【正文】 由于仿真采用的被控對象的模型較為簡單，系統(tǒng)的給定只是階躍信號，還需要很對系統(tǒng)有更深入的了解，進(jìn)行調(diào)試。目前我國循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)相當(dāng)于國外 80年代初水平，循環(huán)流化床鍋爐自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還存在許多問題。 魯棒性分析 魯棒性就是系統(tǒng)的穩(wěn)健性。利用上面建立起來的模糊控制器和 SIMULINK模型，進(jìn)行動態(tài)仿真，從不同方面比較兩中控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)。其中過鍋爐床溫模糊控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) (直接引用參考文獻(xiàn)中的傳遞函數(shù) )為 (211)[14]。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 50 頁 圖 模糊推理規(guī)則表 至此已建立了模糊推理系統(tǒng)，在 FIS編輯器下的 File下選擇 Save to disk as??，可將所設(shè)計(jì)的 FIS保存到磁盤文件中。為 e， ec變量選擇高斯型和數(shù)量，在接下來的窗口中輸入變量的范圍： [6 6]。因?yàn)槠湄S富的數(shù)值計(jì)算功能和簡潔的語句函數(shù)， MATLAB 語言在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，被認(rèn)為是一種準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件，在科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員中非常普及。 確定模糊化和解模糊化 根據(jù)上述 49條模糊控制 規(guī)則所對應(yīng)的 49條模糊條件語句之間的關(guān)系，按照 Mamdani推理方法，出這 49條語句確定的控制規(guī)則可以算出模糊關(guān)系為： R1=NBe NBec PBu； R2=NBe NMec PBu； R3=NBe NSec PBu； ∶ ∶ ∶ ∶ R49=PBe PBec NBu 在計(jì)算出每一條模糊條件語句決定的模糊關(guān)系 Ri(i=1， 2，?， 49)之后，可得描述整個系統(tǒng)的控制規(guī)則的總模糊關(guān)系： R=R1∨ R2∨ R3∨?∨ R49 （ 312） 在求 得誤差和誤差變化率的模糊集 e和 ec之后，控制量的模糊集 u可由模糊推理綜合算法求得： U=(e ec)一般二維模糊控制器的控制規(guī)則如表 34所示，它可以寫成下列語句的形式： If E=Ai and Ec=Bj then U=Cij （ i=1， 2，?， n； j=1， 2，?， m） （ 35） 其中 Ai、 Bj、 Cij是定義在偏差、偏差變化和控制量論域 X、 Y、 Z上的模糊集?？紤]誤差為負(fù)的情況，當(dāng)誤差為負(fù)大時，若當(dāng)誤差變化率為負(fù)，誤差有繼續(xù)增大的趨勢，為盡快消除誤差，應(yīng)使控制量增加較快，所以控制量的變化取正大；而當(dāng)誤差變化率為正時，誤差有減少的趨勢，所以可取較小的控制量，即誤差變化率為正小 (PS)， 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 50 頁 輸出為正中 (PM)，誤差變化率為正中 (PM)或正大 (PB)時，可不增加控制量，所以這時控制量變化取零值。 模糊控制系統(tǒng)的基本組成框圖如圖 。 Td 增大時，超調(diào)量減少，動態(tài)性能得到改善。 Kp 的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振蕩，使得調(diào)節(jié) 時間延長。解決的辦法是使抑制誤差的作 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 50 頁 用的變化 “ 超前”，即在誤差接近零 時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。對一個自動控制 系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué) 模 型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場 調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。數(shù)據(jù)庫(Data BaseDB)數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸人、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)?？刂七^程是先由熱電偶實(shí)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)?— 20 毫安的電流值與床溫給定值相比較，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送進(jìn)模糊控制器進(jìn)行處理，控制器的輸出控制量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后 控制給煤機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對給煤量的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到對床溫的控制。