【正文】 .................................. 38 多模態(tài)模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ......................................................................... 43 仿真研究 .................................................................................................................. 44 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 幾種控制效果比較分析 ........................................................................................... 45 第六章 結(jié)束語(yǔ) ........................................................................................................................ 46 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 48 致謝 .......................................................................................................................................... 50 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 引 言 課題背景與意義 鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)重要的動(dòng)力設(shè)備，它產(chǎn)生的高壓蒸汽可作為動(dòng)力源，也可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過(guò)程的熱源。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)備和壓力容器，其安全性尤為重要。因此，必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使液位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。 另外，壓力過(guò)大容易帶來(lái)危險(xiǎn)。因此，必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將其嚴(yán)格控制在工藝允許的范圍內(nèi)。因此，控制蒸汽壓力是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。負(fù)壓太小，爐膛吸入冷風(fēng)量增大，增加引風(fēng)機(jī)的電 耗和煙氣帶走的熱量損失。如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過(guò)多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會(huì)使過(guò)熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，還會(huì)損壞 汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)殄仩t的燃燒是多輸入多輸出系統(tǒng)，各參數(shù)之間相互影響，相互制約，并且有時(shí)受負(fù)荷干擾嚴(yán)重，因此很難用精確的數(shù)學(xué) 模型來(lái)表示，用經(jīng)典控制理論難以實(shí)現(xiàn)有效的控制，目前在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法是具體分析生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)和要求，在設(shè)計(jì)單回路為主的基礎(chǔ)上，考慮到多變量系統(tǒng)的特點(diǎn)，加以補(bǔ)充修正。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 目前，一些科研人員 運(yùn)用以下控制理論來(lái)控制鍋爐： 1．基于 PID 控制的鍋爐控制 傳統(tǒng)的 PID 控制用在鍋爐控制中，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性較強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方法，但是也存在局限性，超調(diào)量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制。該系統(tǒng)由工程師站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ο到y(tǒng)的輸入 /輸出信息進(jìn)行分析、捕捉、歸納，形成自處理的“自學(xué)習(xí)”功能，即能產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)哪：?guī)則和隸屬函數(shù)，以自動(dòng)方式適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的需要。專(zhuān)家控制用在鍋爐控制中，控制效果好，動(dòng)態(tài)特性較好，簡(jiǎn)單易懂，參數(shù)調(diào)整相對(duì)于傳統(tǒng) PID 控制也簡(jiǎn)單的多。本文就是對(duì)模糊 PID 控制在鍋爐控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究。 將上述三種汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后，要用 MATLAB 軟件中的 SIMULINK 模塊逐一進(jìn)行仿真，分析和比較它們的仿真結(jié)果，最后確定要采用的控制方案。 PID 控制規(guī)律由比例、積分、微分三部分組成?？梢?jiàn)，積分部 分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差，可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間 TD 決定。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。 PID 控制是迄今為止最通用的控制方法。盡管自 1940 年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。 1980 年，丹麥工科大學(xué)的 Ostergara 等對(duì)水泥窖進(jìn)行模糊控制。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(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(lái)越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對(duì)模糊事物進(jìn)行識(shí)別和判決，看起來(lái)似乎不確切的模糊手段常常可以達(dá)到精確控制的目的。人的經(jīng)驗(yàn)是一系列含有語(yǔ)言變量值的條件語(yǔ)句和規(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(yǔ)言變量和條件語(yǔ)句。 模糊控制的基本思想 控制理論的發(fā)展和數(shù)學(xué)有著密切的關(guān)系，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，這種關(guān)系就更為密切。此類(lèi)過(guò)程的變量多，各種參數(shù)又存在不同程度的時(shí)變性，且過(guò)程具有非線性、強(qiáng)藕合等特點(diǎn)，因此建立這一類(lèi)過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型困難很大，難以進(jìn)行控 制，但有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制卻可以收到令人滿意的效果。 由于模糊控制器的模型不是由數(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(yǔ)句構(gòu)成的語(yǔ)言形式，因此從這個(gè)角度上講，模糊控制器又稱(chēng)模糊語(yǔ)言控制器。 模糊控制器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象+ 圖 模糊控制系統(tǒng)原理框圖 (1)模糊控制器：它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。 (2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置，如工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最普 遍最典型的各種調(diào)節(jié)閥和變頻器。