【正文】 deTddtteTiteKptu 其中： u(t)—— 控制器的輸出 比例 P 積分 I 微分 D 被控對象 e(t)—— 控制器的輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號，即 e(t)=y(t)r(t) pK—— 控制器的比例系數(shù) iT —— 控制器的積分時間 dT —— 控制器的微分時間 PID 對控制的影響 （ 1） 比例 P 調(diào)節(jié) 在 P 調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成正比，即 pu Ke? 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入信號成比例關(guān)系。 由于控制器的輸出和偏差成正比例關(guān)系，所以系統(tǒng)存在殘余偏差 —— 余差。 pK 越大，余差越小，但是若 pK 過分大，系統(tǒng)容易振蕩，甚至發(fā)散。 （ 2） 積分 I 調(diào)節(jié) 只有存在偏差，積分部分的控制 作用就會不斷積累，輸出控制量以消除偏差。 可見，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。但積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能偏差，使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于積分時間 T，當(dāng) T 較大時，則積分作用比較弱，這是有利于系統(tǒng)減少超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除靜差的時間較長。當(dāng) T 較小時，積分作用較強。這是系統(tǒng)過渡過程有可能產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需時間較短。 （ 3）微分部分 微分作用的強弱由微分時間 Td 決定。 Td 越大， 微分作用越強，即控制 作用越強，但微分時間過長時，容易引起系統(tǒng)的不良振蕩 。 Td 越小，微分作用越弱。由于微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比，這種根據(jù)偏差變化的趨勢提前采取措施稱為“超前”。因此，微分作用也稱為超前作用，這是微分作用的一個特點。 （ 4） PID 控制器的參數(shù)整定 如果曲線振蕩很頻繁，要把比例度適當(dāng)調(diào)大，反之調(diào)小比例度；如果曲線偏離太大，而且回復(fù)較慢，應(yīng)該把積分時間調(diào)小，如果曲線波動周期較長，應(yīng)把積分時間加長；如曲線振蕩頻率太快，應(yīng)把微分時間降低，如曲線動差大且波動慢，微分時間應(yīng)該加長；理想的曲線是有兩個波動 的，前高后低，前面和后面的幅度比大約是 4:1. 模糊控制方法 模糊控制的起源與發(fā)展 模糊控制理論是在美國加利福尼亞大學(xué)的扎德教授與 1965 年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，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。 模糊控制的誕生是和社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要分不開的。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，所研究的 系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。然而出于一系列原因，諸如被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)間的強烈耦合、較大的隨機干擾、過程機理 錯綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測量不完善等，難以建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問題，但范圍是有限的。對于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜 被控對象，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，往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員所進(jìn)行的手動控制效果好。因為人腦的重要特點之一就是有能力對模糊事物進(jìn)行識別和判決，看起來似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確的目的。 在生產(chǎn)實 踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經(jīng)驗的操作人員雖然不懂被控對象的數(shù)學(xué)模型，但卻能十分有效地對系統(tǒng)執(zhí)行控制。 人的經(jīng)驗是一系列含有語一言變量值的條件語句翁規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語言變量和條件語句。因此，模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗就有著獨特的優(yōu)勢?？梢园讶说慕?jīng)驗用模糊條件語句表示，然后用模糊集合理論對語一言變量進(jìn)行量化，再用模糊推理對系統(tǒng)的實時輸入狀態(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程。 模糊控制的基本思想 模糊控制的基木思想就是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而人的控 制經(jīng)驗一般是由語言來表達(dá)的，這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：浴Ｈ缛斯た刂扑鬯坏慕?jīng)驗可以表達(dá)為 : 若水槽無水或水較少時，則開大水閥 。 