【正文】 .............................. 15 PID 控制系統(tǒng)的仿真 ...................................................................................................... 17 第五章 模糊 PID 控制系統(tǒng) ......................................................................................................... 20 模糊控制的產(chǎn)生與發(fā)展 ................................................................................................. 20 模糊控制的基本原理 ...................................................................................................... 20 模糊控制系統(tǒng)組成 ............................................................................................... 20 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 21 PID控制器 ............................................................................................................. 26 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................................. 27 PID 控制與傳統(tǒng) PID控制仿真結(jié)果比較 ................................................. 37 結(jié)論 ................................................................................................................................................ 40 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................ 41 謝 辭 ............................................................................................................................................ 42 附 錄 ............................................................................................................................................ 44 第一章 緒論 1 第 一 章 緒論 來源背景 鍋爐是我們在生產(chǎn)和生活中的能量設(shè)備，同時(shí)在生產(chǎn)和生活中都起很重要的作用。因此維持汽泡液位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的 必要條件，也是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)。 PID 控制本身具有結(jié)構(gòu)簡單、特性直觀、調(diào)試使用方便等優(yōu)點(diǎn) ,但由于 PID 受其控制參數(shù)整定的限制 ,對于非線性、大滯 后系統(tǒng)難以達(dá)到滿意的控制效果。 （ 3）研究傳統(tǒng)的控制方法，設(shè)計(jì)模糊 PID 控制器。 并且工業(yè) 鍋爐燃燒過程有許多被控量和控制變量，這些變量間存在很強(qiáng)的耦合，并且互相關(guān)聯(lián)。汽泡液位的動(dòng)態(tài)特性主要有：非線性、不確定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等。 第二章 工業(yè)鍋爐的理論基礎(chǔ) 3 第二章 工業(yè)鍋爐的理論基礎(chǔ) 鍋爐的控制要求與流程 鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，鍋爐的復(fù)雜特性使得采用常規(guī)方法難以獲得良好效果，近年來鍋 爐的建模和控制融入了智能化的手段。在自適應(yīng)模糊 PID控制器方面，我國的許多學(xué)者研究提出了采用模糊邏輯的非常規(guī)的 PID控制器，研究表明自 適應(yīng)、自調(diào)整以及模糊 PID不僅可以解決簡單線性問題，而且對于許多復(fù)雜非線性、高階、時(shí)延等系統(tǒng)具有很好的效果。對鍋 爐汽泡液位控制方法大多采用傳統(tǒng)的 PID 控制方式，由于傳統(tǒng) PID控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定不變，在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動(dòng)，但在系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)大幅度變化的情況下，系統(tǒng)不能適應(yīng)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至失控。提出了三沖 量輔助信號(hào)對消方法消除液位偏差。其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式，長期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。為確保生產(chǎn)生活安全，對鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制就顯得十分重要。液位過高，會(huì)影響汽泡內(nèi)汽水分離效果，使汽泡出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封 破損、葉片斷裂等事故。隨著鍋爐容量的增加，液位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽泡液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。自動(dòng)控制的目的是實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率，節(jié)約能源，改善勞動(dòng)環(huán)境條件。他主要考慮汽泡內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維 持汽泡液位在工藝允許范圍內(nèi)。 3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制 維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。 在鍋爐生產(chǎn)過程中中最常見的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。并且引起液位變化的主要擾動(dòng)就是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。但由于給水溫度 比汽泡內(nèi)飽和水的溫度比較低，因此給水量變化時(shí)，使汽泡內(nèi)氣泡含量減少，導(dǎo)致汽泡液位下降。 圖 △ WWo第三章 鍋爐汽泡液位的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 由于給水溫度比汽泡內(nèi)飽和水的溫度低，給水流量增加后，從原有飽和水中吸取部分熱量。因此，實(shí)際液位曲線如圖 1中 H線。 ? 為響應(yīng)速度，即給水流量改變一個(gè)單位流量時(shí)。 （ 2） 蒸汽流量增加，汽泡氣壓下降，爐水沸點(diǎn)下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽泡液位隨壓力下降而升高。而實(shí)際顯示的液位響應(yīng)曲線 H為 H1+H2。如，一般 100～200t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)蒸汽流量 D 變化 10％時(shí)，“虛假液位”可達(dá)到 30～ 40mm。伴隨著水面下的蒸汽容積的增大，這個(gè)時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)虛假液位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將氣量 D緩慢增加，因此，虛假液位現(xiàn)象要比 D擾動(dòng)下緩和得多。 