由于循環(huán)流化床鍋爐控制非 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 50 頁 常復(fù)雜，特別是床溫控制過程是一個具有大慣性、大延遲、非線性、時變等特點(diǎn)。它主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。與傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法比起來，模糊控制的特點(diǎn)為： (1) 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時，可以不要求知道對象精確的數(shù)學(xué)模型，但要對受控對象的特性有充分了解，是以現(xiàn)場操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識的總結(jié)和歸納而建立知識模型； (2) 用語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，或兩者結(jié)合運(yùn)用，來構(gòu)造形成專家的知識庫； (3) 控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于常規(guī)控制難以解決的非線性，時變性，多層次，多干撓的滯后系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐額定負(fù)荷時， KM基本保持在 28左右， TM基本保持在 550s左右?！?)為煙氣的比熱，Cpu(kJ/kg第一部分由爐膛 (快速流化床 )、氣固物料分離設(shè)備、固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器 (有些循環(huán)流化床鍋爐沒有該設(shè)備 )等組成，上述部件形成了一個固體物料循環(huán)回路?？焖倭鲬B(tài)化和密相氣力輸送狀態(tài)的區(qū)域，既經(jīng) 典循環(huán)流態(tài)化的存在區(qū)域。被吹出燃燒室的細(xì)顆粒采用各種分離器收集之后，送回床內(nèi)循環(huán)燃燒。本課題的主要工作可以大致分為以下三個方面：第一，掌握循環(huán)流化床鍋爐的原理，結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)。滯后性在給煤調(diào)節(jié)床溫時普遍存在。而且不論調(diào)節(jié)給煤量或送風(fēng)量，都同樣會影響負(fù)荷，因?yàn)榻o煤量的大小直接與負(fù)荷密切相關(guān)；若是通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量控制床溫，則會改變傳熱系數(shù)從而影響負(fù)荷 (傳熱系數(shù)是與爐內(nèi)氣體流速、床溫、懸浮段物 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 50 頁 料密度等密切相關(guān) )。床溫過高可能易于導(dǎo)致結(jié)焦，而破壞循環(huán)流化床的運(yùn)行狀態(tài)；床溫過低則易引起爐膛滅火，造成停爐故障。國內(nèi)中小型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)也已相當(dāng)成熟，但在大型循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)研究方面，與先進(jìn)國家仍有相當(dāng)大的差距。 1979年，芬蘭奧斯龍 (Ahlstrom)公司開發(fā)的世界首臺 20t/h商用循環(huán)流化鍋爐投入運(yùn)行。 本文首先從循環(huán)流化床原理入手，簡要說明了循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)，并且分析了鍋爐的控制模型。針對鍋爐床溫控制難題，設(shè)計(jì)了基于模 糊邏輯的循環(huán)流化床模糊解耦控制器，說明了控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行仿真對比。此后，循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展很快，已有許多不同的流派和形式，從技術(shù)上可以分為三家： (1)德國魯奇 (Lurgi)、法國 (Stein)、美國 (ABB— CE)型 CFBB，采用魯奇技術(shù)。引進(jìn)國外技術(shù)制造的 2201/h(50Mw)和引進(jìn) 410t/h的 CFBB已投運(yùn)，但從運(yùn)行實(shí)績看，在燃燒效率、鍋爐可靠性、價格和能耗等指標(biāo)上，與傳統(tǒng)煤粉爐相比，仍有一定 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 50 頁 的差距 [1]。床溫也影響汽水系統(tǒng)的吸熱量，從而決定主蒸汽壓力和溫度等各種參數(shù)。給煤和送風(fēng)量的改變又會影響煙氣含 氧量、爐膛負(fù)壓和料床高度，等等。時滯越大 ,被控對象輸入、輸出之間的相關(guān)性越小，用常規(guī)控制已不能滿足當(dāng)前安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、 低污染的需求。第二，熟悉并掌握模糊控制原理，通過查閱模糊控制的相關(guān)文獻(xiàn)，可知模糊控制是一種適用于 多變量，強(qiáng)耦合，大時滯復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域可明顯改善控制的動態(tài)性能。當(dāng)氣體或液體以一定的速度流過固體顆粒層，并且氣體或液體對固體顆粒產(chǎn)生的作用力與固體顆粒所承受的其他 外力平衡時，固體顆粒層會呈現(xiàn)出類似于液體狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化。