若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關(guān)小 : 若水位快接近要求的水位，則把閥門關(guān)得很小 。 ?? 這些經(jīng)驗規(guī)則中，“較小”、“不太大”、“接近”、“開大”、“ 關(guān)小”、“關(guān)得很小”這些表示水位狀態(tài)和控制閥門動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句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時 刻過程變量的檢測值 (需化成模糊 IF)用模糊邏輯推理的方法得出此刻的控制量。 這正是模糊控制的基本思路。 由于模糊控制器的模型不是山數(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句構(gòu)成的語言形式，因此從這個角度上講，模糊控制器又稱模糊語’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)驗和知識組成的知識模型，是基于知識的控制，因此模糊控制屬于智能控制的范疇。 因此可以說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計算機來實現(xiàn)的 一種智能控制。 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)的基本原理可由圖 表示 A/D 模糊控制 D/A 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象 傳感器 圖 模糊控制系統(tǒng)的基本原理框圖 模糊控制的主要優(yōu)點 模糊控制在實踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法與之比擬的優(yōu)點，其中主要是 : (1)使用語言 方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型。 因為對復(fù)雜的生產(chǎn)過程很難獲得過程的精確數(shù)學(xué)模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。 (2)對于 具有一定 操作經(jīng)驗、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 員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。 (4)采用模糊控制，過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強的適應(yīng)性 模糊 PID 控制規(guī)律 模糊 PID 的概念 根據(jù) PID 控制器的三個參數(shù)與偏差 e 和偏差的變化 ec 之間的模 糊關(guān)系，在 運行 時不斷 檢測 e 及 ec，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改 PID控制器的三個參數(shù)，讓 PID參數(shù)可自整定。就我的理解而言，它最終還是一 個 PID 控制器，但是因為參數(shù)可自動調(diào)整的緣故，所以也能解決不少一般的 非線性 問題，但是假如 系統(tǒng) 的非線性、不確定性很嚴(yán)重時，那模糊 PID 的控制效果就會不理想啦。 模糊 PID 的控制規(guī)律 這個控制規(guī)則當(dāng)然很重要，一般經(jīng)驗： (1) 當(dāng) e 較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的pK 。 與較小的 dK ，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分 作用加以限制，通常取 iK =0。 (2)當(dāng) e 處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，pK 應(yīng) 取得小些。在這種情況下， dK 的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大， iK 的取值要適當(dāng)。 (3)當(dāng) e 較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能， pK 與 iK 均應(yīng) 取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè) 定值附近出現(xiàn)振蕩， dK 值的選擇根據(jù) |ec |值較大時， dK 取較小值，通常 dK 為中等大小。 另外主要還得根據(jù)系統(tǒng)本身的特性和你自己的經(jīng)驗 來整定，當(dāng)然你先得弄明白 PID 三個參數(shù) pK ， iK ， dK 各自的作用，尤其對于你控制的這個系統(tǒng)。 模糊 PID參數(shù)自調(diào)整算法是 在 PID控制的基礎(chǔ)上引入模糊控制的思 想 。 采用模糊 PID參數(shù)自調(diào)整算法 , 可以使控制器的參數(shù)在控制過程中 能夠 自動地調(diào)整 、 修改和完善 ,從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善達(dá)到最佳控制效果。 第三章 鍋爐汽包水位控制特性 汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性 在熱力生產(chǎn)過程中，汽包鍋爐水位是正常運行的主要指標(biāo)之一，是非常重要的被調(diào)量，在鍋爐運行中占據(jù)首要地位。 水位過高，會影響汽包內(nèi)，蒸汽帶水會使飽和蒸汽降低 過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁上的結(jié)垢 。水位過低 ，則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷管壁被燒壞嚴(yán)重時會造成爆炸事故。 所以，工業(yè)鍋爐的自動化大多數(shù)都是從汽包水位自動調(diào)節(jié)開始的。 