【正文】 SS?（ S） (41) 蒸汽流量干擾通道傳遞函數(shù)為： 2 0 .2= (3 1)G SS?（ S） (42) 圖 PID 控制系統(tǒng)模型 PID 參數(shù)的整定 一、湊試法確定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù) 湊試法是通過觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 (例如階躍響應(yīng) )。 汽包液位 H 是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量 D、給水流量 W 是兩個輔助沖量信號。 從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋 (蒸汽流量 )加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)，這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點是： (1)引入蒸汽流量前饋信號 可以消除“虛假液位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。 LTLC給水省煤器汽包蒸汽控制器Gc執(zhí)行器GV汽包對象G1液位變送器設(shè)定值 液位 圖 汽包液位單沖量控制原理圖及方框圖 單沖量汽包液位控制系統(tǒng)存在兩個主要問題： (1) 當(dāng)鍋爐蒸汽負荷變化很大時，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始液位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤動作反而擴大了汽包進出流量的不平衡，使汽包液位和給水量的波動幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。 本文中取 f202 2( ) =( ) ( 1 ) ( 1 3 )H S K KG D S S T S S S? ? ? ??（ S ） = (311) 由此可見，汽包液位調(diào)節(jié)對 象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛假液位”現(xiàn)象，“虛假液位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比。即在給水流量作用下，汽包液位的傳遞函數(shù)為： 01 ( ) K w 1G ( S ) = =w ( ) ( 1 ) ( 1 15 )HSV S S S S S? ??12TT (39) 汽包液位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性 在蒸汽流量 D 作用下，液位的階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。 汽包液位在給水流量作用下的動態(tài)特性 給水流量對液位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。 汽包液位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，同時，鍋爐汽包液位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。 模糊 PID 控制 模糊自適應(yīng) PID 原理簡介 模糊自適應(yīng) PID 參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對值、偏差變化率的絕對值的大小和調(diào)整時間的長短，不斷地在線修正 PID 參數(shù) Kp、 KI、 KD。 (2) 對于具有一定操作經(jīng)驗、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。因為 Ke 增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，雖然能使上升時間變短，但是由于超調(diào)過大，使得系統(tǒng)的過渡過程較長。 誤差變量所取的模糊論域為： {n， n+1，．．． 0，．．． n1， n} 誤差變化變量所取的模糊論域為： {m， m+1，．．． 0，．．．ｍ 1，ｍ } 控制量所取的模糊論域為：｛ ｌ，．．． 0，．．．ｌ｝ 有關(guān)模糊論域的選擇問題 ,一般選 n≥ 6， m≥ 6，ｌ≥ 6，這樣能確保模糊集能較好地覆蓋模糊 論域，本文中取 n=m=ｌ =6。當(dāng)多個最大隸屬度元素時，就取它們的平均值作為輸出。 3. 模糊推理 模糊決策推理是模糊控制的核心，它利用知識庫的信息模 擬人類的推理決策過程，給出了適合的控制量。這樣，對于每一個物理輸入量至少有一個模糊子集的隸屬程度大于零。 1. 模糊化過程 在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需要對輸入量進行采樣、量化并模糊化。 模糊控制器的設(shè)計 模糊控制器的設(shè)計主要包括以下幾項內(nèi)容： (1) 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)； (2) 設(shè)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(shù)。 模糊控制器 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象+ 圖 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。此類過程的變量多，各種參數(shù)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(shù)學(xué)模型困難很大，難以進行控 制，但有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制卻可以收到令人滿意的效果。人的經(jīng)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(dāng)?shù)乇磉_具有模糊性的語言變量和條件語句。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。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(jié)構(gòu)簡單及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響?？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，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 將上述三種汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)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(jié)果，最后確定要采用的控制方案。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(shù)調(diào)整相對于傳統(tǒng) PID 控制也簡單的多。該系統(tǒng)由工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。因為鍋爐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，并且有時受負荷干擾嚴重，因此很難用精確的數(shù)學(xué) 模型來表示，用經(jīng)典控制理論難以實現(xiàn)有效的控制，目前在工程設(shè)計中經(jīng)常采用的方法是具體分析生產(chǎn)過程的特點和要求，在設(shè)計單回路為主的基礎(chǔ)上，考慮到多變量系統(tǒng)的特點，加以補充修正。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，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)濟性的需要。 另外，壓力過大容易帶來危險。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險的特殊設(shè)備和壓力容器，其安全性尤為重要。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(yīng)用。