【正文】 參考文獻(xiàn)1 翁維勤,[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社,20022 [M].上海:上海交通大學(xué)出版社,20063 張光化,[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20054 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20055 李國(guó)勇,[M].北京:電子工業(yè)出版社,20036 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20057 [D]::南京航空航天大學(xué),8 [D]::華僑大學(xué)，9 李玲玲,葛蔓玲,[J].⑹:97～10110 [J].化工科技市場(chǎng), ⑺:3～511 張建偉,[J].山西電力,:1～612 [J].安徽電力職工大學(xué)學(xué)報(bào),:78～8513 周佳,曹小玲,[J].鍋爐技術(shù),:43～4714 [J].鍋爐技術(shù),(03):29～3315 潘祥亮,[J].上海交通報(bào),(03):6～9 16 姜長(zhǎng)生,王從慶,魏海坤，[M].北京:科學(xué)出版社,200717 王芳．模糊自調(diào)整PID控制在鍋爐汽包液位控制中的應(yīng)用[D]:碩士學(xué)位論文．山東大學(xué),18 楊良煜．基于模糊理論的汽包液位控制器設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué),(04):12～1519 王忠禮,段慧達(dá),[M].北京:清華大學(xué)出版社,200720 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2007致謝經(jīng)過(guò)緊張而有序的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，為期16周的畢業(yè)設(shè)計(jì)將要接近尾聲，在這個(gè)過(guò)程中，自己學(xué)習(xí)到了一些新的理論知識(shí)，比如模糊控制理論的有關(guān)知識(shí)，在李忠虎老師的悉心指導(dǎo)下，從設(shè)計(jì)的選擇、文獻(xiàn)綜述、中期報(bào)告到論文工作的理論分析，直至整個(gè)論文的撰寫，李老師都給予了我無(wú)私的幫助和諄諄教誨，使我一點(diǎn)一點(diǎn)，一步一步地完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。因此，我們提出模糊控制的構(gòu)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(shè)計(jì)采用多模態(tài)模糊PID控制鍋爐汽包液位。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)必須選擇合適的值，才能達(dá)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(gè)數(shù)和名稱確定之后進(jìn)入下一步的各個(gè)模糊變量的模糊函數(shù)類型的確定，本模糊控制器中輸入變量e和ec的模糊函數(shù)類型都選擇高斯型函數(shù)，論域范圍都選擇[6，+6]。 如模糊控制器的輸出為： 則： ∑(等級(jí)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(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)以上參數(shù)觀察液位。對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篣={6，4，2，0，+2，+4，+6}3．確定輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù) 選擇輸入變量的隸屬度函數(shù)為高斯型函數(shù)，輸出變量的隸屬度函數(shù)也為高斯型函數(shù)。公式(42)表示液位偏差的變化。 PID控制階躍響應(yīng)曲線經(jīng)湊試，參數(shù)確定為：Kp=25，KI=，KD=18設(shè)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(diǎn)。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對(duì)象，或是一階加純滯后的對(duì)象，否則，在純比例控制情況下，系統(tǒng)將不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩，因此，這種方法也就無(wú)法應(yīng)用了。對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，取n=10：1，同時(shí)測(cè)出振蕩周期Ts。然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。本文三沖量控制控制系統(tǒng)采用前饋串級(jí)控制方式。因而大大減小了給水量和液位的波動(dòng)，縮短了過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。(2) 在給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到液位改變了以后才動(dòng)作，又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后才能影響到液位，導(dǎo)致汽包液位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。 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(fù)荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對(duì)液位的影響，維持汽包液位在允許的范圍內(nèi)變化。當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，從理論上講，蒸汽流量D大于給水流量W，液位應(yīng)下降，如圖中曲線H1。給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量發(fā)生變化時(shí)，汽包液位對(duì)象的微分方程式可以表示為： (31)式中，T1，T2——時(shí)間常數(shù)；Tw——給水流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；Td——蒸汽流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)；Kw——給水流量項(xiàng)的放大系數(shù)；Kd——蒸汽流量項(xiàng)的放大系數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代鍋爐要向蒸發(fā)量大和汽包容積相對(duì)減小的方向發(fā)展。對(duì)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(duì)控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，再代入下式計(jì)算：Kp=ΔKp+Kp*KI =ΔKI + KI *KD=ΔKD+KD* (211)式中：Kp、KI、KD為PID 3個(gè)控制參數(shù)的取值，Kp*、KI *、KD*為PID參數(shù)基準(zhǔn)值；ΔKp、ΔKI、ΔKD為PID參數(shù)校正值。(3) 操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)上。[18]Ke過(guò)大時(shí)系統(tǒng)上升速度過(guò)快，也會(huì)產(chǎn)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(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊論域，這中間必須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子。 這種判別方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)性也好，但它概括的信息量少，因?yàn)檫@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(yùn)用模糊語(yǔ)言規(guī)則，推出新的模糊判斷結(jié)論的方法。2. 知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)提供必要的定義，包含了語(yǔ)言控制規(guī)則論域的離散化、量化和隸屬度函數(shù)的定義等。1. 模糊化過(guò)程在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需要對(duì)輸入量進(jìn)行采樣、量化并模糊化。工業(yè)上典型的被控對(duì)象是各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程，從數(shù)學(xué)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(shí)變的，可能是一階的或高階的，可能是確定的或是隨機(jī)過(guò)程，當(dāng)然也可能是混合有多種特性的過(guò)程。 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)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(shù)字控制系統(tǒng)。如煉鋼爐的冶煉過(guò)程、工業(yè)鍋爐的燃燒過(guò)程等等。這是因?yàn)椴僮魅藛T對(duì)系統(tǒng)的控制是建立在直觀的經(jīng)驗(yàn)上的，憑借在實(shí)際中取得的經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策就可以完成控制工作。 