【正文】 boiler production．The most accidents of boiler were caused by the unfit control of drum water level，which was due to the interference of steam to the drum，causing the false water level，making the reaction of controller，then arousing the large margin vibration of the drum water level．According to the feather of the drum water level，we research the using of the fuzzypid pound control in the boiler drum water level control system．The traditional control mode of threevariable in the drum water level mostly uses PID．The fuzzy control does not need precise mathematical model of the controlled object，it only needs the experience of operator and the data of operating，it has good robustness and is fit to control the system with nonlinearity and time lag，but its static characteristic is dissatisfied，which limits its application．It is usual mode of threevariable drum water level in order to eliminate the static error that using fuzzyPID control，and the simulation with the action of setting value and noise．The result of simulation indicates that the effect of control improves paring with simple fuzzy control and traditional PID control，which can satisfy the control requirement of the drum water level．Key words：drum water level；PID control；fuzzy control；fuzzyPID control；simulation內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）目 錄鍋爐汽包液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究 I摘 要 IAbstract II第一章 引 言 1 課題背景與意義 1 鍋爐控制的研究現(xiàn)狀 3 本文的主要研究內(nèi)容 5第二章 控制理論分析 6 PID控制理論 6 模糊控制理論 8 模糊控制理論的起源與發(fā)展 8 模糊控制的基本思想 9 模糊控制系統(tǒng)的組成 11 模糊控制器的設(shè)計(jì) 12 模糊論域、量化因子和比例因子的選擇 16 模糊控制的主要優(yōu)點(diǎn) 17 模糊控制存在的問題 18 模糊PID控制 18 模糊自適應(yīng)PID原理簡介 18 多模態(tài)模糊PID控制原理 19 多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 19第三章 鍋爐汽包液位系統(tǒng)特性與控制方法分析 20 汽包液位的動(dòng)態(tài)特性 20 汽包液位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 20 汽包液位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 22 鍋爐汽包液位控制 23 單沖量控制系統(tǒng) 24 雙沖量控制系統(tǒng) 25 三沖量控制系統(tǒng) 26第四章 鍋爐汽包液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究 28 汽包液位的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 汽包液位的PID控制系統(tǒng)的建立 28 PID參數(shù)的整定 28 仿真研究 30 關(guān)于MATLAB 30 關(guān)于SIMULINK 31 仿真研究 31第五章 多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究 33 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真研究 33 模糊控制器的設(shè)計(jì) 33 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 39 仿真研究 39 多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 45 仿真研究 46 幾種控制效果比較分析 47第六章 結(jié)束語 48參考文獻(xiàn) 50致謝 52 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）第一章 引 言 課題背景與意義鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)部門重要的動(dòng)力設(shè)備，它產(chǎn)生的高壓蒸汽可作為動(dòng)力源，也可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題 目：鍋爐汽包液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究學(xué)生姓名：強(qiáng) 佳學(xué) 號：200440503124專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：測控20041班指導(dǎo)教師：李忠虎 副教授53內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）鍋爐汽包液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究摘 要鍋爐是化工、發(fā)電、煉油、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。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(jìn)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(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)，液位過高會(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；液位過低會(huì)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(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；液位過低會(huì)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(fù)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(shí)控制，就會(huì)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(huì)影響汽包的汽水分離。這一方面造成經(jīng)濟(jì)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(huì)造成嚴(yán)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(jì)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(diǎn)技術(shù)之一。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： (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(shí)間； TD——控制器的微分時(shí)間。