【正文】 進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的引起過熱器爆管；液位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。 采用模糊控制的方法，根據(jù)專家知識和熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)積累來確定隸屬函數(shù)，建立知識庫（包括數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫），進(jìn)行合成推理和控制決策的模糊控制策略，可以取得令人滿意的控制效果，能夠更加精確的控制鍋爐液泡液位，增加生產(chǎn)的安全性和效率。我國是最早把模糊理論引入氣象預(yù)報、地震預(yù)測和高爐冶煉控制方面的國家。汽泡液位的動態(tài)特性主要有：非線性、不確定性、時滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等。本文設(shè)計了汽泡液位三沖量 PID串級控制系統(tǒng)和三沖量自適應(yīng)模糊 PID控制系統(tǒng)。 鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。隨著 工業(yè)生產(chǎn)華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 4 規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程不斷強(qiáng)化，生活設(shè)備不斷革新，鍋爐向大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。 維持汽泡液位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。這些后果都是十分嚴(yán)重的。即通過各種檢測儀表，調(diào)節(jié)儀表，控制裝置（運(yùn)算器，監(jiān)控器，執(zhí)行器）等自動化技術(shù)工具，對鍋爐生產(chǎn)過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。 1）鍋爐汽泡液位的控制 被控變量是汽泡液位，操縱變量是給水流量。為達(dá)到上述三個控制目的，控制手段也有三個，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。因此，鍋爐的安全問題是一個非常重要的問題，必須引起我們的高度重視。 華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 6 第三章 鍋爐汽泡液位 的 控制系統(tǒng) 的設(shè)計 鍋爐汽泡液位的基本特性 汽泡的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，必須當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽泡液位就保持恒定不變。把汽泡和給水看作單容無自動平衡的對象，液位響應(yīng)曲線應(yīng)為一條直線。把汽泡和給水看作單容量無自平衡的過程，液位階躍響應(yīng)曲線如圖中 H1 線 。最后當(dāng)汽泡容積不再變化時，液位由于儲水量的增加而直線上升?？杀硎緸椋? ()() ( ) 1 (1 )ow HsWs W s s s s s? ?? ???? ? ? ??? 式中 ? 為遲延時間 (s)。 “虛假液位”是由兩個原因造成的： （ 1） 由于鍋爐蒸汽負(fù)荷增加，使?fàn)t管和汽泡中汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化（汽容積增加）而引起汽泡液位上升，這是引起汽泡“虛假液位”的主要原因。汽泡內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使液位變化的曲線如圖 2 中 H2所示。所以當(dāng)有蒸汽流量擾動的時候，液位變化的動態(tài)特性可以用以下函數(shù)來表示： 22()() ( ) 1OD kHsWs D s T s s?? ? ?? 式中， 2T 為曲線 2 的時間常數(shù) 2k 為曲線 2 的放大系數(shù) ? 為曲線 1的響應(yīng)速度 研究表明“虛假液位”變 化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)的量有關(guān)系。如果氣輪機(jī)側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，那么伴隨著汽泡壓力的增加，汽泡輸出蒸汽量也將會增加，使得蒸發(fā)量大于給水 量，暫時性的產(chǎn)生了汽泡進(jìn)出流量的不平衡。 這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽泡內(nèi)水的停留時間較長，負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場合下再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。即使”虛假液位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到液位下降要有一個過程，再有液位變化到閥動作已滯后一段時間。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。 雙沖量液位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，要等到汽泡液位變化時才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，液位波動較大。這樣對液位控制要求就更高了。 針對上述情況，為了把液位控制穩(wěn)定，鍋爐液位調(diào)節(jié)常輔助有蒸汽流量和給水流量動態(tài)補(bǔ)償，由液位、蒸汽流量 D和給水流量 W組成了三沖量汽泡液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖 所示。 