【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （28） 3 鍋爐床溫模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 模糊控制簡(jiǎn)介自從1965 年美國(guó)加州大學(xué)L. A. ZADEH 教授創(chuàng)建模糊集理論和1974 . Mamdani 教授成功的將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制以來(lái)，模糊控制已逐漸得到了廣泛的發(fā)展并在現(xiàn)實(shí)中得到成功的應(yīng)用。一般而言，模糊控制器的設(shè)計(jì)一般大致可分為三部分，首先將精確的輸入量模糊化，通過(guò)隸屬函數(shù)的建立，完成精確的數(shù)學(xué)量到模糊的語(yǔ)言變量的的轉(zhuǎn)換，隸屬函數(shù)通常采用三角函數(shù)，正態(tài)分布函數(shù)等，以符合人的思維方式。第二部是進(jìn)行模糊推理，由于推理規(guī)則庫(kù)主要是按現(xiàn)場(chǎng)的操作經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)而建立的，因此模糊控制具有一定的模擬人的思維的特點(diǎn)。第三部是解模糊過(guò)程，將推理得到的模糊語(yǔ)言控制量轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)學(xué)變量，去驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械裝置。與傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法比起來(lái)，模糊控制的特點(diǎn)為：(1) 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，可以不要求知道對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，但要對(duì)受控對(duì)象的特性有充分了解，是以現(xiàn)場(chǎng)操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)的總結(jié)和歸納而建立知識(shí)模型；(2) 用語(yǔ)言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，或兩者結(jié)合運(yùn)用，來(lái)構(gòu)造形成專家的知識(shí)庫(kù)；(3) 控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于常規(guī)控制難以解決的非線性，時(shí)變性，多層次，多干撓的滯后系統(tǒng)。由于循環(huán)流他床鍋爐的床溫控制具有大滯后、多變量和強(qiáng)耦合等非線性特性，非常適合采用模糊控制原理。引起床溫變化的因素很多，如燃料量、石灰石量、一次風(fēng)量和物料循環(huán)量等，筆者僅考慮燃料量(即給煤量)改變下床溫的變化。通過(guò)采樣獲取被控制量的精確值，然后將該量與給定值比較得到床溫誤差e。床溫誤差e和床溫誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，模糊控制器的輸出變量u控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，Y是過(guò)程輸出，即輸出變量的采樣值。 模糊控制原理模糊控制是以集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為裁礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法。從控制器的智能性來(lái)看，模糊控制屬于智能控制的范疇，智能控制是人工智能、控制理論和管理科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。它主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。具體地說(shuō)，其研究對(duì)象具備一些智能控制對(duì)象的特點(diǎn)：模型不確定性、非線性和復(fù)雜的任務(wù)要求等。由于循環(huán)流他床鍋爐的床溫控制具有大滯后、多變量和強(qiáng)耦合等非線性特性，非常適合采用模糊控制原理。引起床溫變化的因素很多，如燃料量、石灰石量、一次風(fēng)量和物料循環(huán)量等，筆者僅考慮燃料量(即給煤量)改變下床溫的變化。通過(guò)采樣獲取被控制量的精確值，然后將該量與給定值比較得到床溫誤差e。床溫誤差e和床溫誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，模糊控制器的輸出變量u控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，Y是過(guò)程輸出，即輸出變量的采樣值。 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)圖 鍋爐床溫模糊控制總體設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)500t/hCFB 鍋爐床溫的控制。由于循環(huán)流化床鍋爐控制非常復(fù)雜，特別是床溫控制過(guò)程是一個(gè)具有大慣性、大延遲、非線性、時(shí)變等特點(diǎn)。此時(shí)用常規(guī)控制理論解決這些問(wèn)題就出現(xiàn)了困難，因此本設(shè)計(jì)采用控制算法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，有較強(qiáng)魯棒性的模糊控制算法進(jìn)行控制。循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行床溫必須保持在其設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，通常約為850℃～920℃之間，在此范圍內(nèi)運(yùn)行可以保證正常的流化燃燒工況，最佳的脫硫效率，較低的NOx 生成量和較高的燃燒效率。影響鍋爐床溫的內(nèi)在可調(diào)節(jié)因素包括給煤量，一、二次風(fēng)量和總風(fēng)量，床層的高度或床料存量，爐膛底渣排放量，返料裝置下的放灰量等。在以上的因素中，給煤量和風(fēng)量的配合調(diào)節(jié)是最重要的，保持合適的風(fēng)煤比是維持床溫的主要手段。當(dāng)床溫發(fā)生變化時(shí)，首先要根據(jù)變化的趨勢(shì)相應(yīng)調(diào)節(jié)給煤量，然后就是調(diào)節(jié)送風(fēng)量，但由于送風(fēng)系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)不利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，所以要考慮通過(guò)給煤調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)床溫的控制。