鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

1、摘 要鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運行損耗、確保整個網(wǎng)絡(luò)安全運行具有要意義。鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣。因為現(xiàn)代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，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

2、的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事

3、故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位的控制是鍋爐控制的一個難點，目前，對汽包水位控制大多采用常規(guī)pid控制方式，傳統(tǒng)的常規(guī)pid控制方式是根據(jù)控制對象的數(shù)學(xué)模型建立，由于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時滯和負荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得而且常規(guī)pid控制的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種擾動及對象變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的，它能將熟練操作員的實經(jīng)驗加以總結(jié)和描述，并用語言表達出來，得到定性的、不精確的控規(guī)則

4、，不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制易于被人們接受，構(gòu)造容易，魯棒性和適應(yīng)性好。鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，為確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，對鍋爐的自動控制十分重要，其中汽包水位是一個非常重要的被控變量。由于鍋爐的水位調(diào)節(jié)過程難以建立數(shù)學(xué)模型，具有非線性、不穩(wěn)定性、時滯等特點。給水控制的任務(wù)是維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機側(cè)的影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應(yīng)能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變

5、化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。傳統(tǒng)的鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)大都采用pid控制，其控制效果還可以進一步提高。而模糊控制不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強，非常適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制器一般采用二維結(jié)構(gòu)形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號，根據(jù)二者模糊化的結(jié)果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經(jīng)去模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量去控制執(zhí)行機構(gòu)。基于鍋爐水位控制及模糊控制的特點，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現(xiàn)有的模糊控制器的構(gòu)成方式進行歸納總結(jié)。對汽包水位的模糊控制

6、方式進行結(jié)構(gòu)及性能上的分析和比較，并利用simulink分別在設(shè)定值及在干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真。關(guān)鍵詞:汽包水位；模糊控制；三沖量 目 錄摘 要i目 錄iii引言11 鍋爐工作過程及其設(shè)備21.1課題背景21.2鍋爐的工作過程簡介21.3鍋爐設(shè)備的調(diào)節(jié)任務(wù)31.4本文研究內(nèi)容42 鍋爐汽包水位特性及其控制42.1鍋爐汽包水位的特性42.1.1汽包水位在給水流量w作用下的動態(tài)特性52.1.2汽包水位在蒸汽流量d擾動下的動態(tài)特性52.1.3燃料量b擾動下汽包水位的動態(tài)特性62.2汽包水位控制方式72.2.1單沖量控制方式72.2.2雙沖量控制方式82.2.3三沖量控制方式83 模糊控制原理1

7、03.1概述103.1.1模糊控制的形成103.1.2模糊控制的特點103.2 模糊控制系統(tǒng)組成113.3模糊控制的工作原理123.3.1模糊控制系統(tǒng)的組成123.3.2模糊控制的基本原理134 汽包水位模糊控制器設(shè)計及仿真144.1汽包水位的pid控制方式144.1.1pid控制方式概述144.2模糊控制器的設(shè)計方法144.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計144.2.2精確輸入量的模糊化154.2.3確定控制規(guī)則174.2.4模糊量的判決方法(解模糊)194.3汽包水位的模糊控制器的設(shè)計204.3.1模糊控制器結(jié)構(gòu)204.3.2模糊控制器的設(shè)計204.3.3仿真結(jié)果21參考文獻2424引言鍋爐是典

8、型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十蒼白臺，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運行損耗、確保整個網(wǎng)絡(luò)安全運行具有要意義。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品

9、質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。模糊控制器一般采用二維結(jié)構(gòu)形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號，根據(jù)二者模糊化的結(jié)果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經(jīng)去模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量去控制執(zhí)行機構(gòu)?；阱仩t水位控制及模糊控制的特點，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現(xiàn)有的模糊控制器的構(gòu)成方式進行歸納總結(jié)。

10、對汽包水位的模糊控制方式進行結(jié)構(gòu)及性能上的分析和比較，并利用simulink分別在設(shè)定值及在干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真。1 鍋爐工作過程及其設(shè)備1.1課題背景由前述可知，在鍋爐的幾個調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，汽包水位的控制是保證鍋爐安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的主要標志之一。鍋爐的水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務(wù)之一，在鍋爐的安全生產(chǎn)、降低能耗、蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起著重要作用。目前我國有各類鍋爐幾十萬臺，其中相當大的部分還在使用常規(guī)儀表控制。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位”現(xiàn)象，而常規(guī)儀表所常用的pid算法對“假水位”現(xiàn)象的控制效果并不理想，若要較好的控制“假水位”現(xiàn)象，采用常規(guī)儀表