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫 2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準規(guī)范。為消除模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，本文將 FUZZYPID 引入鍋爐汽包液位的三沖量控制中，并利用Simulink 分別在設(shè)定值及干 擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果表明，較之單純的模糊控制和常規(guī) PID 控制，這種控制效果較為理想，可滿足鍋爐的汽包液位控制要求。其中，壓力、液位、溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標(biāo)，液位過高會影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；液位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。液位過高會影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；液位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬管壁局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。如果爐膛壓力太大，爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備與操作人員的安全。如果液位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸；液位過高會影響汽包的汽水分離。這一方面造成經(jīng)濟效益差和不安全，容易造成工業(yè)事故，另一方面，煤燃燒不充分也會造成嚴重的環(huán)境污染。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的特性解決了模糊邏輯設(shè)計中存在的一些問題。其中，模糊 PID 控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應(yīng)用的重點技術(shù)之一。 PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tPDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? (21) 式中， u（ t） —— 控制器的輸出； e（ t） —— 控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號； KP—— 控 制器的比例系數(shù)； TI—— 控制器的積分時間； TD—— 控制器的微分時間。 (3) 微分部分 微分部分數(shù)學(xué)表達式表示如下： ()u(t)= . D de tKp T dt (24) 微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質(zhì)，因為微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，具有及時性。 令I(lǐng) ITsK KpT? ， DDPTKKTs? ， 則有 0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]kIDiU k K p e k K e i K e k e k?? ? ? ? ?? (26) 其中 Kp， KI， KD 分別為比例、積分、微分系數(shù)。 1974 年，英國瑪莉皇家學(xué)院的 Mamdani(馬丹尼 )教授將模糊控制首次用于蒸汽發(fā)動機的壓力和速度控制，性能比PID 更好，這也許就是模糊控制技術(shù)首次在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用。對于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對象，采用傳統(tǒng)控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員所進行的手動控制效果好。這也就是模糊控制器的工作過程。這就是模糊控制的基本思路。模糊控制器的主要功能有三個：模糊量化處理、模糊推理 (決策 )、精確化處理。 一般而言，通常選擇被控對象的輸出變量與設(shè)定值的偏差、偏差的變化、偏差變化的變化等，作為模糊控制器的輸入變量，而把控制量作為模糊控制器的輸出變量。每一個限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。 (1) 數(shù)據(jù)庫 模糊邏輯控制中的數(shù)據(jù)庫主要 包括：量化等級的選擇、量化因子、比例因子和模糊內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 子集的隸屬度函數(shù)。從條件變量的多少、模糊規(guī)則多少的角度來劃分，模糊規(guī)則推理方法又可分為近似推理、模糊條件推理、多輸入模糊推理、多輸入多規(guī)則推理等四種模糊推理規(guī)則。 中位數(shù)法比最大隸屬度法包含了更多的信息。 模糊控制器輸出的控制量還不能直接控制對象，必須將其轉(zhuǎn)換到控制對象所能接受的基本論域中去。量化因子 Ke 和 Kec 的大小影響著輸入變量誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度， Ke 和 Kec 兩者之間也相互影響。 模糊控制存在的問題 雖然模糊控制取得了很多研究成果，但是由于它的發(fā)展歷史還不長，因此，理論上的系統(tǒng)性和完善性，技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性還都是不夠的；另一方面，模糊控制雖有其獨特的優(yōu)點，但并不能取代傳統(tǒng)的控制方法，而是作為后者的補充和改進。 多模態(tài)模糊 PID 控制原理 這種控制策略是：在大偏差范圍內(nèi)，即偏差 e 在某個閾值之外時 采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即 e 落到閾值之內(nèi)時轉(zhuǎn)換成 PID 控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為液位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。 maxww D??V (33) Δ w—— 給水流量的變化； Dmax—— 最大蒸汽負荷量。汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使液位變化的曲線如圖中的 H2 線。其中，單沖量控制系統(tǒng)以汽包液位測量為唯一的控制信號；雙沖量控制系統(tǒng)在汽包液位信號為主要控制信號的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作 為前饋信號；三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進給水量控制信號作為內(nèi)環(huán)控制。 雙沖量控制系統(tǒng) 在汽包液位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達到調(diào)節(jié)要求的。二是由液位調(diào)節(jié)對象 G變送器、調(diào)節(jié)器 Gc 和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。 1．首先只整定比例部分。同時通過建立系統(tǒng)模型如圖 所示，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。為此再引入給水流量信號，即采用三沖量液位控制回路。α D 為蒸汽流量的分流系數(shù)。此方式將液位測量信號經(jīng)變送器送到液位調(diào)節(jié)器，液位調(diào)節(jié)器根據(jù)液位測量值與給定值的偏差去控制閥門，改變給水量來保持汽包液位在允許的操作范圍內(nèi)。 K2—— 響應(yīng)曲線 H2 的放大系數(shù)； T2—— 響應(yīng)曲線的時間常數(shù)。 用傳遞函數(shù)來描述時，它相當(dāng)于一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為： 01 ( ) Kw kG ( S ) = =w ( ) ( 1 ) ( 1 )HSV S S S S T S? ??12TT