基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目錄HYPERLINK摘要 ⅠHYPERLINKABSTRACT ⅡHYPERLINK1引言 1HYPERLINK1.1課題背景 1HYPERLINK1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 2HYPERLINK2鍋爐汽包水位對(duì)象的特點(diǎn)和分析 3HYPERLINK2.1鍋爐的工作過(guò)程 3HYPERLINK2.2“虛假水位”現(xiàn)象 3HYPERLINK3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5HYPERLINK3.1確定控制目標(biāo) 5HYPERLINK3.1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控變量的選擇 5HYPERLINK3.1.2鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的控制變量（操縱量）的選擇 5HYPERLINK3.1.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的擾動(dòng) 5HYPERLINK3.2確定控制方案 6HYPERLINK3.3設(shè)計(jì)模型的構(gòu)造 7HYPERLINK3.3.1對(duì)象模型的構(gòu)造 7HYPERLINK3.3.2汽包水位仿真系統(tǒng)的構(gòu)造 10HYPERLINK4控制系統(tǒng)的介紹與設(shè)計(jì) 12HYPERLINK4.1串級(jí)控制系統(tǒng) 12HYPERLINK4.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)的組成 12HYPERLINK4.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 13HYPERLINK4.1.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13HYPERLINK4.2前饋控制系統(tǒng) 15HYPERLINK4.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 15HYPERLINK4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 15HYPERLINK4.2.3前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18HYPERLINK5串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 20HYPERLINK5.1串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 20HYPERLINK5.2汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng) 22HYPERLINK5.3鍋爐汽包水位的串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)MATLAB仿真 24HYPERLINK6.鍋爐汽包水位的模糊控制 26HYPERLINK6.1模糊控制系統(tǒng)的組成 26HYPERLINK6.1.1模糊控制器的工作原理 27HYPERLINK6.1.2模糊PID控制器的設(shè)計(jì) 28HYPERLINK6.2模糊控制系統(tǒng)的建模及仿真 34HYPERLINK結(jié)束語(yǔ) 40HYPERLINK致謝 41HYPERLINK參考文獻(xiàn) 42基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)PAGE30基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要鍋爐是一種復(fù)雜的熱工系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用在化工業(yè)、發(fā)電、造紙業(yè)、石油業(yè)，是工業(yè)生產(chǎn)的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。為了保證蒸汽的品質(zhì)及鍋爐本體及人身的安全，汽包水位是一個(gè)重要的參數(shù)。在鍋爐中，汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件，水位過(guò)低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鍋爐爆炸，水位過(guò)高，會(huì)降低蒸汽質(zhì)量，損壞汽輪機(jī)葉片，所以必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格控制。汽包的作用是進(jìn)行汽，水分離，汽包的出口為飽和蒸汽。隨著鍋爐的蒸發(fā)量及參數(shù)的日益提高，汽包相對(duì)蒸發(fā)量的尺寸越來(lái)越小;在負(fù)荷變化較為頻繁的場(chǎng)合，汽包水位受到的擾動(dòng)也非常劇烈；另外由于汽包中汽，液兩相共存，大量的氣泡存在于汽包的水中，導(dǎo)致了汽包水位的一個(gè)特殊現(xiàn)象“虛假水位”，這種“虛假水位”的現(xiàn)象給控制造成了許多困難。關(guān)鍵詞汽包水位/PID控制/虛假水位基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)BasedonIntelligentPIDboilerdrumwaterlevelcontrolsystemdesignABSTRACTTheboilerisatypicalproductionprocessmeans,hasawiderangeofapplicationsinvariousfieldsofelectricpower,chemical,metallurgy,buildingmaterials,civil.Itgeneratessteamcannotonlyprovideheatforindustrialproductionprocess,suchasdistillation,drying,evaporation,etc,alsoprovideapowersourceofcompressor,turbine,etc.Inordertoensurethequalityofthesteamboilerbodyandpersonalsafety,thedrumlevelisanimportantparameter.Intheboiler,drumwaterlevelisanimportantindicatoroftheboileroperation.keepthewaterlevelwithinacertainrangeistoensurethatthefirstconditionforsafeoperationofboilers,thewaterlevelistoolowcancausesevereboilerexplosion;thewaterlevelistoohighwillreducethequalityofsteam,damagetotheturbineblades,somuststrictlycontrolthedrumlevel.Theroleofthedrumissteam-waterseparatordrumexportsaturatedsteam.Withthetheboilerevaporationandparametersincreasing