11、所構(gòu)成的控制器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性又會增加，造成成本較高。因此，研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進一步提高水位控制的效果，同時又具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點，還是非常有必要的。另一方面，自從1965年美國加利福尼亞大學(xué)的zadeh教授首先提出模糊數(shù)學(xué)和模糊控制以來，經(jīng)過幾十年的研究，模糊控制得到廣泛發(fā)展并在實際中得以廣泛應(yīng)用。這主要在于模糊邏輯本身提供了由專家構(gòu)造語言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法。模糊控制的突出特點在于:(1)控制系統(tǒng)的設(shè)計不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)。(2)控制系統(tǒng)的魯棒性強，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯

12、后系統(tǒng)。(3)以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家的“知識”。(4)控制推理采用“不精確推理”。由于推理過程模仿人的思維過程，引入了人類的經(jīng)驗，因而能夠處理復(fù)雜系統(tǒng)。在一般的模糊控制系統(tǒng)中，通常采用偏差e及其變化ec為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)pid控制器的作用，缺點是靜態(tài)性能不能令人滿意。由于模糊控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，又具有較高的動態(tài)響應(yīng)。因此常常把pi控制策略引入模糊復(fù)合控制，是常用的一種方式。模糊控制在工業(yè)過程中有大量的成功應(yīng)用，但在鍋爐水位控制上還沒有形成系統(tǒng)的理論，還存在一些不足，仍然有必要繼續(xù)研究。1.2鍋爐的工作過程簡介鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，鍋爐

13、的任務(wù)是根據(jù)外界負荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機、壓縮機、泵類驅(qū)動透平的動力源。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變

14、的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng)“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負荷設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)

15、生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。1.3鍋爐設(shè)備的調(diào)節(jié)任務(wù)鍋爐作為重要動力設(shè)備，為了保證提供合格的蒸汽，必須使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應(yīng)負荷設(shè)備的需要量。為此，生產(chǎn)過程的各個參數(shù)，特別是新汽的壓力和溫度，必須嚴格控制。一、控制汽包水位鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣。因為現(xiàn)代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，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，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重

16、時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。二、控制蒸汽溫度過熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝確定的重要參數(shù)，蒸汽溫度過高會燒壞過熱器水管，對負荷設(shè)備的安全運行帶來不利因素。因為現(xiàn)代的蒸汽鍋爐，金屬強度的安全系數(shù)設(shè)計得都比較小，超溫嚴重會使汽機或其它負荷設(shè)備膨脹過大，使汽機的軸向推力增大而發(fā)生事故。汽溫過低直接影響負荷設(shè)備的使用，對汽機來說會影響效率，進汽溫度每降低5，效率約降低1%。因此從安全生產(chǎn)和技術(shù)經(jīng)濟指標上看，必須保持蒸汽溫度在額定值范圍之內(nèi)。三、控制蒸汽壓力蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標

17、，是新汽的重要工藝參數(shù)。蒸汽給定壓力過高或過低，對于金屬導(dǎo)管和負荷設(shè)備都是不利的:壓力太高，會加速金屬的蠕變，壓力太低就不可能提供各負荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。在運行過程中，蒸汽壓力降低，表明蒸汽消耗量大于鍋爐發(fā)汽量;反之，蒸汽壓力升高，說明蒸汽消耗量小于鍋爐發(fā)汽量。因此嚴格控制蒸汽壓力，是確保安全生產(chǎn)的需要，也是維持正常生產(chǎn)負荷的需要。四、維持經(jīng)濟燃燒使空氣和燃料維持適當比例，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經(jīng)濟性的關(guān)鍵措施。將過剩空氣降低到近于理想水平而又不出現(xiàn)co和冒黑煙，這就需要快速而精確的燃燒過程的自動調(diào)節(jié)，最佳的空氣、燃料配比。如果離開最適宜的空燃比，勢必增加熱量損失，降低經(jīng)