(3) 微分部分微分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式表示如下： (24)微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質(zhì)，因?yàn)槲⒎肿饔檬前凑掌畹淖兓厔輥砜刂?，具有及時(shí)性。令 ， ， 則有 (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(dòng)機(jī)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(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動(dòng)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(gè)：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。對于某一個(gè)輸入值，它必定與某一個(gè)特定模糊子集的隸屬程度相對應(yīng)。(2) 規(guī)則庫 模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識(shí)的語言來描述的，專家知識(shí)常采用“IF…THEN…”的規(guī)則形式，而這樣的規(guī)則很容易通過模糊條件語句描述的模糊邏輯推理來實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，中位數(shù)較少采用。(3) 量化因子和比例因子的選擇量化因子Ke和Kec的大小對控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響極大。因此，量化因子和比例因子必須選擇適當(dāng)，才能使系統(tǒng)產(chǎn)生較好的控制效果?？刂埔?guī)則的選擇、論域的選擇、模糊集的定義、量化因子的選取多采用湊試法，這對復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的[17]。 多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理比較簡單， 多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)原理圖 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負(fù)荷變化或受干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。因此，必須對汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將液位嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。經(jīng)拉氏變換后得 (35) 從而可以得到汽包液位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)： (36) Tw的數(shù)值一般很小，常?？梢院雎圆挥?jì)，對于一些鍋爐，在給水量增加時(shí)，在較長一段時(shí)間里，汽包液位并不增加，有一段較長的起始慣性段，這類鍋爐用下面近似計(jì)算公式： (37) 根據(jù)以上公式，在給水流量階躍輸入作用下， 給水流量擾動(dòng)下的液位特性曲線 圖中的H1曲線為給水?dāng)_動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線，但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加以后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得液位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時(shí)，液位的變化就完全反映了由于汽包中給水量的增加而逐漸上升。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，液位不僅不下降，反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則液位先下降，然后再上升)，這種現(xiàn)象稱之為“虛假液位” ，當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，液位才反映出物料的不平衡，開始下降。 單沖量控制系統(tǒng)，它是汽包液位自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。這樣不僅可以補(bǔ)償“虛假液位” 引起的錯(cuò)誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)。當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。 汽包液位三沖量控制原理圖及方框圖本文就是采用這種三沖量的控制方式，將蒸汽流量作為前饋信號，把給水流量作為控制信號，組成汽包液位的三沖量控制系統(tǒng)，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)PID控制對汽包運(yùn)行中“虛假液位”嚴(yán)重時(shí)控制不夠及時(shí)，所以將模糊控制應(yīng)用到該三沖量控制系統(tǒng)中，組成切換型的復(fù)合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包液位的定值控制。 　2．如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。若yu的過渡過程成衰減振蕩，則繼續(xù)減小δ值，若yu的過渡過程呈發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大δ值，直到調(diào)至某一值，過渡過程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩，這時(shí)過渡過程稱之為臨界振蕩過程。MATLAB語言的主要功能如下：(1) 強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能(MATRICS)；(2) 廣泛的符號運(yùn)算功能(SYMBOLIC)；(3) 高級與低級裝備的圖形功能(FIGURE)；(4) 圖形化控制仿真程序設(shè)計(jì)功能(SIMULINK)；(5) 可靠的容錯(cuò)功能(ERROR COMPATIBILITY)；(6) 應(yīng)用靈活的兼容與接口功能(INTERFACE)；(7) 信息量豐富的聯(lián)機(jī)檢索功能(INFORMATION)。它的windows中提供了建立系統(tǒng)模型所需的大部分類型方塊。模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理知識(shí)，模擬人的模糊思維方法對復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)行控制的一種智能控制系統(tǒng)。2．輸入變量和輸出變量的模糊化進(jìn)行模糊控制，要將上述輸入變量及輸出變量用模糊語言變量的模糊子集表示。據(jù)此，得到表中共49條規(guī)則。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。中位數(shù)法比最大隸屬度法包含了更多的信息。用戶可以在MATLAB編程環(huán)境中單獨(dú)編程調(diào)用這些文件或函數(shù)。多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，模糊控制器的設(shè)計(jì)和純模糊控制系統(tǒng)中的模糊控制器一樣，在偏差比較大時(shí)，用開關(guān)模塊自動(dòng)切換到模糊控制方式中，偏差比較小時(shí)，切換到PID控制方式中，它具有響應(yīng)速度快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。 幾種控制效果比較分析從仿真曲線比較圖可以看出：(1)多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量比較小。我們通過對鍋爐汽包液位的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲線。(3) 三沖量控制系統(tǒng)。可靠性高，控制效果好