【導(dǎo)讀】鍋爐是化工、發(fā)電、煉油、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。因此，對鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要。鍋爐的大部分事故是由汽包液位控制不當(dāng)而引起的，由于受到蒸汽負(fù)荷干擾而產(chǎn)生虛假液位，使控制器反向動(dòng)作，進(jìn)而引發(fā)汽包液位的大幅振動(dòng)。而模糊控制不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強(qiáng)，適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制，但其靜態(tài)性能不能令人滿意，限制了它的應(yīng)用。為消除模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，本文將FUZZY-PID引入鍋爐汽包液位的三沖量控制中，并利用Simulink分別在設(shè)定值及干擾作用下對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，較之單純的模糊控制和常規(guī)PID控制，這種控制效果較為理想，可滿足鍋爐的汽包液位控制要求。Keywords：drumwaterlevel；PIDcontrol；fuzzycontrol；fuzzy-PIDcontrol；simulation

　　

【正文】 }設(shè)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(yīng)的模糊論域?yàn)椋篍C={6，4，2，0，+2，+4，+6} 設(shè)控制量的變化用語言變量的模糊集U表示，即：U={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 其中，NB表示水閥關(guān)得很快，NM表示水閥關(guān)得快，NS表示水閥關(guān)得有點(diǎn)快，ZE表示水閥保持正常開度，PS表示水閥關(guān)得有點(diǎn)慢，PM表示水閥關(guān)得慢，PB表示水閥關(guān)得很慢。設(shè)模糊控制器的輸入輸出的基本論域設(shè)置如下：液位的偏差e最大變化范圍是[3cm，+3cm]，偏差變化ec的最大變化范圍是[，+]，輸出量yu的最大變化范圍是[0，100%100]。對應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篣={6，4，2，0，+2，+4，+6}3．確定輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù) 選擇輸入變量的隸屬度函數(shù)為高斯型函數(shù)，輸出變量的隸屬度函數(shù)也為高斯型函數(shù)。，輸入模糊變量通過模糊規(guī)則與輸出模糊變量建立關(guān)系。 (a) e的隸屬度函數(shù) 　　　　(b) ec的隸屬度函數(shù)(c) u的隸屬度函數(shù) 輸入變量與輸出變量的隸屬度函數(shù)4． 模糊控制規(guī)則表 eec U NBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZENMNBNBNMNMNSZEPSNSNBNMNMNSZEPSPMZENMNSNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPMPMPBPMNSZEPSPMPMPBPBPBZEPSPMPBPBPBPB在設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；但誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要的出發(fā)點(diǎn)。因此，當(dāng)EC為負(fù)時(shí)液位有上漲趨勢，如果此時(shí)液位為高，則應(yīng)關(guān)閉水閥以減小入水量，使液位降下來；反之，開大水閥。據(jù)此，得到表中共49條規(guī)則。5．模糊推理系統(tǒng)的選擇最常見的模糊推理系統(tǒng)是具有模糊產(chǎn)生器和消除器的模糊邏輯系統(tǒng)(Mamdani)型。該模糊推理系統(tǒng)的基本屬性設(shè)為：“與”運(yùn)算采用極小運(yùn)算，“或”運(yùn)算采用極大運(yùn)算，模糊蘊(yùn)涵采用極小運(yùn)算，模糊規(guī)則采用極大運(yùn)算，去模糊化采用加權(quán)平均法。調(diào)節(jié)控制汽包液位需要的過程參數(shù)有三個(gè)：汽包實(shí)際液位與液位設(shè)定值的偏差、給水量的變化值和蒸汽量的變化值?，F(xiàn)場根據(jù)以上參數(shù)觀察液位。估計(jì)入水量與蒸汽流量間的平衡關(guān)系，然后操作入水閥以決定入水量是否需要增加或減少。