【正文】 定。第二章 控制理論分析 PID控制理論P(yáng)ID控制器即比例、積分、微分控制器。 本文的主要研究內(nèi)容本文將探討鍋爐汽包液位的控制方案。近年來，人們對模糊智能PID控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能PID控制器、混沌PID智能控制器及遺傳算法一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID智能控制器等，產(chǎn)生了濃厚的興趣，研究者甚多。神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)具有控制簡單易于理解、方法簡便、調(diào)整靈活、計算量小使用性強(qiáng)、控制精確效果好等特點，不僅適用于過程控制，而且也適合實時控制。集散控制系統(tǒng)用于鍋爐控制中，使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、無振蕩、蒸汽耗熱量大大降低，提高動態(tài)控制品質(zhì)，改善勞動環(huán)境，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。2．基于模糊控制的鍋爐控制模糊控制用在鍋爐控制中，有效地克服復(fù)雜系統(tǒng)的非線性及不確定特性，與傳統(tǒng)控制比較有較強(qiáng)的魯棒性，但模糊控制的控制作用較粗糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低。因各回路之間的相互制約，控制效果也不盡人意，并且設(shè)計復(fù)雜，造價高，這樣中小型用戶就難以實施。由此可見，鍋爐給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它對減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。因此，必須使空氣和燃料維持適當(dāng)?shù)谋壤?，使鍋爐工作在最佳工況下，使鍋爐熱效率最高，避免環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。因此，需要維持爐膛壓力在一定的范圍之內(nèi)。(3) 維持爐膛負(fù)壓爐膛負(fù)壓的變化，反映了引風(fēng)量與送風(fēng)量的相適應(yīng)程度。(2) 維持蒸汽壓力蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽的重要工藝參數(shù)。所以，要把壓力、液位、溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。正常運(yùn)行時的鍋爐燃燒系統(tǒng)必須使出口的過熱蒸汽溫度維持在一定范圍內(nèi)，該參數(shù)的控制質(zhì)量直接影響著機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。只有在充分保證鍋爐安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和運(yùn)行可靠的前提下，通過科學(xué)管理、技術(shù)改造、提高操作及運(yùn)行水平，使鍋爐實現(xiàn)熱效率高的狀態(tài)。就熱電廠而言，鍋爐產(chǎn)生的合格蒸汽用來推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，再由氣輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送給用戶。傳統(tǒng)的鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)大都采用PID控制。因此，對鍋爐設(shè)備的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要。鍋爐汽包液位控制是鍋爐生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)。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(qiáng)，適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制，但其靜態(tài)性能不能令人滿意，限制了它的應(yīng)用。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐控制系統(tǒng)的研究對于提高系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)的意義，同時對實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化也有一定的促進(jìn)作用。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道及汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞；過熱蒸汽溫度過低，降低汽輪機(jī)的效率，加劇對葉片的侵蝕。為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐主要有下列自動調(diào)節(jié)任務(wù)：(1) 保持汽包液位汽包液位是工業(yè)鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)。蒸汽壓力過低或過高，對于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。通常要求爐膛負(fù)壓保持在20~40Pa的范圍內(nèi)，這對燃燒狀況、鍋爐房工作條件、爐膛的維護(hù)及安全運(yùn)行都最為有利[6]。(4) 保持過熱蒸汽溫度恒定為了保證汽輪機(jī)正常工作，必須保證過熱蒸汽溫度恒定，汽溫過高或過低都會影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，所以，過熱蒸汽溫度是影響安全的重要參數(shù)，一般要求溫度變化保持在士5℃的范圍之內(nèi)。通過對工業(yè)鍋爐自動調(diào)節(jié)任務(wù)的分析，我們知道:工業(yè)鍋爐的汽包液位是正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，汽包液位是一個十分重要的被調(diào)參數(shù)。