H 、 W 引入系統(tǒng)的符號可用同樣的方法來確定。從方塊圖可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路； (l)是由給水流量 W、給水分流器 W? 、調(diào)節(jié)器 CG 、調(diào)節(jié)閥 VK 組成的副回路。 圖 三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 在這個系統(tǒng)里，內(nèi)回路為串級調(diào)節(jié)的副環(huán)，當(dāng)給水流量產(chǎn)生擾動時（給水流量的擾動也稱為內(nèi)部擾動），由于副回路的快速調(diào)節(jié)作用，其對液位影響較小。 圖 其中 HO D HI I I I? ? ?Δ ,因此可認(rèn)為： W? PI VK Δ I + W W 華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 12 ()WWIWS???WΔ1=ΔI(S) 則圖 6進(jìn)一步簡化為圖 ，在內(nèi)回路分析基礎(chǔ)上，可以畫出主回路的簡化方塊圖 ，從圖 8可以看出，主回路也是一個單回路系統(tǒng)。 ????F2 D W 01F2DW01G (s )= G (s )G (s )=G (s ) 這樣就要求 ?D 取值上式值 時，就可實(shí)現(xiàn)蒸汽流量擾動下液位不變的設(shè)想。 汽泡液位的串級三沖量 PID 控制系統(tǒng) 由于在采用三沖量串級控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中控制器的輸入端有 2個輸入信號，這就液位極易引起偏差，因此，本設(shè)計根據(jù)汽泡液位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，提出了消除三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除液位控制偏差的兩個方法 : (1) 輔助信號自消的方法 所謂自消就是輔助信號 ()xt 經(jīng)一個不完全微分環(huán)節(jié) (或帶濾波器的微分環(huán)節(jié) )得到信號 ()xt再加至控制器，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時有： l im ( ) l im ( ) 01ataTx t x sTs???????????sγ (2) 輔助信號對消的方法所謂對消就是輔助信號滿足對消條件 設(shè)有兩輔助信號 1()xt和 2()xt,滿足對消條件： 12lim ( ) lim ( ) 0ttx t x t? ? ? ??? 本設(shè)計汽泡液位控制系統(tǒng)采用三沖量 PID控制系統(tǒng)如圖 所示。 其中 , DK 、 WK 、 HK 分別為蒸汽流量、給水流量、液位變送器的傳遞系數(shù)。 PID 及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器 (從PID 產(chǎn)生到現(xiàn)在，在全世界過程控制中用的 84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過了 90%，幾乎占據(jù)了過程控制控制器的全部 )。這三部分 別是 : (1)比例 比例數(shù)學(xué)式表示如下 : )(tekp? 系統(tǒng)的偏差一旦產(chǎn)生，控制器就會立即產(chǎn)生控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp， Kp越大，那么過渡過程就越短，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也越??； Kp 越大，超調(diào)量也越大，控制系統(tǒng)就越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞，甚至?xí)斐砷]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。但是，積分作用具有滯后特性，積分作用太強(qiáng)會使超調(diào)量加大，控制系統(tǒng)的動態(tài)性能就會變差，甚至?xí)斐砷]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (3)微分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下 : 增大系統(tǒng)的微分控制作用可加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量，克服系統(tǒng)的振蕩，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。因此，在控制系統(tǒng)中，控制器是通過計算機(jī) PID 控 制算法程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制的。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短的時候，可以用求和代替積分，用差商代替微商，使 得 PID 算法離散化，就可以將描述連續(xù)時間 的PID算法的微分方程變成的為描述離散時間 PID 算法的差分方程，即數(shù)字 PID 位置型控制算式，如下： dtteTKi ?)(pdttdeTk dp )(?])1()()()([)( 0 Ts kekeTieTTkeKku disp ki ????? ??第四章 PID 控制系統(tǒng) 17 式中 :u(k)為 k 采樣周期時的輸出； e(k)為 k 采樣周期時的偏差； Ts 為采樣周期； 即 ? ?)1()(0)()()( ????? ??kekeDIp KieKkeKku ki 式中 Kp、 KI、 KD分別為比例、積分、微分系數(shù) PID 控制系統(tǒng)的仿真 1本設(shè)計的控制對象鍋爐，其汽泡液位控制通道傳遞函數(shù)為： 37() (30 1)PGs ss? ? 