【正文】 y— PD 控制難以消除穩(wěn)態(tài)誤差 ， Fuzzy— PI 控制由于積分環(huán)節(jié)的作用 ， 在高階系統(tǒng)過渡過程中的性能較差。 二維模糊控制 普通的兩維模糊控制 ， 非模糊的 PI 控制器可以表示為 : UPI = Kpe+KI ∫edt = Kp∫(e?+TIe)dt () 非模糊的 PD 控制器可以表示為 : UPD = Kpe+KDe = Kp,e+Tde?? () 式中， e 為誤差， e?為誤差變化率， TI=KI/KD， Td=KD/KP。 將模糊控制與相應(yīng)的非模糊控制比較，得到模糊 — PID 控制的比例和積分系數(shù)分別是 ： KP = K1F*Kd T? +T KI = K1F*Ke+T () 26 模糊 — PD 控制的比例和微分系數(shù)分別是 ： Kp = K2F*Ke+ KD = K2F*Kd T? += K2F*(a T? )Ke+ () 其中， a=Kd/Ke， F{… }表示模糊運(yùn)算。 這種模糊 — PID 控制的原理圖如圖 所示 ， 它的規(guī)則庫不再是三維的 ， 而是二維的。簡化的Ke Kd2 Kd 1/T2 三維 FuzzyPID 推理規(guī)則 1/T ∑ T K u? 27 Fuzzy— PID 控制的比例、積分和微分系數(shù)可表示為 : Kp = TK1F*(a T? )Ke++ K2F*。 考慮到 Fuzzy— PI 和 Fuzzy— PD 控制的輸入部分是相同的 ， 為了進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)和運(yùn) 算 ， 又簡化為圖 所示。 一般的三維模糊控制如圖 所示 ， 由于有三個輸入 ， 控制器的規(guī)則庫將是三維的 ， 并且當(dāng)三個輸入的隸屬函數(shù)個數(shù)分別是 n、 m、 1 時 ， 一個完整的規(guī)則庫有n*m*1 條規(guī)則 ， 如此多的規(guī)則將使控制器的設(shè)計(jì)和控制策略的調(diào)整非常困難。 為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) ， 將微分和積分量進(jìn)行離散化 ， 模糊 — PI 中的輸出可以近似為 下式 ()： UkPI = Uk?1PI +kIΔu Δu = u?T () 而 輸入中的誤差微分可以近似為 式 ()： e? = ΔeT () 其中， T 為采樣時間， Δ e 為誤差在采樣時間內(nèi)的變化量 。但 Fuzzy—PID 控制需要三個輸入 ， 這就增加了模糊規(guī)則的數(shù)量 ， 使模糊控制器的設(shè)計(jì)十分困難。 e? e r T 擾動 y 圖 Fuzzy 自調(diào)節(jié) PID 控制器原理圖 簡化的模糊 — PID 控制 普通的模糊控制都是兩維控制 ， 主要可分為兩類 :模糊比例微分控制 (Fuzzy—PD)， 由誤差和誤差變化率產(chǎn)生控制量輸出 。由于該 Fuzzy 自調(diào)節(jié) PID 控制器是基于規(guī)則的，所以便有一個參數(shù)的初始化問題。該機(jī)構(gòu)的修正算法是模仿人的控制思想 ， 分析和識別系統(tǒng)的輸出狀態(tài) ， 動態(tài)獨(dú)立地對 kp、KI、 KD進(jìn)行在線整定 ， 以調(diào)整整個控制過程中不同階段的控制特性。在這種情況下 ， KD 的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大 ， KI 的取值要適當(dāng) : | E|較小時 ， 為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能 ， KP 與 KI， 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 ， KD 值的選擇是相當(dāng)重要的。 Fuzzy 自整定 PID 參數(shù)控制器是一種在常規(guī) PID 控制器的基礎(chǔ)上 ， 應(yīng)用 Fuzzy 集合理論建立參數(shù) KP、 KI 與KD 同偏差絕對值 | E| 和偏差變化絕對值 | EC| 間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系 ： Kp = f1 (| E|， | EC| ) KI = f2(| E|， | EC| ) () KD = f3(| E|， | EC| ) 并根據(jù)不同 | E|和 | EC| 在線自整定參數(shù) KP、 KI 與 KD 的 Fuzzy 控制器。 Fuzzy— PID 復(fù)合控制A/D 傳感器 模糊控制規(guī)則 模糊量化處理 D/A 模糊決策 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對象 計(jì)算控制變量 21 的應(yīng)用方式有 :模糊自整定 PID 控制、 Fuzzy— PID 復(fù)合開關(guān)控制、模糊自適應(yīng) PID控制、設(shè)定值遷移模糊 PID 控制器等。根據(jù)模糊控制器的結(jié)構(gòu)可分為 :一維模糊控制器、二維模糊控制器、三維模糊控制器、多變量模糊控制器、自調(diào)整因子模糊控制器等。由于其采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句 (If— then)來描述的 ， 因此模糊控制器是一種語 言控制器 ， 故也稱為模糊語言控制器。 數(shù)據(jù)庫 規(guī)則庫 模糊化接口 推理機(jī) 解模糊接口 20 綜上所述，模糊控制器實(shí)際上就是一個微機(jī)系統(tǒng)。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識工程學(xué)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)中。