【正文】 Ri(i=1， 2，?， 49)之后，可得描述整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則的總模糊關(guān)系： R=R1∨ R2∨ R3∨?∨ R49 （ 312） 在求 得誤差和誤差變化率的模糊集 e和 ec之后，控制量的模糊集 u可由模糊推理綜合算法求得： U=(e ec) R （ 313） 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 50 頁 由上式計(jì)算出的模糊控制量，可以選用一種判決方法，如采用最大隸屬度方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。根據(jù)不同的 i和 j預(yù)先計(jì)算好控制量，可以制成控制表，作為“文件”存儲在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，便于根據(jù)輸出的信息，從“文件”中查詢所需采取的控制策略。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 50 頁 4 鍋爐床 溫模糊控制系統(tǒng)仿真 MATLAB 最早在 1984 年推出了以矩陣運(yùn)算為核心的線性系統(tǒng)的仿真和分析工具。除了常用的矩陣運(yùn)算， MATLAB 還提供了類似于其它編程語言的特性。MATLAB語言的另一大特色就是具有豐富的工具箱。工具箱和具有矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程的特色使其成為一個(gè)功能強(qiáng)大的工具。因?yàn)槠湄S富的數(shù)值計(jì)算功能和簡潔的語句函數(shù)， MATLAB 語言在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，被認(rèn)為是一種準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件，在科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員中非常普及。 4. 1 模糊控制器的仿真實(shí)現(xiàn) 本文提出的雙輸入單輸出模糊控 制器，其中模糊控制器的仿真實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。利用 FUZZY工具箱函數(shù)，進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)。仿真步驟如下： （ 1）調(diào)用基本的 FIS編輯器，確定輸入、輸出變量 在 MATLAB下，輸入“ FUZZY”可打開 FIS編輯器，這時(shí)還沒有建立 FIS，通常 FIS編輯器默認(rèn)為 Mamdani型系統(tǒng)，并且假定系統(tǒng)為單輸入、單輸出。本模糊控制器有兩個(gè)輸入，因此首先在 EDIT下選擇 Add input， 使系統(tǒng)變成兩個(gè)輸入、一個(gè)輸出。操作為：點(diǎn)擊系統(tǒng)的輸入框 (input1或 input2)，在 GUI右下角空白處修改輸入框的名稱，這里輸入為 e與 ec，輸出為 u。 （ 2）編輯隸屬函數(shù) 為輸入變量的隸屬函數(shù)，應(yīng)調(diào)用隸屬函數(shù)編輯器，雙擊輸入或輸出的圖標(biāo)打開隸屬函數(shù)編輯器。在左上角選擇變量，然后在 Edit中選擇 Add MFs??，打開專門用于輸入隸屬函數(shù)的窗口，從中輸入所選變量的隸屬函數(shù)。為 e， ec變量選擇高斯型和數(shù)量，在接下來的窗口中輸入變量的范圍： [6 6]。在右下角輸入相應(yīng)的參數(shù)： [8 6 4]。這時(shí)得到變量 e的隸屬函數(shù)。類似的方法用于建立 ec和 u的隸屬函數(shù)。如圖 。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 50 頁 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 50 頁 圖 隸屬函數(shù)的編輯 （ 3）編輯模糊控制規(guī)則 雙擊 FIS編輯器中間的圖標(biāo)，打開規(guī)則編輯器。根據(jù)已得到的模糊推理規(guī)則，用規(guī)則編輯器建立規(guī)則，在輸入和輸出變量的列表框中行選擇，然后相應(yīng)的連接方式以及權(quán)值。如圖為本文設(shè)計(jì)的模糊控制器的規(guī)則。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 50 頁 圖 模糊推理規(guī)則表 至此已建立了模糊推理系統(tǒng)，在 FIS編輯器下的 File下選擇 Save to disk as??，可將所設(shè)計(jì)的 FIS保存到磁盤文件中。當(dāng)需要調(diào)用這一模糊推理系統(tǒng)時(shí)，可直接采用 tipfis文件。 鍋爐床溫模糊控制系統(tǒng)仿真 為了研究 鍋爐床溫模糊控制系統(tǒng)的控制效果，我們必須進(jìn)行一系列的試驗(yàn)工作。鑒于現(xiàn)有試驗(yàn)室的條件以及今后現(xiàn)場試驗(yàn)做一個(gè)完善和充分的準(zhǔn)備，我們可以利用仿真軟件進(jìn)行前期調(diào)試，通過前期調(diào)試可以收集數(shù)據(jù)并針對仿真結(jié)果作進(jìn)一步的改進(jìn)。利用 MATLAB 語言中的 SIMULINK 工具對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以很直觀地看出控制系統(tǒng)的效果。通過已有的參考文獻(xiàn)分析，得出循環(huán)流化床鍋爐床溫的數(shù)學(xué)模型為 (211)[14]。 