18、濟技術(shù)指標.并造成對周圍環(huán)境的污染。五、控制爐膛壓力鍋爐在正常運行中，爐膛壓力也必須保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。如果是負壓操作，則負壓偏正，局部地區(qū)容易噴火，不利于安全生產(chǎn)，不利于環(huán)境衛(wèi)生，負壓過大，漏風(fēng)嚴重，總風(fēng)量增加，煙氣熱損失增大，不利于經(jīng)濟燃燒。由于燃燒室的空間很大，加之介質(zhì)密度差產(chǎn)生的自升引力，使沿著爐膛向上負壓越來越大，所以保持某個高度上的負壓是必要的，可行的。六、控制一次風(fēng)量粉煤直吹制鍋爐，為了安全地、經(jīng)濟地將粉煤輸入爐膛，保證良好的燃燒條件，一次風(fēng)量也需要自動調(diào)節(jié)。對于高壓鍋爐，有時還需自動調(diào)節(jié)鍋爐的連續(xù)排污量以保證鍋爐水中含鹽量為額定值。為實現(xiàn)上述調(diào)節(jié)任務(wù)，鍋爐設(shè)備控制劃分為如下幾

19、個調(diào)節(jié)系統(tǒng):1.鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng):即鍋爐汽包水位的控制。其被調(diào)參數(shù)為汽包水位，調(diào)節(jié)手段為給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。是鍋爐汽包內(nèi)部重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)是蒸汽母管壓力，在孤立運行鍋爐中，為蒸汽壓力，主要考慮鍋爐內(nèi)部的熱量平衡，其通道很長，包括鍋爐燃燒系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，它是整臺鍋爐設(shè)備自動調(diào)節(jié)當中的核心。3.經(jīng)濟燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)隨著測量方式的不同而異，主要考慮燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟燃燒問題，通道也比較長，包括燃燒系統(tǒng)和煙道。4.爐膛負壓調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)為爐膛負壓，主要考慮燃燒過程的物料平衡，調(diào)節(jié)通道包括爐膛

20、和煙道。5.蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)為過熱器出口過熱蒸汽的溫度，主要考慮過熱器的熱量平衡問題。1.4本文研究內(nèi)容本文將對現(xiàn)有的模糊控制器進行歸納、對比及創(chuàng)新，對鍋爐水位控制系統(tǒng)的模糊控制進行結(jié)構(gòu)及性能上的分析比較，并利用matlab中的模糊邏輯工具箱進行設(shè)計、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有不精確推理的特性，設(shè)計模糊控制器，以解決汽包水位的非線性、時變及滯后的特性，同時具有較好的穩(wěn)定性及魯棒性，做了一些試探性研究并利用simulink分別在設(shè)定值及在干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真。2 鍋爐汽包水位特性及其控制2.1鍋爐汽包水位的特性鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是

21、使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的

22、要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量d和給水流量w。2.1.1汽包水位在給水流量w作用下的動態(tài)特性圖2.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包水位看作單容量無自衡過程，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖中的hl線。圖2.1 給水流量作用下水位階躍響應(yīng)但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當水位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位的變化就完全反映了由于汽包中儲水

23、量的增加而逐漸上升。因此，實際水位曲線如圖中的萬線，即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)表示時，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。系統(tǒng)特性可表示為: 2-1 式中k1反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)。從式2-1可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性由一個積分環(huán)節(jié)和一個滯后環(huán)節(jié)所組成，kl、t1的數(shù)值可通過實驗測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當給水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式2-1來表示它的動態(tài)特性，誤差較大，這時可選用下面

24、近似計算： 2-2式中， 給水量擾動后的純滯后時間，對非沸騰式省煤器的鍋爐， 這時為30至100秒;對于沸騰式省煤器的鍋爐， 為100至200秒;k0一水位的反應(yīng)速度。給水溫度越低，時滯 亦越大。由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性可以有二種形式:反應(yīng)曲線變化最快的可用式(2-1)表示，這時的動態(tài)特性可以等效為一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián);另外也可用式(2-2)表示，相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。對于不同的鍋爐設(shè)備，究竟采用何種形式的傳遞函數(shù)來表示它的動態(tài)特性，還要根據(jù)具體條件來定，原則是:表達特性最符合實際情況、傳遞函數(shù)式盡可能地簡單。

