【文章內(nèi)容簡介】 (31)按Buckley地Mamdani推理，用重心法進行模糊判決，則系統(tǒng)地推理輸出 (32)其中，為前提條件下的模糊蘊含，這種帶模糊判決和Mamdani型的模糊模型是對連續(xù)函數(shù)的一種完備映射。模糊控制中有幾種常見的模糊推理，下面分別說明：（1）第一種模糊推理——模糊蘊含運算采用Mamdani的最小運算規(guī)則，這種模糊蘊含運算采用Rc，從而有 (33) (34) （2）第二種模糊推理——模糊蘊含運算采用Larsen的積運算規(guī)則 (35) (36) （3）第三種模糊推理——規(guī)則的結(jié)論是輸入語言變量的函數(shù)在這種推理方法種，模糊控制規(guī)則具有如下形式：Ri：如果（x是Ai…且y是Bi）則 z＝fi（x，…，y）其中x，…，y表示過程狀態(tài)變量和控制變量，Ai，…，Bi為過程變量的語言變量值。為了簡單起見，假定有兩條控制規(guī)則：R1：如果x是A1且y是B1則 z＝f1(x，y)R2：如果x是A2且y是B2則 z＝f2(x，y)根據(jù)第一條規(guī)則，控制作用的推斷值為，第二條規(guī)則的推斷值為，總的控制作用是和的加權(quán)組合，即 (37)如圖 所示，加熱爐爐膛溫度控制主要分為三段，即二加熱段，一加熱段和均熱段，其中后兩段分成上下兩部分，每部分單獨控制，即共設(shè)五個溫度控制器。在設(shè)計控制器時，需要根據(jù)各段的不同特性，選取不同的論域和不同的量化因子。而隸屬函數(shù)的形狀也會很微妙地影響著整個模糊系統(tǒng)的過程[16]，因此，同樣需要根據(jù)對象特性區(qū)別選擇。下面通過鋼坯三種不同的升溫方式比較，如圖 所示，來說明加熱爐爐溫在各段的分布特性，以確定不同段的模糊控制參數(shù)。（1）加熱二段預熱段和加熱二段的作用是對初入爐的鋼坯進行預熱，因此要求把握好升溫速度。如果升溫過于緩慢，如圖 方式 1，隨后的加熱段不得不加大燃料消耗量，提高鋼坯的升溫速度，致使鋼坯溫度梯度過大，導致鋼坯的內(nèi)外溫度分布無法達到均衡，鋼坯出爐時沒有燒透，不利于進行軋制；相反如果升溫過快，如圖 3，斷面溫差較大，不僅燃料消耗量大大增加，而且使絕大多數(shù)鋼坯種類處于彈性狀態(tài)，使鋼坯內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應力和加熱缺陷，導致板帶成品率降低。所以應使鋼坯在低溫區(qū)域預熱時，加熱速度適中，溫度應力小，如圖 方式 2，按此要求，應選擇相對較小的Ke 和較大的Kec，而語言變量詞集的選擇應該較多，隸屬函數(shù)應該是級數(shù)多而中心區(qū)域覆蓋范圍較大的隸屬函數(shù)。（2）加熱一段經(jīng)過預熱段和二加熱段升溫后的鋼坯進入塑性范圍，要求明顯加快加熱速度，使鋼坯表面溫度迅速上升到出爐所要求的溫度，盡量減少鋼坯在高溫區(qū)域停留的時間，降低燃料消耗，同時使鋼坯的氧化燒損程度減至最小。所以控制的重要指標是升溫的快速性。如圖 所示，三種加熱方式在該段都是以最快的速度加熱。因此該段選取相對較大的Ke 和較小的 Kec ，而語言變量詞集的選擇應該較少，據(jù)此應該選擇中心覆蓋區(qū)域較小，兩端覆蓋區(qū)域大的隸屬函數(shù)。（3）均熱段均熱段的主要作用是使鋼坯的斷面溫差達到軋制工藝要求。 所示，進入均熱段后，鋼坯的表面溫度不再升高，中心溫度逐漸上升，內(nèi)外溫度達到平衡。所以該段控制的重要指標是爐膛溫度的穩(wěn)定性。因此，需要加強抑制擾動的能力，Ke 和Kec的選擇應該兼顧快速性和穩(wěn)態(tài)精度。而該段隸屬函數(shù)的選擇盡量均衡，變化緩慢，使控制特性也較為平緩。表 不同段間的參數(shù)選通過對各段特性的分析，對于模糊控制器的重要參數(shù)的選取有了很清楚的指導，下面以加熱段為例，給出模糊控制器的具體實現(xiàn)方法[18]。（1）選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)作為設(shè)計工作的第一部分，進行系統(tǒng)分析，然后確定模糊控制器的輸入及輸出變量，包括他們的數(shù)值變化范圍，以及要求達到的控制精度等。本文以加熱爐溫度為控制目標，燃料流量為副控制對象設(shè)計單變量二維模糊控制器。以溫度誤差e和誤差變化率ec為模糊控制器的輸入，以燃料流量控制電壓u為模糊控制器的輸出量。 （2）求取模糊控制表控制表是以整數(shù)表示輸入量和控制量，在CRI法中，通常把語言變量的論域轉(zhuǎn)換成有限整數(shù)的論域。本質(zhì)上是把連續(xù)論域離散化后產(chǎn)生離散論域。在此，我們再次引入量化因子這個概念，例如，若實際的輸入量，其變化范圍為[,],要求的論域為[,]，且采用線性變換，則 （38） （39）式中，k為比例因子。若在X；論域中有值a，則可以找到論域N中的元素b與之對應：b=q*a.