【正文】 際需要確定各個輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級、量化因子、比例因子。③在每個變量的量化論域內定義模糊子集。首先確定模糊子集個數，確定每個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇隸屬度函數。④確定模糊控制規(guī)則。這實質上是將操作人員的控制經驗加以總結得出的一條條模糊條件語句的集合。確定模糊控制規(guī)則要遵守的原則是保證控制器的輸出能夠使系統輸出響應的動靜態(tài)性能達到最佳。⑤求出模糊控制表。根據步驟四的模糊控制規(guī)則和步驟二﹑步驟三中確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出。⑥選擇開關的切換。當偏差e在閥值之外時采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內，即e落到閥值之內時轉換成PID控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。⑦根據仿真效果或實驗結果分析模糊PID的控制性能，再對量化因子、比例因子和PID參數進行調整以達到理想的控制效果。根據上述步驟，再結合設計系統的實際情況，就可以設計出滿足需要的模糊PID控制系統。第四章 鍋爐汽包液位PID控制系統設計及仿真研究 關于MATLABMATLAB語言是由美國的Clever Moler博士于1980年開發(fā)，以后又經多位專家以補充、添加，成為功能強大、內容廣泛的計算機輔助設計的軟件工具。MATLAB語一言設計者的初衷是為了解決數學中“線性代數”課程的陣運算問題而進行開發(fā)的。之后控制學者們注意到了它特有的矩陣處理功能，并發(fā)現了用于控制理論研究的功能豐富的控制系統專用工具箱和結構圖程序設計的SIMULINK仿真環(huán)境，使得MATLAB語言成為控制界計算機輔助設計的有利工具。其他諸如信號處理、應用數學等學科，也紛紛MATLAB中加入了各種實用的專用工具，使得MATLAB語言越來越完善功能越來越強大。例如在信息與控制學科中相當活躍的模糊邏輯、小波析、人工神經元網絡技術、ARMA模型技術等，迄今為止MATLAB語言的擴展開發(fā)遠遠沒有結束，各科的相互促進、相互滲透使得MATLAB語言的應用越來越廣泛，越來越用。MATLAB語言的主要特點如下：(1)強大的矩陣運算功能(MATTICS)；(2)廣泛的符號運算功能(SYMBOLIC)；(3)高級與低級兼?zhèn)涞膱D形功能(FIGURE)；(4)圖形化控制仿真程序設計功能(SIMULINK)；(5)可靠的容錯功能(ERROR COMPATIBILITY)；(6)應用靈活的兼容與接口功能(INTERFACE)；(7)信息量豐富的聯機檢索功能(INFORMATION) 關于SIMUL1NKSIMULINK是MATLAB環(huán)境下的數字仿真工具，是一個用來對動態(tài)系統進行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。它支持連續(xù)、散及兩者混合的線性和非線性系統仿真，也支持具有多種采樣速率的多率系統仿真。Simulink提供了用鼠標“畫”出系統框圖的方式，可以行圖形建模。與傳統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。Simulink還提供了封裝和模塊化工具，其適用幣復雜、多層次、高非線性的系統仿真。它簡化了設計過程，減了設計負擔，提高了仿真的集成化和可視化程度。在Simulink環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時需做理想化假設的無奈觀察到現實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機因素對系統行為的影響。在SIMULINK環(huán)境中，用戶可以在仿真進程改變感興趣的參數，實時地觀察系統行為的變化。由于Simulink環(huán)境川戶擺脫了深奧數學推演的壓力和煩瑣編程的困擾，囚此用廠，在此環(huán)境會產生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思維，感悟出新的真諦。 仿真實現，因為MATLAB提供了基本模糊邏輯工具箱(Fuzzy logic Toolbox)，使得建立和設計模糊控制器變得方便。模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統設計的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(FIS)常用的工具函數，如newfis，addvar，addmf，addrule，setfis，writefis等，它包括了產生新的FIS，給FIS加入變量、隸屬函數、規(guī)則、設置解模糊方法及存儲FIS等功能，用戶可以用命令調用這些函數的方式生成和編輯模糊推理系統，工具箱還提供了GUI(圖形用戶界面)編輯函數，利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境SIMULINK工具箱是MATLAB軟件的擴展，主要用于動態(tài)系統的仿真。