,gettingsmallerandsmallerthesizeofthedrumrelativeevaporation;theloadchangesmorefrequentoccasions;drumwaterlevelarealsoveryintensedisturbance;Inaddition,asthesteamdrumofgasolineandliquidtwo-phasecoexistence,alargenumberofbubblesexistinthedrumofwater,ledtoaspecialphenomenonofDrumLevel"falsewaterlevel","Falsewaterlevel"phenomenoncausedmanydifficultiestothecontrol.Keywords:Drumlevel,PIDcontrol,falsewaterlevel基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1引言鍋爐是工業(yè)過(guò)程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，其作用就是有效的把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過(guò)相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活中所需要的能量形式。而汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，汽包的作用是進(jìn)行汽、水分離，汽包的出口為飽和蒸汽，若要是對(duì)汽包水位進(jìn)行控制則要克服“虛假水位”這一現(xiàn)象，采用以給水流量、蒸汽流量、汽包水位作為調(diào)節(jié)信號(hào)的串級(jí)三沖量控制，以克服“虛假水位”的影響以及各種干擾對(duì)水位的影響。本控制采用前饋串級(jí)控制，主副調(diào)節(jié)器配合進(jìn)行控制，主副調(diào)節(jié)器均采用PID控制，主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律。1.1課題背景鍋爐控制中的重中之重就是對(duì)鍋爐汽包水位的控制，汽包在鍋爐中的作用是非常顯著的，可以進(jìn)行汽、水分離，輸出飽和蒸汽。汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的的重要指標(biāo)，水位過(guò)高將會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過(guò)熱器并在過(guò)熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，甚至引起過(guò)熱器爆管；水位過(guò)低會(huì)破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而爆管。高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，液位的時(shí)間常數(shù)也很小，大容量鍋爐若給水不及時(shí)，數(shù)十秒之內(nèi)就可能達(dá)到危險(xiǎn)水位，所以鍋爐水位控制顯得非常重要。本課題采用的是利用智能PID對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，對(duì)于汽包水位的控制也經(jīng)歷了好幾個(gè)階段的發(fā)展，首先是汽包水位經(jīng)典控制階段，經(jīng)典汽包水位控制包括單沖量、雙沖量和三沖量控制，由于單沖量、雙沖量及單級(jí)三沖量控制比較簡(jiǎn)單，并且難以適應(yīng)現(xiàn)代各種復(fù)雜鍋爐的控制要求，目前鍋爐汽包水位大多數(shù)采用三沖量水位控制。第二個(gè)階段是先進(jìn)控制。第三個(gè)階段是智能控制，智能控能高效的對(duì)汽包水位進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)我采用的是串級(jí)前饋控制。1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展概況鍋爐微機(jī)控制是近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。而作為鍋爐的控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。最近幾年鍋爐工業(yè)的發(fā)展非?？?，雖然我們落后與國(guó)外的先進(jìn)鍋爐控制水平，但是通過(guò)科研人員的努力，我國(guó)在鍋爐工業(yè)特別是控制方面的提高非常顯著，鍋爐的汽包水位是鍋爐控制的關(guān)鍵，早些時(shí)候我們只用傳統(tǒng)的PID對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，導(dǎo)致控制的效果不好，近些年來(lái)，智能控制已經(jīng)在我國(guó)迅速發(fā)展，通過(guò)智能PID中的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、專家PID控制等一些智能控制，我們能夠?qū)ζ贿M(jìn)行準(zhǔn)確的控制。2鍋爐汽包水位對(duì)象的特點(diǎn)和分析2.1鍋爐的工作過(guò)程典型的鍋爐給水系統(tǒng)如圖2-1所示。其中，W為給水，能量較低的冷水或循環(huán)水由此進(jìn)入鍋爐，通常，給水量可以通過(guò)改變給水調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度或通過(guò)改變給水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；D為飽和蒸汽輸出。為了提高鍋爐整體的熱效率，飽和蒸汽經(jīng)布置在煙道中的過(guò)熱器加熱為過(guò)熱蒸汽后送往下道工序做功。通常蒸汽流量的大小由負(fù)荷決定；Q為送入爐膛中的燃料。給水通過(guò)水冷壁吸收爐膛中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量；H為汽包水位，加熱后的熱水上升至汽包，飽和水在此完成汽，水分離，產(chǎn)生飽和蒸汽。圖2-1汽包鍋爐工作示意圖2.2“虛假水位”現(xiàn)象在該系統(tǒng)中，穩(wěn)定的工作狀況應(yīng)當(dāng)是給水量（W）與輸出蒸汽量（D）相等，即W=D。在該條件下，水位處于一種動(dòng)態(tài)的平衡。這種平衡一旦被打破，汽包水位將發(fā)生變化。從物料平衡的角度看，當(dāng)W>D時(shí)，流入的水大于流出的蒸汽，水位必將上升；W<D時(shí)，流入的水小于流出的蒸汽，水位將下降。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽包已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)是（進(jìn)入飽和水，輸出飽和汽，可完成汽，水分離），實(shí)際情況并不完全如此。在給水（W），蒸汽（D）分別擾動(dòng)下，水位的變化的情況，如圖2-2所示ttDtOtOHtH(a)給水?dāng)_動(dòng)（b）負(fù)荷擾動(dòng)HOWO圖2-2給水?dāng)_動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)下的汽包水位變化過(guò)程在給水?dāng)_動(dòng)下，汽包水位并沒(méi)有表現(xiàn)出立即上升，而是表現(xiàn)出滯后一段后上升的過(guò)程；在負(fù)荷擾動(dòng)的情況下，水位也沒(méi)有表現(xiàn)出立即下降的現(xiàn)象，而是表現(xiàn)出先上升后下降的過(guò)程。