其中q為量化因子。如果求出的b含有小數(shù)，則可采用四舍五入方法對b取整數(shù)。（3）確定模糊控制器輸入輸出模糊變量、模糊狀態(tài)及論域等級對應e、ec、u 相應的模糊變量分別為E， E C， U。每個模糊變量可以分若干個模糊狀態(tài)，如 NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?、ZO（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）等。模糊狀態(tài)數(shù)量選擇取決于實際問題的要求，如控制精度、變量性質(zhì)等，根據(jù)表 的分析，e 的模糊變量設(shè)為{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}；ec 的模糊變量設(shè)為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；u 的模糊變量設(shè)為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；e ,ec ,u ,的論域為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}：設(shè)偏差e的基本論域為[50℃,+50℃],通過量化變化到偏差語言變量E的整數(shù)論域{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}中，則偏差e的量化因子應為。設(shè)偏差變化率ec的基本論域為[5℃,+5℃], 通過量化變化到偏差語言變量EC的整數(shù)論域{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}中，則偏差ec的量化因子應為。設(shè)輸出量u的基本論域為[4v,20v], 通過量化變化到偏差語言變量U的整數(shù)論域{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}中，則偏差u的量化因子應為。（4）確定隸屬函數(shù)根據(jù)表 的分析可知，對加熱段的控制可以取模糊量的隸屬度函數(shù)為等腰三角形，三角形的頂點對應該隨機數(shù)的均值，底邊的長度等于2σ。σ表示該隨機數(shù)據(jù)的標準差。隸屬度函數(shù)取為三角形，主要是考慮其表示方便，計算簡單選取分布均勻，變化緩慢的隸屬函數(shù)。一般隸屬函數(shù)的形狀越陡，分辨率越高，控制靈敏度也越高；相反，若隸屬函數(shù)的變化很緩慢，則控制特性也比較平緩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過上面的分析并在查閱相關(guān)資料后，在試驗過程中將這些知識不斷進行修正和完善，最終建立了基于產(chǎn)生式規(guī)則的控制規(guī)則表，如表 所示表 溫度模糊控制規(guī)則表。 模糊推理系統(tǒng)圖 模糊變量 E 的隸屬函數(shù)圖 模糊變量 EC 的隸屬函數(shù)圖 輸出量U的隸屬函數(shù)在前兩章的基礎(chǔ)上本章最終設(shè)計出了加熱爐的整個控制系統(tǒng)，包括爐溫燃燒串級控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)、空氣總管壓力控制系統(tǒng)。重點對爐溫燃燒串級控制系統(tǒng)作了詳細的分析，對其分析分為兩步，一是爐溫控制的分析，二是燃燒控制的分析。對爐溫控制主要講了串級控制的特點，以及是怎樣實現(xiàn)對擾動的抑制，還說了主控制器算法的選取和參數(shù)的整定；對燃燒控制首先提出了必須達到的兩個目標，即空燃比必須得到快速的調(diào)節(jié)和時時的處于設(shè)定范圍，然后，選用模糊控制技術(shù)來設(shè)計溫度控制器。通過分析各段不同的升溫特性，給出了不同段模糊控制器參數(shù)選取的原則。并以加熱段為例，建立了模糊控制系統(tǒng)，對模糊系統(tǒng)的輸入輸出變量進行選取與量化；結(jié)合專家經(jīng)驗建立了模糊控制規(guī)則集合（共48條規(guī)則），完成了控制系統(tǒng)規(guī)則庫的設(shè)計；采用最小最大加權(quán)平均法進行模糊推理與解模糊。最后詳細的講了燃燒控制確定的過程，即對方案的逐一改進，最后確定出較優(yōu)的方案用于本設(shè)計。第四章 燃燒控制策略研究燃燒系統(tǒng)作為串級控制系統(tǒng)的副回路，主要是用來按照主回路溫度控制器的輸出流量要求為燃燒過程提供合理的空氣和煤氣的流入量，在保證最佳燃燒效率的基礎(chǔ)上，盡快響應主回路的輸出變化。在該系統(tǒng)中，可以克服流量回路壓力變化、閥門摩擦及非線性特性等造成的困難。