知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分組成。關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”，才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。 數(shù)據(jù)庫 :所存放的是所要輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值 (即經(jīng)過論域等級的離散化以后對應(yīng)值的集合 )， 若論域?yàn)檫B續(xù)域 ， 則為隸屬度函數(shù)。 模糊控制器的組成框圖如圖 所示。 18 模糊控制 迷糊控制的基 本原理：控制是以模糊集合論、模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ) ， 是采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。 PID 控制在過程控制中的生命力如此之強(qiáng) ， 是由于它本身的優(yōu)點(diǎn) :PID 控制的原理簡單 ， 使用起來比較方便 。 簡單來說 ， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 : 比例環(huán)節(jié) :即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)， 偏差一旦產(chǎn)生 ， 控制器立即產(chǎn)生控制作用 ， 以減少偏差。 PID 控制 在目前使用的 多數(shù)供熱 鍋爐控制方案中 ， 系統(tǒng)中采用的大都是 PID 控制器 ， 下面對過程控制中常見的 PID 控制作出介紹。這是傳統(tǒng)控制理論不易實(shí)現(xiàn)的 ， 常規(guī)的 PID 控制器 ， 很難整定 PID 參數(shù) ， 因此比較難達(dá)到預(yù)期效果。 另外 ， 8051 單片機(jī)還可以通過擴(kuò)展外部接口電路 ， 與其它鍋爐控制系統(tǒng) (汽包水位控制系統(tǒng)、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) )進(jìn)行連接 ， 為以后的工作打好鋪墊。原來的控制系統(tǒng)采用可編程控制器 (PLC)控制 ， 但 PLC 價格較高 ， 不如單片機(jī)價格低 。計(jì)算機(jī)執(zhí)行這樣的程序 ， 就能實(shí)現(xiàn)被控參數(shù)的調(diào)節(jié)。此時爐膛負(fù)壓即下降 ， 需要增加引風(fēng)量以保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。本系統(tǒng)利用調(diào)節(jié)引風(fēng)擋板的開度 ， 引入送風(fēng)量作為前饋信號 ， 控制它的引風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)。爐膛負(fù)壓過高或過低都會影響鍋爐的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)燃燒。 偏差 (E)及偏差變化 (EC)論域都量化為 13 檔 ， 送風(fēng)門擋板開度變化 (UC)論域量化為 15 檔。 13 表 非線性量化表 量化值 E EC UC 7 UC≤ 6 E≤ 12 EC≤ 1 ＜ UC≤ 5 12E≤ 8 1EC≤ UC≤ 4 8E≤ 4 EC≤ UC≤ 3 4E≤ 2 EC≤ UC≤ 2 2E≤ 1 EC≤ UC≤ 1 1E≤ EC≤ UC≤ 0 E≤ EC≤ UC≤ 1 E≤ 1 EC≤ UC≤ 2 1E≤ 2 EC≤ UC≤ 3 2E≤ 4 EC≤ UC≤ 4 4E≤ 8 EC≤ UC≤ 5 8E≤ 12 EC≤ 1 UC≤ 6 12E 1EC UC≤ 7 UC 引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 引風(fēng)調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)引風(fēng)門擋板開度的變化控制爐膛負(fù)壓在一定的范圍之內(nèi)。因此 ， 對模糊 — PID 控制 器來講 ， 主要的控制任務(wù)就是保持含氧量的最佳值。含氧量信號具有時間延遲短 ， 對判斷是否充分燃燒反映快等優(yōu)點(diǎn)。將該論域元素值乘以相應(yīng)的調(diào)節(jié)器的比例因子 ， 得出給煤量的輸出信號。 表 主調(diào)節(jié)器模糊控制表 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 2 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 3 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 5 3 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 為了使鍋爐的爐膛溫度控制在穩(wěn)定的范圍之中 ， 提高鍋爐的運(yùn)行工況 ， 縮小各鍋爐之間的 不均衡性 ， 還要引入副調(diào)節(jié)器 ， 對給煤量進(jìn)行修正 ， 以使?fàn)t膛溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。 由于系統(tǒng)在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中 ， 要求控制器具有較好的魯棒性和快速性 ， 對精度要求不是十分高 ， 因此采用常用的二維模糊控制器。 給煤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中 ， 給煤調(diào)節(jié)器是整個燃燒控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié) ， 是節(jié)約能源 ， 提高經(jīng)濟(jì)效益的主要實(shí)現(xiàn)途徑。