【正文】 據(jù)此，得到表中共49條規(guī)則。設(shè)輸入偏差用模糊語(yǔ)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(shí)際水位比給定水位很高，NM表示實(shí)際水位比給定水位高，NS表示實(shí)際水位比給定水位有點(diǎn)高，ZE表示實(shí)際水位于給定水位相等，PS表示實(shí)際水位比給定水位有點(diǎn)低，PM表示實(shí)際水位比給定水位低，PB實(shí)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(duì)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(shè)定值為10。出現(xiàn)臨界振蕩過(guò)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(duì)定值系統(tǒng)，取n=4：1。整定時(shí)首先置積分時(shí)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(shí)間，在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，使靜差得到消除。在湊試時(shí)，可以參考PID參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響效果，對(duì)參數(shù)實(shí)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(guò)選擇仿真菜單設(shè)置仿真控制參數(shù)，啟動(dòng)仿真過(guò)程，然后通過(guò)輸出Scope(示波器)觀察系統(tǒng)的仿真結(jié)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(shè)置解模糊方法及存儲(chǔ)FIS等功能，用戶可以用命令調(diào)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(jìn)程改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)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(diǎn)。例如在信息與控制學(xué)科中相當(dāng)活躍的模糊邏輯、小波析、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ARMA模型技術(shù)等，迄今為止MATLAB語(yǔ)言的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，各科的相互促進(jìn)、相互滲透使得MATLAB語(yǔ)言的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越用。第四章 鍋爐汽包液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究 關(guān)于MATLABMATLAB語(yǔ)言是由美國(guó)的Clever Moler博士于1980年開(kāi)發(fā)，以后又經(jīng)多位專家以補(bǔ)充、添加，成為功能強(qiáng)大、內(nèi)容廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。⑥選擇開(kāi)關(guān)的切換。這實(shí)質(zhì)上是將操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得出的一條條模糊條件語(yǔ)句的集合。②根據(jù)實(shí)際需要確定各個(gè)輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級(jí)、量化因子、比例因子。它通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)內(nèi)設(shè)定值來(lái)確定那個(gè)控制器工作。二者的轉(zhuǎn)換閥值根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。（1）模糊自適應(yīng)PID參數(shù)控制器原理為根據(jù)偏差的絕對(duì)值、偏差變化率的絕對(duì)值的大小和調(diào)整時(shí)間的長(zhǎng)短，不斷地在線修正PID參數(shù)、KI、KD。但是，在實(shí)際運(yùn)用中，PID控制器的參數(shù)多由控制工程師手動(dòng)調(diào)整，而PID參數(shù)的人工調(diào)整不僅需要熟練的技巧，也十分費(fèi)時(shí)。另外，信息簡(jiǎn)單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差。30多年來(lái)，模糊控制無(wú)論在理論上和技術(shù)上都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域非?；钴S、碩果累累的一個(gè)分支。(3) 操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)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(xué)將其定量化就轉(zhuǎn)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(dāng)，才能使系統(tǒng)產(chǎn)生較好的控制效果。[18]Ke過(guò)大時(shí)系統(tǒng)上升速度過(guò)快，也會(huì)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(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響極大。被控對(duì)象實(shí)際要求的變化范圍為模糊控制器輸出變量的基本論域，設(shè)其為[yu，+yu]，顯然基本論域內(nèi)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(jì)算比較復(fù)雜，特別是在連續(xù)隸屬函數(shù)時(shí)，需求解積分方程，因此應(yīng)用場(chǎng)合要比第三種加權(quán)平均法少。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠突出主要信息，簡(jiǎn)單易行，其缺點(diǎn)是概括的信息最較少。推理結(jié)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(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來(lái)作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)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(wèn)題。所謂經(jīng)驗(yàn)歸納法，就是根據(jù)人的控制經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)推理，經(jīng)整理、加工和提煉后構(gòu)成模糊規(guī)則系統(tǒng)的方法。這個(gè)模型建立的是否準(zhǔn)確，將決定模糊控制器性能的好壞。(2)知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)是模糊控制器的一個(gè)重要組成部分，是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)，它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成：數(shù)據(jù)庫(kù)提供所有必要的定義所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域，以及這些論域上所定義的規(guī)則庫(kù)中所使用的全部模糊子集的定義，都存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。模糊控制器的輸入必須通過(guò)模糊化才能用于模糊控制輸出的求解，因此它實(shí)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(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種智能控制器。(2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置，如工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最普遍最典型的各種調(diào)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(xué)公式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型，而是由一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成的語(yǔ)言形式，因此從這個(gè)角度上講，模糊控制器又稱模糊語(yǔ)言控制器。此類過(guò)程的變量多，各種參數(shù)又存在不同程度的時(shí)變性，并且過(guò)程具有非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，因此建立這一類過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型困難很大，難以進(jìn)行控制，但有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)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(xué)有著密切的關(guān)系，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，這種關(guān)系就更為密切。從理論上講模糊控制器應(yīng)是連續(xù)型的控制器，但在工程上實(shí)現(xiàn)模糊控制都是采用數(shù)字計(jì)算機(jī)，所以在實(shí)際應(yīng)用中，模糊控制器又是一種離散型的控制器。微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，以及近年來(lái)各種先進(jìn)算法的不斷涌現(xiàn)，為控制復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)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(huì)使控制效果優(yōu)良，不合理的選擇會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變差，有時(shí)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(guò)程控制目標(biāo)某一個(gè)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(diǎn)就是有關(guān)PID參數(shù)的問(wèn)題。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器。