25、總之，汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用二種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和汽化強度來定。2.1.2汽包水位在蒸汽流量d擾動下的動態(tài)特性在蒸汽流量刀擾動作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖2.2所示。當蒸汽流量突然增加，從鍋爐的物料平衡關(guān)系看，蒸汽流量d大于給水量磯水位應(yīng)下降，如圖中曲線h1。但實際并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中的h2線。因此，實際的水位曲線為h1+h2，即為圖中的h。從圖中可以看出，當蒸汽負荷增加時，水位不僅不下降反而上升，然

26、后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升)，這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。當汽水混合物中汽泡容積與負荷相適應(yīng)達到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應(yīng)該指出，當負荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2.2中h2的時間常數(shù)只有1020秒。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態(tài)特性可表示為: 2-3式中，kf一一響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)。k2一一響應(yīng)曲線玩的放大系數(shù)t2一一響應(yīng)曲線的時間常數(shù)圖2.2蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對于一般100一230噸/小時的

27、中高壓鍋爐，如負荷階躍變化10%時，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達30一40毫米。由于“虛假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，其出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求水位波動不能太大，只有限制負荷d的變化速度或限制負荷一次變化量。由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛假水位”現(xiàn)象，“虛假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計調(diào)節(jié)系統(tǒng)時必須考慮。2.1.3燃料量b擾動下汽包水位的動態(tài)特性汽包水位在燃料量b擾動下的響應(yīng)曲線如圖2.3所示。當燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強度加大。如果負荷的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨

28、著汽包壓力的增加，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時產(chǎn)生了汽包進出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將同時導(dǎo)致汽包壓力上升，它會使汽泡體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量d緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比蒸汽擾動下緩和的多。圖2. 3燃料量擾動下水位階躍響應(yīng)2.2汽包水位控制方式給水控制的任務(wù)是維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機側(cè)的

29、影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應(yīng)能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。這里的沖量指的是變量。圖2.4汽包水位單沖量控制原理圖及方框圖2.2.1單沖量控制方式單沖量水位控制方式原理圖及方框圖如圖2.4所示。它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。此方式將水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。這種控制方式，在停留時間較長，負荷也比較穩(wěn)定的場合，再配上一些聯(lián)鎖報替裝置，也可

30、以保證安全操作.但在停留時間較短，負荷變化較大時，采用此方式就不合適。這是由于:1)負荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位”，將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作，負荷增大時反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動很大，動態(tài)品質(zhì)很差。2)負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現(xiàn)象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再由水位變化到閥動作己滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當顯著。3)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，閥門動作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而調(diào)節(jié)閥動作，同樣不夠及時。總之，單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點是:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在汽包容量比較大、水

31、位在受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢、“假水位”現(xiàn)象不很嚴重的場合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)是能夠滿足生產(chǎn)要求的。2.2.2雙沖量控制方式在汽包水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。這樣不僅可以補償“虛假水位”的引起的誤動作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動作及時，如圖2.5所示。圖中，cl、q為加法系數(shù)，g2為蒸汽流量擾動下，汽包水位的傳遞函數(shù)。圖2.5汽包水位雙沖量控制原理圖及方框圖從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點是:1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當蒸汽量變化時，就有一個使給水

32、量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。當c1、c2選擇匹配時，系統(tǒng)的靜態(tài)特性是無差的。雙沖量調(diào)節(jié)由于有以上特點，所以能在負荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達到調(diào)節(jié)要求的。雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是:調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動，當給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不

33、易保持正常時，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。同時調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難。2.2.3三沖量控制方式目前鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10-20秒內(nèi)就會發(fā)生危險水位;如僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對水位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運行中經(jīng)常會有自發(fā)性的變化，當幾臺鍋爐并列運行時，還可能發(fā)生幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當某一臺鍋爐負荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動，而使其它鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中，對于給水量

34、這種自發(fā)變化不能及時反映出來，要經(jīng)過一定的遲延時間之后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜。針對上述情況，為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上引入了給水流量信號，由水位h、蒸汽流量d和給水流量w組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽包水位h是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量d、給水流量w是兩個輔助沖量信號。圖2.6汽包水位三沖量前饋一反饋控制原理圖及方框圖1)前饋一反饋控制方式前饋一反饋控制方式的原理圖及方框圖如圖2.6所示，從方塊圖上可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路:(1)是由給水流量w、給水分流器aw、調(diào)節(jié)器gc。

