【正文】 將三維規(guī)則庫的設(shè)計(jì)簡化為二維規(guī)則庫的設(shè)計(jì) ， 避免了設(shè)計(jì)三維規(guī)則庫的困難 ， 并且兩個(gè)二維規(guī)則庫具有相同的輸入 ， 簡化了規(guī)則庫的設(shè)計(jì)。 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。這種結(jié)構(gòu)，無論是在跟蹤設(shè)定值還是抑制擾動(dòng)方面，控制效果都有很大改善。 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(duì)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(gè)參數(shù)在線自整定機(jī)構(gòu)。 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)。模糊控制過程是對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)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(shí)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)。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。則某一時(shí)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(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量。 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。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(shí)間常數(shù)， TD 為微分時(shí)間常數(shù)。鑒于鍋爐燃燒過程的復(fù)雜性和控制難點(diǎn) ， 要實(shí)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(gè)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(jì)算。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。同時(shí) ， 與給煤量成正比例的送風(fēng)量也要相應(yīng)增大。 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)。為了簡化控制規(guī)則 ， 對(duì)于給煤量增量只取 3 個(gè)模糊子集 ， 即 N(負(fù) )、 O(零 )、P(正 )， 并采用對(duì)二維模糊表擴(kuò)展的方法 (見表 )來簡化三維模糊控制表。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(hào) ， 工程實(shí)際中一般以煙氣含氧量作為給煤量的一種間接反饋信號(hào) ， 以最佳含氧量信號(hào)作為標(biāo)識(shí)來控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)燃燒。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 )。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。根據(jù)鍋爐燃燒過程的特點(diǎn) ， 燃燒自動(dòng)控制是這樣來實(shí)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。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。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(shí)間常數(shù)，單位 s， τ 為煤傳送滯后時(shí)間，單位 s。 組成的燃燒系統(tǒng)控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量 。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流 6 管束 ， 因受熱較弱 ， 汽水的容重較大 。 煙氣受引風(fēng)機(jī)、煙囪的引力向爐膛上方流動(dòng)。 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(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)同時(shí)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。 MCS— 51 系列單片機(jī)可擴(kuò)展外部接口，與其它自動(dòng)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(shí)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。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。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%。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(shí)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]。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) ， 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(dòng)化程度不高 ， 運(yùn)行效率低 ， 浪費(fèi)能源嚴(yán)重。系統(tǒng)對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行監(jiān)控 ， 通過傳感器采樣信號(hào) ， 計(jì)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。用 MATLAB 對(duì)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。 為此 ， 國內(nèi)專家對(duì)鍋爐本體燃燒的自動(dòng)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]。 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。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(duì)節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境有重大意義，具有廣闊的前景。 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)。 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 。 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(dòng)爐排轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。 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 )。而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對(duì)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)。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 。 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(dòng)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(shí)間常數(shù)。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 。 燃燒過程的控制基本要求有三個(gè) : 保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定 ， 能按負(fù)荷要求自動(dòng)增減燃料量 。 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(gè)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。 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(duì)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)。含氧量信號(hào)具有時(shí)間延遲短 ， 對(duì)判斷是否充分燃燒反映快等優(yōu)點(diǎn)。 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)。爐膛負(fù)壓過高或過低都會(huì)影響鍋爐的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)燃燒。此時(shí)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。原來的控制系統(tǒng)采用可編程控制器 (PLC)控制 ， 但 PLC 價(jià)格較高 ， 不如單片機(jī)價(jià)格低 。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。 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(hào) 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。 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(shí)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)。 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(jí)的離散化以后對(duì)應(yīng)值的集合 )， 若論域?yàn)檫B續(xù)域 ， 則為隸屬度函數(shù)。知識(shí)庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分組成。 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(gè)微機(jī)系統(tǒng)。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。 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(duì)值 | E| 和偏差變化絕對(duì)值 | EC| 間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系 ： Kp = f1 (| E|， | EC| )