通過(guò)分析在給煤量階躍擾動(dòng)下的床溫動(dòng)態(tài)模型，得出傳遞函數(shù)，再設(shè)計(jì)模糊控制算法并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，設(shè)計(jì)模糊控制器。 模糊控制原理框圖模糊控制原理框圖的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)?？刂七^(guò)程是先由熱電偶實(shí)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)?—20 毫安的電流值與床溫給定值相比較，然后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送進(jìn)模糊控制器進(jìn)行處理，控制器的輸出控制量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后控制給煤機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)給煤量的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到對(duì)床溫的控制。控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，因此根據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入之前要做的一項(xiàng)重要工作。 模糊控制器基本的組成 模糊控制器簡(jiǎn)介模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素。模糊控制器(Fuzzy ControllerFC) 也稱為模糊邏輯控制器(Fuzzy Logic ControllerFLC),由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述的， 因此模糊控制器是一種語(yǔ)言型控制器， 故也稱為模糊語(yǔ)言控制器(FuzzyLanguageControlleFLC)。 所示。（1）模糊化接口(Fuzzy interface)模糊控制器的輸入必須通過(guò)模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實(shí)際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊矢量。（2）知識(shí)庫(kù)(Knowledge BaseKB)由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫(kù)(Data BaseDB)數(shù)據(jù)庫(kù)所存放的是所有輸人、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經(jīng)過(guò)論域等離散化以后對(duì)應(yīng)值的集合)，若論域?yàn)檫B續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過(guò)程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。 規(guī)則庫(kù)(Rule BaseRB)模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。推理與解模糊接口(Inference and Defuzzyinterface)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(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。綜上所述，模糊控制器實(shí)際上就是依靠微機(jī)（或單片機(jī)）來(lái)構(gòu)成的。它的絕大部分功能都是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成的。隨著專用模糊芯片的研究和開(kāi)發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。 PID控制器簡(jiǎn)介在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID 控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模 型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng) 調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。實(shí)際中也有PI和ro控制。PID控制器 就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制器由 比例單元（P)、積分單元（I)和微分單元（D)組成。它的傳遞函數(shù)為： (31) 其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制 系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的 積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的 增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比 例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān) 系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存 在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是 落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零 時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠 的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤 差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等 于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì) 象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。 為了能夠在動(dòng)態(tài)過(guò)程中通過(guò)模糊推理改變PID控制的各個(gè)參數(shù)，使得參數(shù)的改變建立在 扎實(shí)的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。下面對(duì)PID控制規(guī)律和參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn) 行分析。