【正文】 明顯優(yōu)于傳統(tǒng) PID 控制 ， 具有超調(diào)量小、過渡時間短、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn) ， 能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。用 MATLAB 對應(yīng)用模糊自整定 PID 控制器的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究。 I 基于模糊控制算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究 摘 要 模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計算機(jī)控制方法。系統(tǒng)對鍋爐燃燒進(jìn)行監(jiān)控 ， 通過傳感器采樣信號 ， 計算是否達(dá)到最佳含氧量、最佳風(fēng)煤比 ， 來控制給煤量、引風(fēng)量和送風(fēng)量 ， 使燃燒達(dá)到最佳熱效率和提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。 并利用 MATLAB 仿真工具對模糊自整定 PID 控制器的性能作了初步研究。 據(jù)不完全統(tǒng)計 ， 采暖地區(qū)采暖能耗已達(dá) 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 ， 占全國總能耗的 %，造成如此大的能耗主要是由于大部分鍋爐自動化程度不高 ， 運(yùn)行效率低 ， 浪費(fèi)能源嚴(yán)重。燃燒調(diào)節(jié)主要分為三個回路：燃燒量 (給煤量 )調(diào)節(jié)，送風(fēng)量 (最佳燃燒 )調(diào)節(jié)，引風(fēng)量 (保證爐膛負(fù)壓 )調(diào)節(jié) [1]。雖然 ， 國內(nèi)許多專家學(xué)者 發(fā)表了許多關(guān)于鍋爐控制的先進(jìn)方法 (大多都引入了模糊控制技術(shù) )， 但在實際應(yīng)用中模糊控制技術(shù)并沒有得到推廣 ，大多數(shù)鍋爐仍舊沿用傳統(tǒng)的 PID 控制方法 [3]。 首先應(yīng)用 Fuzzy 控制方法來控制用于試驗的鍋爐和汽輪機(jī)， 在燃油鍋爐上應(yīng)用最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制技術(shù)的例子也有多次報道。美國德克薩斯州的某化工廠工業(yè)鍋爐及所有蒸汽回路都采用了EXACT， 蒸汽消費(fèi)量減少了 15%。解決這些問題的方法是采用比 PID 更為有效的控制技術(shù)。其組成核心是具有智能性的模糊控制器，這是它與一般 PID 在原理和方法上完全不同之處。 首先詳細(xì)了解鏈條鍋爐的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，著重對鍋爐燃燒控制過程進(jìn)行研究。 MCS— 51 系列單片機(jī)可擴(kuò)展外部接口，與其它自動控制系統(tǒng) (汽包水位、過熱蒸汽氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) )相連結(jié) ， 實現(xiàn)鍋爐整體的監(jiān)控，有效提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，達(dá)到穩(wěn)態(tài)控制的要求。 3. 過熱器 ： 是將鍋爐所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。 為保證正常工作 ， 鍋爐還必須有一些輔助設(shè)備 ， 包括以下幾個部分 ： 1. 引風(fēng)設(shè)備 ： 包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道口幾部分 2. 送風(fēng)設(shè)備 ： 由送風(fēng)機(jī)和風(fēng)道所組成 5 3. 給水設(shè)備 ： 由給水泵和給水管組成 4. 水處理設(shè)備 ： 其作用為清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度 5. 燃料供給設(shè)備 ： 由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉和儲煤斗等設(shè)備組成 6. 除灰除塵設(shè)備 ： 除灰設(shè)備是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往儲灰場地的設(shè)備 鍋爐工作過程 鍋爐的工作過程概括起來包括三個同時進(jìn)行著的過程 ： 燃料的燃燒過程，煙氣向水的傳熱過程和水的汽化過程。燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端返過除渣板后排入灰斗。 煙氣受引風(fēng)機(jī)、煙囪的引力向爐膛上方流動。省煤器實際上就是給水預(yù)熱器，它和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。位于煙溫較低區(qū)段的對流 6 管束 ， 因受熱較弱 ， 汽水的容重較大 。 鍋爐的主要控制系統(tǒng) 供熱鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)熱負(fù)荷的需要 ， 供應(yīng)一定溫度的蒸汽 ， 同時使鍋爐在經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。 組成的燃燒系統(tǒng)控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量 。而對其控制系統(tǒng)的控制不作詳細(xì)描述。所以 ，煤粉傳送過程的傳遞函數(shù)為 下式 ()： ??1(s)= K1??1??+1??????? () 其中， K1 為放大系數(shù)， T1 時間常數(shù)，單位 s， τ 為煤傳送滯后時間，單位 s。 