根據(jù)對燃燒機理的剖析，不管是燃燒的穩(wěn)定狀態(tài)還是在過渡狀態(tài)下，只有當爐內(nèi)燃燒效率最高，才能保證主回路溫度控制器輸出的煤氣流量變化能夠以最快的速度準確地反映到爐溫的變化上。由公式(23)，可知空燃比與空氣過剩系數(shù)成正比，故空燃比與熱效率也存在一個極值關(guān)系，因此，提高爐內(nèi)的熱效率，就轉(zhuǎn)化成為尋找爐內(nèi)最佳空燃比。通過上述分析，可知燃燒控制系統(tǒng)主要解決以下兩個問題：（1）保證空氣流量和煤氣流量按照設(shè)定的空燃比實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)空氣回路和燃料回路的特性(如調(diào)節(jié)閥的形式及流體特性等)有所不同，兩個系統(tǒng)的響應特性也有很大的差異，空氣回路往往滯后于煤氣回路，使得動態(tài)過程中空燃比難以保持一致。因此，使兩個回路按照設(shè)定的空燃比以最快的速度響應爐溫控制器的調(diào)節(jié)，是燃燒系統(tǒng)需要解決的主要問題之一。（2）在工藝要求和外界干擾的情況下，空燃比設(shè)定值的在線優(yōu)化，包括兩方面的內(nèi)容：1）在煤氣熱值發(fā)生漂移時，空燃比的波動很大，必須重新尋找空燃比的極值曲線，找到平衡關(guān)系。2）加熱爐系統(tǒng)參數(shù)多變(如爐內(nèi)熱損失，負荷發(fā)生大變動)，會對空燃比設(shè)定值產(chǎn)生較大的影響，這時就要求系統(tǒng)通過尋優(yōu)找到最佳的空燃比設(shè)定值。這也是當前加熱爐系統(tǒng)有待解決的難題。，通過加熱爐溫度調(diào)節(jié)器TC直接控制進入燒嘴的燃料量，而助燃空氣量則由比例調(diào)節(jié)型燒嘴自動按比例改變。通過調(diào)整燒嘴進風口的大小，可改變空氣和燃料的配比關(guān)系。該系統(tǒng)原理簡單，但助燃效果不理想，只適用于小型鍋爐。，加熱爐溫度主調(diào)節(jié)器TC的輸出直接作為燃料流量副調(diào)節(jié)器FfC 的給定值，同時經(jīng)過空燃比運算器r運算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器FaC的給定值。通過調(diào)整r，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。加熱爐的燃料燃燒過程中，不僅要保證穩(wěn)態(tài)情況下的剩余空氣系數(shù) 一定，更重要的是在加熱爐負荷發(fā)生變化的動態(tài)情況下，保證 仍保持在合理的范圍內(nèi)。事實上，由于空氣流動管道特性與燃料流動管道特性的差異，燒嘴特性的變化，流量測量的誤差等，上個控制方案，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，空氣和燃料之間配比關(guān)系也難以保證，在動態(tài)情況下就更不用說了。當升負荷時，如爐溫給定值St從1150升到1250，盡管燃料流量給定值Sf和空氣流量Sa同時直線上升，但由于空氣對象的時間常數(shù)大于燃料對象，使得實際燃料流量Ff的增加速度大于空氣流量Fa，此時剩余空氣系數(shù)μ下降約13%，如果 μ設(shè)置得比較小，則有可能出現(xiàn)燃料過剩。反之，當降負荷時，μ約上升20%，又出現(xiàn)空氣過剩。綜上所述，如果不考慮空氣，燃料流量回路對象特性的差異，而把溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號同時直接送給兩個流量調(diào)節(jié)器，那么將造成升負荷時，μ值偏低，容易產(chǎn)生不完全燃燒而冒黑煙，而降負荷時剛好相反，μ值偏高，增加排煙熱損失。這兩種情況的后果是降低了加熱爐熱效率，污染了環(huán)境。 單邊限幅控制系統(tǒng)圖它是在爐溫空氣燃料流量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了高值選擇器HS，低值選擇器LS，正偏置+a1(%)和負偏置a2(%),用來實現(xiàn)燃料和空氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數(shù)μ低于其給定值μs 以下的某一允許區(qū)間，即 μ≥（μs a1）,并保證燃料流量Ff低于冒黑煙界限，以及空氣流量Fa高于冒黑煙界限。單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的工作原理如下：在燃料流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器TC的輸出信號A，與根據(jù)空氣流量測量值Fa算出的所需燃料流量加上偏置a1 (%)得到的信號B