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基于matlab的鍋爐汽包液位控制仿真研究(留存版)

2025-08-08 02:46上一頁面

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【正文】 單沖量仿真曲線圖經(jīng)湊試,參數(shù)確定為:=245,KI =110,KD =85設(shè)定值為10。在湊試時(shí),可以參考PID參數(shù)對(duì)控制過程的影響效果,對(duì)參數(shù)實(shí)行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比,它有直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。這實(shí)質(zhì)上是將操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得出的一條條模糊條件語句的集合。(1)模糊自適應(yīng)PID參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對(duì)值、偏差變化率的絕對(duì)值的大小和調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)短,不斷地在線修正PID參數(shù)、KI、KD。(3) 操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)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。(3) 量化因子和比例因子的選擇量化因子Ke和Kec的大小對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響極大。推理結(jié)果的獲得,表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成,但是至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量,不能直接用來作為控制量,還必須作一次轉(zhuǎn)換,求得清晰的控制量輸出,即解模糊化。(2)知識(shí)庫知識(shí)庫是模糊控制器的一個(gè)重要組成部分,是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn),包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo),它通常由數(shù)據(jù)庫和控制規(guī)則庫兩部分組成:數(shù)據(jù)庫提供所有必要的定義所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)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)庫中。 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。從理論上講模糊控制器應(yīng)是連續(xù)型的控制器,但在工程上實(shí)現(xiàn)模糊控制都是采用數(shù)字計(jì)算機(jī),所以在實(shí)際應(yīng)用中,模糊控制器又是一種離散型的控制器。但傳統(tǒng)的PID控制也存在許多不足,最突出的一點(diǎn)就是有關(guān)PID參數(shù)的問題。當(dāng)TI較大時(shí),則積分作用較弱,這時(shí),有利于系統(tǒng)減小超調(diào),過渡過程不易產(chǎn)生震蕩,但是消除靜差所需的時(shí)間較長(zhǎng),當(dāng)TI較小時(shí),則積分作用較強(qiáng),這時(shí)系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生震蕩,但消除靜差所需的時(shí)間較短。然而在這種情況下,為什么PID控制器依然能在過程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,其中一個(gè)原因,是許多高級(jí)控制策略都采用分層結(jié)構(gòu),而PID控制被用于最底層;上層多變量控制器給底層的PID控制器提供設(shè)定值;另一個(gè)原因,是負(fù)責(zé)實(shí)際操作的技術(shù)人員要掌握復(fù)雜控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)比較難。這個(gè)調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入調(diào)節(jié)信號(hào):汽包水位作為主沖量信號(hào),蒸汽流量作為前饋信號(hào),給水流量作為內(nèi)反饋信號(hào)。(2)在給水?dāng)_動(dòng)時(shí),調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動(dòng)作,又經(jīng)過一段時(shí)間延遲后才能影響到水位,導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大變化,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)[2]。但實(shí)際上,在擾動(dòng)的初始瞬間,水位不但沒有下降反而是上升的,汽包水位不是H1而是H。水位過高,會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多,蒸汽帶水會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高降低過熱蒸汽品質(zhì),增加在過熱器管壁上的結(jié)垢;水位過低,則可造成水的急速蒸發(fā),汽水自然循環(huán)破壞,局部水冷管壁被燒壞嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。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,汽包水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。 本文的主要研究?jī)?nèi)容本論文就鍋爐汽包水位控制特性作為研究切入點(diǎn),探討如何解決鍋爐汽包水位控制特性所提出的問題。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。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象,會(huì)使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞,同時(shí)過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話,還會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片,影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此,必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),把水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。 FUZZYPID control。作者簽名: 日期: 年 月 日導(dǎo)師簽名: 日期: 年 月 日 注 意 事 項(xiàng)(論文)的內(nèi)容包括:1)封面(按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作)2)原創(chuàng)性聲明3)中文摘要(300字左右)、關(guān)鍵詞4)外文摘要、關(guān)鍵詞 5)目次頁(附件不統(tǒng)一編入)6)論文主體部分:引言(或緒論)、正文、結(jié)論7)參考文獻(xiàn)8)致謝9)附錄(對(duì)論文支持必要時(shí)):理工類設(shè)計(jì)(論文)正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字(不包括圖紙、程序清單等)。