然而，在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，采用單沖量液位控制系統(tǒng)就不能適用。如果液位過程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。因而能極大的減小給水量和液位的波動(dòng)， 縮短過度過程時(shí) 間。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制。鍋爐給水量在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，還可能發(fā)生幾臺(tái)鍋爐的液位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。在這個(gè)系統(tǒng)里，汽泡液位 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)。由于三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)都比單沖量、雙沖量調(diào)節(jié)要好，因此應(yīng)用也最多。 (2)由液位調(diào)節(jié)對象 01G 和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。在分析內(nèi)回路時(shí)可認(rèn)為主回路是開路，內(nèi)回路是一個(gè)隨動(dòng)的控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)對象以給水量 W 作為輸入，以液位 H作為控制對象的輸出。但這時(shí)的 ?D就不可能是一個(gè)比較簡單的控制系數(shù)，而是一個(gè)相對于比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。與一般串級(jí)系統(tǒng)不同的是引 入了蒸汽流量作為靜態(tài)的前饋信號(hào)，也就是一個(gè)帶有靜態(tài)前饋的串級(jí)控制系統(tǒng)。 WDDKn K? 為靜態(tài)前饋系數(shù)。 PID控制器是比例、積分、微分并聯(lián) 的控制器。故而，比例系數(shù) Kp，選擇必須適當(dāng)，才能達(dá)到過渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。積分時(shí)間 Ti對積分部分的作用影響比較大。微分作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間 Td 決定。 PID 直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多為是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。 50mm，液位變送器的電流變化為 0－ 10mA ，所以液位變送器的比例系數(shù)為： 10 12 50HK ??? 給水流量和蒸汽流量變送器的比例系數(shù)為： ?? 2．根據(jù) D D W Wn K n K? ,給水流量信號(hào)和汽流量信號(hào)的分流系數(shù)為： 。 可見，采用 PID控制器，系統(tǒng)的靜態(tài)性能比較好。模糊理論也瞬間表現(xiàn)出其強(qiáng)大的生命力和滲透力。這使得現(xiàn)代自動(dòng)控制理論的應(yīng)用受到了很強(qiáng)的限制作用。而我國的模糊控制理論及其研究主要是從 1979 年開始的 ,我國的一些科學(xué)家聯(lián)合 設(shè)計(jì)了一類缺乏數(shù)學(xué)模型的控制器，對模糊控制器的特性進(jìn)行了相關(guān)的仿真， 與PID 控制器進(jìn)行了相應(yīng)的比較，結(jié)果表明，模糊控制器對單位階躍響應(yīng)的速度快、精確度高以及對參數(shù)變化敏感等一些優(yōu)點(diǎn)。在 I/ O裝置中，除 A/D 、 D/A轉(zhuǎn)換外，還包括一些必要的電平轉(zhuǎn)換電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：各類電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥等 被控對象：對于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)測對象，更適宜采用模糊控制 傳感器：將被控對象或過程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種裝置 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖 。 2）將己經(jīng)處理過的輸入量進(jìn)行尺度的變換，使其變換到各自合適的論域范圍內(nèi)。這種模糊化方法只是形式上將清晰量轉(zhuǎn)變成了模 糊量，而實(shí)質(zhì)上它表示的仍是準(zhǔn)確量。 三角形模糊器。 (1)數(shù)據(jù)庫。模糊規(guī)則通常有一系列的關(guān)系詞連接而成，如 if－ then , else , also , end , or 等，關(guān)系詞必須經(jīng)過 “ 翻譯 ” 才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。而模糊規(guī)則的條數(shù)與模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)系，如果劃分越細(xì)，那么規(guī)則條數(shù)就越多，但并不代表規(guī)則庫的準(zhǔn)確度就會(huì)越高，同時(shí)規(guī)則庫的“準(zhǔn)確性”還與專家知識(shí)的準(zhǔn)確度有著極大的關(guān)系。對于多輸入多輸出的模糊控制系統(tǒng)，便會(huì)有多個(gè)輸入法和前提條件以及多個(gè)結(jié)論 。 and y 是 B39。 39。 39。 39。 常用 的 模糊推理方式主要有： mamdani 模糊推理方式、 Sugeno 三種 模糊推理方式。 (1)平均最大錄屬度法 (mom) 若輸出量 模糊集合 39。若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個(gè)極值，則取這些極值的平均值為清晰值。( ) ( )Cz df z u z??的中位數(shù)，它滿足0039。 (5)加權(quán)平均法 (面積重心法 centroid) 加權(quán)平均法取 39。對于論域?yàn)殡x散的情況，則有 圖 清晰化計(jì)算的中位數(shù)法 39。若 0z 的變化范圍為 ? ?min max,zz ，實(shí)際控制量的變化范圍為 ? ?min max,uu ，采用線性變換，則 : m a x m i n m a x m i n0m a x m i nm a x m i n22u u z zu k zuukzz????? ? ???????? 其中 k為比例因子。 也就是我們通常所說的 模糊 PID控制器。 它是由一個(gè)常規(guī) 積分控制器和一個(gè)二維模糊控制器相并聯(lián) 組成的。 （ 4） Smith—模糊控制器 它是 將傳統(tǒng) S預(yù)估控制系統(tǒng)中的控制器用模糊控制器 來取代，使得 它即對時(shí)變系統(tǒng)控制，也對純滯后進(jìn)行補(bǔ)償。 1． 定義輸入、輸出變量 根據(jù) 上述 的 分析， 本設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的模糊控制器采用二輸入三輸出類型，以鍋爐的 液位 誤差 E、 液位 誤差變化率 EC作為模糊控制器兩個(gè)輸入變量， P I DK K K、 、 作為模糊控制器的三個(gè)輸出變量。將 液 位 偏差和 液位 誤差率模糊語言變量量化到整數(shù)論域均為：｛ +3｝。 圖 E的隸屬度曲線 圖 EC的隸屬度曲線 第五章 模糊 PID 控制系統(tǒng) 29 圖 KP的隸屬度曲線 圖 KI的隸屬度曲線 圖 輸出控制量 KD的隸屬度曲線 華北理工 大學(xué)電氣工程學(xué)院 30 量化因 子的選擇：誤差的量化因子e enK x?，誤差變化率的量化因子ec ecmK x?輸出控制量的比例因子 uu yK l?，其中 ex 為 液位 誤差值， cex 為 液位 誤差變化率， uy 為輸出 控制量 n、m、 l為論域值。 ecK 過小引起大的超調(diào)，使調(diào)節(jié)時(shí)間長，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)不能工作。本設(shè)計(jì)模糊控制器根據(jù)鍋爐控制的現(xiàn)狀及工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合仿真，歸納總結(jié)出 P的 ID三個(gè)參數(shù)的控制規(guī)則如表 5表 5表 53所示。 6． 模糊推理算法和清晰化計(jì)算 采用 Mamdani型模糊 推理 得 算法，運(yùn)用極小運(yùn)算規(guī)則定義蘊(yùn)涵表達(dá)模糊