【正文】 據(jù)此，得到表中共49條規(guī)則。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。公式(52)表示水位偏差的變化。經(jīng)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。這里采用的是湊試法，： 單沖量仿真曲線圖經(jīng)湊試，參數(shù)確定為：=245，KI =110，KD =85設定值為10。出現(xiàn)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。對定值系統(tǒng)，取n=4：1。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(shù)略為縮小，然后減小積分時間，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，使靜差得到消除。在湊試時，可以參考PID參數(shù)對控制過程的影響效果，對參數(shù)實行下述先比例、后積分、再微分的整定步驟。建立起系統(tǒng)模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設置仿真控制參數(shù)，啟動仿真過程，然后通過輸出Scope(示波器)觀察系統(tǒng)的仿真結果[5]。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(tǒng)(FIS)常用的工具函數(shù)，如newfis，addvar，addmf，addrule，setfis，writefis等，它包括了產(chǎn)生新的FIS，給FIS加入變量、隸屬函數(shù)、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(shù)的方式生成和編輯模糊推理系統(tǒng)，工具箱還提供了GUI(圖形用戶界面)編輯函數(shù)，利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統(tǒng)。在SIMULINK環(huán)境中，用戶可以在仿真進程改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化。與傳統(tǒng)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。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(jīng)元網(wǎng)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。第四章 鍋爐汽包液位PID控制系統(tǒng)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(jīng)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。⑥選擇開關的切換。這實質上是將操作人員的控制經(jīng)驗加以總結得出的一條條模糊條件語句的集合。②根據(jù)實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。它通過選擇開關內設定值來確定那個控制器工作。二者的轉換閥值根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。（1）模糊自適應PID參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對值、偏差變化率的絕對值的大小和調整時間的長短，不斷地在線修正PID參數(shù)、KI、KD。但是，在實際運用中，PID控制器的參數(shù)多由控制工程師手動調整，而PID參數(shù)的人工調整不僅需要熟練的技巧，也十分費時。另外，信息簡單的模糊處理將導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差。30多年來，模糊控制無論在理論上和技術上都有了長足的發(fā)展，成為自動控制領域非?；钴S、碩果累累的一個分支。(3) 操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。將這些模糊控制規(guī)則用模糊數(shù)學將其定量化就轉化為模糊控制算法，從而形成了模糊控制理論。因此，量化因子和比例因子必須選擇適當，才能使系統(tǒng)產(chǎn)生較好的控制效果。[18]Ke過大時系統(tǒng)上升速度過快，也會產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。(3) 量化因子和比例因子的選擇量化因子Ke和Kec的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響極大。被控對象實際要求的變化范圍為模糊控制器輸出變量的基本論域，設其為[yu，+yu]，顯然基本論域內的量為精確量。與第一種方法相比，中位數(shù)法概括了更多的信息，但計算比較復雜，特別是在連續(xù)隸屬函數(shù)時，需求解積分方程，因此應用場合要比第三種加權平均法少。這種方法的優(yōu)點是能夠突出主要信息，簡單易行，其缺點是概括的信息最較少。推理結果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成，但是至此所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉換，求得清晰的控制量輸出，即解模糊化。模糊推理是模糊邏輯理論中最基本的問題。所謂經(jīng)驗歸納法，就是根據(jù)人的控制經(jīng)驗和直覺推理，經(jīng)整理、加工和提煉后構成模糊規(guī)則系統(tǒng)的方法。這個模型建立的是否準確，將決定模糊控制器性能的好壞。(2)知識庫知識庫是模糊控制器的一個重要組成部分，是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經(jīng)驗，包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標，它通常由數(shù)據(jù)庫和控制規(guī)則庫兩部分組成：數(shù)據(jù)庫提供所有必要的定義所有輸入、輸出變量所對應的論域，以及這些論域上所定義的規(guī)則庫中所使用的全部模糊子集的定義，都存放在數(shù)據(jù)庫中。模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制輸出的求解，因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。 模糊控制器的工作原理采用模糊控制算法的控制器就叫模糊控制器，它是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學工具，利用計算機數(shù)字控制技術來實現(xiàn)的一種智能控制器。(2) 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是模糊控制器向被控對象施加控制作用的裝置，如工業(yè)控制過程中應用最普遍最典型的各種調節(jié)閥和變頻器。 模糊控制系統(tǒng)原理框圖(1)模糊控制器：它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。 由于模糊控制器的模型不是由數(shù)學公式表達的數(shù)學模型，而是由一組模糊條件語句構成的語言形式，因此從這個角度上講，模糊控制器又稱模糊語言控制器。此類過程的變量多，各種參數(shù)又存在不同程度的時變性，并且過程具有非線性、強耦合等特點，因此建立這一類過程的精確數(shù)學模型困難很大，難以進行控制，但有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制卻可以收到令人滿意的效果。 模糊控制的基本思想控制理論的發(fā)展和數(shù)學有著密切的關系，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，這種關系就更為密切。從理論上講模糊控制器應是連續(xù)型的控制器，但在工程上實現(xiàn)模糊控制都是采用數(shù)字計算機，所以在實際應用中，模糊控制器又是一種離散型的控制器。微處理機技術的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應用，以及近年來各種先進算法的不斷涌現(xiàn)，為控制復雜系統(tǒng)開辟了新途徑[3]。但是，PID三大參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞：合理的參數(shù)會使控制效果優(yōu)良，不合理的選擇會使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變差，有時甚至使系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。其次傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)只能整定為滿足生產(chǎn)過程控制目標某一個方面的要求。