【正文】 O NS NM NM NS NS ZO ZO ZO NS NS NS NS NS ZO PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO PM PB PS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 第 節(jié) 合成推理算法 此系統(tǒng)為二維輸入三維輸出的模 糊控制系統(tǒng)，輸入分別為 E 和 EC,而輸出分別為PID 的三個調(diào)節(jié)參數(shù) pK ， iK ， dK ，完成了對三者的模糊控制規(guī)則表的設計后，然后便要根據(jù)模糊理論進行算法合成，求得相應的 pK ， iK ， dK 的三個控制表。 通過式 ? ? ? ? ? ?22e x p 02xax?????????????與式 pK = ? ?1 | |,| |f E EC 求出 R。j=1,2,? ,n) （ 4 由此，可得到比例系數(shù) pK 的模糊規(guī)則： 表 比例系數(shù) pK 的模糊規(guī)則表 E EC NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 28 NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB （ 2） 積分系數(shù) iK 的模糊規(guī)則表 通常積分調(diào)節(jié)主要用于消除和控制靜態(tài)誤差，同 時，由于飽和和非線性等原因，使得控制過程初期出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大超調(diào)。 3） 通過以上關系完成對控制器中 pK ， iK ， dK 的參數(shù)的整定，實現(xiàn)模糊控制。模糊子集為： E， EC, pK ， dK ，iK ={NB,NM,NS,ZO,PM,PB}. 量化因子的選擇： 誤差的量化因子 eK 為： eK =n/ex ； 誤差變化率的量化因子 ecK 為： ecK =n/ ecx ； 輸出控制量的比例因子 uK 為： uK = uy /n； 其中 ex 為誤差， ecx 為誤差變化率， uy 為輸出控制量， n為論域值。通常，對于汽包水位的控制多采用 PID 控制算法，實踐告訴我們，其效果并不是太令人滿意。 10） 與最大隸屬度法相比較，重心法具有更平滑的輸出推理控制。非模糊化運算，又稱去模糊化、清晰化運算等，常用的方法有以下三種： ①最大隸屬度函數(shù)法：在取所有規(guī)則推理結果的模糊集合中隸屬度最 大的那個元素作為輸出值。與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)相比，基于專家經(jīng)驗法構成的模糊控制規(guī)則器需要一些內(nèi)涵的和客觀的準則。 盡管 模糊推理方程式是線性的，但它們能表示高度非線性的輸入輸出函數(shù)關系。基于模糊模型的控制規(guī)則庫建立健全有很多方法，從理論上來說，這些方法都具有好的性能和較小的計算量。用一系列模糊條件描述的模糊控制規(guī)則就構成模糊控制規(guī)則庫。一般選用“大、中、小”三個詞匯來表示 模糊控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)，加上正、負兩個方 向并考慮零狀態(tài)，共有七個詞匯。數(shù)據(jù)庫還提供模糊邏輯推理必要的數(shù)據(jù)、模糊化接口和精確化計算接口相關論域的必要數(shù)據(jù)，包含了語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正則化以及輸入空間的分區(qū)、隸屬度函數(shù)的定義等。這種模糊方法只是形式上將清晰量轉變成了模糊量，而實質上表示的仍然是準確量。理論上講，控制的精細程度與維數(shù)的高低成正比，維 數(shù)越高，控制越精細，控制效果也會越好，但維數(shù)和高低同樣也會影響控制規(guī)則的復雜程度，控制算法實現(xiàn)的難易程度，當維數(shù)太高時，控制變成難以實現(xiàn)，所以，合理的選擇模糊控制的維數(shù)是很重要的，目前人們多用的設計為二維模糊控制器。通過一組模糊條件語句構成模糊控制規(guī)則，并計算由模糊控制規(guī)則決定的模糊關 系，實際上就是構造合適的模糊控制算法。 模糊控制器（ Fuzzy Controller），全稱模糊邏輯控制器（ Fuzzy Logic Controller），是通過類似語言的控制規(guī)則進行控制的，是一種智能的控制方法，在自動控制系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 15 （ 3） 執(zhí)行機構：包括了各種交、直流電動機，伺服電 動機，步進電動機，氣動調(diào)節(jié)閥，液壓機構等。若構造的查詢表存在不合理性時，或量化因子和比例因子選擇不當，都會導致振蕩。模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制 的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應 能力，使之具有一定的智能水平。 