)模糊增益調(diào)整PID控制器模糊增益調(diào)整PID控制器，是利用模糊規(guī)則和推理來(lái)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整的控制方式。其中調(diào)整的參數(shù)就是KP，Ki，KD，分別為PID控制中的比例增益、積分增益和微分增益。其控制原理圖如圖5所示:圖5模糊臼適應(yīng)整定PID控制原理圖,5船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),5.1鍋爐燃燒控制系統(tǒng)概述5.1.1工業(yè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)工業(yè)鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，有許多個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)和被調(diào)節(jié)參數(shù)，還存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的擾動(dòng)參數(shù)。這些參數(shù)之間的關(guān)系如下圖41所示。圖6工業(yè)鍋爐輸入輸出之間的相互關(guān)系示意圖,由圖6可以看出，工業(yè)鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線(xiàn)性的相互關(guān)聯(lián)對(duì)象，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在著許多交叉的影響，如當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，所有的被調(diào)量都會(huì)發(fā)生變化。而且改變?nèi)我粋€(gè)調(diào)節(jié)量時(shí)，也會(huì)影響到其它幾個(gè)被調(diào)量。因此，理想的鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該是多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)十分復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型仍是半經(jīng)驗(yàn)性的，是經(jīng)過(guò)許多假定與簡(jiǎn)化推導(dǎo)得出的，無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際的控制系統(tǒng)中。目前實(shí)際解決鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)的方法是將鍋爐當(dāng)作幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的調(diào)節(jié)對(duì)象所組成，相應(yīng)地設(shè)置幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即鍋爐給水自動(dòng)控制系統(tǒng)、過(guò)熱蒸汽汽溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)等。,工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是既要提供適當(dāng)?shù)臒崃恳赃m應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，又要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的安全性。為此，燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)由三個(gè)控制任務(wù)：1、維持主汽壓以保證蒸汽的品質(zhì)；2、維持最佳的空燃比以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性；工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系圖7如下。圖7燃燒系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系圖,5.1.2船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是燃燒所產(chǎn)生的熱量能夠適應(yīng)動(dòng)力裝置對(duì)鍋爐負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。船用鍋爐受使用情況、系統(tǒng)特點(diǎn)等諸多因素的限制，其燃燒控制系統(tǒng)一般不采用電站鍋爐及工業(yè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的，以鍋爐排煙中的煙氣含氧量作為控制或修正信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料量與空氣量的配比控制。船用鍋爐一般燃用重油或輕柴油，其燃料熱值相對(duì)穩(wěn)定，也就是說(shuō)其過(guò)?？諝庀禂?shù)在規(guī)定好的范圍內(nèi)變化。船用鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖如圖8所示圖8船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖,5.2主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中采用了主蒸汽壓力和空氣壓力兩個(gè)控制器，由于主蒸汽壓力主控制器的控制輸出信號(hào)與燃油流量有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此由主蒸汽壓力控制器直接控制燃油流量調(diào)節(jié)滑閥，從而省去了燃油流量控制器，主蒸汽壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和燃油流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)合為一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主蒸汽壓力控制器是燃燒控制系統(tǒng)的主導(dǎo)控制器，它的測(cè)量機(jī)構(gòu)用于檢測(cè)鍋爐主停汽閥前的蒸汽壓力值；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是燃油滑閥中的調(diào)節(jié)滑閥，用于改變進(jìn)入爐膛的噴油量并使其變化值足夠用于恢復(fù)汽壓的變化。這樣使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也可以縮短系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，即提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能。