作者簽名:        日  期:         學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的,可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。正常運(yùn)行時(shí)的鍋爐燃燒系統(tǒng)必須使出口的過熱蒸汽溫度維持在一定范圍內(nèi),該參數(shù)的控制質(zhì)量直接影響著機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此,需要維持爐膛壓力在一定的范田之內(nèi)。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)就是不需要建立對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表,然后由該表決定控制量的大小。雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是:調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)。第二章 鍋爐汽包液位系統(tǒng)特性與控制方法分析鍋爐是一種既受壓又直接受火的特種設(shè)備,是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。汽包水位間接地表示了鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系,隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大,對(duì)給水控制提出了更高的要求,其主要原因有:(l)汽包的個(gè)數(shù)和體積減少,使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少,從而加快了汽包水位的變化速度。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化,完全穩(wěn)定下來時(shí),水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升??傊捎诖嬖凇疤摷僖何弧爆F(xiàn)象,當(dāng)負(fù)荷蒸汽流量增加時(shí),汽包水位開始不但不降反而上升,即先上升后下降。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí),采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)到調(diào)節(jié)要求的。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí),液位可以保持無差。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示: (31)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(duì)象輸出值的差,稱偏差信號(hào); 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。令: , ,則有: (36)其中,KI,KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。所以,探求一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。模糊控制的基本思想就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn),而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是由語言來表達(dá)的,這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪:?。把人的?jīng)驗(yàn)用模糊條件語句表示,然后用模糊集合理論對(duì)語言變量進(jìn)行量化,再用模糊推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理,產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策,這就是模糊控制器的工作過程。這些規(guī)則實(shí)質(zhì)是人類控制行為的一種語言描述。④加權(quán)平均法加權(quán)平均法是將各等級(jí)隸屬度與該等級(jí)值相乘,并求乘積和,然后除以隸屬度和,所得值即為控制決策值,即控制決策值=[∑(等級(jí)值隸屬度)]/ ∑隸屬度 (37)以上幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中,究竟采用何種方法不能一概而論,應(yīng)視具體情況而定。 模糊控制器的優(yōu)缺點(diǎn)模糊控制器的基本思想是用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制,它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的:對(duì)于用傳統(tǒng)控制理論無法進(jìn)行分析和控制、復(fù)雜而無法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng),有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)<覅s能取得比較好的控制效果。若要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù),從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大,降低決策速度,甚至不能實(shí)時(shí)控制,有待人們進(jìn)一步地研究探索。當(dāng)偏差e在閥值之外時(shí)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落到閥值之內(nèi)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PID控制工作,以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。MATLAB語一言設(shè)計(jì)者的初衷是為了解決數(shù)學(xué)中“線性代數(shù)”課程的陣運(yùn)算問題而進(jìn)行開發(fā)的。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境SIMULINK工具箱是MATLAB軟件的擴(kuò)展,主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。 曲線衰減法的整定參數(shù)δ/%TiTdPδsPIPID 2.臨界比例度法在系統(tǒng)閉環(huán)情況下,將控制器的積分時(shí)間TI放到最大,微分時(shí)間TD放到最小,比例度δ設(shè)置為100%。當(dāng)k時(shí)刻的水位偏差高于k1時(shí)刻的水位偏差,說明水量變化在增大,即實(shí)際水位有上漲趨勢(shì),偏差變化為“負(fù)”;相反,當(dāng)k時(shí)刻的水位偏差低于kl時(shí)刻的水位偏差,偏差變化為“正”,模糊控制器的輸出量是閥門開度u(k)的變化,它直接影響水位y(k)的變化。(2)輸入變量及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。若的過渡過程成衰減振蕩,則繼續(xù)減小δ值,若的過渡過程呈發(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。用戶只需用鼠標(biāo)器選擇所需模塊在模型窗口上“畫出”模型(雙擊任何模塊,即可代開該功能塊來完成參數(shù)的設(shè)定),然后用鼠標(biāo)器將它們連接起來,就可以構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的框圖描述,亦即得出系統(tǒng)的SIMULINK描述。其他諸如信號(hào)處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科,也紛紛MATLAB中加入了各種實(shí)用的專用工具,使得MATLAB語言越來越完善功能越來越強(qiáng)大。