模糊控制的誕生和社會(huì)科學(xué)技術(shù)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(chǎn)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?jǐn)?shù)學(xué)式表示如下： (23) 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)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(shè)計(jì)中，將重點(diǎn)介紹模糊控制器的設(shè)計(jì)，它是整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心。它利用專家系統(tǒng)的推理機(jī)制決定控制方法的靈活選用，實(shí)現(xiàn)解析規(guī)律與啟發(fā)式邏輯的結(jié)合、知識(shí)模型與控制模型的結(jié)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(shí)現(xiàn)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(gè)集中監(jiān)視、分散控制的儀表化系統(tǒng)，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的控制系統(tǒng)。 鍋爐控制的研究現(xiàn)狀鍋爐是火力發(fā)電廠的重要設(shè)備，同時(shí)也是工礦企業(yè)生產(chǎn)的重要熱力設(shè)備，隨著改革開放后國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鍋爐工業(yè)得到了飛速發(fā)展，我國(guó)每年有很多套的新造工業(yè)鍋爐投入運(yùn)行。(5) 保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性鍋爐的熱效率主要取決于空燃比。壓力過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鍋爐受損；壓力過(guò)低，就不可能提供給負(fù)荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。所以，在鍋爐運(yùn)行中必須保持過(guò)熱汽溫的穩(wěn)定性。鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是保障國(guó)家財(cái)產(chǎn)及人民生命安全，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(dāng)而引起的，由于受到蒸汽負(fù)荷干擾而產(chǎn)生虛假液位，使控制器反向動(dòng)作，進(jìn)而引發(fā)汽包液位的大幅振動(dòng)。本文針對(duì)鍋爐汽包液位的動(dòng)態(tài)特性，研究FUZZYPID控制在鍋爐汽包液位控制中的應(yīng)用。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)備和壓力容器，其安全性尤為重要。另外，壓力過(guò)大容易帶來(lái)危險(xiǎn)。因此，控制蒸汽壓力是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過(guò)多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。因?yàn)殄仩t的燃燒是多輸入多輸出系統(tǒng)，各參數(shù)之間相互影響，相互制約，并且有時(shí)受負(fù)荷干擾嚴(yán)重，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，用經(jīng)典控制理論難以實(shí)現(xiàn)有效的控制，目前在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法是具體分析生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)和要求，在設(shè)計(jì)單回路為主的基礎(chǔ)上，考慮到多變量系統(tǒng)的特點(diǎn)，加以補(bǔ)充修正。該系統(tǒng)由工程師站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。專家控制用在鍋爐控制中，控制效果好，動(dòng)態(tài)特性較好，簡(jiǎn)單易懂，參數(shù)調(diào)整相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制也簡(jiǎn)單的多。 將上述三種汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后，要用MATLAB軟件中的SIMULINK模塊逐一進(jìn)行仿真，分析和比較它們的仿真結(jié)果，最后確定要采用的控制方案?？梢?，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(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。人的經(jīng)驗(yàn)是一系列含有語(yǔ)言變量值的條件語(yǔ)句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語(yǔ)言變量和條件語(yǔ)句。此類過(guò)程的變量多，各種參數(shù)又存在不同程度的時(shí)變性，且過(guò)程具有非線性、強(qiáng)藕合等特點(diǎn)，因此建立這一類過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型困難很大，難以進(jìn)行控制，但有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)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(shè)計(jì)模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：(1) 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)；(2) 設(shè)計(jì)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(shù)。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過(guò)程稱為模糊化，以便實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。規(guī)則庫(kù)根據(jù)控制目的和控制策略給出了一套由語(yǔ)言變量描述的并由專家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合，在建立控制規(guī)則時(shí)，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(shù)目的確定等事項(xiàng)。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(dá)尼(Mamdani)方法等等。(2) 中位數(shù)判決法計(jì)算隸屬函數(shù)曲線同橫坐標(biāo)軸圍成區(qū)域的面積，取1/2面積處橫軸坐標(biāo)為決策值的方法叫做中位數(shù)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(gè)公式來(lái)確定： 　　　　　　　　　　　　　(29)在模糊控制器的實(shí)際工作過(guò)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(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)較小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。(4) 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。PID調(diào)節(jié)器的輸出值u到鍋爐給水流量調(diào)節(jié)器。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時(shí)適應(yīng)負(fù)荷設(shè)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(shí)際并非如此，由于蒸汽量增加，瞬間導(dǎo)致汽包壓力的下降。在工業(yè)汽包液位的自動(dòng)控制中，針對(duì)不同的控制信號(hào)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(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽包容量比較大、液位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“虛假液位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場(chǎng)合，采用單沖量液位調(diào)節(jié)是能夠滿足生產(chǎn)要求的。(2)引入了蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。從圖中可以看出，此系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一是由給水流量W、給水分流器αw組成的內(nèi)回路。在湊試時(shí)，可以參考PID參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響效果，對(duì)參數(shù)實(shí)行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。對(duì)定值系統(tǒng)，取n=4：1。 仿真研究 關(guān)于MATLAB在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，為了克服一般語(yǔ)言對(duì)大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，尤其當(dāng)涉及矩陣運(yùn)算時(shí)編制程序復(fù)雜、調(diào)試麻煩等困難，美國(guó)Math Works公司于1967年構(gòu)思并開發(fā)了矩陣實(shí)驗(yàn)室軟件包。 仿真研究，因?yàn)镸ATLAB提供了基本模糊邏輯工具箱，使得建立和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(diào)量較大，過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)