對于循環(huán)系統(tǒng)蒸汽段 ， 其傳遞函數(shù)可表示為 下式 ()： G31 (s)= K31? 1?e?T31sT31 s () 省煤器省煤段的傳遞函數(shù)可表示為 下式 ()： G32 (s)= K32 ? 1?e?T32sT32 s () T31 循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的時間常數(shù) ， 單位 s； K31 循環(huán)系統(tǒng)蓄熱過程的放大系數(shù) ；T31 省煤器省煤段的停留時間 ， 單位 s； K31 省煤器省煤段的放大系數(shù)。燃燒控制的基本任務(wù)既要供熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要 ， 還要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐運(yùn)行的安全性。多臺鍋爐并列運(yùn)行的母管制方式 ， 還要實現(xiàn)按預(yù)定比例向各臺鍋爐分配負(fù)荷 ， 使各臺鍋爐負(fù)荷均衡 ， 共同維持供熱母管的正常運(yùn)行。根據(jù)鍋爐燃燒過程的特點(diǎn) ， 燃燒自動控制是這樣來實現(xiàn)的 ， 即 :通過調(diào)節(jié)給煤、送風(fēng)和引風(fēng)來保證蒸汽壓力、煙氣含量和爐膛負(fù)壓為一定值。 保證鍋爐安全運(yùn)行。為了使給煤機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)工作 ， 以克服耦合 的影響 ， 必須采用多變量輸入多變量輸出的協(xié)調(diào)控制方式控制鍋爐的燃燒過程。主副調(diào)節(jié)器都采用模糊自整定控制器。根據(jù)現(xiàn)場的控制要求和模糊推理求出模糊控制規(guī)則表 (見表 )。實時控制時 ， 模糊控制器只需要進(jìn)行以下的工作 :在每個控制周期中采樣給定負(fù)荷值 ， 爐膛溫 11 度值 ， 并計算出相應(yīng)的負(fù)荷偏差、溫度偏差及偏差的變化量 ， 再將各變量分別進(jìn)行模糊量化 ， 取得以相應(yīng)論域元素表征的查找模糊控制表所需的模糊量的論域值 ， 然后根 據(jù)論域元素的值查找模糊控制表可以得出輸出論域值元素。由于到目前為止 ， 還沒有找到一種有效的方法能夠準(zhǔn)確地測量給煤量信號 ， 工程實際中一般以煙氣含氧量作為給煤量的一種間接反饋信號 ， 以最佳含氧量信號作為標(biāo)識來控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)燃燒。在本文設(shè)計的模糊 — PID 控制器中 ， 主要的設(shè)計目的是使含氧量穩(wěn)定在最佳值附近 ，以保證煤完全燃燒和達(dá)到最小的熱損失。為了簡化控制規(guī)則 ， 對于給煤量增量只取 3 個模糊子集 ， 即 N(負(fù) )、 O(零 )、P(正 )， 并采用對二維模糊表擴(kuò)展的方法 (見表 )來簡化三維模糊控制表。 在鍋爐引風(fēng)模糊控制器中 ， 兩個輸入變量爐膛負(fù)壓偏差 e 及偏差變化△ e， 其基本論域整定為 ： ｛ 12， 12｝ Pa， ｛ 1， 1｝ Pa/min， 輸出變量引風(fēng)門擋板開度變化△ u，基本論域整定為｛ ， ｝。 14 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng) 爐膛負(fù)壓是鍋爐系統(tǒng)中重要的參數(shù)之一 ， 負(fù)壓是送風(fēng)量和引風(fēng)量是否平衡的指標(biāo)。爐膛負(fù)壓對象時間常數(shù)小 ， 幾乎沒有純滯后 ， 也不是高階對象 ， 比較容易控制。同時 ， 與給煤量成正比例的送風(fēng)量也要相應(yīng)增大。 送風(fēng)量 + 負(fù)壓 負(fù)壓設(shè)定 — 圖 爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 計算機(jī)控制系統(tǒng) 計算機(jī)控制系統(tǒng)一般概念 自動控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、供暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等許多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 ， 在控制系統(tǒng)中引入計算機(jī) ， 就構(gòu)成了計算機(jī)控制系統(tǒng) ， 就可以充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及記憶功能 ， 運(yùn)用計算機(jī)指令系統(tǒng) ， 編出符合控制規(guī)律的程序。 計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計原理 將原來的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)改造為以 MCS— 51 系列單片機(jī) 8051 控制。主機(jī)輸出的數(shù)字信號經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換 ， 變?yōu)橄鄳?yīng)的模 擬量去推動現(xiàn)場操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作 ， 控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度、引風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度 ， 實現(xiàn)系統(tǒng)控制方案的各項要求。鑒于鍋爐燃燒過程的復(fù)雜性和控制難點(diǎn) ， 要實現(xiàn)既提高鍋爐的熱效率 ， 又滿足用戶負(fù)荷要求 ， 并保證運(yùn)行安全 ， 所以其控制算法與控制決策的參考因素需要多元化，控制算法應(yīng)根據(jù)多個工藝參量的現(xiàn)行值和歷史數(shù)據(jù) ， 進(jìn)行綜合分析、推理和計算。