這種現(xiàn)象稱“虛假水位”現(xiàn)象。其原因是由于汽包中是汽液兩相共存，下半部是飽和水，上半部是飽和氣，當(dāng)給水增加時(shí)，大量低于飽和水溫度的低溫水進(jìn)入，吸收了汽包中飽和水的能量，汽包汽水溫度下降，飽和水中大量氣泡破裂，汽水體積減小，水位下降。而負(fù)荷增加時(shí)，汽包壓力瞬時(shí)下降，飽和水中大量汽包產(chǎn)生，體積增加，導(dǎo)致水位升高。3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1確定控制目標(biāo)3.1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控變量的選擇在鍋爐給水系統(tǒng)中，輸出蒸汽的品質(zhì)及安全是兩個(gè)關(guān)鍵的要素，汽包水位過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致出口的蒸汽帶水，無(wú)法保證出口為飽和汽；汽包水位過(guò)低，可能會(huì)導(dǎo)致水冷壁缺水，水冷壁缺水后溫度會(huì)急劇上升，造成水冷壁爆管的嚴(yán)重事故。因此，正常的汽包水位是鍋爐安全，可靠工作的關(guān)鍵，據(jù)此，該系統(tǒng)選汽包水位為被控變量。3.1.2鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的控制變量（操縱量）的選擇在該系統(tǒng)中，可以影響汽包水位的變量很多，輸出蒸汽量（D）的變化，燃燒情況的變化，給水量（W）的變化都可以影響汽包的水位，但輸出蒸汽量（D）的變化由負(fù)荷決定，燃燒系統(tǒng)要確保系統(tǒng)的能量和效率，這兩個(gè)變量都無(wú)法作為正常情況下的控制參數(shù)，而給水量W不僅與被調(diào)變量直接相關(guān)，且以此控制汽包水位有足夠的靈敏度，通常，該系統(tǒng)都選給水量W最為控制變量。3.1.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)被控變量及控制變量確定，調(diào)節(jié)通道就被唯一確定，其他所有可以影響對(duì)象被控變量—汽包水位的參數(shù)均可視為擾動(dòng)。這里，主要擾動(dòng)有蒸汽負(fù)荷（D）的變化，燃燒情況的變化，給水壓力的變化等均是系統(tǒng)的主要擾動(dòng)。3.2確定控制方案根據(jù)以上分析，給水系統(tǒng)的主要目的就是穩(wěn)定汽包水位，因此汽包水位是該系統(tǒng)的主被控變量；對(duì)該系統(tǒng)，從機(jī)理上看進(jìn)出物料的平衡是保證液位的關(guān)鍵，汽包水位的變化是由于進(jìn)出物料不平衡引起的，因此可以通過(guò)調(diào)整給水流量來(lái)滿足物料的平衡，進(jìn)而保證汽包的液位，通過(guò)這樣的分析我們可以建立單回路控制系統(tǒng)。但在實(shí)際系統(tǒng)中，首先，給水流量不僅受給水閥開(kāi)度的影響，還要受到給水壓力變化的影響，給水壓力又要受到給水泵轉(zhuǎn)速、汽包壓力、燃燒情況，以及給水系統(tǒng)中其他負(fù)荷的變化等諸多因素的影響；其次，汽包水位對(duì)象的時(shí)間常數(shù)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)定性造成影響。因此，單回路給水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，為了克服各種引起給水流量變化的因素，通常引入給水流量作為副被控變量，構(gòu)成流量-液位串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可以及時(shí)克服對(duì)水流量的各類擾動(dòng)。這樣的串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生負(fù)荷（主蒸汽）變化時(shí)，由于虛假水位的現(xiàn)象，導(dǎo)致反饋控制系統(tǒng)被虛假水位的現(xiàn)象蒙蔽，做出完全相反的調(diào)節(jié)動(dòng)作。例如，蒸汽增加時(shí)，汽包液位首先升高，據(jù)此，主調(diào)節(jié)器做出降低給水流量的調(diào)節(jié)動(dòng)作，副調(diào)節(jié)器根據(jù)主調(diào)節(jié)器的指令，快速將給水流量降低，這種調(diào)節(jié)結(jié)果加劇了進(jìn)出物料的不平衡，是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量無(wú)法滿足要求。因此，根據(jù)進(jìn)出物料的不平衡是系統(tǒng)液位變化的內(nèi)在原因，將表征負(fù)荷變化的蒸汽流量作為前饋信號(hào)引入，確保負(fù)荷變化時(shí)給水流量可以及時(shí)隨之變化，這樣，構(gòu)成如圖3-1所示前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。HHHD圖3-1前饋—串級(jí)給水控制系統(tǒng)3.3設(shè)計(jì)模型的構(gòu)造3.3.1對(duì)象模型的構(gòu)造準(zhǔn)確的給水對(duì)象模型是給水控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，由對(duì)象的給水流量-液位及負(fù)荷液位的階躍響應(yīng)曲線可看出，構(gòu)造給水系統(tǒng)的模型的關(guān)鍵是如何構(gòu)造“虛假水位”的部分。我們可以設(shè)想汽包水位的變化由兩部分組成，一部分直接反映進(jìn)出流量的不平衡，對(duì)于汽包，進(jìn)出流量不平衡時(shí)，液位將持續(xù)升高或降低，這部分可以由一個(gè)積分環(huán)節(jié)描述；另一部分描述飽和水的體積，汽包壓力變化、冷流體進(jìn)入量的變化都將引起汽包水中汽包的數(shù)量的變化，引起汽水體積的變化，最終導(dǎo)致汽包水位的變化，氣泡的產(chǎn)生或破裂最終會(huì)在新的狀態(tài)下平衡下來(lái)，因此可以用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述。圖示3-2和圖示3-3表示了這個(gè)分解的過(guò)程。由于引起汽包產(chǎn)生或破裂的機(jī)理不同，這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)H的時(shí)間，一般，表征負(fù)荷擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)要小一些，增益要大一些。OOWtOtDOHtOHt圖3-2給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)的分解圖3-3負(fù)荷擾動(dòng)響應(yīng)的分解由圖3-2可以得到（3-1）式（1-1）表示給水?dāng)_動(dòng)下的對(duì)象特性可以由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)或串聯(lián)表示，如圖3-4所示。WWHWH（a）并聯(lián)（b）串聯(lián)圖3-4調(diào)節(jié)通道模型由于，給水?dāng)_動(dòng)引起的虛假水位不太明顯。