90年代以來，模糊控制的領域更加廣泛，除了以往的工業(yè)過程應用以外，各種商業(yè)民用場合也大量采用模糊控制技術，如模糊控制洗衣機、模糊微波爐、模糊空調(diào)、地鐵運行的模糊控制、機器人控制等。為了對這些現(xiàn)象進行描述便漸漸形成了模糊數(shù)學。 圖 前饋 串級控制系統(tǒng) 本文 擬在前饋 — 串級三沖量控制的基礎上加入模糊控制，通過模糊控制選擇合適的 PID中的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)來實現(xiàn) PID控制器的整定，實現(xiàn)優(yōu)化控制，避免了 傳統(tǒng) PID控制中的 難以 控制滯后、非線性及無法消除耦合 關聯(lián) 的缺點。 針對上述情況，為了把水位控制穩(wěn)定，大雙沖量水位調(diào)節(jié)基礎上引入給水流量信號，由水位 H、蒸汽流 量 D和給水流量 W組成了三沖量汽包水位控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽包水位H是控制變量，是主沖量信號，蒸汽流量、給水流量是兩個輔助沖量信號。 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 10 雙沖量控制系統(tǒng)對于單沖量控制系統(tǒng)存在的第三個問題 對給水干擾不能及時克服，同樣不能解決。 雙沖量的特點： （ 1）引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當蒸汽量變化時，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“虛假水位”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。 （ 3） 對給水干擾不能及時克服。 常用的方法多為三種：單沖量、雙沖量及三沖量控制。蒸汽流量振動時，水位變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為： 1sT KsKD ( s )( s )HD ( s )( s )HD ( s )H ( s ) 2 2f21 ?????? （ 2 （ 2） 汽包水位在蒸汽流量振動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。所以其曲線 上升斜率先增加后不變，直線上升 如圖中 H所示 。 第 節(jié) 汽包水位的動態(tài)特性 決定汽包水位的除了汽包中（包括循環(huán)水管）儲水量的多少外，也與水位下氣泡水位與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關。 2)應積極開發(fā)與控制匹配的先進優(yōu)化監(jiān)控軟件和系統(tǒng)。 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 4 模糊控制在汽包水位控制中的應用與前景 模糊控制作為經(jīng)典的智能控制算法，在面對不同的控制領域都有著很強的優(yōu)勢。使過熱器出口溫度保持在允許的范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超出工藝允許的溫度。它主要是保持汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。另一個輔助鍋爐每小時能產(chǎn)生 220噸 的高壓蒸汽，水在汽包中停留的時間只有 1min。這種控制方法常見的一種是 FuzzyPI 雙模控制形式。水位的過高、過低都會給鍋爐及蒸汽用戶的安全操作帶來不得的影響。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件。 FuzzyPID 復合控制指的是模糊技術與常規(guī)的 PID 控制算法相結合的一種控制方法。如某裝置中的一個廢熱鍋爐，能產(chǎn)生 的高壓蒸汽，蒸發(fā)量為 181t/h，水在汽 包的停留時間為 10min。被控變量是汽包水位中，控制變量是給水流量。被控變量為過熱蒸汽溫度，控制變量為減溫器的噴水量國。 近年來，鍋爐自動化研究主要集中在三個方面：一，傳統(tǒng) PID 控制領域，作用其他方法和 PID 控制相結合來改善 PID 控制效果；二，利用人工智能和計算機科學最新技術，開發(fā)模糊控制系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)等；三，針對鍋爐的強耦合性，開發(fā)解耦控制系統(tǒng)。今后熱工自動化的研究方向應注意以下幾個方面的研究秘開發(fā) . 1)實際控制工程中，要求控制器簡單，計算時間短，而目前先進 控制策略往往結構復雜，計算用時很長，而且大部分還只是處于實驗室仿真，并未真正投入生產(chǎn)，所以將其推向實際應用是今后努力的方向之一。所以，必須對汽包水位進行嚴格的控制。 當水位 下氣泡容積不再變化時，水位變化就完全反應了因 儲水量的增加而直線上升。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，將使τ增加到 100～ 200之間。這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。