應(yīng)用 MATIAB軟件的模糊工具箱建立起循環(huán)流化床鍋爐床溫的模糊控制器，如圖所示 [8]。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 50 頁 圖 流化床鍋爐床溫模糊控制器 圖 MATLAB 軟件中標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)的鍋爐床溫模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。其中過鍋爐床溫模糊控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) (直接引用參考文獻(xiàn)中的傳遞函數(shù) )為 (211)[14]。 圖 循環(huán)流化床鍋爐床溫控制系統(tǒng)的 SIMULINK仿真模型 圖例說明： Fuzzy Logic Controller 為模糊邏輯推理模塊，它完成模糊規(guī)則運(yùn)算； Transfer F 為一階慣性模塊，它可作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)的特性； Scope 為示波器模塊，用來顯示溫度的變化曲線。 設(shè) e(k)和△ e(k)分別為第 k采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出與實(shí)際值的誤差及其變化率的值，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換和模糊化處理，根據(jù)其對應(yīng)的隸屬度，對照模糊控制規(guī)則表計(jì)算△ Kp，△ Kl和△ Kd對應(yīng)語句的隸屬度。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 27 頁 共 50 頁 根據(jù)最大最小值定理分別確定△ Kp，△ Ki，△ Kd在論域中不同區(qū)段內(nèi)的隸屬度，再根據(jù)輸出語言變量的隸屬度函數(shù)運(yùn)用重心法進(jìn)行模糊推理和運(yùn)算，得到這3個(gè)修正參數(shù)的精確整定值。將修正參數(shù)帶入以下公式計(jì)算 [5]： dddiiiPPpKKKKKKKK△△△??????0,0,0, 得到控制器的參數(shù)值。式中 Kp,0， Ki,0， Kd,0為模糊粗調(diào)控制計(jì)算出的控制器參 數(shù)的初值。 4． 3仿真結(jié)果分析 本次設(shè)計(jì)針對同一控制任務(wù)，采用兩種不同的控制器完成。不同的控制器有其不同的特點(diǎn)。利用上面建立起來的模糊控制器和 SIMULINK模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從不同方面比較兩中控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)。 與常規(guī) PID控制效果的比較 常規(guī) PID控制效果圖 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 50 頁 模糊控制效果圖 圖 系統(tǒng)控制效果比較圖 由圖比較可以看出，模糊控制器控制下的系統(tǒng)過渡過程時(shí)間比較短，超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)沒有明顯震蕩，控制效果比較理想。而常規(guī) PID控制作用下響應(yīng)速度較慢，有一定的超調(diào)量，系統(tǒng)出現(xiàn)了震蕩情況，控制效果較差。 擾動(dòng)性分析 一個(gè)控制系統(tǒng)抗干擾能力，一定程度上也可以表現(xiàn)系統(tǒng)的控制效果，現(xiàn)在從兩種控制方案的抗干擾能力上，對系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行比較。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 50 頁 常規(guī) PID控制加擾動(dòng)圖 模糊控制加擾動(dòng)圖 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 30 頁 共 50 頁 圖 擾動(dòng)分析比較圖 對于相同的干擾信號，兩種控制方案的最大波動(dòng)量基本相同。但是模糊控制消除擾動(dòng)的時(shí)間顯然短于常規(guī) PID 控制。從圖中，我們還可以看到，常規(guī) PID 控制在擾動(dòng)性仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的小幅振蕩，而這樣的振蕩也對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)會(huì)有一定的影響。 綜上所述，我們可以看到，模糊控制系統(tǒng)本身的控制品質(zhì)和抗擾動(dòng)能力，均略優(yōu) 于常規(guī) PID 控制方案的控制效果。 魯棒性分析 魯棒性就是系統(tǒng)的穩(wěn)健性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)的一個(gè)魯棒性是指控制系統(tǒng)在某種類型的擾動(dòng)作用下，包括自身模型的擾動(dòng)下，系統(tǒng)某個(gè)性能指標(biāo)保持不變的能力。對于實(shí)際工程系統(tǒng)，人們最關(guān)心的問題是一個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)其模型參數(shù)發(fā)生大幅度變化或其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)能否仍保持漸近穩(wěn)定，這叫穩(wěn)定為品質(zhì)魯棒性。