【正文】 參考文獻1 翁維勤,[M].北京化學工業(yè)出版社,20022 [M].上海:上海交通大學出版社,20063 張光化,[M].北京:機械工業(yè)出版社,20054 [M].北京:化學工業(yè)出版社,20055 李國勇,[M].北京:電子工業(yè)出版社,20036 [M].北京:化學工業(yè)出版社,20057 [D]::南京航空航天大學,8 [D]::華僑大學，9 李玲玲,葛蔓玲,[J].⑹:97～10110 [J].化工科技市場, ⑺:3～511 張建偉,[J].山西電力,:1～612 [J].安徽電力職工大學學報,:78～8513 周佳,曹小玲,[J].鍋爐技術,:43～4714 [J].鍋爐技術,(03):29～3315 潘祥亮,[J].上海交通報,(03):6～9 16 姜長生,王從慶,魏海坤，[M].北京:科學出版社,200717 王芳．模糊自調整PID控制在鍋爐汽包液位控制中的應用[D]:碩士學位論文．山東大學,18 楊良煜．基于模糊理論的汽包液位控制器設計[J].西安科技大學,(04):12～1519 王忠禮,段慧達,[M].北京:清華大學出版社,200720 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2007致謝經過緊張而有序的學習和設計，為期16周的畢業(yè)設計將要接近尾聲，在這個過程中，自己學習到了一些新的理論知識，比如模糊控制理論的有關知識，在李忠虎老師的悉心指導下，從設計的選擇、文獻綜述、中期報告到論文工作的理論分析，直至整個論文的撰寫，李老師都給予了我無私的幫助和諄諄教誨，使我一點一點，一步一步地完成了本次的畢業(yè)設計。因此，我們提出模糊控制的構想。鍋爐汽包液位的控制方案通常有如下幾種：(1) 單沖量控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和純模糊控制系統(tǒng)相比較，多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)具有較好的控制效果，所以，本設計采用多模態(tài)模糊PID控制鍋爐汽包液位。仿真實驗時必須選擇合適的值，才能達到理想的控制效果，本系統(tǒng)中取e0=。圖 模糊控制器編輯界面在模糊控制變量的個數和名稱確定之后進入下一步的各個模糊變量的模糊函數類型的確定，本模糊控制器中輸入變量e和ec的模糊函數類型都選擇高斯型函數，論域范圍都選擇[6，+6]。 如模糊控制器的輸出為： 則： ∑(等級值隸屬度)=(6)+(4)+(2)+(2)+(4)+(6)= ∑隸屬度=+++++=7．建立模糊控制器的輸出查詢表，查詢表如下表所示。如某模糊控制器的輸出為：，故4為反模糊化的結果?，F場根據以上參數觀察液位。對應的模糊論域為：U={6，4，2，0，+2，+4，+6}3．確定輸入、輸出變量的隸屬度函數 選擇輸入變量的隸屬度函數為高斯型函數，輸出變量的隸屬度函數也為高斯型函數。公式(42)表示液位偏差的變化。 PID控制階躍響應曲線經湊試，參數確定為：Kp=25，KI=，KD=18設定值為10。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對象，或是一階加純滯后的對象，否則，在純比例控制情況下，系統(tǒng)將不會出現等幅振蕩，因此，這種方法也就無法應用了。對于隨動系統(tǒng)，取n=10：1，同時測出振蕩周期Ts。然后根據各調節(jié)參數對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數，以達到滿意的系統(tǒng)響應，從而確定PID調節(jié)參數。本文三沖量控制控制系統(tǒng)采用前饋串級控制方式。因而大大減小了給水量和液位的波動，縮短了過渡過程的時間。(2) 在給水擾動時，調節(jié)器要等到液位改變了以后才動作，又經過一段時間延遲后才能影響到液位，導致汽包液位發(fā)生較大變化，調節(jié)時間長。 鍋爐汽包液位控制汽包液位控制的目的就是要克服鍋爐負荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對液位的影響，維持汽包液位在允許的范圍內變化。當蒸汽流量突然增加時，從理論上講，蒸汽流量D大于給水流量W，液位應下降，如圖中曲線H1。給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負荷不變，那么在給水流量發(fā)生變化時，汽包液位對象的微分方程式可以表示為： (31)式中，T1，T2——時間常數；Tw——給水流量項時間常數；Td——蒸汽流量項時間常數；Kw——給水流量項的放大系數；Kd——蒸汽流量項的放大系數。隨著科學技術的飛速發(fā)展，現代鍋爐要向蒸發(fā)量大和汽包容積相對減小的方向發(fā)展。