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容： (1) 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)； (2) 設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則； (3) 確立模糊化和非模糊化的方法； (4) 確定模糊控制器的參數(shù)。根據(jù)模糊控制器輸入變量的個(gè)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。 1. 模糊化過(guò)程 在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需要對(duì)輸入量進(jìn)行采樣、量化并模糊化。對(duì)于某一個(gè)輸入值，它必定與某一個(gè)特定模糊子集的隸屬程度相對(duì)應(yīng)。這樣，對(duì)于每一個(gè)物理輸入量至少有一個(gè)模糊子集的隸屬程度大于零。這些概念都是建立在經(jīng)驗(yàn)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(shí)庫(kù)的信息模 擬人類(lèi)的推理決策過(guò)程，給出了適合的控制量。 4. 反模糊化過(guò)程 通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。當(dāng)多個(gè)最大隸屬度元素時(shí)，就取它們的平均值作為輸出。但是，它往往會(huì)導(dǎo)致隸屬函數(shù)不同而中位數(shù)相同的現(xiàn)象，無(wú)法突出主要信息，這顯然不合理。 誤差變量所取的模糊論域?yàn)椋?{n， n+1，．．． 0，．．． n1， n} 誤差變化變量所取的模糊論域?yàn)椋?{m， m+1，．．． 0，．．．ｍ 1，ｍ } 控制量所取的模糊論域?yàn)椋海?ｌ，．．． 0，．．．ｌ｝ 有關(guān)模糊論域的選擇問(wèn)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： yuuK ?ｌ (210) 對(duì)輸出而言的比例因子起比例作用。因?yàn)?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(shí)間變短，但是由于超調(diào)過(guò)大，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。 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(guò)小會(huì)使動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而 Ku選擇過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇。 (2) 對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專(zhuān)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(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，無(wú)法定義控制目標(biāo)。 模糊 PID 控制 模糊自適應(yīng) PID 原理簡(jiǎn)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(duì)值、偏差變化率的絕對(duì)值的大小和調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)。 汽包液位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)，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(wú)論滿水或缺永都會(huì)造成事故。 汽包液位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 給水流量對(duì)液位的影響，即控制通道的動(dòng)態(tài)特性。 d= maxDD?V (34) Δ D—— 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： 01 ( ) K w 1G ( S ) = =w ( ) ( 1 ) ( 1 15 )HSV S S S S S? ??12TT (39) 汽包液位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 在蒸汽流量 D 作用下，液位的階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。因此，實(shí)際的液位曲線為 H1+H2，即為圖中的 H。 本文中取 f202 2( ) =( ) ( 1 ) ( 1 3 )H S K KG D S S T S S S? ? ? ??（ S ） = (311) 由此可見(jiàn)，汽包液位調(diào)節(jié)對(duì) 象在蒸汽流量擾動(dòng)下，非但沒(méi)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(dòng)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。 LTLC給水省煤器汽包蒸汽控制器Gc執(zhí)行器GV汽包對(duì)象G1液位變送器設(shè)定值 液位 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(gè)主要問(wèn)題： (1) 當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時(shí)，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過(guò)程一開(kāi)始液位“虛假”上升而減少給水量，這個(gè)錯(cuò)誤動(dòng)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(dòng)幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。如果引入蒸汽流量來(lái)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(gè)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(diǎn)是： (1)引入蒸汽流量前饋信號(hào) 可以消除“虛假液位”對(duì)調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，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(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥一開(kāi)始就向正確的方向移動(dòng)。 雙沖量調(diào)節(jié)存在的問(wèn)題是：調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)。 汽包液位 H 是被調(diào)量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量 D、給水流量 W 是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，液位可以保持無(wú)差。給水流量主通道傳遞函數(shù)為： 1 1= (15 1)G SS?（ S） (41) 蒸汽流量干擾通道傳遞函數(shù)為： 2 0 .2= (3 1)G SS?（ S） (42) 圖 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(guò)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
。在湊試時(shí)，可以參考 PID 參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響效果，對(duì)參數(shù)實(shí)行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 鍋爐汽包液位 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究 汽包液位的 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 汽包液位的 PID 控制系統(tǒng)的建立 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)象和虛假液位。從圖中可以看出，此系統(tǒng)有兩 個(gè)閉合回路：一是由給水流量 W、給水分流器α w 組成的內(nèi)回路。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） L T L C給 水省 煤 器汽 包蒸 汽G cG VG 1液 位 變 送 器設(shè) 定 值液 位F Tα DG 2擾 動(dòng) 圖 汽包液位雙沖量控制原理圖及方框圖 三沖量控制系統(tǒng) 由于雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對(duì)液位的影響，因?yàn)楫?dāng)給水壓力波動(dòng)時(shí)，給水流量相應(yīng)變化，此時(shí)只有待液位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。 (2)引入了蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，