本文以鍋爐汽包液位控制為例來研究模糊PID復(fù)合控制在鍋爐控制中的應(yīng)用。因此還有相當(dāng)多的鍋爐，特別是中小型鍋爐還在簡單的啟動停止的狀態(tài)下運(yùn)行，控制靠人工實現(xiàn)，這樣，鍋爐運(yùn)行好壞完全依靠工人的經(jīng)驗和責(zé)任心。3．基于模糊PID控制的鍋爐控制模糊PID控制用在鍋爐控制中，能對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析，采用模糊推理的方法實現(xiàn)PID控制與模糊控制在規(guī)定的閾值范圍內(nèi)的自動切換，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性，控制也更精確。5．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[4]的鍋爐控制現(xiàn)在許多人把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于鍋爐控制中，達(dá)到了很好的控制效果，具有響應(yīng)速度快，精度高和魯棒性強(qiáng)的特點。6．基于專家控制[8]的鍋爐控制專家控制是基于知識的智能控制，它是人工智能、專家系統(tǒng)、自動控制、模糊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制己成為智能自動化控制研究中最為活躍而又富有成果的領(lǐng)域。首先要分析幾種控制理論的原理和鍋爐汽包液位的動態(tài)特性，然后分別設(shè)計基于傳統(tǒng)PID控制的汽包液位控制系統(tǒng)、基于模糊控制的汽包液位控制系統(tǒng)和基于多模態(tài)模糊—PID控制的汽包液位控制系統(tǒng)。它是應(yīng)用最廣泛的一種控制器。因此，比例系數(shù)Kp選擇必須適當(dāng)，這樣才能取得過渡時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。當(dāng)TI較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生震蕩，但是消除靜差所需的時間較長，當(dāng)TI較小時，則積分作用較強(qiáng)，這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生震蕩，但消除靜差所需的時間較短。因為微分作用的引入會把高頻干擾放得很大，反而可能使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)降低。當(dāng)采樣周期很短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時間PID算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程，數(shù)字PID位置型控制算式，如下式所示： (25)式中：u(k)——k采樣周期時的輸出； e(k)——k采樣周期時的偏差； Ts——采樣周期。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器。模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。目前，模糊控制技術(shù)已經(jīng)用在列車自動運(yùn)行控制系統(tǒng)、凈水處理、汽車速度控制、電梯群管理控制等領(lǐng)域，并取得了很好的控制效果[16]。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。模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人，扎德教授舉過停車的例子，正如一個汽車司機(jī)，不懂汽車模型而能很好地駕駛汽車一樣?？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言變量進(jìn)行量化，再用糊推理對系統(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。但是在許多情況下無法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。如人工控制水槽液位的經(jīng)驗可以表達(dá)為：若水槽無水或水較少時，則開大水閥；若液位和要求的液位相差不太大，則把水閥關(guān)小；若液位快接近要求的液位，則把閥門關(guān)得很??；．．．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”這些表示液位狀態(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(需化成模糊變量)用模糊邏輯推理的方法得出此刻的控制量。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(jī)來實現(xiàn)的一種智能控制。而在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器” ，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。 (3) 被控對象：被控對象是一種設(shè)備或裝置或是若干個設(shè)備組成的群體，它們在一定的約束下工作以實現(xiàn)人們的某種目的。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(dāng)是操作人員能觀察到的變量。下面分別予以介紹。每一個限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。這樣，對于每一個物理輸入量至少有一個模糊子集的隸屬程度大于零。這些概念都是建立在經(jīng)驗和工程判斷的基礎(chǔ)上的，其定義有一定的主觀性。3. 模糊推理模糊決策推理是模糊控制的核心，它利用知識庫的信息模擬人類的推理決策過程，給出了適合的控制量。4. 反模糊化過程通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合。當(dāng)多個最大隸屬度元素時，就取它們的平均值作為輸出。但是，它往往會導(dǎo)致隸屬函數(shù)不同而中位數(shù)相同的現(xiàn)象，無法突出主要信息，這顯然不合理。誤差變量所取的模糊論域為：{n，n+1，．．．0，．．．n1，n}誤差變化變量所取的模糊論域為：{m，m+1，．．．