但傳統(tǒng)的PID控制也存在許多不足，最突出的一點就是有關PID參數(shù)的問題。PID調節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器。當采樣周期很短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時間PID算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程，數(shù)字PID位置型控制算式，如下式所示： (35)式中：u(k)——k采樣周期時的輸出； e(k)——k采樣周期時的偏差； Ts——采樣周期。因為微分作用的引入會把高頻干擾放得很大，反而可能使系統(tǒng)調節(jié)品質降低。當TI較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調，過渡過程不易產(chǎn)生震蕩，但是消除靜差所需的時間較長，當TI較小時，則積分作用較強，這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生震蕩，但消除靜差所需的時間較短。因此，比例系數(shù)選擇必須適當，這樣才能取得過渡時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。比例、積分、微分調節(jié)器，是前述調節(jié)器中功能最全的一種。自整定技術對于工程師設置控制器參數(shù)非常有用，尤其體現(xiàn)在一些復雜回路的控制器參數(shù)整定上。然而在這種情況下，為什么PID控制器依然能在過程工業(yè)中得到廣泛應用，其中一個原因，是許多高級控制策略都采用分層結構，而PID控制被用于最底層；上層多變量控制器給底層的PID控制器提供設定值；另一個原因，是負責實際操作的技術人員要掌握復雜控制系統(tǒng)的原理和結構比較難。至今，仍有90%以上的控制回路采用PID結構或其改進型。二是由液位調節(jié)對象G0、變送器、調節(jié)器Gc和內回路構成的主回路。然而雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對水位的影響，因為當給水壓力波動時，給水流量將相應變化，此時只有待水位發(fā)生變化后調節(jié)器才能起作用。這個調節(jié)器接受三個輸入調節(jié)信號：汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內反饋信號。 汽包液位雙沖量控制原理圖及方框圖 三沖量控制系統(tǒng)一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高對汽包水位的控制。(2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調節(jié)質量。圖中，G1為蒸汽流量擾動下汽包液位的傳遞函數(shù)。(2)在給水擾動時，調節(jié)器要等到水位改變了以后才動作，又經(jīng)過一段時間延遲后才能影響到水位，導致汽包水位發(fā)生較大變化，調節(jié)時間長[2]。在工業(yè)汽包水位的自動控制中，針對不同的控制信號可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。(2)蒸汽流量增加，汽包汽壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高。由切線法可求得蒸汽負荷增加時的傳遞函數(shù)為:[1] (211)在鍋爐生產(chǎn)過程中，當蒸汽負荷突然增加時，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，水位應下降。但實際上，在擾動的初始瞬間，水位不但沒有下降反而是上升的，汽包水位不是H1而是H。既當突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。但水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才由于儲水量的增加而逐漸上升。 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使飽和蒸汽中含鹽量增高降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁上的結垢；水位過低，則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷管壁被燒壞嚴重時會造成爆炸事故。由此可見。鍋爐汽包給水自動控制的任務是維持汽包水位在一定的范圍內變化。下面就汽包水位的動態(tài)特性和控制器的設計過程做具體的研究。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應負荷設備的需要量，汽包水位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水，或者燒成干鍋。其中以鍋爐缺水事故比例最高。然后,本文分別采用經(jīng)典PID控制算法、純模糊控制算法和模糊PID控制算法對鍋爐汽包水位進行控制，利用MATLAB軟件對控制效果進行仿真，對比觀察它們的動態(tài)響應特性、抗干擾性、和對被控對象變化的抑制效果，最后確定要采用的控制方案。當蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。 本文的主要研究內容本論文就鍋爐汽包水位控制特性作為研究切入點，探討如何解決鍋爐汽包水位控制特性所提出的問題。在雙沖量控制系統(tǒng)中，對于給水量的自發(fā)變化不能及時調節(jié)，只能在延遲一段時間后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。當蒸汽負荷變化時，使調節(jié)閥一開始就向正確的方向動作，同時有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質量。單沖量汽包水位控制系統(tǒng)存在兩個主要問題：①當鍋爐蒸汽負荷變化很大時，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤舉動反而擴大了汽包進出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調節(jié)質量。其中，模糊PID控制技術扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。并且，在先前將模糊控制應用到汽包水位控制系統(tǒng)的實踐中，常規(guī)的二維PD模糊控制存在比較大的靜態(tài)誤差和“多級繼電器”特性，降低了它的控制精度。模糊控制擺脫了精確數(shù)學模型的束縛，開辟了工業(yè)過程控制的一條新途徑。然而對于鍋爐汽包水位這一時變、死區(qū)、非線性、多變量、擾動大的復雜系統(tǒng)，這絕非一件易事。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結垢導致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。如果比值不當，空氣不足，結果導致燃料的不完全燃燒，當大部分燃料不能完全燃燒時，熱量損失直線上升；如果空氣過多，就會使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。負壓太大，爐膛吸入冷風量增大，增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，控制蒸汽壓力是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟性的需要。因此，必須對汽包液位進行自動調節(jié)，把水位嚴格控制在規(guī)定范圍內。另外，壓力過大容易帶來危險。因此，必須對汽包水位進行自動調節(jié)，使水位嚴格控制在規(guī)定范圍內。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險的特殊設備和壓力容器，其安全性尤為重要。 FUZZYPID control。為消除模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差，本文將FUZZYPID引入鍋爐汽包液位的控制系統(tǒng)中，并利用Simulink分別在設定值及干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真，結果表明，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。對鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理往往會引起事故。鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。作者簽名： 日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等）。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導教師簽名：　　 　 　　 日　　期：