此時，床內(nèi)無氣泡，無明顯密相界面；存在顆粒成團(tuán)與返混現(xiàn)象；具有較大的氣固滑移速度。第二部分為對流煙道，布置有過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，與常規(guī)火炬燃燒鍋爐相近?！?)為床料的比熱， Hc(kJ/kg)為碳的熱值， Hu(kJ/kg)){J煤中揮發(fā)物的熱值， Tcci(℃ )為循環(huán)灰的溫度， Tcii(℃ )為進(jìn)入爐膛的煤的溫度， TAii(℃ )為進(jìn)入爐膛的空氣的溫度。即： 155028 ?? SSGM ）（ 、 （ 25） （ 3） 一次風(fēng)量擾動下床溫被控對象的動態(tài)過程模型： ））（（）（ 、 11 1 21 3 ?? ?? SS SVV TT TKSG （ 26） 式中，鍋爐額定負(fù)荷時， KV基本保持在 3． 5左右， T T T3分別基本保持在450s、 15s、 90s 即 [14]： )115)(1450( ?? ?? ss sSG V ）（ 、 （ 27） 床溫被控對象的動態(tài)特性分析 給煤量擾動對床溫有較大影響，其它條件不變時，給煤量增大或減少都會造成床溫相應(yīng)升高或降低，但由于燃煤占床料的比例很小，床料熱容量很大，因此在理論上，給煤量擾動下的床溫變化理論上應(yīng)該有個滯后的過程。 由于循環(huán)流他床鍋爐的床溫控制具有大滯后、多變量和強(qiáng)耦合等非線性特性，非常適合 采用模糊控制原理。具體地說，其研究對象具備一些智能控制對象的特點(diǎn)：模型不確定性、非線性和復(fù)雜的任務(wù)要求等。此時用常規(guī)控制理論解決這些問題就出現(xiàn)了困難，因此本設(shè)計(jì)采用控制算法簡單，性能優(yōu)良，有較 強(qiáng)魯棒性的模糊控制算法進(jìn)行控制。控制對象的動態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，因此根據(jù)對象的動態(tài)特性和生產(chǎn)過程對控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入之前要做的一項(xiàng)重要工作。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。實(shí)際中也有 PI 和 ro 控制。 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng)”。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例”項(xiàng)往往是不夠 的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤 差變化的趨勢 ，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等 于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。相反，若 Kp 太小會使系統(tǒng)動作緩慢，靈敏度降低。但是 Td 太大時，會引起過大的超調(diào)， 系統(tǒng)不穩(wěn)定； Td 太小，調(diào)節(jié)質(zhì)量改善不大。 模糊化模 糊控 制規(guī) 則模 糊決 策判 決清晰化控 制對 象設(shè) 定模 糊 控 制 器輸 出 圖 模糊控制系統(tǒng)組成框圖 由上圖我們看出，模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)過程可概括為以下三個步驟： ，轉(zhuǎn)化為模糊量； ，并確定推理法則，也就是模糊決策，模糊決策后還必須經(jīng)過模糊判決以便得到一個確切的控制量； ，從而計(jì)算出精確的控制量。當(dāng)誤差為負(fù)中時，考慮的原則仍然是盡快消除誤差，其控制量的變化取值同誤差為負(fù)大時。描述控制規(guī) 則的模糊關(guān)系 R為： R=Y Ai Bj Cij （ 36） R的隸屬函數(shù)為： uR(x, y,z ) = (i = n。 R （ 313） 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 50 頁 由上式計(jì)算出的模糊控制量，可以選用一種判決方法，如采用最大隸屬度方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。 4. 1 模糊控制器的仿真實(shí)現(xiàn) 本文提出的雙輸入單輸出模糊控 制器，其中模糊控制器的仿真實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。在右下角輸入相應(yīng)的參數(shù)： [8 6 4]。當(dāng)需要調(diào)用這一模糊推理系統(tǒng)時，可直接采用 tipfis文件。 圖 循環(huán)流化床鍋爐床溫控制系統(tǒng)的 SIMULINK仿真模型 圖例說明： Fuzzy Logic Controller 為模糊邏輯推理模塊，它完成模糊規(guī)則運(yùn)算； Transfer F 為一階慣性模塊，它可作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)的特性； Scope 為示波器模塊，用來顯示溫度的變化曲線。 與常規(guī) PID控制效果的比較 常規(guī) PID控制效果圖 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 50 頁 模糊控制效果圖 圖 系統(tǒng)控制效果比較圖 由圖比較可以看出，模糊控制器控制下的系統(tǒng)過渡過程時間比較短，超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)沒有明顯震蕩，控制效果比較理想。它是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。由于循環(huán)流化床燃燒的復(fù)雜性，使得建立循環(huán)流化床鍋爐的