主蒸汽壓力控制器目前采用的是PID控制器，主蒸汽壓力控制器直接控制燃油流量調(diào)節(jié)滑閥，控制進(jìn)入爐膛的燃油流量。由上可知鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出、多回路、非線(xiàn)性的相互關(guān)聯(lián)的對(duì)象，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在著許多交叉的影響，使用簡(jiǎn)單的PID控制算法很難達(dá)到理想的控制效果。而且參數(shù)固定的PID控制，一方面參數(shù)的整定本身就較麻煩，另一方面不能滿(mǎn)足在不同偏差和偏差的變化率下，系統(tǒng)對(duì)PID參數(shù)的自整定要求，整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性將下降。模糊自適應(yīng)PID控制器能夠?qū)崿F(xiàn)PID參數(shù)的模糊自整定，即控制器根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差的變化率，通過(guò)一定的模糊推理來(lái)自行調(diào)整PID參數(shù)。此種方法易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定，可使PID控制器的適應(yīng)性提高，從而增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。本論文主蒸汽壓力控制器采用模糊自適應(yīng)PID控制器，下面介紹模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)。,5.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)根據(jù)輸入變量和輸出變量的個(gè)數(shù)，模糊控制系統(tǒng)分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。在單變量模糊控制器中，將輸入變量的個(gè)數(shù)定義為模糊控制器的維數(shù)，一維模糊控制器由于僅僅采用偏差E，很難反映受控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因此所獲得的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是不能令人滿(mǎn)意的。二維模糊控制器輸入變量基本上都選用了受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC，能夠嚴(yán)格的反映過(guò)程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性。從理論上講，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度越高。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過(guò)于復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，也就更困難。因此本論文選用二維模糊控制器，即輸入變量為受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC.,5.2.2輸入變量輸出變量的模糊化模糊控制用模糊變量子集來(lái)描述論域上的變量，當(dāng)用語(yǔ)言變量值表示一個(gè)語(yǔ)言變量時(shí)，一般將其分為510檔。如果檔數(shù)過(guò)少，語(yǔ)言變量值會(huì)過(guò)于粗糙，影響控制效果：如果控制檔數(shù)過(guò)多，則會(huì)帶來(lái)關(guān)系矩陣的運(yùn)算復(fù)雜等問(wèn)題。一般選誤差論域6，誤差變化率論域小6，控制量論域，6。我們這里取刀=朋=，=6。則系統(tǒng)輸入輸出的模糊變量子集為：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正，J、，正中，正大)且pNB，NM，NS，O，PS，PM，PB。模糊語(yǔ)言變量隸屬度函數(shù)的確定，就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)形狀，將確定的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)的隸屬度。模糊隸屬函數(shù)的確定基于以下原則。隸屬函數(shù)是精確量與模糊量轉(zhuǎn)化的橋梁，它的作用十分重要，研究隸屬函數(shù)對(duì)控制性能的影響，恰當(dāng)?shù)剡x擇隸屬函數(shù)是很有意義的。模糊子集的隸屬函數(shù)對(duì)論域覆蓋面的大小直接影響控制器的輸出。三角形隸屬函數(shù)具有簡(jiǎn)化計(jì)算，易于實(shí)現(xiàn)，本文選用三角形隸屬函數(shù)。量化因子與比例因子的確定。在“模糊化”過(guò)程中，將精確量轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的模糊論域，需要對(duì)精確量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。量化因子疋、誤差變化率量化因子如及控制量量化因子K，分別由以下各式確定。量化因子疋及如的大小對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響很大。當(dāng)K選得較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)也較大，過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)；如對(duì)超調(diào)的抑制作用十分明顯，當(dāng)如選擇較大時(shí)，超調(diào)量減小，如越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。K反映了對(duì)控制器輸出幅度上的調(diào)整，邑過(guò)大，則增大控制信號(hào)的幅度，使響應(yīng)時(shí)間縮短，但是容易導(dǎo)致振蕩；K過(guò)小，則系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)?；谝陨显瓌t本論文選用本系統(tǒng)中的量化因子和比例因子由等級(jí)劃分初步確定后，在系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。,5.2.3建立模糊控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過(guò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，存貯在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)集合。利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的攝念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制策略上升為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用微計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)所謂的模糊自動(dòng)控制。