0，．．．ｍ1，ｍ}控制量所取的模糊論域為：｛ｌ，．．．0，．．．ｌ｝有關(guān)模糊論域的選擇問題,一般選n≥6，m≥6，ｌ≥6，這樣能確保模糊集能較好地覆蓋模糊論域，本文中取n=m=ｌ=6。輸出控制量的比例因子由下式確定： (210)對輸出而言的比例因子起比例作用。因為Ke增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，雖然能使上升時間變短，但是由于超調(diào)過大，使得系統(tǒng)的過渡過程較長。輸出控制量的比例因子Ku作為模糊控制器總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，Ku選擇過小會使動態(tài)響應(yīng)過程變長，而Ku選擇過大會使系統(tǒng)振蕩加劇。(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。目前，模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標(biāo)。 模糊PID控制 模糊自適應(yīng)PID原理簡介模糊自適應(yīng)PID參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對值、偏差變化率的絕對值的大小和調(diào)整時間的長短，不斷地在線修正PID參數(shù)Kp、KI、KD。二者的轉(zhuǎn)換閾值根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。 汽包液位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，同時，鍋爐汽包液位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。無論滿水或缺永都會造成事故。 汽包液位在給水流量作用下的動態(tài)特性給水流量對液位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。 (34)ΔD——蒸汽負(fù)荷量。即在給水流量作用下，汽包液位的傳遞函數(shù)為： (39) 汽包液位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性在蒸汽流量D作用下。因此，實際的液位曲線為H1+H2，即為圖中的H。本文中取 (311)由此可見，汽包液位調(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“虛假液位”現(xiàn)象，“虛假液位”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。這里的沖量指的是變量。 圖 汽包液位單沖量控制原理圖及方框圖單沖量汽包液位控制系統(tǒng)存在兩個主要問題：(1) 當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始液位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤動作反而擴(kuò)大了汽包進(jìn)出流量的不平衡，使汽包液位和給水量的波動幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。如果引入蒸汽流量來校正，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋(蒸汽流量)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“虛假液位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假液位”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。 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。 汽包液位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。當(dāng)負(fù)荷變化時，液位可以保持無差。給水流量主通道傳遞函數(shù)為： (41)蒸汽流量干擾通道傳遞函數(shù)為： (42) PID控制系統(tǒng)模型 PID參數(shù)的整定一、湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)湊試法是通過觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(例如階躍響應(yīng))。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直至得到過渡時間短、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。二、實踐經(jīng)驗法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)1．衰減曲線法先在單純P作用下湊試比例度δ值，找出滿足規(guī)定衰減比下的比例度δs。然后使δ由大往小逐步改變，并每改變一次δ值，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一次階躍干擾，同時觀察被控變量yu的變化情況。然而，如果工藝方面不允許被控變量作長時間的等幅振蕩，這種方法就不能應(yīng)用。截止到2005年，、該軟件的應(yīng)用越來越廣。SIMULINK提供了用鼠標(biāo)“畫”出系統(tǒng)框圖的方式，可以進(jìn)行圖形建模。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境SIMULINK工具箱是MATLAB軟件的擴(kuò)展，主要用于動態(tài)系統(tǒng)的仿真。仿真波形如下圖所示。本節(jié)討論純模糊控制方式的特點。當(dāng)液位y(t)高于y0(t)時，即實際液位高于給定液位，偏差為“負(fù)” ，液位高得越多則偏差負(fù)得越大；相反，y(t)低于y0(t)時，即實際液位低于給定液位，偏差為“正”，液位低得越多，則偏差正得越大。輸出控制量對應(yīng)閥門開度變化，閥門開大為“正” ，表明注水量加大；反之，則閥門關(guān)閉為“負(fù)” 。設(shè)模糊控制器的輸入輸出的基本論域設(shè)置如下：液位的偏差e最大變化范圍是[3cm，+3cm]，偏差變化ec的最大變化范圍是[，+]，輸