它的windows中提供了建立系統模型所需的大部分類型方塊。用戶只需用鼠標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的設定)，然后用鼠標器將它們連接起來，就可以構成一個系統的框圖描述，亦即得出系統的SIMULINK描述。建立起系統模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設置仿真控制參數，啟動仿真過程，然后通過輸出Scope(示波器)觀察系統的仿真結果[5]。利用PID控制系統分別對汽包液位的單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制進行仿真，并對仿真曲線進行對比。 汽包液位的PID控制系統的建立給水流量主通道傳遞函數: (41)蒸汽流量干擾通道傳遞函數： (42)（1） 單沖量的PID控制系統結構圖圖4. 1單沖量的PID控制系統結構圖（2） 雙沖量的PID控制系統結構圖圖4. 2單沖量的PID控制系統結構圖（3） 三沖量的PID控制系統結構圖圖4. 3單沖量的PID控制系統結構圖 PID參數的整定一、湊試法確定PID調節(jié)參數湊試法是通過觀察系統的響應曲線(例如階躍響應)。然后根據各調節(jié)參數對系統響應的大致影響，反復湊試參數，以達到滿意的系統響應，從而確定PID調節(jié)參數。在湊試時，可以參考PID參數對控制過程的影響效果，對參數實行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。 　1．首先只整定比例部分。即將比例系數由小變大，并觀察系統的響應，直至得到過渡時間短、超調小的響應曲線。 　2．如果在比例調節(jié)的基礎上系統的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間TI為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數略為縮小，然后減小積分時間，在保持系統良好動態(tài)性能的情況下，使靜差得到消除。3．若使用比例積分調節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經反復調整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構成比例積分微分調節(jié)器。 二、實踐經驗法確定PID調節(jié)參數1．衰減曲線法先在單純P作用下湊試比例度δ值，找出滿足規(guī)定衰減比下的比例度δs。對于隨動系統，取n=10：1，同時測出振蕩周期Ts。對定值系統，取n=4：1。 曲線衰減法的整定參數δ/%TiTdPδsPIPID 2．臨界比例度法在系統閉環(huán)情況下，將控制器的積分時間TI放到最大，微分時間TD放到最小，比例度δ設置為100%。然后使δ由大往小逐步改變，并每改變一次δ值，通過改變給定值給系統施加一次階躍干擾，同時觀察被控變量的變化情況。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，則應增大δ值，直到調至某一值，過渡過程出現不衰減的等幅振蕩，這時過渡過程稱之為臨界振蕩過程。出現臨界振蕩過程的比例度δk稱為臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱為臨界周期。 臨界比例度法的整定參數δ/%TITDP2δkPIPID 臨界比例度法應用起來比較簡單。然而，如果工藝方面不允許被控變量作長時間的等幅振蕩，這種方法就不能應用。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對象，或是一階加純滯后的對象，否則，在純比例控制情況下，系統將不會出現等幅振蕩，因此，這種方法也就無法應用了。這里采用的是湊試法，，： 單沖量仿真曲線圖經湊試，參數確定為：=245，KI =110，KD =85設定值為10。 雙沖量仿真曲線圖經湊試，參數確定為：=235，KI =110，KD =85設定值為10。 三沖量仿真曲線圖 經湊試，參數確定為：=235，KI =110，KD =85設定值為10。 干擾不加延時的雙沖量仿真曲線圖參數確定為：=235，KI =110，KD =85設定值為10。經仿真曲線對比可以看出，三沖量控制要優(yōu)于單沖量控制和雙沖量控制。但PID控制方案下，系統的超調量較大，過渡過程不太平穩(wěn)，控制效果不是很好。