主要表現(xiàn)為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時(shí)用慣性加純遲延描述這一特性，即(S)=（3-2）式中,稱飛升速度，表示進(jìn)出物料不平衡時(shí)水位變化的速度。式（1-2）可以由如圖7所示純滯后環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成。由圖7可以看出，負(fù)荷變化引起的虛假水位現(xiàn)象十分嚴(yán)重，通常，用一個(gè)積分環(huán)節(jié)加一個(gè)反方向的，時(shí)間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)描述負(fù)荷與汽包水位的關(guān)系，即（3-3）式（1-3）可以由如圖3-6所示慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)并聯(lián)構(gòu)成DDHWH圖3-5調(diào)節(jié)通道模型圖3-6負(fù)荷擾動(dòng)通道模型相對(duì)于其他環(huán)節(jié)，閥門的特性可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。（3-4）副對(duì)象可以看做是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié)（3-5）綜合以上各部分，可以得出對(duì)象模型如圖3-7所示uuqDH_圖3-7汽包對(duì)象仿真模型針對(duì)一個(gè)蒸發(fā)量數(shù)百噸的鍋爐，相應(yīng)時(shí)間大約為30s（飛升速度0.0331/s），滯后時(shí)間與鍋爐形式有關(guān)，在幾秒到數(shù)百秒之間。大約在10—20s之間。結(jié)合仿真中時(shí)間比例尺的概念，可以取=1，，進(jìn)行仿真。3.3.2汽包水位仿真系統(tǒng)的構(gòu)造在構(gòu)成前饋-串級(jí)給水控制系統(tǒng)時(shí)，通常取汽包液位為主變量，給水流量為副變量，主蒸汽流量為前饋?zhàn)兞?，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的給水控制系統(tǒng)框圖如圖所示。其中：主對(duì)象（3-6）廣義副對(duì)象（3-7）負(fù)荷干擾通道（3-8）圖3-8前饋圖3-8前饋—串級(jí)給水控制系統(tǒng)框圖4控制系統(tǒng)的介紹與設(shè)計(jì)4.1串級(jí)控制系統(tǒng)隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過(guò)程日趨強(qiáng)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。4.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)的組成串級(jí)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖如圖4-1所示主控制器主控制器副控制器調(diào)節(jié)閥副對(duì)象主對(duì)象副測(cè)量變送器主測(cè)量變送器設(shè)定值二次干擾一次干擾圖4-1串級(jí)控制系統(tǒng)框圖4.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力。改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。4.1.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先是主、副回路的選擇，串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，它的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。串級(jí)控制系統(tǒng)的種種特點(diǎn)都是因?yàn)樵黾恿烁被芈返木壒??？梢哉f(shuō)，副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象，然后組成一個(gè)副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副控變量（副變量）。以下是關(guān)于副回路設(shè)計(jì)的幾個(gè)原則。副被控變量（副變量）的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，并且反應(yīng)靈敏。副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。然后是主、副控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇。從串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此主控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。但凡是需要采用串級(jí)控制的場(chǎng)合，工藝上對(duì)控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許主被控變量（主變量）存在偏差，因此，主控制器都必須具有積分作用，一般都采用PI控制器。如果副回路外面的容積數(shù)目較多，同時(shí)有主要擾動(dòng)落在副回路外面，就可以考慮采用PID控制器。主控制器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持主被控變量（主變量）符合生產(chǎn)要求。副回路既是隨動(dòng)控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)。而副變量則是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量，一般無(wú)嚴(yán)格的指標(biāo)要求，即副變量并不要求無(wú)差，所以副控制器一般都選用P控制器，也可以采用PD控制器，但是這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且沒(méi)有很大的效果。在一般情況下，采用P控制器就足夠了。如果主、副回路的頻率相差很大，也可以考慮采用PI控制器。副控制器的任務(wù)是要快動(dòng)作以迅速抵消落在副回路內(nèi)的二次擾動(dòng)。最后是主、副控制器正、反作用的選擇。與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣，一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，其主、副回路都必須構(gòu)成負(fù)反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。副控制器作用方式的選擇，是根據(jù)工藝安全等要求，在選定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式后，按照使副回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定的。因此，副控制器的作用方式與副對(duì)象特性及調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式的選擇方法相同。這時(shí)可不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值即可。