模糊控制器的設(shè)計(jì)要體現(xiàn)以上反映人的思維的經(jīng)驗(yàn)過程。6．模糊輸出的反模糊方法通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)能最佳代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過程就稱為反模糊化過程。常用的反模糊化的計(jì)算方法有以下三種：(1) 最大隸屬度函數(shù)法這種方法是取模糊子集中隸屬度最大的元素Umax作為執(zhí)行量。當(dāng)有多個(gè)最大隸屬度元素時(shí)，就取它們的平均值作為輸出。如某模糊控制器的輸出為：，故4為反模糊化的結(jié)果。但若輸出改為：則取(2+4)/2=3為反模糊化的結(jié)果。 這個(gè)判別方法簡單易行，實(shí)時(shí)性也好，但它概括的信息量少，因?yàn)檫@種方法完全不考慮其它隸屬度較小的元素的影響和作用。(2) 中位數(shù)判決法計(jì)算隸屬函數(shù)曲線同橫坐標(biāo)軸圍成區(qū)域的面積，取1/2面積處橫軸坐標(biāo)為決策值的方法叫做中位數(shù)法。中位數(shù)法比最大隸屬度法包含了更多的信息。但是，它往往會導(dǎo)致隸屬函數(shù)不同而中位數(shù)相同的現(xiàn)象，無法突出主要信息，這顯然不合理。因此，中位數(shù)較少采用。(3) 加權(quán)平均法加權(quán)平均法是將各等級隸屬度與該等級值相乘，并求乘積和，然后除以隸屬度和，所得值即為控制決策值。 如模糊控制器的輸出為： 則： ∑(等級值隸屬度)=(6)+(4)+(2)+(2)+(4)+(6)= ∑隸屬度=+++++=7．建立模糊控制器的輸出查詢表，查詢表如下表所示。 模糊控制輸出查詢表u e6420+2+4+6ecNBNMNSZEPSPMPB6NB4NM2NS0ZE+2PS+4PM+6PB 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 模糊控制器設(shè)計(jì)好之后。 模糊控制系統(tǒng)圖 仿真研究Fuzzylogic工具箱是進(jìn)行模糊推理和模糊控制器仿真的工具包，它集成了FIS編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器和輸出預(yù)覽器等可視化工具，使用戶快速開發(fā)設(shè)計(jì)模糊控制器成為可能。當(dāng)然，這些工具實(shí)質(zhì)都是由開發(fā)者為MATLAB用戶編寫的M文件或S函數(shù)組成的。，用戶可以在MATLAB編程環(huán)境中單獨(dú)編程調(diào)用這些文件或函數(shù)。1．進(jìn)入仿真界面進(jìn)行仿真時(shí)，首先雙擊MATLAB軟件的快捷圖標(biāo)，然后打開SIMULINK模塊，按ctrl+N聯(lián)合鍵就可以建立一個(gè)仿真界面。將設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)用SIMULINK里面的相關(guān)模塊進(jìn)行鏈接，模塊的鏈接采用“拖拉”法，即把要用的模塊從SIMULINK工具箱“拖”到仿真界面即可。模糊控制系統(tǒng)的仿真界面如下圖所示： 模糊控制系統(tǒng)仿真界面然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的模糊控制器，在MATLAB環(huán)境下，輸入fuuy語句，回車就進(jìn)入如下圖所示的模糊控制器編輯畫面，在編輯菜單Edit下選擇輸入變量的模糊函數(shù)和輸入輸出個(gè)數(shù)，將鍋爐汽包液位的偏差e和偏差的變化ec作為模糊控制器的輸入量，閥門開度u作為模糊控制器的輸出變量，然后在相應(yīng)的name方框里命名。圖 模糊控制器編輯界面在模糊控制變量的個(gè)數(shù)和名稱確定之后進(jìn)入下一步的各個(gè)模糊變量的模糊函數(shù)類型的確定，本模糊控制器中輸入變量e和ec的模糊函數(shù)類型都選擇高斯型函數(shù)，論域范圍都選擇[6，+6]。2．輸入隸屬度函數(shù) 雙擊各個(gè)變量的圖標(biāo)處，然后依次在編輯菜單中編輯模糊變量的隸屬函數(shù)類型和參數(shù)，操作界面如下圖所示：圖 模糊變量的隸屬函數(shù)設(shè)計(jì)界面3．輸入模糊控制規(guī)則　　在Edit菜單下選擇Rule選項(xiàng)，根據(jù)事先制定的模糊控制規(guī)則表進(jìn)行模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)，如下圖所示：圖 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)界面4．模糊推理輸出特性曲面模糊推理如下圖所示：圖　　模糊推理界面根據(jù)模糊推理得到的輸出特性曲面如下圖所示：圖 　輸出特性曲面5．在模糊控制器設(shè)計(jì)完畢并生成mohuqi．