【正文】 老師教誨之恩，當(dāng)永記今生。衷心感謝自動(dòng)化教研室的司徒瑩等老師的關(guān)懷。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐中，學(xué)到很多有用的知識(shí)，也積累了不少寶貴的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)該論文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制方案的設(shè)計(jì)，由于該系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，系統(tǒng)采用了遞階模糊控制的方案，即將四維模糊控制器分成了三個(gè)二維模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了多維模糊控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推理運(yùn)算時(shí)間長的問題，使該系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的PID控制方案在鍋爐水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)中通常都是單個(gè)變量的獨(dú)立控制回路，雖然PID控制器的控制精度可以很高，但對(duì)于多變量且具有強(qiáng)耦合性的時(shí)變系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的局限性。圖58水位給定值階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)仿真結(jié)果比較圖1為自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真曲線,2為傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)仿真曲線圖59加入蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果比較圖1為自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真曲線,2為傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)仿真曲線圖510加入給水流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果比較圖1為自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真曲線,2為傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)仿真曲線模糊控制能避開對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)得到若干規(guī)則用于一系列模糊條件構(gòu)造系統(tǒng)的模糊變量模型，應(yīng)用各類模糊推理得到適合控制要求的控制量，將PID控制和自適應(yīng)模糊控制相結(jié)合起來，對(duì)汽包水位進(jìn)行控制，可能取得令人滿意的控制效果。(2)加入蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)。在水位傳遞函數(shù)為對(duì)以下三種情況進(jìn)行仿真：(1)水位給定值階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)。隸屬度函數(shù)采用三角形隸屬度函數(shù)，因?yàn)槟：癁槠呒?jí)，所以三角形曲線數(shù)量為七個(gè)。本設(shè)計(jì)采用加權(quán)平均法也叫面積重心法(Centroid)。如果將每個(gè)精確量都對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集，就有無窮多個(gè)模糊子集，模糊化過程就很復(fù)雜。4．建立模糊控制器的控制規(guī)則確定模糊控制規(guī)則的原則是是使控制效果達(dá)到最佳。對(duì)系統(tǒng)的影響：大，調(diào)節(jié)死區(qū)小，上升速率大，過大系統(tǒng)將產(chǎn)生較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間增大，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。各變量隸屬函數(shù)曲線采用三角形，水位誤差、誤差變化率的隸屬度曲線如圖5－2。3．模糊變量的模糊子集的制定在選擇描述模糊變量的各個(gè)模糊子集時(shí)，應(yīng)使它們較好地覆蓋整個(gè)論域。根據(jù)PID的特性可知：將影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度產(chǎn)生影響，對(duì)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)特性會(huì)有影響。其將傳統(tǒng)S預(yù)估控制系統(tǒng)中的控制器用模糊控制器取代?；旌夏：齈ID控制器的總輸出為常規(guī)PI控制器輸出與二維模糊控制器輸出的疊加，使系統(tǒng)成為無差模糊控制系統(tǒng)。模糊PID控制器主要有：(1)引入積分因子的模糊PID控制器。常規(guī)PID控制是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種基本控制規(guī)律，但是常規(guī)PID控制對(duì)強(qiáng)非線性、時(shí)變和機(jī)理復(fù)雜的過程難以控制和參數(shù)在線整定困難等。(5)加權(quán)平均法(面積重心法centroid)加權(quán)平均法取的加權(quán)平均值為z的清晰值，即 (49)它類似于重心的計(jì)算，所以也稱重心法。若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個(gè)極值，則取這些極值的平均值為清晰值。它包括以下兩部分內(nèi)容：(1)將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換，變成表示在論域范圍的清晰量。(3)可以與優(yōu)化和自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合運(yùn)用。(2)己經(jīng)被廣泛地接受和應(yīng)用。在模糊控制中，and 運(yùn)算通常采用求交（取?。┗蚯蠓e（代數(shù)積）的方法；合成運(yùn)算采用最大—最小或最大—積（代數(shù)積）的方法；蘊(yùn)含運(yùn)算采用求交或求積的方法。設(shè)已知模糊控制器的輸入模糊量為：x是A39。在模糊控制中，通過用一組語言描述的規(guī)則來表示，通常具有如下形式即IF（滿足一組條件）THEN（可以推出一組結(jié)論）。根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn)，可離線組織其控制決策表R, R是笛卡兒乘積集UV上的一個(gè)模糊子集，則某一時(shí)刻其控制量由下列式給出： (44)式中，為模糊直積運(yùn)算，為模糊合成運(yùn)算?；趯＜抑R(shí)或手動(dòng)操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。它通常由以下兩部分組成。三角形模糊器。這種模糊化方法只是形式上將清晰量轉(zhuǎn)變成了模糊量，而實(shí)質(zhì)上它表示的仍是準(zhǔn)確量。將己經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來表示。輸出模糊化模糊推理清晰化控制對(duì)象知識(shí)庫參考輸入圖42 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)1．模糊化模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊化量。模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個(gè)組成部分，如圖4—1所示：給定A/DD/A模糊控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器+－被控量被控對(duì)象圖41 模糊控制系統(tǒng)圖模糊控制器，是各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心部分；輸入／輸出接口，模糊控制器通過輸入／輸出接口從被控制對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送給被控對(duì)象。我國的模糊控制理論及其應(yīng)用研究是從工作1979 年開始的。這使現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用受到限制。