在假定副測(cè)量變送器的增益為正的情況下，副控制器正、反作用選擇的判別式為（副控制器）（調(diào)節(jié)閥）（副對(duì)象）=（—）其中，調(diào)節(jié)閥的“”取決于它的“氣開(kāi)”還是“氣關(guān)”作用方式，“氣開(kāi)”為“+”，“氣關(guān)”為“—”；而副對(duì)象的“”取決于控制變量和副被控變量的關(guān)系，控制變量增大，副被控變量也增大時(shí)稱其為“+”，否則稱其為“—”。主控制器的作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而與調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式及副控制器的作用方式完全無(wú)關(guān)，即只需根據(jù)主對(duì)象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。在選擇主控制器的作用方式時(shí)，首先把整個(gè)副回路簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)節(jié)。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其副回路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個(gè)副回路可看成為一個(gè)增益為正的環(huán)節(jié)。這樣，在假定主測(cè)量變送器的增益為正的情況下，主控制器正、反作用的選擇實(shí)際上只取決于主對(duì)象的增益符號(hào)。主控制器正、反作用方式選擇的判別式為（主控制器）（主對(duì)象）=(—)由這個(gè)判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對(duì)象的特性相反，即當(dāng)主對(duì)象的增益為正時(shí)，主控制器選反作用；而當(dāng)主對(duì)象的增益為負(fù)時(shí)，主控制器選正作用。4.2前饋控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)a．前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制。前饋控制有利于對(duì)系統(tǒng)中的主要干擾進(jìn)行及時(shí)控制。b．前饋控制是一種按擾動(dòng)大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂?。在理論上，前饋控制可以把偏差完全消除。c．一種前饋控制器只能克服一種擾動(dòng)。由于前饋控制作用是按擾動(dòng)進(jìn)行工作的，而且整個(gè)系統(tǒng)也是開(kāi)環(huán)的。因此根據(jù)一種擾動(dòng)設(shè)計(jì)的前饋控制器只能克服這一擾動(dòng)，而對(duì)于其他擾動(dòng)，前饋控制器無(wú)法檢測(cè)到。d.前饋控制只能抑制可測(cè)不可控?cái)_動(dòng)對(duì)被控變量的影響。如果擾動(dòng)不可測(cè)，就無(wú)法采用前饋控制；而如果擾動(dòng)可測(cè)又可控，則只要涉及一個(gè)簡(jiǎn)單的定值控制系統(tǒng)，而無(wú)需采用前饋控制。e.前饋控制使用的是視對(duì)象特性而定的專用控制器。一般的反饋控制系統(tǒng)中的控制器可采用通用類型的PID控制器；而前饋控制器的控制規(guī)律與被控對(duì)象控制通道和干擾通道的特性有關(guān)。4.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常用的前饋控制系統(tǒng)又單純前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)和前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)形式。首先是單純前饋控制系統(tǒng)，單純前饋控制系統(tǒng)時(shí)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般單純前饋控制系統(tǒng)的框圖如圖4-2所示。圖中，D（s）和Y（s）分別為擾動(dòng)量和被控變量的拉氏變換，為干擾通道的傳遞函數(shù)，為控制通道的傳遞函數(shù)，為前饋控制器的傳遞函數(shù)。確定前饋控制器的控制規(guī)律是實(shí)現(xiàn)對(duì)單純前饋控制系統(tǒng)干擾完全補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。Y(s)Y(s)D（s）圖4-2單純前饋控制系統(tǒng)框圖由圖4-2可知，在擾動(dòng)量D（s）作用下，系統(tǒng)的輸出Y（s）為或者寫(xiě)為+系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)量D（s）實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是D（s）≠0，而Y（s）=0，即=0于是，可得前饋控制器的傳遞函數(shù)為（4-1）由式（4-1）可知，不論擾動(dòng)量D（s）為何值，總有被控變量Y（s）=0，即擾動(dòng)量D（s）對(duì)于被控變量Y（s）的影響將為零，從而實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償，這就是“不變性”原理?？梢钥闯?，要實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)量的完全補(bǔ)償，必須保證等環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是精確的；否則，就不能保證Y（s）等于零，于是，被控變量與設(shè)定值之間就會(huì)出現(xiàn)偏差。前饋控制分為靜態(tài)前饋控制和動(dòng)態(tài)前饋控制。所謂靜態(tài)前饋控制，就是指前饋控制器的控制規(guī)律為比例特性，即（4-2）式中，稱為靜態(tài)前饋系數(shù)。在實(shí)際的過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)往往都是時(shí)間的函數(shù)。所以采用靜態(tài)前饋控制方案，就不能很好補(bǔ)償動(dòng)態(tài)誤差，特別是在對(duì)動(dòng)態(tài)誤差控制精度要求很高的場(chǎng)合，必須考慮采用動(dòng)態(tài)前饋控制方式。動(dòng)態(tài)前饋控制的設(shè)計(jì)思想是，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)那梆伩刂破?，使干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)前饋控制器至被控變量通道的動(dòng)態(tài)特性完全復(fù)制對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性，并使它們的符號(hào)相反，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。其傳遞函數(shù)一般可表示為（4-3）若實(shí)際系統(tǒng)的，則動(dòng)態(tài)前饋控制器為（4-4）由于單純的前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，它在控制過(guò)程中完全不測(cè)取被控變量的信息，因此，它只能對(duì)指定的擾動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償控制，而對(duì)其他的擾動(dòng)量無(wú)任何補(bǔ)償作用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。