保持爐膛一定的負(fù)壓 ， 以免負(fù)壓太小 ， 甚至為正 ， 造成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒出 ， 影響設(shè)備和工作人員的安全 :如果負(fù)壓過大 ， 會 使熱量損失增加。 燃燒過程的控制基本要求有三個 : 保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定 ， 能按負(fù)荷要求自動增減燃料量 。給水控制的任務(wù)主要是控制供水流量和回水流量 ， 從而間接地影響供水溫度和回水溫度 ， 從一定程度上解決一直困擾供熱系統(tǒng)的豎 向失調(diào)問題。因此 ， 燃燒控制要通過調(diào)節(jié)給煤量來保持分配到的負(fù)荷 。 綜合 公式 ， 可以求出蒸汽形成過程的傳遞函數(shù) 為下式 ()： G3(s)= G1(s)+G2(s) () 鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求 鍋爐供暖系統(tǒng)包括兩個主要控制任務(wù) ， 一個是燃燒系統(tǒng)控制 ， 另一個是給水系統(tǒng)控制 。 7 燃料燃燒過程 燃料燃燒過程的輸入?yún)?shù)是給煤量 ， 輸出參數(shù)是燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量 ， 可以用一階滯后環(huán)節(jié)來近似描述其動態(tài)特性 ，如式 ()： ??2(s)= K2??2??+1 () K2 為 燃燒過程的放大系數(shù) ， T2 燃燒過程的時間常數(shù)。 鍋爐燃燒系統(tǒng)的動態(tài)特性 燃料傳送 過程 燃料煤傳送過程的輸入?yún)?shù)是給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 輸出參數(shù)是給煤量的多少。要使燃料與空氣量之間保持一定的比值 ， 保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行 。按照這些控制要求 ， 鍋爐設(shè)備有以下主要的控制系統(tǒng)。而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對流管束 ， 因受熱強(qiáng)烈 ， 相應(yīng)水的容重較小 ， 因而容重大的往下流入下鍋筒 ， 而容重小的則向上流入上鍋筒 ， 形成了水的自然循環(huán)。 水的汽化過程 :就是蒸汽的產(chǎn)生過程 ， 主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。 經(jīng)過 煙氣出煙窗 (爐膛出口 )并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱 器 (蒸汽過熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使汽鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱 )。此過程稱為燃燒過程。 燃煤鍋爐的燃燒過程 ： 燃料煤加到煤斗中并抖落在爐排上，通過減速機(jī)、鏈條帶動爐排轉(zhuǎn)動，將燃料煤帶入爐內(nèi)。 4. 省煤器 ： 是利用煙氣余熱加熱鍋爐給水 ， 以降低排出煙氣溫度的換熱器。 4 第 2 章 鏈條燃煤鍋爐的控制 鏈條燃煤鍋爐系統(tǒng)的簡介 燃煤鏈條鍋爐的結(jié)構(gòu) 燃煤鏈條鍋爐的各部分結(jié)構(gòu)如圖 。改變傳統(tǒng) PID 控制方法，采用 PID 控制器與模糊控制相結(jié)合的手段對燃燒過程進(jìn)行控制；對鍋爐控制系統(tǒng)中的其它自動控制系統(tǒng)簡略予以描述，并給出燃燒控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)的接口；對鍋爐燃燒的 Fuzzy— PID 控制算法進(jìn)行 SIMULINK 仿 真研究，仿真結(jié)果表明，此控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)控制，并且方案是行之有效 的 [3]。 模糊控制與控制理論有機(jī)地結(jié)合起來 ， 可構(gòu)造成 Fuzzy— PID 復(fù)合型控制系統(tǒng) ，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) ， 又具有 PID 控制精度高的特點(diǎn)。采用模糊控制技術(shù)完成對燃燒系統(tǒng)的控制 ， 就能達(dá)到較好的控制效果 ， 能夠彌補(bǔ) PID 控制 的不足 ， 有較強(qiáng)的適應(yīng)性。綜上，在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中采用先進(jìn)的控制理論和計(jì)算機(jī)控制，對節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境有重大意義，具有廣闊的前景。人工智能技術(shù)已在過程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 目前，國內(nèi)的鍋爐燃燒控制仍然大多采用常規(guī) PID 控制器 ， 或者為了改善控制效果，加一些前饋控制。鑒于給水調(diào)節(jié)不是本篇研究的問題 ， 在此不作過多介紹 [2]。 為此 ， 國內(nèi)專家對鍋爐本體燃燒的自動控制作了很多研究 ，本篇論文以鍋爐系統(tǒng)的改造為背景 ， 利用近幾年來工業(yè)控制領(lǐng)域中比較先進(jìn)的模糊控制技術(shù) ， 來改善原有鍋爐系統(tǒng)的控制方式 ， 使鍋爐燃燒系統(tǒng)得到最佳控制 [1]。仿真結(jié)果表明 ，