35、、調(diào)節(jié)閥gv組成的內(nèi)回路。(2)由水位調(diào)節(jié)對象g1和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量d、分流器ad、對象g2均在閉合回路之外，它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以該系統(tǒng)的實質(zhì)是前饋加反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了確保當負荷變化時水位無余差，必須保證物料平衡，由此確定分流系數(shù)aw，ad的值。2)前饋一串級控制方式前饋一串級控制方式的原理圖及方框圖如圖2.7所示，該方案與前饋一反饋控制方式相似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。此方案不管系數(shù)如何設(shè)置，當負荷變化時，液位可以保持無差。圖2.7汽包水位三沖量前饋一串級控制原理圖及方框圖3 模糊控制原理3.1概述3.1.1模糊控制的形成人

36、們往往都會有這樣的體驗，我們每天都會遇到大量的模糊概念和模糊現(xiàn)象，比如，“天很熱”、“這小孩真漂亮”、“他的個子很高”等等，這里的“很熱”、“真漂亮”、“很高”都是模糊概念。它們無法用經(jīng)典數(shù)學(xué)方法來度量，但是大家用這些模糊概念來描述時我們卻都能明白對方說的是什么意思，一般并不會引起誤解和歧義。正是由于模糊現(xiàn)象客觀存在于人類思維、社會現(xiàn)象和自然界中，為了描述這些現(xiàn)象形成了模糊數(shù)學(xué)。模糊數(shù)學(xué)最早于1965，由美國加利福尼亞大學(xué)的l.a.zdaha教授提出。它的出現(xiàn)打破了經(jīng)典數(shù)學(xué)，“非對即錯”、“非0即1的局限性。模糊數(shù)學(xué)是建立在模糊集合基礎(chǔ)之上的，模糊集合相對于經(jīng)典集合的最大不同就是引入隸屬函數(shù)。

37、經(jīng)典集合對集合中的對象關(guān)系進行嚴格劃分，一個對象要么完全屬于這個集合，要么完全不屬于這個集合，不存在介于二者之間的情況。而模糊集合則允許其中的元素部分隸屬，即對象在模糊集合中的隸屬度可以取0到1中的任何值。在控制工程中，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計，都需要了解被控制對象的數(shù)學(xué)模型。但是工業(yè)生產(chǎn)過程中，要得到精確的數(shù)學(xué)模型有時是非常困難的，甚至是不可能的。然而，一個熟練的操作人員卻可以不依賴于數(shù)學(xué)模型，僅依賴于人的經(jīng)驗知識、感覺和邏輯判斷，取得較好的人工控制效果。由此，人們加以總結(jié)，可以把憑經(jīng)驗所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，如水位太高則減小給水量，溫度太低則增加燃燒量等等。由這些規(guī)則所構(gòu)成的控制

38、器對復(fù)雜的生產(chǎn)過程進行控制，由于這些規(guī)則基于模糊邏輯，是模糊數(shù)學(xué)與控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，這種控制方式就是模糊控制3.1.2模糊控制的特點由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入和輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運行經(jīng)驗，就可以對系統(tǒng)進行實時控制，實際是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。它具有如下一些突出優(yōu)點:1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據(jù)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。2)由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，

39、因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。3)基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導(dǎo)致較大差異;但一個系統(tǒng)語言規(guī)則卻具有相對獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。4)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性，時變及純滯后系統(tǒng)的控制。簡單的模糊控制器與常規(guī)的控制器相比具有一定的優(yōu)點，然而它也存在一些缺陷:1)精度不

40、太高。這主要是由于模糊控制表的量化等級有限而造成的，通過增加量化等級數(shù)目雖可以提高精度，但查詢表將過于龐大，須占用較大空間，使運算時間增加。實際上，如果模糊控制器不引入積分機制，原則上誤差總是存在的。2)自適應(yīng)能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當對象參數(shù)隨環(huán)境的變遷而變化時，它不能對自己的規(guī)則進行有效的調(diào)整，從而使其良好的性能不能得到充分的發(fā)揮。3)易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。如果查詢表構(gòu)造不合理，或量化因子和比例因子選擇不當，都會導(dǎo)致振蕩。針對上述不足，人們提出了許多方案，模糊pid功控制就是其中常用且有效的一種形式。3.2 模糊控制系統(tǒng)組成一組成部分模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分：1）模糊