前饋控制器用來(lái)消除可測(cè)擾動(dòng)量對(duì)被控變量的影響，而反饋控制器則用來(lái)消除前饋控制器不精確和其他不可測(cè)干擾所產(chǎn)生的影響，典型的前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。Y(s)Y(s)D（s）H（s）圖4-3前饋—反饋控制系統(tǒng)框圖根據(jù)圖4-3可得，擾動(dòng)量D（s）對(duì)被控變量Y（s）的閉環(huán)傳遞函數(shù)為在擾動(dòng)量D（s）作用下，對(duì)被控變量Y（s）完全補(bǔ)償?shù)臈l件是D（s）≠0，Y（s）=0，因此有（4-5）由式（4—5）可知，從實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)主要擾動(dòng)量完全補(bǔ)償?shù)臈l件看，無(wú)論是采用單純的前饋控制或是采用前饋—反饋控制，其前饋控制器的特性不會(huì)因?yàn)樵黾恿朔答伝芈范淖儭?.2.3前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）擾動(dòng)量的選擇。前饋控制器的輸入變量時(shí)擾動(dòng)，擾動(dòng)量選擇的依據(jù)如下。a．?dāng)_動(dòng)量可測(cè)但不可控，例如換熱器進(jìn)料量和供汽鍋爐的負(fù)荷變化等。b.擾動(dòng)量應(yīng)是主要擾動(dòng)，變化頻繁且幅度較大。c.擾動(dòng)量對(duì)被控變量影響大，用反饋控制較難實(shí)現(xiàn)所需控制要求。d.擾動(dòng)量雖然可控，但工藝要經(jīng)常改變其數(shù)值，進(jìn)而影響被控變量。（2）系統(tǒng)引入前饋控制的原則。一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)中引入前饋必須遵循以下幾個(gè)原則。a.系統(tǒng)中的擾動(dòng)量是可測(cè)不可控的。如果前饋控制所需的擾動(dòng)量不可測(cè)，前控制也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果擾動(dòng)量可控，則可設(shè)置獨(dú)立的控制系統(tǒng)予以克服，也就無(wú)須設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的前饋控制系統(tǒng)。b．系統(tǒng)中的擾動(dòng)量的變化幅值大、頻率高。擾動(dòng)量幅值變化越大，對(duì)被控變量的影響也就越大，偏差也越大，因此，按擾動(dòng)變化設(shè)計(jì)的前饋控制要比反饋控制更有利。高頻干擾對(duì)被控對(duì)象的影響非常明顯，特別是對(duì)純延遲時(shí)間小的流量控制對(duì)象，容易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)震蕩。采用前饋控制，可以對(duì)擾動(dòng)量進(jìn)行同步補(bǔ)償控制，從而獲得較好的控制品質(zhì)。c.控制通道的純遲延時(shí)間較大或干擾通道的時(shí)間常數(shù)較小。當(dāng)系統(tǒng)控制通道的純遲延時(shí)間較大，采用反饋控制難以滿足工藝要求，這時(shí)可以采用前饋控制，把主要擾動(dòng)引入前饋，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。d．當(dāng)工藝上要求實(shí)現(xiàn)變量間的某種特殊關(guān)系，需要通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，可選用前饋控制。這實(shí)質(zhì)上是把擾動(dòng)量代入已建立的數(shù)學(xué)模型中去，從模型中求解控制變量，從而消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。（3）前饋控制系統(tǒng)的選用原則。當(dāng)決定選用前饋控制方案后，還需要確定前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的選擇要遵循以下原則。a.優(yōu)先性原則。采用前饋控制的優(yōu)先性次序?yàn)殪o態(tài)前饋控制、動(dòng)態(tài)前饋控制、前饋-反饋控制和前饋-串級(jí)控制。b.經(jīng)濟(jì)性原則。由于動(dòng)態(tài)前饋的設(shè)備投資高于靜態(tài)前饋，而且整定也比較復(fù)雜，因此,當(dāng)靜態(tài)前饋能滿足工藝要求時(shí)，不必選用動(dòng)態(tài)前饋。c.控制系統(tǒng)精確辨識(shí)原則，在采用單純前饋控制系統(tǒng)中，要求構(gòu)成系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)盡可能精確辨識(shí)，因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中的任一環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的控制精度有一定的影響。5串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)5.1串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示。這個(gè)系統(tǒng)包含三個(gè)回路分別為主回路、副回路和前饋通道回路。為了保證被控制的變量沒(méi)有靜態(tài)誤差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入信號(hào)，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，所以蒸汽流量的信號(hào)并不一定和給水流量的信號(hào)一樣。副回路的主要作用是消除內(nèi)擾，主回路主要作用是糾正水位的誤差，而前饋通路回路則用于補(bǔ)償外擾，并且克服虛假水位現(xiàn)象。圖5-1串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-2所示。從方框圖中可以看出，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：（1）是由給水流量W，給水分流器，調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路。（2）由水位調(diào)節(jié)對(duì)象G（o1）和內(nèi)回路構(gòu)成主回路。蒸汽流量D、分流器，對(duì)象G（o2）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。K2K2DHH0圖5-2串級(jí)三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖5.2汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，介紹消除三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個(gè)方法：輔助信號(hào)自消的方法。自消就是輔助信號(hào)X（t）經(jīng)一個(gè)不完全微分環(huán)節(jié)得到信號(hào)再加至控制器。輔助信號(hào)對(duì)消的的方法。所謂對(duì)消就是輔助信號(hào)滿足對(duì)消條件，設(shè)有兩輔助信號(hào)和。汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量PID串級(jí)控制系統(tǒng)如圖5-3所示。與一般串級(jí)系統(tǒng)不同的是引入了蒸汽流量作為靜態(tài)前饋信號(hào)，是一個(gè)帶有靜態(tài)前饋的串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，但它對(duì)信號(hào)的靜態(tài)配合要求不嚴(yán)格，這是因?yàn)橹髡{(diào)節(jié)器能自動(dòng)校正信號(hào)不準(zhǔn)所引起的誤差。水位偏差控制采用蒸汽流量與給水流量對(duì)消的方式來(lái)消除偏差，即取DDWH圖5-3串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)框圖5.3鍋爐汽包水位的串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)MATLAB仿真通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的分析，采用三沖量控制系統(tǒng)有利于消除系統(tǒng)的時(shí)滯現(xiàn)象和“虛假水位”。同時(shí)通過(guò)實(shí)際的測(cè)量建立系統(tǒng)模型，試驗(yàn)得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。（1）水流量的傳遞函數(shù)（5-1）（2）汽流量的傳遞函數(shù)（5-2）（3）變送器的比例系數(shù)水位變化范圍為50mm。水位變送器的電流變化為0-10mA，所以水位變送器的比例系數(shù)為：。水流量和汽流量變送器的比例系數(shù)為。通過(guò)估算及仿真實(shí)驗(yàn)得到：根據(jù)，給水流量信號(hào)和氣流量信號(hào)的分流系數(shù)為：0.21。PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到：主控制器的PID參數(shù)為：副控制器的PID參數(shù)為：3汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)圖圖5-4汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)圖圖5-5500s加入給水流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果6.鍋爐汽包水位的模糊控制6.1模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制是一種新興的控制手段，自問(wèn)世以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展，在很多領(lǐng)域都有了成功的應(yīng)用。以模糊集合理論為基礎(chǔ)的，它是模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)與模糊系統(tǒng)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制利用模糊集合理論，把人的語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言所描述的控制算法，一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象模擬人的思維方式控制。模糊控制的控制規(guī)律是語(yǔ)言規(guī)則，基本形式是“如果…”，“則”…，是一個(gè)邏輯推理過(guò)程，前半部分語(yǔ)句是條件，后半部分語(yǔ)句是結(jié)果。模糊控制的語(yǔ)言規(guī)則的所有部分都是對(duì)事物的一種模糊描述。例如“衣服很臟則要多洗一會(huì)”這個(gè)規(guī)則描述中，“衣服很臟”和“多洗一會(huì)”都是一種模糊語(yǔ)言描述。只有將傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與模糊描述良好的搭配起來(lái)使用，構(gòu)成一條新的數(shù)學(xué)分支—模糊數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)才能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則。A/DA/D計(jì)算控制變量模糊量化處理模糊控制規(guī)則模糊決策逆模糊化處理D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象傳感器圖6-1模糊控制系統(tǒng)的原理圖如圖6-1所示，它的核心部分為模糊控制器，模糊控制器由計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由各種調(diào)節(jié)閥組成，一般控制作用比如使角度、位置、電壓等發(fā)生變化。檢測(cè)裝置一般由傳感器和變送裝置組成，對(duì)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等變化放大為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。被控對(duì)象是一種設(shè)備或裝置或若干個(gè)組成的對(duì)象，工作在一定的約束條件下，實(shí)現(xiàn)人們的某種目的。6.1.1模糊控制器的工作原理模糊控制器是一種仿人控制規(guī)則中的條件。一般為描述偏差，其本質(zhì)是反饋控制。是一種用模糊控制算法的控制器。模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。它的工作過(guò)程如下：用模糊條件語(yǔ)句來(lái)表示人的經(jīng)驗(yàn)，用模糊理論對(duì)語(yǔ)言變量進(jìn)行量化，然后利用模糊推理對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，根據(jù)分析處理結(jié)果做出相應(yīng)的控制決策。模糊推理、模糊化、反模糊化構(gòu)成模糊控制器。反模糊化模糊化模糊推理反模糊化模糊化模糊推理圖6-2模糊控制器的組成（1）模糊化模糊化的作用就是將測(cè)量到的清晰數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊量。如果對(duì)某個(gè)模糊變量的隸屬度為0，則這個(gè)模糊變量為前提條件的規(guī)則在控制中不起作用。論域上定義若干個(gè)語(yǔ)言變量，作為規(guī)則的條件或者結(jié)果。模糊化的首先就是進(jìn)行論域變換，然后是講求得的輸入對(duì)應(yīng)于語(yǔ)言變量的隸屬度。語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)有兩種表示方法，連續(xù)方式和離散方式。（2）模糊推理模糊控制算法多用語(yǔ)言規(guī)則表達(dá)，因此控制作用的產(chǎn)生是推理的結(jié)果。模糊規(guī)則的基本形式是“如果則”，模糊規(guī)則的數(shù)學(xué)表示即模糊關(guān)系有多種形式，使用較多的是轉(zhuǎn)移關(guān)系和合成關(guān)系。（3）解模糊將模糊集合變成清晰值的過(guò)程稱為解模糊。解模糊的算法有兩種：最大隸屬度法和區(qū)域重心法。