【正文】 組成的集合中，利用這些規(guī)則信息，采用極大極小值合成法或其他合成算法，我們就可以合成得到控制表。該控制表儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，供程序查詢輸出。3．5．4．4控制量查表輸出和輸出量的精確化通過精確量的模糊化和模糊控制規(guī)則合成，我們得到了模糊控制表，將離線運(yùn)算得好的模糊控制表以計(jì)算機(jī)程序語言的形式輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行就是通過進(jìn)行查表，查表得到非模糊子集的控制量，乘以輸出量的量化因子就得到精確量的控制量U，這實(shí)際上是在一個(gè)輸出范圍內(nèi)，找到一個(gè)被認(rèn)為最具有代表性的、可直接驅(qū)動(dòng)控制裝置的確切的輸出控制值。一般有3種方法：(1)最大隸屬度法，即取“’使該隸屬函數(shù)達(dá)最大值。采用這種方法時(shí)，某一狀態(tài)下的控制量只依賴于某一條控制規(guī)則。這時(shí)的控制算法基本上相當(dāng)于普通的邏輯控制。(2)重心法，這實(shí)際上是一種加權(quán)平均方法，即以輸出論域u中的每個(gè)元素對(duì)于最終模糊集所包含的信息，由于它所具有的優(yōu)點(diǎn)，故常選用重心法作為決策方法。(3)中位法，為了充分利用模糊子集所有的信息量，我們可以求出把隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成區(qū)域的面積平分為兩部分的數(shù)，作為判決的結(jié)果。我們就可利用計(jì)算得出非模糊子集控制量合成總控制表。這樣，在控制過程軟件處理過程中，計(jì)算機(jī)將采樣和變換得來的E和Ec直接與表中的行列相比較，即可馬上得出所需要的控制量u，這就構(gòu)成了基本模糊控制器。該控制量輸出直接控制工業(yè)對(duì)象(過程)。模糊算法流程圖3．4所示3．6模糊—PID復(fù)合結(jié)構(gòu)模糊控制器模糊控制器可以看成PD控制器，穩(wěn)態(tài)性能不好是其一大先天不足。為得到比較好的穩(wěn)態(tài)性能，我們可以用模糊控制器和PID控制器構(gòu)成雙?？刂破?。模糊—PID控制器采用模糊控制器和PID控制器作為兩個(gè)控制模塊，模糊PID雙模控制器由一個(gè)選通開關(guān)控制，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)后，被控量誤差減小到～定值時(shí)，可以認(rèn)為這時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性接近線性，適合PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)控制模塊被選通并投入控制，將系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近調(diào)節(jié)。這是采用PID控制器可以達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度，克服了普通模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度較低的缺點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離穩(wěn)態(tài)時(shí)(偏差較大時(shí))選通模糊控制模塊，這時(shí)可以發(fā)揮模糊控制器的特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，魯棒性好等特性。采用模糊—_PID復(fù)合控制器，可以極大地提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。我們可以在對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)要求較高的控制場(chǎng)合采用該種控制器。模糊一PID雙?？刂迫鐖D3．5所示圖3．5 Fuzzy—PID雙?？刂?第四章 鍋爐蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4．1現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)分析4．1．1現(xiàn)場(chǎng)鍋爐運(yùn)行狀況、存在問題 4．1．1．1運(yùn)行狀況某電廠鍋爐設(shè)備基本現(xiàn)狀：該廠共有三臺(tái)蒸汽鍋爐，負(fù)責(zé)廠內(nèi)的蒸汽供給任務(wù)。由于設(shè)備投產(chǎn)較早，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，三臺(tái)蒸汽鍋爐普遍存在著控制效果差、鍋爐熱效率低、能耗大、環(huán)境污染比較嚴(yán)重等諸多問題。通過詳細(xì)調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)該車間鍋爐控制系統(tǒng)的嚴(yán)重落后是導(dǎo)致以上述諸多問題的直接原因。4．1．1．2存在問題我們發(fā)現(xiàn)該廠鍋爐控制系統(tǒng)存在以下四方面主要問題：(1)完全手動(dòng)控制方式，汽包鍋爐蒸汽溫度、汽包鍋爐水位、給煤控制、鼓風(fēng)控制、引風(fēng)控制、二次風(fēng)控制和爐排控制均由現(xiàn)場(chǎng)操作工人憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這樣的控制方式下，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大并且增加了系統(tǒng)的不可靠性；(2)檢測(cè)手段落后，爐膛負(fù)壓等許多檢測(cè)裝置失靈，不能使用，減溫水控制閥經(jīng)常失靈；(3)控制效果差，急需改造，汽包鍋爐蒸汽溫度、汽包鍋爐水位、汽包壓力等重要指標(biāo)經(jīng)常在大范圍波動(dòng)； (4)經(jīng)濟(jì)效益差，工廠為防止冒黑煙，鍋爐長(zhǎng)期工作在大鼓風(fēng)大引風(fēng)狀態(tài)下，熱量損失嚴(yán)重，鍋爐效率低。4．1．