在蒸汽流量 D擾動 下系統(tǒng)的干擾通道的傳遞函數(shù)為： 3 .6 0 .0 3 7() 1 5 1DGs ss??? 其變送器的比例系數(shù)： 假設(shè)液位變化范圍為177。串級系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)的擾有較強(qiáng)的控制能力。華北理工 大學(xué)電氣工程學(xué)院 20 第五章 模糊 PID 控制系統(tǒng) 模糊控制的產(chǎn)生與發(fā)展 模糊理論的創(chuàng)建人是自動控制專家扎德 ()，他在他的第一篇論文《模糊集合》中，率先引入了隸屬函數(shù)的概念，建立了模糊集合論的基礎(chǔ)。但是，對于某些生產(chǎn)過程，要設(shè)計有足夠的精確性，便于系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型是比較困難的。此后，模糊控制在多個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 模糊控制的基本原理 模糊控制系統(tǒng)組成 模糊控制系統(tǒng)在一般情況下可以分為五個部分，如圖 ： 第五章 模糊 PID 控制系統(tǒng) 21 圖 模糊控制系統(tǒng)圖 模糊控制 器：自動控制系統(tǒng)中的核心部分 輸入／輸出接口：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，并通過模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后傳送給被控對象。模糊化的具體過程如下： 1）將輸入量進(jìn)行處理，達(dá)到模糊控制器要求的輸入量。 (1)單值模糊器：將一個實(shí)值點(diǎn) x *∈ U映射成 U上的一個模糊單值 0x , 0x 在 x *點(diǎn)上的隸屬度值為 1，在 U中其他所有點(diǎn)上的隸屬度值為 O，即： *0 1,() 0,x xxux? ?? ?? 其 他 其隸屬度函數(shù)如圖 。高斯模糊器將 x *∈ U映射成 U上的模糊集 0x , 它具有如下高斯隸屬度函數(shù)： **1110 ( ) * * nx x nxx anaxu s e e ???? ?? ?? ????? ? ? ?? ? ? ?? 如圖 。知識庫通常由以下兩個部分組成?；趯＜抑R或手動操作人員長期積累的各種經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn)，可離線組織其控制決策表 的 R, R為 笛卡兒 乘積集 UV上的一個模 糊子集， 則某一時刻 其控制量由 下列式給 ? ?C A B R?? 在上式中，為模糊直積運(yùn)算， 為模糊合 成運(yùn)算。在模糊控制中，通過用一系列語言規(guī)則來表示，而模糊規(guī)則通常具有如下形式 :IF（如果滿足一組條件） THEN（就可以推出一組結(jié)論）。 即 設(shè)已知模糊控制器的輸入模糊量為： x是 A39。 ( 39。) 39。) 39。在模糊控制中， and 運(yùn)算通常采用求交（取?。┗蚯蠓e（代數(shù)積）的方法；合成運(yùn)算采用最大 —最小或最大 —積（代數(shù)積）的方法；蘊(yùn)含運(yùn)算采用求交或求積的方法。它包括以下 的 兩 個 部分： (1)將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換，變成表示在論域范圍的清晰量 (2)將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變成實(shí)際的控制量 清晰化計算通常有以下幾種方法。( ) ( ),CCu z u z z Z??,式中， 0z 表示清晰值。 (4)中位數(shù)法 (面積平分法 bisector) 中位數(shù)法是取 ()Cuz的中位數(shù)為 z的清晰量，即 039。()Cuz與 z軸之間面積兩邊相等，如圖 。()()()bCabCazu z dzz df zu z dz???? 它類似于重心的計算，因此也稱重心法。變換的方法可以是線性的，a 0z b 華北理工 大學(xué)電氣工程學(xué)院 26 也可以是非線性的。如果將兩種控制 決策相 結(jié)合，那么便 能構(gòu)成兩者優(yōu)點(diǎn)兼有的新的控制器。 (2)混合型 的 模糊 PID控制器。 基本控制原理是在誤差 允許的 范圍內(nèi)采用模糊控制，在小誤差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成 PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的誤差范圍自動實(shí)現(xiàn)。 由 PID的特性 我們可以 知道 ： PK 主要 影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度， IK 主要影響 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度產(chǎn)生影響， DK 對 系統(tǒng)和動態(tài)特性 都 會有影響。 液位 偏差的變 化范圍是 [50， +50]。輸出控制量 P I DK K K、 、 的隸屬度曲線如圖 、 、 。 ecK 大，反應(yīng)較遲鈍，小反應(yīng)快，上升速率大。在實(shí)際運(yùn)用的過程中模糊控制器規(guī)則的建立是基于操作人員及專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納而成。 一般把區(qū)間 [a,b]的精確量 x轉(zhuǎn)換為 [n,n]區(qū)間的模糊變量 y, 采用公式： ()2 [ ]2abnxy ba??? ? 例如 液位 誤差控制在 [50,50]則精確量轉(zhuǎn)換區(qū)間為 [3,3]，