(1) Kp的比例控制能迅速產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。但是, 比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。Kp的加大會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振蕩，使得調(diào)節(jié) 時(shí)間延長(zhǎng)。相反，若Kp太小會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，靈敏度降低。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，如 果加大Kp，可提高控制精度，減小誤差。(2) Ti的影響積分控制主要用于消除靜差。Ti太小，積分作用強(qiáng)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定； Ti偏小，振蕩次數(shù)較多，超調(diào)量較大；Ti太大，積分作用弱，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減?。?Ti合適時(shí)過(guò)渡過(guò)程特性比較理想。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，Ti太大時(shí)，消除靜差太慢；Ti 太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (3)Td的影響微分控制可以根據(jù)誤差變化的速度提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。微分部 分反映了系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有超前和預(yù)測(cè)的特 點(diǎn)。Td增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善。但是Td太大時(shí)，會(huì)引起過(guò)大的超調(diào)， 系統(tǒng)不穩(wěn)定；Td太小，調(diào)節(jié)質(zhì)量改善不大。另外，在選取采樣周期時(shí)Ts時(shí)，應(yīng)使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時(shí)間和上升 時(shí)間。為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化，Ts越小越好。但是Ts太小會(huì)增加CPU的運(yùn) 算工作量， 鍋爐床溫模糊控制器的詳細(xì)設(shè)計(jì)1965年LA．Zadeh提出了模糊集合論，這就是模糊控制的產(chǎn)生基礎(chǔ)。1974年英國(guó)馬丹尼(Mamdani)首先將模糊控制用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，實(shí)用效果良好。所謂模糊控制，只是在控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)知識(shí)，其基本原理仍和經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制理論一樣沒(méi)有改變，模糊控制的核心是利用模糊集合論，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言所描述的算法，但它的控制輸出確是確定的。設(shè)計(jì)模糊控制器必須解決以下三個(gè)問(wèn)題[15]：、輸出量的模糊化；b．模糊控制規(guī)則或模糊控制表的建立(模糊算法)；c．輸出信息的模糊判決。 模糊控制系統(tǒng)組成框圖由上圖我們看出，模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可概括為以下三個(gè)步驟：，轉(zhuǎn)化為模糊量；，并確定推理法則，也就是模糊決策，模糊決策后還必須經(jīng)過(guò)模糊判決以便得到一個(gè)確切的控制量；，從而計(jì)算出精確的控制量。 模糊化設(shè)計(jì)由模糊控制的機(jī)理可知，在進(jìn)行模糊推理之前，首先要對(duì)輸入變量進(jìn)行模糊化，模糊化方法如下：將設(shè)定溫度和實(shí)際溫度之間的誤差值e 模糊化，選擇語(yǔ)言集為{負(fù)大(NB) ,負(fù)中(NM )，負(fù)小(NS )，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，模糊論域可選擇為{n n2……2 0 2……n2 n}，最大溫度偏差范圍為[q q]，則量化因子為： Ke=n/q (32) 對(duì)于鍋爐床溫溫度偏差變化率ec，選擇合適的模糊論域和偏差變化率范圍，按照上式可以計(jì)算出相應(yīng)的模糊量化因子Kec，在這里為了方便起見(jiàn)，本文選擇偏差e、偏差變化率ec 具有相同模糊論域。對(duì)于輸出量u，調(diào)節(jié)范圍為[ R R]，語(yǔ)言集為{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM ) ， 負(fù)小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB )}，模糊論域可選擇為[m m2……2 0 2……m2 m]，輸出比例因子為： Ku=R/m (33)由上述可得，它們的語(yǔ)言變量，基本論域，模糊子集。31 語(yǔ)言變量，基本論域，模糊子集，模糊論域和量化因子變量e ecU 語(yǔ)言變量 E EcU 基本論域 【30176。C，+30176。C】 【3，+3】 【6，+6】 模糊子集{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB} 模糊論域【6，+6】 【6，+6】 【6，+6】 量化因子6/30= 6/3=2 6/6=1 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選取這些變量的模糊論域均為[6 4 2 0 2 4 6]。E隸屬函數(shù)分布圖 U 隸屬函數(shù)分布圖 隸屬度分布圖 模糊控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則的制定是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和專家的知識(shí)的綜合以后得到的，模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心組成部分?？紤]誤差為負(fù)的情況，當(dāng)誤差為負(fù)大時(shí)，若當(dāng)誤差變化率為負(fù)，誤差有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，為盡快消除誤差，應(yīng)使控制量增加較快，所以控制量的變化取正大；而當(dāng)誤差變化率為正時(shí)，誤差有減少的趨勢(shì)，所以可取較小的控制量，即誤差變化率為正小(PS)，輸出為正中(PM)，誤差變化率為正中(P