與此同時，汽包水位不僅受鍋爐側的影響，也受到汽輪機側的影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應能限制汽包水位在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化。負荷變化時，需引起汽包水 位變化后才起控制作用，由于控制緩慢，導致控制質量下降。這里的閃饋僅為靜態(tài)前饋，若要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，則還須引入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。同時調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難。要經(jīng)過一定的延遲時間以后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復雜。對于此方案不管系數(shù)如何設置，當負荷變化時，液位仍可保持無差。它們無法用經(jīng)典的數(shù)學方法來度量，但大家在使用過程中，也并不會產(chǎn)生誤解與歧義。 1983年，日本學者 Shuta Murakami研制成功了一種 基于語言真值推理的模糊邏輯控制器，并成功地用于汽車速度的自動控制。 （ 3） 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異；但一個系統(tǒng)語言規(guī)則卻具有相對獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。 （ 3）易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。模糊控制系統(tǒng)中的控制器采用的是基于知識表示和規(guī)則推理的語言型控制器，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別與其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。因此，在選擇傳感器時，應注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。 (3)設計知識庫。 ① 維數(shù)的選擇，通常將模糊控制器輸入輸出變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。 如果輸入量是準確的，則通常將其模糊化為模糊單點集合。所有輸入輸出變量所對應的論域 以及這些論域上所定義的規(guī)則庫中所使用的全部模糊子集的定義都存放在數(shù)據(jù)庫里。模糊分割就是要確定對于每個評議變量取值的模糊語言名稱的個數(shù)，模糊分割的個數(shù) 決定了模糊控制精細化的程度。 規(guī)則庫，模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識的語言來描述的，專家知識常采用“ 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現(xiàn)。 基于模糊模型的控制 這種方法是基于對物理過程的模糊化數(shù)學表示，并由一組語言規(guī)則來描述此過程，它們的適應度由距離測量來決定。 模糊規(guī)則 iR 必須是完整的，且覆蓋輸入空間 { psss ,..., 21 }的全部模糊分區(qū)。由于模糊控制的規(guī)則 是通過語言條件語句來模擬人類的控制形為，且它的條件語句與專家的控制特性直接相關，因此這種方法是很自然的。而被控對象只能接受一個確定的控制量，因此必須將模糊 量再轉換成精確量，作為控制器的輸出。 9） 對于具有 m個輸出量化級數(shù)的論域情況，則有 ? ?? ??????mkkvmkkvkvvvv110?? （ 3 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 23 第 4 章 鍋爐汽包水位的模糊控制系統(tǒng)設計與仿真 鍋爐 汽包水位控制系統(tǒng)具有純滯后、非線性等特點，工業(yè)要求其要具有良好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。 E同， EC， pK ， dK 的模糊論域為 [3,3],劃 分為七個等級，即 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}； iK 為 {， }，也劃分為七個等級，即 {， ， ， 0， ， ， }。 2） dK = ? ?3 | |,| |f E EC ； （ 4對于鍋爐汽包水位的控制中，初期階段要提高響應速度， pK 須選擇較大的值；到調(diào)節(jié)中期階段時，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度的要求，要將 pK 適當置大；到調(diào)節(jié)后期時，必須要減小靜態(tài)誤差，提高控制的精度，此時要調(diào)整到較大的位置。 首先對 pK 設計調(diào)整表，對于二維輸入（ E， EC）一維輸出（ pK ）模糊控制系統(tǒng)，其控制規(guī)則一般可寫成如下語言推理形式： If E= iE and EC= jEC then pK = pijK (i=1,2,? ,m。 設 k i jD