41、控制器，是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分。2）輸入/輸出接口。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控制對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在i/o接口裝置中，除a/d、d/a轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。3）執(zhí)行機構(gòu)。各類電動機、調(diào)節(jié)閥等。4）被控對象。對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制。5）傳感器。傳感器是將被控對象或過程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。給定被控對象a/d模糊控制器d/a執(zhí)行機構(gòu)傳感器被控量圖3.1 模糊控制系統(tǒng)圖二模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)知識庫模糊化模糊推理清晰化控制對象輸出圖3.2 模糊

42、控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊化量。其輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過程如下：1）首先對這些輸入量進行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量。2）將上述已經(jīng)處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。3）將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來表示。三知識庫知識庫包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識和要求的控制目標。它通常由以下兩部分組成。1）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值，若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機提供數(shù)

43、據(jù)。數(shù)據(jù)庫中包含了與模糊控制規(guī)則及模糊數(shù)據(jù)處理有關(guān)的各種參數(shù)，其中包括尺度變換參數(shù)、模糊空間分割和隸屬度函數(shù)的選擇等。輸入量的變換。對于實際的輸入量，第一步首先要進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。論域可以是連續(xù)的，也可以是離散的。若要求離散的論域，則要求將連續(xù)的論域離散化或量化。量化查是均勻的，也可以是非均勻的。輸入和輸出空間的模糊分割。模糊控制規(guī)則的輸入和前提的語言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語言變量構(gòu)成模糊輸出空間。每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構(gòu)成了語言名稱的集合。每個模糊語言名稱對應(yīng)一個模糊集合。對于每個語言變量，其取值的模糊

44、集合具有相同的論域。模糊分割是要確定對于互個語言變量取值的模糊語言名稱的個數(shù)，模糊分割的個數(shù)決定了模糊控制精細化的程度。這些語言名稱通常均具有一定的含義。模糊分割的個數(shù)也決定了最大可能的模糊規(guī)則的個數(shù)，模糊分割數(shù)年越多，控制規(guī)則數(shù)年也越多，因此模糊分割不可太細，否則需要確定太多的控制規(guī)則，這也是很困難的一件事。當然，模糊分割太小癬導(dǎo)致控制太粗略。確定分割數(shù)主要依靠經(jīng)驗和試湊。模糊控制的完備性對于數(shù)據(jù)庫的要求：對于任意輸入，若能找到一個模糊集合，使該輸入對于該模糊集合的隸屬度函數(shù)不小于。對于規(guī)則庫的要求:對于任意的輸入應(yīng)確保至少有一個可適用的規(guī)則，而且規(guī)則的適用度應(yīng)大于某個數(shù)，根據(jù)完備性要求，控

45、制規(guī)則不可太少。模糊集合的隸屬度函數(shù)。根據(jù)論域為離散和連續(xù)的不同情況，隸屬度函數(shù)的描述有如下方法：a、數(shù)值描述方法。當論域為離散，且元素個數(shù)為有限時，模糊集合的隸屬度函數(shù)可以用向量或表格的形式來表示。b、函數(shù)描述方法。對于論域為連續(xù)的情況，隸屬度常常用函數(shù)的形式來描述，隸屬度函數(shù)的形狀對于模糊控制器的性能有很大影響。通常，當誤差較小時，隸屬度函數(shù)可取得較為窄小，誤差較大隸屬度函數(shù)可取寬大些。3.3模糊控制的工作原理3.3.1模糊控制系統(tǒng)的組成圖3.3模糊控制系統(tǒng)組成模糊控制系統(tǒng)屬于計算機控制的一種形式，其組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其組成框圖如圖3.1所示。一般可以分為五個組成部分:1)模糊

46、控制器:模糊控制的核心部分。一般為一臺微計算機，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，既可選用系統(tǒng)機、又可選用單板機或單片機。隨著近幾年來日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。模糊控制系統(tǒng)中的控制器采用的是基于知識表示和規(guī)則推理的語言型控制器，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。2)輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。在i/o接口裝置中，除a/d、d/a從轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。3)執(zhí)行機構(gòu):包括各種交、直流電動機，伺服電動機，步進電動機，氣動調(diào)節(jié)閥，液壓機