比例環(huán)節(jié)作用是成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；如果K。取值過(guò)大，會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此當(dāng)偏差leI較大時(shí)，為提高響應(yīng)速度，K。取大值；在偏差較小時(shí)，防止超調(diào)過(guò)大產(chǎn)生振蕩，K。應(yīng)減??；當(dāng)偏差很小時(shí)，為使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，則其應(yīng)繼續(xù)減小。同時(shí)也要考慮ec的因素，當(dāng)ec和e同號(hào)時(shí)，輸出向偏離穩(wěn)定值的方向變化，適當(dāng)增大K。；反之，適當(dāng)減小。從。的控制規(guī)則見(jiàn)表5.1,表51p的控制規(guī)則表,積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。它對(duì)誤差進(jìn)行積分，對(duì)系統(tǒng)控制有一定的滯后作用，積分作用過(guò)強(qiáng)，會(huì)造成系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至引起振蕩。在常規(guī)PID控制中，偏差過(guò)大時(shí)，為防止積分飽和，常將積分環(huán)節(jié)分離出來(lái)，當(dāng)偏差減小至一定范圍時(shí)，才加入積分環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)偏差eI大或較大時(shí)，為避免系統(tǒng)超調(diào)，K取零值；當(dāng)Iel較小時(shí)，積分環(huán)節(jié)有效，隨Iel的減小而增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。叢j的控制規(guī)則見(jiàn)表52所示表52戰(zhàn)的控制規(guī)則表,微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前加入一個(gè)修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少超調(diào)時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它對(duì)干擾信號(hào)同樣敏感，會(huì)使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在控制過(guò)初期，當(dāng)偏差leI較大時(shí)，為避免誤差瞬時(shí)變大，造成微分溢出，髟取小些；在偏差較小時(shí)，綜合考慮系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力和系統(tǒng)響應(yīng)速度，髟應(yīng)適當(dāng)取值。其原則是：當(dāng)lecl值較小時(shí)，髟取大一些；當(dāng)fecl值較大時(shí)，局取較小的數(shù)值，通常為中等大小。島控制規(guī)則見(jiàn)表53所示。,表53戰(zhàn)控制規(guī)則表,5.2.4輸出變量的去模糊化模糊自適應(yīng)PID中三個(gè)修正參數(shù)脒P、馘、戰(zhàn)的模糊量需要去模糊化，即取得精確量進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制。清晰化有兒種方法，在第三章中我們有所介紹。在本控制器中我們采用加權(quán)平均法求取輸出量的精確值：從而得出模糊判決后的清晰量即為自整定之后的修正參數(shù)。最終輸入至!UPID控制器的參數(shù)由下式計(jì)算得出：,5.2.5PID控制器參數(shù)的初整定主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差的變化率，通過(guò)一定的模糊推理來(lái)自行調(diào)整PID參數(shù)。此種方法易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定，可使PID控制器的適應(yīng)性提高，從而增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。在主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)投入運(yùn)行之前，要對(duì)PID控制器中的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行初整定。下面介紹幾種常見(jiàn)的PID控制器參數(shù)整定的辦法。,1、ZieglerNichols法從對(duì)象的開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)來(lái)看，大多數(shù)工業(yè)過(guò)程都能有一階慣性加純滯后模型來(lái)近似描述，其傳遞函數(shù)為：其中，K、下、T分別為對(duì)象模型的開(kāi)環(huán)增益、純滯后時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)。ZN法是由Ziegler(齊格勒)和Nichols(尼科爾斯)于1942年首先提出來(lái)的，在理論基礎(chǔ)之上通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的，其PID控制器整定參數(shù)公式如表54所示。表54ZN法PID控制器參數(shù)整定公式,2、Cohen-Coon法經(jīng)過(guò)不少改進(jìn)，Cohen(柯恩)-Coon(庫(kù)恩)總結(jié)出了計(jì)算PID控制器參數(shù)的整定公式，它是通過(guò)配置系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)使對(duì)象的過(guò)渡曲線(xiàn)按4：1衰減率衰減，系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)特性的單項(xiàng)性能指標(biāo)，如衰減比、最大動(dòng)態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時(shí)間或振蕩周期等和基于從起始時(shí)間點(diǎn)至穩(wěn)定時(shí)間為止的整個(gè)響應(yīng)曲線(xiàn)形態(tài)的誤差性能指標(biāo)。單項(xiàng)性能指標(biāo)直觀(guān)、簡(jiǎn)單并且意義明確，但是難以準(zhǔn)確衡量；誤差性能指標(biāo)比較精確，但相比之下使用起來(lái)又比較麻煩。