其中鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)中的被調(diào)量和干擾因素包括：被調(diào)量：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)荷、過剩空氣系數(shù)；干擾因素：蒸汽負(fù)荷、鍋爐給水量、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)； 一、給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)主要包括兩個方面： 是使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍之內(nèi)波動； 是保持給水量的穩(wěn)定。汽包 水位的高低反映了給水量和蒸發(fā)量之間的物料平衡關(guān)系。 汽包鍋爐正常水位一般規(guī)定在汽包中心線以下100— 200mm 處，允許波動范圍為177。 50mm。汽包水位的高低直接影響鍋爐的安全運行和蒸汽的品質(zhì)。 水位過高，會影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時導(dǎo)致蒸汽帶水量增加，使過熱器管壁和汽輪機噴嘴、葉片結(jié)垢，甚至造成汽輪機發(fā)生水沖擊而損壞葉輪； 水位過低，則破壞了正常水循環(huán)，以致燒壞某些受熱面，影響鍋爐壽命，嚴(yán)重時會造成爆炸事故，危及人身和設(shè)備的安全。 所以，及時調(diào)整給水流量，維持給水流量與蒸汽流量間的平衡關(guān)系，以適應(yīng)負(fù)荷變 化的要求，實現(xiàn)汽包鍋爐水位自動調(diào)節(jié)十分必要。 二 .給水自動調(diào)節(jié)的任務(wù) 鍋爐在正常運行時，如果給水流量劇烈波動，會影響省煤器和給水管道的安全運行，所以負(fù)荷不變時，給水流量不應(yīng)出現(xiàn)劇烈波動。 鍋爐汽包水位的自動調(diào)節(jié)是根據(jù)汽包水位的動態(tài)特性來設(shè)計的。以汽包水位 H 作為被調(diào)量，以給水調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變調(diào)節(jié)量，即給水量，達(dá)到保持水位在允許的范圍之內(nèi)。 引起水 位變化的擾動因素很多，但主要擾動是給水流量和蒸汽流量的階躍變化。 調(diào)節(jié)器就是依據(jù)水位信號、蒸汽流量和給水流量的信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 引起水位變化的擾動因素很多 ，但主要擾動是給水流量和蒸汽流量的階躍變化。調(diào)節(jié)器就是依據(jù)水位信號、蒸汽流量和給水流量的信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 根據(jù)鍋爐的容量、負(fù)荷變化的快慢以及調(diào)節(jié)精度的要求，汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為： （ 1）以汽包水位為唯一調(diào)節(jié)信號的給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)； （ 2）以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號，蒸汽流量為補充信號的給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為雙沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)； （ 3）以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號，蒸汽流量和給水流量為補充信號的給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 汽包鍋爐給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)使用廠家的要 求和條件，可以選用電動儀表、氣動儀表，也可以選用組裝儀表或鍋爐自控儀。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機控制技術(shù)在汽包鍋爐自動控制中的應(yīng)用越來越多。 給水流量的調(diào)節(jié)方式 目前，給水流量的調(diào)節(jié)方式主要有兩種：一種是依靠改變調(diào)節(jié)閥門開度來改變給水量的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，另一種是依靠改變給水泵的轉(zhuǎn)速來改變給水量的變速調(diào)節(jié)方式。 以往，由于受到變速水泵制造技術(shù)的限制，鍋爐大都采用定速水泵供水。鍋爐給水量改變是依靠改變調(diào)節(jié)閥門的開度來實現(xiàn)的，稱為給水流量的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，其系統(tǒng)示意圖如圖 31 所示： 1 3 4 5 6 圖 給水流量系統(tǒng)圖 1— 給水母管 2— 給水調(diào)節(jié)閥 3— 省煤器 4— 汽包 5— 下水管 6— 上升管 7— 過熱管 8— 蒸汽母管 工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31所示。汽包及蒸汽管系中儲藏著蒸 汽和水，儲藏量的多少，是以被控制量水位表征的，汽包的流入量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。 下面我們分別來討論在這三種擾動作用下給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性。 給水流量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖 32 所示 .。當(dāng)給水流量階躍增加△ W 后，水位的變化如圖中曲線 2 所示。給水流量增加，一方面使進(jìn)入鍋爐汽包的給水量增加； 另一方面使溫度較低的給水進(jìn)入省煤器、汽包及水循環(huán)系統(tǒng)，吸收了原有飽和水中的一部分熱量，致使水面下汽泡體積減小。 2 7 8 W O a A △ H