對于汽包液位控制，其誤差e和誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入量，以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求，根據模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數，再代入下式計算：Kp=ΔKp+Kp*KI =ΔKI + KI *KD=ΔKD+KD* (211)式中：Kp、KI、KD為PID 3個控制參數的取值，Kp*、KI *、KD*為PID參數基準值；ΔKp、ΔKI、ΔKD為PID參數校正值。(3) 操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。[18]Ke過大時系統(tǒng)上升速度過快，也會產生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 量化因子和比例因子為了進行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊論域，這中間必須將輸入變量乘以相應的量化因子。 這種判別方法簡單易行，實時性也好，但它概括的信息量少，因為這種方法完全不考慮其它隸屬度較小的元素的影響和作用。模糊推理是以模糊判斷為前提的，運用模糊語言規(guī)則，推出新的模糊判斷結論的方法。2. 知識庫知識庫包括數據庫和規(guī)則庫，數據庫提供必要的定義，包含了語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和隸屬度函數的定義等。1. 模糊化過程在確定了模糊控制器的結構之后，就需要對輸入量進行采樣、量化并模糊化。工業(yè)上典型的被控對象是各種各樣的生產設備實現的生產過程，從數學模型的角度講，它們可能是單變量或多變量的，可能是線性的或是非線性的，可能是定常的或時變的，可能是一階的或高階的，可能是確定的或是隨機過程，當然也可能是混合有多種特性的過程。 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制屬于計算機數字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數字控制系統(tǒng)。如煉鋼爐的冶煉過程、工業(yè)鍋爐的燃燒過程等等。這是因為操作人員對系統(tǒng)的控制是建立在直觀的經驗上的，憑借在實際中取得的經驗采取相應的決策就可以完成控制工作。 模糊控制的誕生和社會科學技術的發(fā)展和需要是分不開的。我們今天所熟知的PID控制器產生并發(fā)展于19151940年期間。TD越小，它反抗e(t)變化的作用越弱。(2) 積分部分積分部分數學式表示如下： (23) 從積分部分的數學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除偏差。在模糊控制系統(tǒng)的設計中，將重點介紹模糊控制器的設計，它是整個模糊控制系統(tǒng)的核心。它利用專家系統(tǒng)的推理機制決定控制方法的靈活選用，實現解析規(guī)律與啟發(fā)式邏輯的結合、知識模型與控制模型的結合，它模仿人的智能行為，采取有效的控制策略，從而使控制性能的滿意實現成為可能。4．基于集散控制系統(tǒng)[1] [2]的鍋爐控制集散控制系統(tǒng)是一個集中監(jiān)視、分散控制的儀表化系統(tǒng)，是目前國內先進的控制系統(tǒng)。 鍋爐控制的研究現狀鍋爐是火力發(fā)電廠的重要設備，同時也是工礦企業(yè)生產的重要熱力設備，隨著改革開放后國民經濟的高速發(fā)展，鍋爐工業(yè)得到了飛速發(fā)展，我國每年有很多套的新造工業(yè)鍋爐投入運行。(5) 保證鍋爐燃燒的經濟性鍋爐的熱效率主要取決于空燃比。壓力過高，會導致鍋爐受損；壓力過低，就不可能提供給負荷設備符合質量的蒸汽。所以，在鍋爐運行中必須保持過熱汽溫的穩(wěn)定性。鍋爐安全經濟運行是保障國家財產及人民生命安全，促進國民經濟發(fā)展，合理使用和節(jié)約能源的重要保證。鍋爐的大部分事故是由汽包液位控制不當而引起的，由于受到蒸汽負荷干擾而產生虛假液位，使控制器反向動作，進而引發(fā)汽包液位的大幅振動。本文針對鍋爐汽包液位的動態(tài)特性，研究FUZZYPID控制在鍋爐汽包液位控制中的應用。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險的特殊設備和壓力容器，其安全性尤為重要。另外，壓力過大容易帶來危險。因此，控制蒸汽壓力是安全生產的需要，也是保證燃燒經濟性的需要。如果比值不當，空氣不足，結果導致燃料的不完全燃燒，當大部分燃料不能完全燃燒時，熱量損失直線上升；如果空氣過多，就會使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。因為鍋爐的燃燒是多輸入多輸出系統(tǒng)，各參數之間相互影響，相互制約，并且有時受負荷干擾嚴重，因此很難用精確的數學模型來表示，用經典控制理論難以實現有效的控制，目前在工程設計中經常采用的方法是具體分析生產過程的特點和要求，在設計單回路為主的基礎上，考慮到多變量系統(tǒng)的特點，加以補充修正。該系統(tǒng)由工程師站、操作站、現場控制站、通信網絡等組成。