2現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境根據(jù)該廠鍋爐的具體情況，現(xiàn)場(chǎng)采用PLC／上位機(jī)控制系統(tǒng)，硬件選用了SIMATIC s7系列產(chǎn)品s7—300 7LC(CPU314)，SIEMENS STEP一7梯形邏輯語言編程，軟件則采用同來自SIMATIC的WinCC。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)中我們遵循了以下基本原則：(1)最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。設(shè)計(jì)前深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，并與相關(guān)部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬訂控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題。(2)在保證控制系統(tǒng)安全、可靠的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便，滿足控制要求。(3)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展，工藝的改進(jìn)及系統(tǒng)的擴(kuò)充，在選擇可編程控制器的CPU模板及I／0模板時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有余量。4．2蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定根據(jù)該廠鍋爐具體情況，采用導(dǎo)前氣溫微分信號(hào)控制的雙回路過熱氣溫控制系統(tǒng)。4．2．1蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4．34．2．2按補(bǔ)償法進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定設(shè)定調(diào)節(jié)器、微分器傳遞函數(shù)為：；其他：；通過上節(jié)實(shí)測(cè)方法求得：。按第二章分析按補(bǔ)償法(等效對(duì)象法)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定算法。(1) 微分器參數(shù)確定：已知控制對(duì)象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，則： 由于惰性區(qū)的傳遞函數(shù)階數(shù)則微分器參數(shù)：。當(dāng)此組參數(shù)時(shí)，可使補(bǔ)償對(duì)象的近似傳遞函數(shù)為：（2)將被控對(duì)象以及微分器部分化作等效對(duì)象后，圖4。3所示的系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖44系統(tǒng)，變成單回路進(jìn)行整定。單回路整定計(jì)算應(yīng)用廣義頻率特性法，由此可寫出系統(tǒng)的特征方程式為：令，使系統(tǒng)降為二階；當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻尼比由此可求，因此，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為。圖4．4蒸汽溫度的導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)根據(jù)原理圖來繪制SAMA系統(tǒng)邏輯圖及控制流程圖如下：圖4．5系統(tǒng)邏輯圖及控制流程圖4．3．2控制系統(tǒng)的應(yīng)用采用本文研究的控制算法和設(shè)計(jì)的導(dǎo)前微分控制器，已經(jīng)成功應(yīng)用于某廠鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)改造。現(xiàn)場(chǎng)采用PLC／上位機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用WINCC6．0版，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在線監(jiān)視調(diào)節(jié)，累積量記錄、查詢，歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢等功能。下位機(jī)選用SIEMENS S7—300 PLC(CPU314)，sTEP一7梯形邏輯編程語言，可在線編程調(diào)試，大大增強(qiáng)了控制效率?，F(xiàn)場(chǎng)采集的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA電信號(hào)，送到PLC；PLC與上位機(jī)之間通過MPI協(xié)議，采用RS232實(shí)現(xiàn)串行通信。4．4本章小結(jié)(1)采用導(dǎo)前微分控制器，實(shí)現(xiàn)了鍋爐汽溫系統(tǒng)的手動(dòng)控制方式到自動(dòng)控制，并且達(dá)到了較好的控制效果；(2)設(shè)計(jì)鍋爐汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先是掌握被控對(duì)象的特性；其次是根據(jù)被控對(duì)象的特性和運(yùn)行要求提出符合實(shí)際情況的控制指標(biāo)；最后根據(jù)所提的控制指標(biāo)設(shè)計(jì)出滿足要求的控制器。在設(shè)計(jì)中感到確定傳遞函數(shù)不易，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的限制和被控對(duì)象運(yùn)行工況的約束，試驗(yàn)法定傳遞函數(shù)有很大的偏差，這一點(diǎn)通過實(shí)踐已經(jīng)得到證明：近似傳遞函數(shù)有偏差，整定計(jì)算亦有偏差，解決辦法：(a)以相似被控對(duì)象的經(jīng)驗(yàn)傳遞函數(shù)作為參考，保證不出大的偏誤；(b)通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試，修正調(diào)節(jié)器參數(shù)；(c)通過研究試驗(yàn)得飛升曲線，合理降階近似處理。