當(dāng)各調(diào)節(jié)器參數(shù)保持不變，加入單位階躍擾動(dòng)時(shí)，改變傳遞函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行魯棒性分析。 各調(diào)節(jié)器參數(shù)保持不變，設(shè)定輸入 r=1,，當(dāng)控制對象的時(shí)間常數(shù) T 分別為 50、100、 150 時(shí)的仿真 曲線如圖 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 50 頁 圖 時(shí)間常數(shù) T變化曲線 由上述兩圖可見，改變被控對象時(shí)間常數(shù) T，系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，滿足不同工況的控制要求，魯棒性比較強(qiáng)。 通過模糊控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定、抗擾動(dòng)性、魯棒性的仿真研究，得出了模糊控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性較強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好滿足在鍋爐床溫的變化情況和有擾動(dòng)情況下的控制要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 32 頁 共 50 頁 結(jié)束語 循環(huán)流化床鍋爐是目前國外潔凈煤技術(shù)中一項(xiàng)較成熟的技術(shù)，且正在向大型化方向發(fā)展，由于其煤種適應(yīng)性廣，燃燒效率高，以及爐內(nèi) 脫硫脫氮等特點(diǎn)，發(fā)達(dá)國家競相開發(fā)。目前我國循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)相當(dāng)于國外 80年代初水平，循環(huán)流化床鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還存在許多問題。由于循環(huán)流化床燃燒的復(fù)雜性，使得建立循環(huán)流化床鍋爐的燃燒數(shù)學(xué)模型成為一件十分不易的事情，而傳統(tǒng)控制方法又要求有描述被控對象特性的較為精確的數(shù)學(xué)模型；同時(shí)，由于其燃燒的復(fù)雜性和特殊性，使得對一般鍋爐和其它過程控制對象有效的常規(guī)控制方法，已難以保證循環(huán)流化床鍋爐各項(xiàng)控制指標(biāo)的要求。 本文通過鍋爐床溫控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，提高鍋爐床溫控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可調(diào)性并保證鍋爐 穩(wěn)定燃燒工況。本文首先針對引起鍋爐床溫變化的因素，采用目前鍋爐床溫所采用的模糊控制器在本文中根據(jù)鍋爐床溫控制對象的特點(diǎn)，提出模糊控制的鍋爐床溫控制系統(tǒng)。在研究了循環(huán)流化床動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鍋爐床溫模糊控制系統(tǒng)。在利用 MATALAB仿真軟件對所設(shè)計(jì)的兩種控制方案進(jìn)行仿真研究之后，我們可以看出，模糊控制技術(shù)的優(yōu)越性。相對于常規(guī)控制本文采用的模糊控制響應(yīng)速度快，控制品質(zhì)有明顯的提高，其控制過 時(shí)間的縮短，使鍋爐床溫控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中能夠更快地響應(yīng)系統(tǒng)給定值的擾動(dòng)，保證循環(huán)流化床鍋爐床溫正常運(yùn)行的需求。 本文的工作僅是在設(shè)計(jì)和仿真方面進(jìn)行了初步的探索，由于時(shí)間倉促，作者水平有限，本文存在著很多的不足，有待今后進(jìn)一步改善。由于仿真采用的被控對象的模型較為簡單，系統(tǒng)的給定只是階躍信號，還需要很對系統(tǒng)有更深入的了解，進(jìn)行調(diào)試。通過仿真實(shí)驗(yàn)，初步證明了其可行性。為了將所提出的控制策略應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，還需要進(jìn)一步研究工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)特性，對設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)作適應(yīng)具體生產(chǎn)現(xiàn)場方面的修改，以使其完全充分地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)。要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，控制策略還需要作進(jìn)一步地深入研究，并有待于在實(shí)際生產(chǎn)中加以檢驗(yàn)。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 33 頁 共 50 頁 參考文獻(xiàn) [1] 文武，循環(huán)流化床鍋爐床溫動(dòng)態(tài)建模與仿真 [J]， 廈門大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )，2022年第 1 期 . 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