fis文件之后，在MATLAB環(huán)境下輸入命令：jia=readfis(‘mohuqi．fis’)，在仿真界面里的模糊控制系統(tǒng)中，雙擊模糊模塊控制器，并命名為上述的jia，然后點(diǎn)擊仿真按鈕，觀察示波器，就會出現(xiàn)下圖所示的仿真波形。 模糊控制階躍響應(yīng)曲線其參數(shù)經(jīng)湊試，最終確定為ke=，kec=23，ku=，設(shè)定值為10。由仿真曲線可以看出，最大超調(diào)量為38%，過渡過程較為平穩(wěn)。多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，模糊控制器的設(shè)計(jì)和純模糊控制系統(tǒng)中的模糊控制器一樣，在偏差比較大時(shí)，用開關(guān)模塊自動(dòng)切換到模糊控制方式中，偏差比較小時(shí)，切換到PID控制方式中，它具有響應(yīng)速度快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。 多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 汽包液位的多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)中，考慮到PID控制器是在小誤差范圍內(nèi)工作，為提高響應(yīng)速度，適當(dāng)增加積分部分的系數(shù)。KI。 圖 多模態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用此系統(tǒng)時(shí)，切換條件|e0|對控制性能的影響很大。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)必須選擇合適的值，才能達(dá)到理想的控制效果，本系統(tǒng)中取e0=。 仿真研究多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)仿真步驟和純模糊控制系統(tǒng)的一樣。 多模態(tài)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線其參數(shù)經(jīng)湊試，確定為ke=，kec=24，ku=，kp=25，ki=，kd=18，設(shè)定值為10。從多模態(tài)控制系統(tǒng)的仿真曲線可以看出，多模態(tài)控制方案下，系統(tǒng)的最大超調(diào)量為17%，過渡時(shí)間為30個(gè)單位時(shí)間，基本消除了系統(tǒng)的余差，過渡過程更為平穩(wěn)。 幾種控制效果比較分析從仿真曲線比較圖可以看出：(1)多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量比較小。(2)當(dāng)控制對象參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)較快平穩(wěn),取得較好的控制效果，說明多模態(tài)模糊PID控制的魯棒性好。(3)多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間短，振蕩周期少。(4)采用多模態(tài)模糊PID控制方式，系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都較好。與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和純模糊控制系統(tǒng)相比較，多模態(tài)模糊PID控制系統(tǒng)具有較好的控制效果，所以，本設(shè)計(jì)采用多模態(tài)模糊PID控制鍋爐汽包液位。第六章 結(jié)束語本論文主要探討了鍋爐汽包液位的控制方案，就鍋爐汽包液位控制特性作為研究切入點(diǎn)，探討如何解決鍋爐汽包液位控制特性所提出的問題。建立了鍋爐汽包液位控制特性的數(shù)學(xué)模型，分別采用PID控制手段和模糊控制方法來設(shè)計(jì)鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了對比討論，最后采用模糊PID控制來設(shè)計(jì)鍋爐液位控制系統(tǒng)，仿真證明了采用多模態(tài)模糊PID控制優(yōu)于PID控制和純模糊控制。首先通過研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐汽包液位控制特性與鍋爐的給水流量和蒸汽流量有關(guān)。我們通過對鍋爐汽包液位的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲線。當(dāng)蒸汽流量與給水流量不平衡時(shí)，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。這是汽包液位控制最主要克服的問題之一。為此，我們首先采用傳統(tǒng)PID控制算法對鍋爐液位進(jìn)行控制。