47、構(gòu)等等。4)被控對象:被控對象是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，或是一個生產(chǎn)、自然、社會的生物等等的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。它可以是線性或非線性的、定?；驎r變的，也可以是單變量或多變量的、有時滯或無時滯的以及有強干擾的多種情況。被控對象缺乏精確數(shù)學(xué)模型的情況適宜選擇模糊控制，但具有較精確的數(shù)學(xué)模型的被控對象，也同樣可以采用模糊控制方案。5)傳感器:傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(模擬的或數(shù)字的)的一類裝置。被控制量往往是非電量，如溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時，應(yīng)注意選擇精度高且穩(wěn)定

48、性好的傳感器。3.3.2模糊控制的基本原理為說明模糊控制的基本原理以單沖量鍋爐汽包水位的模糊控制系統(tǒng)為例。鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)由汽包、水位傳感器、模糊控制器和給水調(diào)節(jié)閥組成(系統(tǒng)組成框圖如圖2.4)。當汽包水位連續(xù)變化時，水位變送器信號也不斷改變。將此測量值與水位給定值進行比較，得到偏差量e，偏差量e經(jīng)采樣和a/d轉(zhuǎn)換，送入模糊控制器，模糊控制器的輸出控制量經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換、信號放大去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量，從而使水位保持在允許的范圍內(nèi)變化。由上述模糊控制的過程來看，它與一般反饋控制的思路一致。但是，模糊控制器處理的是模糊變量，而非一般反饋控制的精確變量。因此，偏差量e在送入模糊控制器之后

49、應(yīng)先進行模糊量化，將e變成模糊量，如水位偏高，偏低、偏差為。等等。量化后的模糊量，在模糊控制器中根據(jù)規(guī)則庫進行推理，得到一個模糊輸出量。由于執(zhí)行機構(gòu)即給水調(diào)節(jié)閥只能接受精確信號，故在da/轉(zhuǎn)換前模糊控制器還要將模糊輸出量轉(zhuǎn)換成為精確的數(shù)字信號，此數(shù)字信號經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后得到精確的控制量，再送給調(diào)節(jié)閥改變水量。規(guī)則庫是根據(jù)人的操作經(jīng)驗或?qū)＜医?jīng)驗知識，按人的直覺推理的一種語言表示形式。通常由一系列關(guān)系詞連接而成，如上例汽包水位控制系統(tǒng)中，控制規(guī)則可以用語言描述如下:若水位偏高則減小給水量，偏高得越多給水量越小;若水位偏低則增加給水量，偏低得越多給水量越大;若水位偏差為0，給水量保持不變;綜上所述，模

50、糊控制算法可格括為下述四個步驟:1)根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計算系統(tǒng)的輸入變量;2)將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?3)根據(jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量(模糊量);4)由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。4 汽包水位模糊控制器設(shè)計及仿真4.1汽包水位的pid控制方式大部分的三沖量控制系統(tǒng)中，其控制器使用的是pid控制器，為作對比這里首先對此方式進行仿真實驗。本文所有的仿真實驗均基于matlab6.5軟件，利用其所提供的simulink相應(yīng)工具箱進行仿真。4.1.1pid控制方式概述一、連續(xù)系統(tǒng)pid控制原理pid調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)

51、器是將設(shè)定值r(t)與輸出值c(t)進行比較構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)將其按比例、積分、微分運算后，并通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖.42所示，所以簡稱為p(比例)、i(積分)、d(微分)調(diào)節(jié)器。圖4.1 pid調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)框圖其常用的表示形式為: 4-1或: 4-2其中為輸出;kp為比例系數(shù);e為偏差:ti為積分時間常數(shù);td為微分時間常數(shù);ki= kp/tikd=kptd在pid控制的三個作用中，比例作用是基本控制作用。增大比例系數(shù)價一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。但單純采用比例控制，當對象