6.1.2模糊PID控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括一下幾個(gè)方面：首先確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，其次設(shè)計(jì)控制器的控制規(guī)則，確定輸入、輸出變量的論域以及隸屬度等這些模糊控制器參數(shù)，解模糊化以及模糊化的方法。（1）模糊控制器輸入與輸出變量也就是汽包實(shí)際水位與給定水位值之差e以及汽包水位偏差變化ec作為輸入變量。輸出變量為給水閥門控制量u。，u（k）直接影響水位變化，輸出控制量u(k)對(duì)應(yīng)閥門開(kāi)度變化，當(dāng)閥門開(kāi)大時(shí)為“正”，即給水流量增加，反之，則閥門關(guān)閉為“負(fù)”。（2）對(duì)輸入與輸出變量進(jìn)行模糊化處理水位誤差e、誤差變化量ec、給水閥門控制量u都是清晰量，不能進(jìn)行模糊運(yùn)算，將水位誤差e、誤差變化量ec、給水閥門控制量這些清晰量，變化成對(duì)應(yīng)的模糊量E、EC、U。(6-1)(6-2)(6-3)論域設(shè)置{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}為模糊控制器各模糊控制器語(yǔ)言變量E、EC、U。{正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大}為模糊子集。分別對(duì)應(yīng)為{PB,PM,PS,0，NS,NM,NB}。（3）模糊變量的模糊子集的制定在選擇描述模糊變量的各個(gè)模糊子集時(shí)，應(yīng)使它們較好地覆蓋整個(gè)論域。水位偏差的變化范圍是[-50，+50]。將水位偏差和水位誤差率模糊語(yǔ)言變量量化到整數(shù)論域均為：｛-3、+3｝。輸出變量的整數(shù)論域?yàn)椋簕-33｝。各變量隸屬函數(shù)曲線采用曲線型，水位誤差、誤差變化率的隸屬度曲線，輸出控制量的隸屬度曲線如圖6-3所示圖6-3模糊規(guī)則的建立量化因子的選擇：誤差的量化因子，誤差變化率的量化因子輸出控制量的比例因子，其中為水位誤差值，為水位誤差變化率，為輸出控制量n、m、l為論域值。對(duì)系統(tǒng)的影響：越大，調(diào)節(jié)死區(qū)越小，上升速率變大，過(guò)大系統(tǒng)變會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間t增大，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。越大，反應(yīng)時(shí)間比較慢。過(guò)小引起大的超調(diào)，使調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)不能工作。當(dāng)于常規(guī)的比例增益，大，上升速度較快，過(guò)大將產(chǎn)生較大超調(diào)，影響穩(wěn)態(tài)工作，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。（4）模糊控制規(guī)則的語(yǔ)言描述控制規(guī)則一般由模糊條件語(yǔ)句來(lái)表達(dá)：IFE=NBandEC=NB,thenU=NBIFE=NMandEC=NB,thenU=NBIFE=NSandEC=NB,thenU=NBIFE=ZEandEC=NB,thenU=NBIFE=PSandEC=NB,thenU=NMIFE=PMandEC=NB,thenU=NSIFE=PBandEC=NB,thenU=ZEIFE=NBandEC=NM,thenU=NBIFE=NMandEC=NM,thenU=NBIFE=NBandEC=NM,thenU=NMIFE=NMandEC=NM,thenU=NMIFE=NSandEC=NM,thenU=NSIFE=ZEandEC=NM,thenU=ZEIFE=PSandEC=NM,thenU=PS當(dāng)考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)控制系統(tǒng)誤差大的時(shí)候，控制量的作用是消除誤差；當(dāng)控制系統(tǒng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要以防止為主，最根本的是使保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，當(dāng)EC為負(fù)值時(shí)，水位有上升的趨勢(shì)，如果此時(shí)水位過(guò)高，則應(yīng)關(guān)閉給水水閥以減少入水量，使水位下降；反之，應(yīng)開(kāi)大水閥。據(jù)此，得到如表所示的四十九條規(guī)則。由規(guī)則知，模糊規(guī)則表如下圖。Kp表6-2的控制規(guī)則表KpeceNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表6-3的控制規(guī)則表KIKIeNBNMNSZOPSPMPBNBNBZONMNMNSZOZONMNBZONMNSNSZOZONSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBPAGE42表6-4的控制規(guī)則表KDKDeNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPMPSPB上表由模糊條件語(yǔ)句表示的四十九條控制規(guī)則，組成的這四十九條控制規(guī)則就是汽包水位控制時(shí)用的模糊控制算法，實(shí)際是用分段條件語(yǔ)句，一個(gè)離散式的模糊控制模型，取代了傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可應(yīng)用于復(fù)雜控制系統(tǒng)的模糊控制中。（5）模糊推理模糊控制系統(tǒng)中，采取正向推理，易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用max-min推理算法。（6）輸出量的去模糊化將汽包水位偏差e和汽包水位偏差變化ec量化為論域中的某個(gè)等級(jí)。經(jīng)過(guò)相關(guān)的合成算法，計(jì)算控制量的模糊子集。然后按照最大隸屬度法得到模糊控制表。上面的求解過(guò)程就是max-min推理合成法。推理合成法易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)用有效，簡(jiǎn)單快捷，大多數(shù)模糊控制都用推理合成法。在汽包水位控制，汽包水位偏差和汽包水位偏差變化量通過(guò)查找模糊控制規(guī)則表得到校正量，然后乘以比例因子得到，，。整定的瞬態(tài)PID參數(shù)由，，分別加上PID基準(zhǔn)值得到。6.2模糊控制系統(tǒng)的建模及仿真（1）雙擊MATLAB圖標(biāo)，進(jìn)入MATLAB編程環(huán)境，輸入fuzzy,出現(xiàn)FIS編輯器。對(duì)有關(guān)輸入輸出，變量名稱進(jìn)行編輯。如圖6-4所示。圖6-4FIS編輯器（2）語(yǔ)言變量隸屬度的定義雙擊FIS編輯器輸出變量與輸入變量的方框，進(jìn)入隸屬函數(shù)編輯器，對(duì)模糊變量的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯。定義變量的論域，模糊集，隸屬函數(shù)的類型。如圖6-5所示。圖6-5隸屬度函數(shù)編輯器（3）模糊控制規(guī)則的定義FIS編輯器的View菜單下的編輯規(guī)則子菜單，即可進(jìn)入模糊規(guī)則輸入。當(dāng)模糊規(guī)則編輯好以后，文件后綴加入為.fis。如圖6-6所示。圖6-6模糊控制規(guī)則的編輯（1）輸出預(yù)覽選擇FIS編輯器主菜單的Viewsurface