將模糊控制和 PID 控制兩者結(jié)合起來 ， 揚(yáng)長避短 ， 既具有模糊控制的靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) ， 又具有 PID 控制精度高的特點(diǎn)。其控制規(guī)律為： u(t) = Kp0e(t)+ 1TI∫ e(t)dt+ TDde(t)dtt0 1 () 也可以寫成傳遞函數(shù) G(s)= U(S)E(S)= Kp .1 + 1TIS+TDS/ () 其中， Kp 為比例系數(shù)， TI 為積分時間常數(shù)， TD 為微分時間常數(shù)。 PID 控制作為生產(chǎn)過程控制中應(yīng)用最為廣泛的控制方法 ， 至今在過程控制中的應(yīng)用以有幾十年的歷史。 但是 ， 盡管具有上述的優(yōu)點(diǎn) ， PID 控制仍然有其局限性 ， 特別是在一些控制要求較高 ， 參數(shù)不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)中 ， PID 控制的效果并不能令人十分滿意。 模糊控制器 模糊控制器 (FC— Fuzzy Controller)也稱為模糊邏輯控制器 (FLC— Fuzzy Logic Controller)， 由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件句來描述的 ， 因此 ， 模糊控制器是一種語言型控制器 ， 故也稱為模糊語言控制器 (FLC— Fuzzy Language Controller)。它的主要作用是將真實的確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個模糊矢量。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如 if— then、 also、 or、 and 等。則某一時刻 ， 該控制的控制量由下式得出 : C = (A ?B)?R () 規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。最基本的有 Zadeh 近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。通常把輸出端具有轉(zhuǎn) 換作用的功能部分稱為解模糊接口。 模糊控制的核心問題是建立一個好的模糊控制器 ， 也稱為模糊邏輯控制器。模糊控制過程是對系統(tǒng)輸入信號進(jìn)行分析、判斷、輸出控制量的過程 ， 由于它是模擬人的模糊推理和決策過程的一種實用的控制方法 ， 因此非常適合非線性和多輸入多輸出系統(tǒng)。 r(t) c(t) + 圖 模糊控制系統(tǒng)原理圖 模糊 — PID 復(fù)合控制 模糊控制與傳統(tǒng)的 PID 控制相結(jié)合 ， 具有廣泛的實用性。 PID 參數(shù)模糊 自整定控制原理 常規(guī) PID 算法為 公式 ()： u(k)= kpE(k)+KI∑E(k) +KDEC(k) () 其中， E(k)為輸入偏差變量， ∑ E(k)= E(k)+E(k1)為偏差，為偏差變化， KP 為比例參數(shù)， KI 為積分作用的參數(shù)， KD 為微分作用的參數(shù)。 | E|處于中等大小時 ， 為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào) ， KP 應(yīng)取得小些 。 表 kp整定 Fuzzy 規(guī)則集模型 NB NM NS O PS PM PB PB O O NS NM NM NB NB PM O O NS NM NM NB NB PS PM PM O NS NM NB NB O PB PB PM O NM NB NB NS PB PB PM PS O NM NM NM PB PB PM PM PS O O NB PB PB PM PM PS O O E KP EC 23 表 KI整定 Fuzzy 規(guī)則集模型 NB NM NS O PS PM PB PB PB PB PB PB PB PB PB PM PB PS PS PS PS PS PS PS O O O O O NS NS O NS NS NS NS NS NB NB NS O O O O O NS NS NM PB PS PS PS PS PS PS NB PB PB PB PB PB PB PB 表 KD整定 Fuzzy 規(guī)則集模型 NB NM NS O PS PM PB PB PS PS O O O PS PS PM NB NB NM NS NM NB NB PS NB NB NM NS NM NB NB O NS NS NS NS NS NM NM NS NB NB NM NS NM NB NB NM NB NB NM NS NM NB NB NB PS O O O O PS PS 模糊自整定 PID 控制器 根據(jù)被控對象的性能要求 ， 本文采用一種與傳統(tǒng) PID 控制器不同的模糊自整定PID 控制器 ， 它與基本模糊控制器相比 ， 增加了一個參數(shù)在線自整定機(jī)構(gòu)。 Fuzzy 自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)輸入信號 (即偏差 e)的大小、方向以及變化趨勢等特性 ， 通過 Fuzzy 推理做出相應(yīng)決策 ， 在線整定 PID 參數(shù) kp、 KI、 KD， 以期獲得滿 意的控制效果。這種結(jié)構(gòu)，無論是在跟蹤設(shè)定值還是抑制擾動方面，控制效果都有很大改善。采用模糊 — PID 控制可以改善以上兩者的缺點(diǎn) ， 提高性能。 如果變量 e 和 e?是模糊量 ， 式 ()和 式 ()就變成相應(yīng)的模糊 — PI 和模糊 — PD控制。 三維模糊控制 由于模糊 — PI 控制在高階系統(tǒng)中的過渡過程性能較差 ， 而模糊 — PD 控制存在穩(wěn)態(tài)誤差 ， 因此提出模糊 — PID 控制器。將三維規(guī)則庫的設(shè)計簡化為二維規(guī)則庫的設(shè)計 ， 避免了設(shè)計三維規(guī)則庫的困難 ， 并且兩個二維規(guī)則庫具有相同的輸入 ， 簡化了規(guī)則庫的設(shè)