鍋爐汽包液位的控制方案通常有如下幾種：(1) 單沖量控制系統(tǒng)。即汽包液位的單回路控制系統(tǒng)。 (2) 雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號。(3) 三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號而構(gòu)成。這些控制方案通常采用PID算法，觀察上述控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾性、和對被控對象變化的抑制效果。從仿真圖中可以看到PID調(diào)節(jié)效果不理想，沒有消除“虛假液位”的影響，魯棒性不強(qiáng)。因此，我們提出模糊控制的構(gòu)想。模糊控制器的輸入變量是實(shí)際液位和給定液位的偏差e和偏差的變化率ec (二維結(jié)構(gòu))，輸出變量是控制量u。同樣的，我們也觀察此模糊控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗干擾性和抑制被控對象擾動(dòng)性，做出了仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果我們看到，模糊控制有較好的魯棒性。可靠性高，控制效果好。但模糊控制的控制作用較粗糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低。因此，我們采用多模態(tài)模糊PID控制，并給出仿真結(jié)果。仿真證明了采用多模態(tài)模糊PID控制要優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制和純模糊控制方法。參考文獻(xiàn)1 翁維勤,[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社,20022 [M].上海:上海交通大學(xué)出版社,20063 張光化,[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20054 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20055 李國勇,[M].北京:電子工業(yè)出版社,20036 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20057 [D]::南京航空航天大學(xué),8 [D]::華僑大學(xué)，9 李玲玲,葛蔓玲,[J].⑹:97～10110 [J].化工科技市場, ⑺:3～511 張建偉,[J].山西電力,:1～612 [J].安徽電力職工大學(xué)學(xué)報(bào),:78～8513 周佳,曹小玲,[J].鍋爐技術(shù),:43～4714 [J].鍋爐技術(shù),(03):29～3315 潘祥亮,[J].上海交通報(bào),(03):6～9 16 姜長生,王從慶,魏海坤，[M].北京:科學(xué)出版社,200717 王芳．模糊自調(diào)整PID控制在鍋爐汽包液位控制中的應(yīng)用[D]:碩士學(xué)位論文．山東大學(xué),18 楊良煜．基于模糊理論的汽包液位控制器設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué),(04):12～1519 王忠禮,段慧達(dá),[M].北京:清華大學(xué)出版社,200720 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2007致謝經(jīng)過緊張而有序的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，為期16周的畢業(yè)設(shè)計(jì)將要接近尾聲，在這個(gè)過程中，自己學(xué)習(xí)到了一些新的理論知識，比如模糊控制理論的有關(guān)知識，在李忠虎老師的悉心指導(dǎo)下，從設(shè)計(jì)的選擇、文獻(xiàn)綜述、中期報(bào)告到論文工作的理論分析，直至整個(gè)論文的撰寫，李老師都給予了我無私的幫助和諄諄教誨，使我一點(diǎn)一點(diǎn)，一步一步地完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。期間，李老師還帶我們?nèi)グ摷瘓F(tuán)的CCPP（蒸汽、燃?xì)饴?lián)合發(fā)電項(xiàng)目）進(jìn)行了實(shí)習(xí)，使我認(rèn)識到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性。李老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度和誨人不倦的品格影響并教育了我，他淵博的知識、平易近人的作風(fēng)，都是我學(xué)習(xí)的榜樣。在此，我向在這個(gè)過程中給予我?guī)椭椭笇?dǎo)的老師同學(xué)說一聲謝謝!