一般輸入變量取為系統(tǒng)的偏差和偏差變化率,輸出變量為PID參數(shù)U。PID控制算法對(duì)大多數(shù)過程都具有較好的控制效果和適應(yīng)性,至今仍為控制過程所廣泛采用。因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過程總結(jié)成一些規(guī)則,并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器。 模糊論域、量化因子和比例因子的選擇(1) 模糊論域和基本論域模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化的實(shí)際范圍稱為這些變量的基本論域,設(shè)誤差的基本論域?yàn)閇emax,+emax],誤差變化的基本論域?yàn)閇ecmax,+ecmax]。(3)模糊推理推理是模糊控制器中,根據(jù)輸入模糊量,由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程,并獲得模糊控制量的功能部分。下面對(duì)其分別詳細(xì)說明:(1)模糊化所謂模糊化,就是把輸入E和EC根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù),找出所定義的各個(gè)語言值的隸屬度的過程,從而把精確量輸入“模糊化”成不同的語言值,實(shí)現(xiàn)模糊控制的第一步。這就是模糊控制的基本思路。針對(duì)上述問題,長(zhǎng)期以來,人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自整定技術(shù),以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。分別介紹如下:(1) 比例部分比例部分?jǐn)?shù)學(xué)式表示如下: (32)偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即有控制作用,使控制量朝著減小偏差的方向變化,控制作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù),越大,控制作用越強(qiáng),則過渡過程越短,控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越小;但越大,超調(diào)量也越大,越容易產(chǎn)生震蕩,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞,甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。第三章 控制理論分析 PID控制理論 PID控制器簡(jiǎn)述PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間,盡管自上世紀(jì)80年代以來,電子計(jì)算機(jī)的快速更新?lián)Q代和計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展,推動(dòng)了控制理論研究的深入開展,出現(xiàn)了許多先進(jìn)的控制算法,然而,以PID為原理的各種控制器仍是過程控制中不可或缺的基本控制單元。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)。 鍋爐汽包水位控制汽包水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)水位的影響,維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)變化。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低,所以給水量變化后,使汽包內(nèi)汽泡含量減少,導(dǎo)致水位下降。(3)提高了鍋爐的工作壓力,給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜,流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。工業(yè)鍋爐中最常見的事故有:鍋爐缺水,鍋爐超壓,鍋爐滿水,汽水共騰,爐膛爆破,二次燃燒,鍋爐滅火等。(3)三沖量控制系統(tǒng)一般而言,鍋爐容量越大,汽包容水量相對(duì)就越小,允許的蓄水量就更小,這就要求提高汽包水位的控制。由此看來,將模糊控制引入鍋爐水位控制系統(tǒng)已是勢(shì)在必行。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。所以,在鍋爐運(yùn)行中必須保持過熱汽溫的穩(wěn)定性。而模糊控制不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,只需要操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù),魯棒性強(qiáng),適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制,但其靜態(tài)性能不能令人滿意,限制了它的應(yīng)用。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人授權(quán)      大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 PID control。為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求,保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性,工業(yè)鍋爐主要有下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù):1.保持汽包液位汽包液位是工業(yè)鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)。通過對(duì)工業(yè)鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)的分析,我們知道:工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一,汽包水位是一個(gè)十分重要的被調(diào)參數(shù)。同時(shí),人們也在其它控制方法上做了很多研究,例如:基于集散控制系統(tǒng)的鍋爐控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的鍋爐控制、基于專家控制的鍋爐控制、混沌PID智能控制器及遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID智能控制器等。針對(duì)這個(gè)問題,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(jìn)了給水量信號(hào)控制。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù),同時(shí)鍋爐汽包水位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。鍋爐水位自動(dòng)控制(給水自動(dòng)控制)的任務(wù)就是控制給水流量,使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化,維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性(給水量不變)可直接從公式(2l)導(dǎo)出: (26)經(jīng)拉式變換后: (27)其傳遞函數(shù)為: (28)上式可以用兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效,即: (29)在蒸汽流量F擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測(cè)量信號(hào)為唯一的控制信號(hào),即調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值
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