專家控制用在鍋爐控制中，控制效果好，動態(tài)特性較好，簡單易懂，參數調整相對于傳統(tǒng)PID控制也簡單的多。 將上述三種汽包液位控制系統(tǒng)設計好之后，要用MATLAB軟件中的SIMULINK模塊逐一進行仿真，分析和比較它們的仿真結果，最后確定要采用的控制方案。可見，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差，可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID控制器以其結構簡單及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。隨著科學技術的迅速發(fā)展，各個領域對自動控制系統(tǒng)控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復雜多變。人的經驗是一系列含有語言變量值的條件語句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當地表達具有模糊性的語言變量和條件語句。此類過程的變量多，各種參數又存在不同程度的時變性，且過程具有非線性、強藕合等特點，因此建立這一類過程的精確數學模型困難很大，難以進行控制，但有經驗的操作人員進行手動控制卻可以收到令人滿意的效果。 模糊控制系統(tǒng)原理框圖(1)模糊控制器：它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。 模糊控制器的設計模糊控制器的設計主要包括以下幾項內容：(1) 確定模糊控制器的結構；(2) 設計模糊控制器的控制規(guī)則；(3) 確立模糊化和非模糊化的方法；(4) 確定模糊控制器的參數。將精確量轉化為模糊量的過程稱為模糊化，以便實現模糊控制算法。規(guī)則庫根據控制目的和控制策略給出了一套由語言變量描述的并由專家或自學習產生的控制規(guī)則的集合，在建立控制規(guī)則時，首先要解決諸如狀態(tài)變量的選擇、控制變量的選擇、規(guī)則類型的選擇和規(guī)則數目的確定等事項。目前模糊邏輯推理方法還在發(fā)展之中，比較典型的有扎德()方法、瑪達尼(Mamdani)方法等等。(2) 中位數判決法計算隸屬函數曲線同橫坐標軸圍成區(qū)域的面積，取1/2面積處橫軸坐標為決策值的方法叫做中位數法。量化因子一般用K表示，誤差的量化因子Ke和誤差變化的量化因子Kec分別由下面兩個公式來確定： 　　　　　　　　　　　　　(29)在模糊控制器的實際工作過程中，一般誤差和誤差變化的基本論域選擇范圍要比模糊論域選擇范圍小，所以量化因子一般都大于1。Kec較大時，系統(tǒng)的超調較小，但是系統(tǒng)的響應速度變慢。(4) 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應品質優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對過程參數的變化具有較強的適應性。PID調節(jié)器的輸出值u到鍋爐給水流量調節(jié)器。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應負荷設備的需要量，汽包液位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。 (32)H0——穩(wěn)定狀態(tài)下的水位；ΔH——水位高度的變化。但實際并非如此，由于蒸汽量增加，瞬間導致汽包壓力的下降。在工業(yè)汽包液位的自動控制中，針對不同的控制信號可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。綜上，單沖量汽包液位調節(jié)的優(yōu)點是：系統(tǒng)結構簡單，在汽包容量比較大、液位在受到擾動后的反應速度比較慢、“虛假液位”現象不很嚴重的場合，采用單沖量液位調節(jié)是能夠滿足生產要求的。(2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調節(jié)質量。從圖中可以看出，此系統(tǒng)有兩個閉合回路：一是由給水流量W、給水分流器αw組成的內回路。在湊試時，可以參考PID參數對控制過程的影響效果，對參數實行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。對定值系統(tǒng)，取n=4：1。 仿真研究 關于MATLAB在科學研究和工程應用中，為了克服一般語言對大量的數學運算，尤其當涉及矩陣運算時編制程序復雜、調試麻煩等困難，美國Math Works公司于1967年構思并開發(fā)了矩陣實驗室軟件包。 仿真研究，因為MATLAB提供了基本模糊邏輯工具箱，使得建立和設計模糊控制器變得方便，模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設計的各種途徑。從仿真曲線可以看出，PID控制方案下，系統(tǒng)的超調量較大，過渡時間較長