(3)鍋爐這樣一個(gè)典型的非線性時(shí)變多變量耦合系統(tǒng)，用傳統(tǒng)PID控制算法存在過渡過程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間t)與超調(diào)量之間的矛盾。可以嘗試采用更先進(jìn)的控制方法來達(dá)到更理想的控制效果。第五章 模糊控制在鍋爐汽溫系統(tǒng)中的應(yīng)用5．1前言上一章，通過某電廠鍋爐控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)鍋爐汽溫自動(dòng)控制，但在系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和證明了，鍋爐這樣一個(gè)典型的非線性時(shí)變多變量耦合系統(tǒng)，用試驗(yàn)取得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的不精確和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定困難，使得采用常規(guī)的固定參數(shù)的PID控制手段調(diào)節(jié)鍋爐蒸汽溫度存在過渡過程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)與超調(diào)量之間的矛盾。無論怎樣調(diào)節(jié)的3個(gè)參數(shù)，也無法解決。若要超調(diào)量小，則過渡過程時(shí)間增長(zhǎng)，很難得到理想的效果，而模糊控制則以其響應(yīng)速度快，魯棒性好等特點(diǎn)在鍋爐控制中得到比較廣泛的應(yīng)用，可以很好地解決這個(gè)矛盾，過渡過程的快慢幾乎與超調(diào)量無關(guān)，因它可以通過改變參數(shù)，以最快速無超調(diào)(或很小的超調(diào)量)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。對(duì)其控制算法進(jìn)行研究，結(jié)合本系統(tǒng)研究的母管制蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)大延遲，大滯后的工作特性，這一章分析了一般模糊—PID控制器的控制特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)之上給出了一種改進(jìn)算法，通過在線調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模糊—自調(diào)整比例常數(shù)PID控制。在此算法中，比例常數(shù)隨著偏差大小而變化，加強(qiáng)了控制性能。該方法有效地解決了在小偏差范圍內(nèi)，一般的模糊—PID控制器無法實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)無偏差的問題，提高了蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制精度。并通過仿真研究、分析對(duì)比、調(diào)試，該算法已成功應(yīng)用于該電廠鍋爐改造，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)大大提高了鍋爐蒸汽溫度系統(tǒng)控制品質(zhì)。5．2模糊控制器的設(shè)計(jì)5．2．1控制器方案選擇汽溫對(duì)象在蒸汽流量、爐膛溫度、減溫水量等擾動(dòng)下都有延遲，有慣性，有自平衡能力，見圖5．1。針對(duì)過熱蒸汽溫度控制對(duì)象控制通道慣性延遲大、被調(diào)量信號(hào)反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對(duì)象的控制通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善對(duì)象控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量。根據(jù)該廠鍋爐設(shè)備具體情況，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的溫度控制系統(tǒng)，見圖5．2。圖5．1蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 圖5．2導(dǎo)前微分信號(hào)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖5．2．2模糊—自調(diào)整比例常數(shù)PID控制器結(jié)構(gòu)蒸汽溫度控制系統(tǒng)要求控制精度比較高，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求不超過給定值上下5℃。但是，在多數(shù)溫度控制系統(tǒng)中，小偏差范圍內(nèi)(如正負(fù)430℃)是控制器的死區(qū)或盲區(qū)。原因就是模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差能力比較差，難以達(dá)到較高的控制精度，尤其是在離散有限論域設(shè)計(jì)時(shí)，尤為明顯，即連續(xù)變化的輸入量，為了推理、合成以及模糊運(yùn)算的需要，先離散化為{n，n}區(qū)間內(nèi)的有限個(gè)數(shù)值，如輸入量不是整數(shù)，按四舍五入原則化為整數(shù)，這可以從它處理輸入輸出的方法來分析。考慮典型的模糊控制器，對(duì)于偏差輸入信號(hào)，要把它轉(zhuǎn)化為偏差論域上的點(diǎn)，即：，式中為某時(shí)刻k的偏差，是偏差的量程轉(zhuǎn)換量化因子，INT為四舍五入取整運(yùn)算， 為轉(zhuǎn)化到偏差論域上的點(diǎn)。由上式可見，當(dāng)=0時(shí)，即：.式中是偏差信號(hào)的物理范圍[e，e]到偏差論域量程轉(zhuǎn)換的量化因子，考慮于是上式變?yōu)? ；一般規(guī)范化的離散論域形式中常常取n=6或7，因此大約有：，也就是說在偏差量程最大值e的大約O．