模糊理論一出現(xiàn)就表現(xiàn)其強(qiáng)大的生命力和滲透力。但當(dāng)對(duì)象參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生較大響應(yīng)，超調(diào)量明顯變大，上升時(shí)間變長，系統(tǒng)振蕩加劇，當(dāng)控制對(duì)象不明確時(shí)，三沖量的常規(guī)PID控制效果不好。三沖量控制與雙沖量，采用三沖量系統(tǒng)對(duì)干擾有很好有控制能力。4．汽包水位三沖量PID控制系統(tǒng)若汽包水位采用雙沖量單級(jí)PID控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)如圖3－15 所示。HDW+++++——圖312 汽包水位串級(jí)控制系統(tǒng)，由相關(guān)文獻(xiàn)資料可得，汽包水位控制通道傳遞函數(shù)為： (36)蒸汽量擾動(dòng)下干擾通道的傳遞函數(shù)為： (37)變送器的比例系數(shù)：水位變化范圍為177。串級(jí)系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，但它對(duì)信號(hào)的靜態(tài)配合要求不很嚴(yán)格，這是因?yàn)橹髡{(diào)節(jié)器能自動(dòng)校正信號(hào)配合不準(zhǔn)所引起的誤差。由于在采用三沖量，在系統(tǒng)中控制器的輸入端有三個(gè)輸入信號(hào)，這就水位極易引起偏差，因此，本文根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，提出了消除三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個(gè)方法:(1)輔助信號(hào)自消的方法。 (32)這樣就要求取值(3－2)式值時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)蒸汽流量擾動(dòng)下水位不變的設(shè)想。調(diào)節(jié)對(duì)象以給水量W 作為輸入，以水位H作為對(duì)象的輸出。在分析內(nèi)回路時(shí)可認(rèn)為主回路是開路，內(nèi)回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。(2)由水位調(diào)節(jié)對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。、引入系統(tǒng)的符號(hào)可用同樣的方法來確定。針對(duì)上述情況，為了把水位控制穩(wěn)定，鍋爐水位調(diào)節(jié)常輔助有蒸汽流量和給水流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，由水位、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖323 所示。這樣對(duì)水位控制要求就更高了。雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時(shí)的反映給水方面的擾動(dòng)，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位變化時(shí)才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長，水位波動(dòng)較大。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動(dòng)作。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再有水位變化到閥動(dòng)作已滯后一段時(shí)間。這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時(shí)間較長，負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場合下再配上一些鎖報(bào)警裝置就可以安全操作。圖34 汽包水位在燃燒率擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號(hào)為唯一的控制信號(hào)，即水位測量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān)。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。圖33汽包水位在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)蒸汽流量D突然增加時(shí)，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量D大于給水量W，水位應(yīng)下降，如圖中直線H1所示。 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對(duì)水位的影響，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性 在蒸汽流量擾動(dòng)下，水位響應(yīng)曲線如圖33。即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個(gè)因數(shù)，水位的變化如圖中曲線H2，相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，實(shí)際上水位H的響應(yīng)為H1與H2的和。即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)一段起始慣性段。如果只考慮主要擾動(dòng)，那么，汽包水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可用方程式表示為： （31） 式中 、 時(shí)間常數(shù)， 給水流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)， 蒸汽流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)， 給水流量項(xiàng)放大系數(shù)， 蒸汽流量項(xiàng)放大系數(shù)。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。對(duì)鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會(huì)引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。為達(dá)到上述三個(gè)控制目的，控制手段也有三個(gè)，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。1）鍋爐汽包水位的控制被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。即通過各種檢測儀表，調(diào)節(jié)儀表，控制裝置（運(yùn)算器，監(jiān)控器，執(zhí)行器）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。水位過高，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)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。為確保生產(chǎn)生活安全，對(duì)鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制就顯得十分重要。其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式，長期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。提出了三沖量輔助信號(hào)對(duì)消方法消除水位偏差。對(duì)鍋爐汽包水位控制方法大多采用傳統(tǒng)的PID 控制方式，由于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定不變，在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動(dòng)，但在系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)大幅度變化的情況下，系統(tǒng)不能適應(yīng)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至失控。在自適應(yīng)模糊PID控制器方面，我國的許多學(xué)者研究提出了采用模糊邏輯的非常規(guī)的PID控制器，研究表明自適應(yīng)、自調(diào)整以及模糊PID不僅可以解決簡單線性問題，而且對(duì)于許多復(fù)雜非線性、高階、時(shí)延等系統(tǒng)具有