52、具有自衡特性時，系統(tǒng)將有余差。為消除系統(tǒng)余差，通常引入積分作用。引入積分作用后系統(tǒng)響應(yīng)時間增長，增大積分時間常數(shù)ti有利于減小超調(diào)，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質(zhì)，因為微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，具有及時性。增大微分時間常數(shù)幾也有利于加快系統(tǒng)響應(yīng),使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。因為微分作用的引入會把高頻干擾放大得很大，反而可能使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)降低。因此對于噪聲大的對象，一般不引入微分作用，或者先將測量值濾波。4.2模糊控制器的設(shè)計方法4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計模糊控制器的結(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

53、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)驗得到的，所以，選擇的變量應(yīng)當是操作人員能觀察到的變量。一般而言，通常選擇被控對象的輸出變量與設(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數(shù)，可分為一維模糊控制器，二維模糊控制器，三維模糊控制器等等。其結(jié)構(gòu)示意如圖3.2所示。圖4.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制精度越高，控制越精細。但是維數(shù)太多，控制規(guī)則變得十分龐大，控制算法實現(xiàn)困難。故工業(yè)生產(chǎn)過程中一般選用二維模糊控制器，即把被偏差及偏差的變化作為模糊控制器的輸入變量。4.2.2

54、精確輸入量的模糊化由于偏差及偏差的變化都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。每一個輸入值都可對應(yīng)一個模糊集合，某一范圍連續(xù)變化的值就可有無限多個模糊集合，這在工程實踐中是無意義的。為了便于工程實現(xiàn)。通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級，所定義級數(shù)的多少取決于所需輸入量的分辨率。1、選擇輸入、輸出量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，具有“if··than”的形式。在條件語句中描述輸入變量的一些詞匯如“正大”、“負小”等的集合，稱為該變量的詞集。選擇模糊詞集時不一定是選擇的數(shù)量越多就越好，而需要兼顧簡單性和靈活性兩方

55、面。一般說，每個變量以選用2一10個模糊語言為宜。由于人們一般習(xí)慣把事物分成三個等級，如大、中、小;好、中、差等等，所以一般都采用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入變量的狀態(tài)。這些詞集同樣也適用于輸出變量。同時人的行為在正負兩個方向上的判斷基本上是對稱的，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的0值，根據(jù)經(jīng)驗，控制精度要求高的場合可選七個詞匯，如負大(nb)、負中(nm)、負小(ns)、零(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)?？刂凭纫笠话愕膱龊峡蛇x5個模糊狀態(tài)，如負大(nb)、負小(ns)、零(zo)、正小(ps)、正大(pb)。在有些場合也可選3個模糊狀態(tài)。如

56、負(n)、零(zo)、正(p)。2、量化因子確定好模糊詞集后，應(yīng)將輸入的連續(xù)變化的精確量離散化，以進行模糊量化。通常將輸入變量變化的實際范圍稱為基本論域，正如前面所述，在某一基本論域內(nèi)連續(xù)變化的輸入量，可有無限多個模糊集合，通常把輸入變量范圍離散成若干級，即為模糊子集的論域。為了買現(xiàn)模糊控制器的設(shè)計，目前常用瑪達尼提出的方法，即把輸入變量所取的模糊子集的論域范圍設(shè)定為-6，+6區(qū)間的離散變化量，使之構(gòu)成含13個整數(shù)元素的離散集合:一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，1，2，3，4，5，6其中的每個離散元素對應(yīng)一個模糊變量等級，習(xí)慣上有:“正大”(pb):可取在6附近;“正中”(pm):可取在4附近;“正小”(ps):可取在2附近;“零”(20):可取為零;“負小”(ns):可取在一2附近;“負中”(nm):可取在一4附近;“負大”(nb):可取在一6附近。應(yīng)注意的是，實際輸入精確量的基本論域變化范圍一般與模糊子集的論域不在同一區(qū)間內(nèi)，此時必須將輸入變量乘以量化因子。設(shè)輸入精確量x的基本論域范圍為a，b，則可根據(jù)下式進行轉(zhuǎn)換: 12x-(a+b)/2/(b-a)若根據(jù)上式計算出的數(shù)值不是整數(shù)，可以把它歸為最接近的整數(shù)。3、定義模糊變量的模糊子集定義模糊子集，就是要確定模糊子集(即前述的模糊狀態(tài)或模糊語言值)隸屬函數(shù)曲線的形狀，將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，即可得到有限個點上的隸