07以內(nèi)時(shí)，模糊控制器已經(jīng)把它當(dāng)作0來對(duì)待了，因此的穩(wěn)態(tài)誤差，模糊控制器無法消除，這是控制點(diǎn)附近的一個(gè)控制上的盲區(qū)和死區(qū)。對(duì)于控制作用，模糊控制器可以采用它的增量△u作為輸出，積分后輸出給被控對(duì)象，這樣相當(dāng)于引入了積分作用，有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差。然而△u是解模糊后后的離散點(diǎn)，不連續(xù)，因而控制作用不細(xì)膩，不利于精調(diào)消除穩(wěn)態(tài)誤差。例如到某一穩(wěn)態(tài)時(shí)刻，偏差為0，維持在這一點(diǎn)的控制作用應(yīng)該是某一穩(wěn)態(tài)值設(shè)為，那么希望模糊控制器的控制輸出此時(shí)等于，即希望。為控制作用量程轉(zhuǎn)換的比例因子，由于△u不連續(xù)，上式一般不能精確的成立，這就造成控制對(duì)象的狀態(tài)還會(huì)變化，偏差不能自此時(shí)刻起就維持為0。把PID控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成模糊—PID復(fù)合控制器如圖5．3，是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑；在PID控制中再引入以偏差為調(diào)節(jié)量的自調(diào)整比例系數(shù)控制算法，對(duì)系統(tǒng)分區(qū)域采用不同控制策略，即：在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成自調(diào)整PID控制，二者的轉(zhuǎn)換由程序根據(jù)給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖5．3模糊～PID復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)5．3模糊～PID控制方法針對(duì)本系統(tǒng)，當(dāng)偏差℃時(shí)采用模糊控制，即為模糊控制區(qū)；當(dāng)時(shí)采用自調(diào)整比例系數(shù)PID控制，即為確定控制區(qū)。5．3．1大偏差區(qū)域模糊算法及模糊控制器設(shè)計(jì)5．3．1．1模糊控制器的結(jié)構(gòu)的確立基本論域(物理范圍)的選擇，一般由于事先對(duì)被控對(duì)象缺乏先驗(yàn)知識(shí)，本系統(tǒng)的輸入偏差及偏差變化率的實(shí)際范圍的初步選擇是根據(jù)考察系統(tǒng)在常規(guī)PID的控制下從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得的飛升、抗擾等曲線，輸入偏差的物理范圍以給定值作為參考；輸入偏差變化率的物理范圍亦從試驗(yàn)曲線，取值范圍最大到最小受偏差斜率最大值與一次響應(yīng)控制過程中控制作用次數(shù)的約束，并根據(jù)香農(nóng)采樣理論和上位機(jī)的運(yùn)算速度等因素作為參考合適即可，采樣頻率過高無實(shí)在意義，夠用就好；輸出控制量的基本論域根據(jù)被控對(duì)象提供的數(shù)據(jù)選定，參考常規(guī)控制的KP值作為變化量基值。這樣的選擇需經(jīng)過仿真和系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)不同采樣時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、調(diào)整確定本系統(tǒng)最佳采樣時(shí)間。(1)輸入變量e為給定溫度與實(shí)際溫度的差值。在模糊控制區(qū)內(nèi)，偏差e的基本論域(物理范圍)取，偏差e所取模糊集的論域劃分為13個(gè)等級(jí)，即，偏差e的量化因子為，模糊集E取七個(gè)語言值，分別為{NB，NM，Ns，Z0，PS，PM，PB}：(2)輸入變量為給定溫度與實(shí)際溫度的偏差變化率。在模糊控制區(qū)內(nèi)，偏差變化率的基本論域?yàn)閇，0．05]，偏差變化率所取模糊子集的論域劃分為13個(gè)等級(jí)：的量化因子為，模糊集EC取七個(gè)語言值，分別為；(3)輸出變量△u即控制量輸出控制采用增量形式，控制量△u的基本論域取[2，2]，輸出增量△u劃分為13個(gè)等級(jí)，即△U=｛6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}，則控制量△u的比例因Ku=6／2=3。模糊集△u的7個(gè)語言值取為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；5．3．1．2模糊變量賦值表的確定模糊變量誤差e、誤差變化及控制量U的模糊集和論域確定后，考慮對(duì)論域的覆蓋程度、靈敏度、穩(wěn)定性以及魯棒性原則，各模糊集以三角形曲線為隸屬函數(shù)曲線，如圖5．4。取三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)的曲線，這不僅出于它的形狀簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量少，可節(jié)約存儲(chǔ)空間的考慮，也是在于當(dāng)輸入變化時(shí)，三角形狀的隸屬函數(shù)比正態(tài)分布的隸屬函數(shù)具有更大的靈敏性，當(dāng)存在一個(gè)與設(shè)值的偏差時(shí)，就能很快產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的調(diào)整量的輸出，這一點(diǎn)對(duì)于控制器的特來說是相當(dāng)重要的。通過隸屬函數(shù)，確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊語言變量的隸屬度。圖5．4模糊集以三角形曲線為隸屬函數(shù)曲線5．3．1．3模糊控制規(guī)則的建立根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變