常見(jiàn)的基于誤差的性能指標(biāo)有：(1)絕對(duì)誤差積分(IAE)性能指標(biāo)(2)平方誤差積分(ISE)性能指標(biāo)(3)時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分(ITAE)性能指標(biāo)(4)時(shí)間與誤差平方乘積積分(ISTE)性能指標(biāo)按照以上不同的誤差性能指標(biāo)進(jìn)行PID控制器參數(shù)整定時(shí)，所得到的系統(tǒng)閉環(huán)控制效果是不一樣的?；贗AE的性能指標(biāo)對(duì)小偏差的抑制能力比較強(qiáng)；基于ISE的性能著重于抑制過(guò)渡過(guò)程中的大偏差的出現(xiàn)；基于1ATE的性能指標(biāo)則可使調(diào)節(jié)時(shí)間較短；基于ISTE的性能指標(biāo)在控制大偏差的同時(shí)還可縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。ISTE指標(biāo)同其他性能指標(biāo)相比，基于ISTE性能指標(biāo)整定得至IJPID控制器參數(shù)往往能帶來(lái)更優(yōu)的閉環(huán)響應(yīng)。特別是隨看被控對(duì)象純滯后時(shí)間T和時(shí)間常數(shù)T的比值即可控率的增加，更能顯示出ISTE指標(biāo)的優(yōu)越性?；贗STE性能指標(biāo)整定PID控制器參數(shù)的公式由莊敏霞和DPAthenon提出的，其整定公式為：其中，al、b2、a2b2、a3、b3的取值在不同范圍的可控率下如表55所示。表55ISTE最優(yōu)整定法PID控制器參數(shù)的整定公式,其中，al、b2、a2b2、a3、b3的取值在不同范圍的可控率下如表55所示。表55ISTE最優(yōu)整定法PID控制器參數(shù)的整定公式,6船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真研究,6.1控制器Simulink仿真由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，可以借助計(jì)算機(jī)完成獲得系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的任務(wù)，這就是數(shù)字仿真。數(shù)字仿真實(shí)質(zhì)上是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。本章所進(jìn)行的仿真主要是計(jì)算機(jī)仿真。仿真的主要過(guò)程是：建立模型、仿真運(yùn)行和分析研究結(jié)果。仿真運(yùn)行就是借助一定的算法，獲得系統(tǒng)的有關(guān)信息，特別是系統(tǒng)輸入和輸出響應(yīng)的變化情況。由于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同，仿真算法也不同：對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，有不同求解微分方程的數(shù)值計(jì)算方法,6.1.1船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真研究在本論文所研究的是在負(fù)荷變化時(shí)的汽壓被控對(duì)象，由鍋爐燃燒過(guò)程理論模型分析可知，主蒸汽壓力控制對(duì)象可簡(jiǎn)化為一階慣性加純滯后模型，其傳遞函數(shù)為：我們分別用常規(guī)PID和模糊自適應(yīng)PID兩種控制算法，在系統(tǒng)參數(shù)變化和系統(tǒng)出現(xiàn)的隨機(jī)干擾的情況下，得出主蒸汽壓力設(shè)定值為定值的系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)，并對(duì)響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行比較，分析本文所提出的控制算法的性能特性。由第四章分析可知，基于ISTE最優(yōu)性能指標(biāo)整定得到PID控制器參數(shù)往往能帶來(lái)更優(yōu)的閉環(huán)響應(yīng)，因此采用基于ISTE最優(yōu)性能指標(biāo)整定得出PID三個(gè)參數(shù)值。,=23.0145,=194,=4.1092,算法下，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖。在鍋爐燃燒控制過(guò)程中，影響主蒸汽壓力的因素有很多，系統(tǒng)內(nèi)部和外部的隨機(jī)擾動(dòng)會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)要將這一因素考慮進(jìn)去，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的隨機(jī)干擾要能夠快速的消除。在仿真過(guò)程中，我們?cè)趖=lS0s時(shí)加入幅值為系統(tǒng)設(shè)定值10的干擾，其系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)如,圖(a)為ISTE最優(yōu)整定PID控制算法的系統(tǒng)響應(yīng)圖(b)幅值為系統(tǒng)設(shè)定值10的干擾下系統(tǒng)的響應(yīng)圖圖(c)系統(tǒng)設(shè)定值15的干擾下系統(tǒng)的響應(yīng)圖圖(d)模糊自適應(yīng)PID控制算法的系統(tǒng)響應(yīng)圖,6.2控制器MATLAB編程MATLABFunction在控制器仿真框圖的任務(wù)是完成模糊PID控制中的PID控制部分，包括將歸一化的參數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際PID參數(shù)及對(duì)偏差e的PID算法編程。程序流程如圖11所示：圖11MATLABFunction程序流程圖,7、小結(jié),本章簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLABSIMULINK。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLABSIMULINK對(duì)主蒸汽壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，給出了仿真曲線(xiàn)，通過(guò)比較得出了結(jié)論。本文主要是將模糊控制理論運(yùn)用于船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)的介紹了船用鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)，分析了其自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，并依據(jù)燃燒控制的主要任務(wù)設(shè)計(jì)了燃燒控制方案，實(shí)現(xiàn)了燃燒控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中響應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性的良好兼顧，主要得出了以下結(jié)論：1、船用鍋爐燃燒過(guò)程對(duì)象是一個(gè)多輸入、多輸出的復(fù)雜調(diào)節(jié)對(duì)象。在分析其機(jī)理的基礎(chǔ)上，得出了理論模型。在燃料量