第五章 模糊PID控制系統設計及仿真研究 模糊控制系統的設計及仿真研究 模糊控制器的設計(l)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量對于鍋爐汽包水位的模糊控制系統，我們采用常見的二維模糊控制器，即它的輸入變量是給定水位和實際水位的偏差及偏差的變化： (51) (52)公式(51)表示水位的偏差，其中yr(k)代表給定水位。當水位y(k)高于yr(k)時，即實際水位高于給定水位，偏差為“負”，水位高得越多則偏差負得越大；相反，y(k)低于yr(k)時，即實際水位低于給定水位，偏差為“正”，水位低得越多，則偏差正得越大。公式(52)表示水位偏差的變化。當k時刻的水位偏差高于k1時刻的水位偏差，說明水量變化在增大，即實際水位有上漲趨勢，偏差變化為“負”；相反，當k時刻的水位偏差低于kl時刻的水位偏差，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。輸出控制量對應閥門開度變化，閥門開大為“正”，表明注水量加大；反之，則閥門關閉為“負”。(2)輸入變量及輸出變量的模糊化進行模糊控制，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。設輸入偏差用模糊語言變量的模糊集E表示，即：E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}其中NB表示實際水位比給定水位很高，NM表示實際水位比給定水位高，NS表示實際水位比給定水位有點高，ZE表示實際水位于給定水位相等，PS表示實際水位比給定水位有點低，PM表示實際水位比給定水位低，PB實際水位比給定水位很低。則輸入偏差對應的模糊論域為：E={8，7，6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6，7，8}設輸入偏差的變化用模糊語言變量的模糊集EC表示，即:EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}對應的模糊論域為:EC={8，7，6，5，4，3，2，1，0，l，2，3，4，5，6，7，8}設控制量的變化用模糊語言變量的模糊集U表示，即:U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}其中，NB表示水閥關得很快，NM表示水閥關得快，NS表示水閥關得有點快，ZE表示水閥保持正常開度，PS表示水閥關得有點慢，PM表示水閥關得慢，PB表示水閥關得很慢。對應的模糊論域為:U={8，7，6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6，7，8}(3)確定語言值的隸屬度函數選擇輸入變量的隸屬度函數為三角形函數，輸出變量的隸屬度函數也為三角形函數，輸入模糊變量通過模糊規(guī)則與輸出模糊變量建立關系： (a) e的隸屬度函數 (b) ec的隸屬度函數(c) u的隸屬度函數 (4)模糊控制規(guī)則的語一言描述根據經驗，控制規(guī)則可用模糊條件語句表示如下:If E=NB and EC=NB，then U=NBIf E=NM and EC=NB，then U=NBIf E=NS and EC=NB，then U=NB1f E=ZE and EC=NB，then U=NBIf E=PS and EC=NB，then U=NM1f E=PM and EC=NB，then U=NS1f E=PB and EC=NB，then U=ZE1f E=NB and EC=NM，then U=NBIf E=NM and EC=NM，then U=NBIf E=NS and EC=NM，then U=NMIf E=ZE and EC=NM，then U=NMIf E=PS and EC=NM，then U=NS1f E=PM and EC=NM，then U=ZEIf E=PB and EC=NM，then U=PS整個控制規(guī)則可以用模糊控制狀態(tài)表來描述，eec U NBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZENMNBNBNMNMNSZEPSNSNBNMNMNSZEPSPMZENMNSNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPMPMPBPMNSZEPSPMPMPBPBPBZEPSPMPBPBPBPB在考慮模糊控制規(guī)則時，選取控制量變化的原則是時：當誤差大或較大，選擇控制量以盡快消除誤差為主；但誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩(wěn)定性為主要的出發(fā)點。因此，當EC為負時水位又上漲趨勢，如果此時水位為高，則應關閉水發(fā)以減小入水量，使水位降下來；反之，開大水閥。據此，得到表中共49條規(guī)則。(5)模糊推理系統的選擇最常見的模糊推理系統是具有模糊產生器和消除器的模糊邏輯系統