當(dāng)采樣周期很短時(shí)，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(shí)間PID算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)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(shí)的輸出； e(k)——k采樣周期時(shí)的偏差； Ts——采樣周期。因?yàn)槲⒎肿饔玫囊霑?huì)把高頻干擾放得很大，反而可能使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)降低。當(dāng)TI較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生震蕩，但是消除靜差所需的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)TI較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中有可能產(chǎn)生震蕩，但消除靜差所需的時(shí)間較短。因此，比例系數(shù)選擇必須適當(dāng)，這樣才能取得過(guò)渡時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。比例、積分、微分調(diào)節(jié)器，是前述調(diào)節(jié)器中功能最全的一種。自整定技術(shù)對(duì)于工程師設(shè)置控制器參數(shù)非常有用，尤其體現(xiàn)在一些復(fù)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(guò)程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)原因，是許多高級(jí)控制策略都采用分層結(jié)構(gòu)，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(shè)定值；另一個(gè)原因，是負(fù)責(zé)實(shí)際操作的技術(shù)人員要掌握復(fù)雜控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)比較難。至今，仍有90%以上的控制回路采用PID結(jié)構(gòu)或其改進(jìn)型。二是由液位調(diào)節(jié)對(duì)象G0、變送器、調(diào)節(jié)器Gc和內(nèi)回路構(gòu)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(duì)水位的影響，因?yàn)楫?dāng)給水壓力波動(dòng)時(shí)，給水流量將相應(yīng)變化，此時(shí)只有待水位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。這個(gè)調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入調(diào)節(jié)信號(hào)：汽包水位作為主沖量信號(hào)，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，給水流量作為內(nèi)反饋信號(hào)。 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(duì)就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高對(duì)汽包水位的控制。(2)引入了蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。圖中，G1為蒸汽流量擾動(dòng)下汽包液位的傳遞函數(shù)。(2)在給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動(dòng)作，又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后才能影響到水位，導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)[2]。在工業(yè)汽包水位的自動(dòng)控制中，針對(duì)不同的控制信號(hào)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(diǎn)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(fù)荷增加時(shí)的傳遞函數(shù)為:[1] (211)在鍋爐生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時(shí)，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)下降。但實(shí)際上，在擾動(dòng)的初始瞬間，水位不但沒(méi)有下降反而是上升的，汽包水位不是H1而是H。既當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開(kāi)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(guò)程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才由于儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性給水流量對(duì)水位的影響，即控制通道的動(dòng)態(tài)特性。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)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(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高降低過(guò)熱蒸汽品質(zhì)，增加在過(guò)熱器管壁上的結(jié)垢；水位過(guò)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(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。由此可見(jiàn)。鍋爐汽包給水自動(dòng)控制的任務(wù)是維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化。下面就汽包水位的動(dòng)態(tài)特性和控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程做具體的研究。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時(shí)適應(yīng)負(fù)荷設(shè)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(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，利用MATLAB軟件對(duì)控制效果進(jìn)行仿真，對(duì)比觀察它們的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾性、和對(duì)被控對(duì)象變化的抑制效果，最后確定要采用的控制方案。當(dāng)蒸汽流量與給水流量不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。 本文的主要研究?jī)?nèi)容本論文就鍋爐汽包水位控制特性作為研究切入點(diǎn)，探討如何解決鍋爐汽包水位控制特性所提出的問(wèn)題。在雙沖量控制系統(tǒng)中，對(duì)于給水量的自發(fā)變化不能及時(shí)調(diào)節(jié)，只能在延遲一段時(shí)間后，給水量的擾動(dòng)才能通過(guò)汽包水位的變化反映出來(lái)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，使調(diào)節(jié)閥一開(kāi)始就向正確的方向動(dòng)作，同時(shí)有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。單沖量汽包水位控制系統(tǒng)存在兩個(gè)主要問(wèn)題：①當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時(shí)，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過(guò)程一開(kāi)始水位“虛假”上升而減少給水量，這個(gè)錯(cuò)誤舉動(dòng)反而擴(kuò)大了汽包進(jìn)出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動(dòng)幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。其中，模糊PID控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來(lái)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。并且，在先前將模糊控制應(yīng)用到汽包水位控制系統(tǒng)的實(shí)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(jí)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(xué)模型的束縛，開(kāi)辟了工業(yè)過(guò)程控制的一條新途徑。然而對(duì)于鍋爐汽包水位這一時(shí)變、死區(qū)、非線性、多變量、擾動(dòng)大的復(fù)雜系統(tǒng)，這絕非一件易事。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會(huì)使過(guò)熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，還會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升；如果空氣過(guò)多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。負(fù)壓太大，爐膛吸入冷風(fēng)量增大，增加引風(fēng)機(jī)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(jì)性的需要。因此，必須對(duì)汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，把水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。另外，壓力過(guò)大容易帶來(lái)危險(xiǎn)。因此，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)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(shè)定值及干擾作用下對(duì)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。對(duì)鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理往往會(huì)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(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等）。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：