【正文】 鑒于現(xiàn)有試驗(yàn)室的條件以及今后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)做一個(gè)完善和充分的準(zhǔn)。當(dāng)需要調(diào)用這一模糊推理系統(tǒng)時(shí)，可直接采用 tipfis文件。如圖為本文設(shè)計(jì)的模糊控制器的規(guī)則。 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 50 頁 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 50 頁 圖 隸屬函數(shù)的編輯 （ 3）編輯模糊控制規(guī)則 雙擊 FIS編輯器中間的圖標(biāo)，打開規(guī)則編輯器。類似的方法用于建立 ec和 u的隸屬函數(shù)。在右下角輸入相應(yīng)的參數(shù)： [8 6 4]。在左上角選擇變量，然后在 Edit中選擇 Add MFs??，打開專門用于輸入隸屬函數(shù)的窗口，從中輸入所選變量的隸屬函數(shù)。操作為：點(diǎn)擊系統(tǒng)的輸入框 (input1或 input2)，在 GUI右下角空白處修改輸入框的名稱，這里輸入為 e與 ec，輸出為 u。仿真步驟如下： （ 1）調(diào)用基本的 FIS編輯器，確定輸入、輸出變量 在 MATLAB下，輸入“ FUZZY”可打開 FIS編輯器，這時(shí)還沒有建立 FIS，通常 FIS編輯器默認(rèn)為 Mamdani型系統(tǒng)，并且假定系統(tǒng)為單輸入、單輸出。 4. 1 模糊控 制器的仿真實(shí)現(xiàn) 本文提出的雙輸入單輸出模糊控制器，其中模糊控制器的仿真實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。工具箱和具有矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程的特色使其成為一個(gè)功能強(qiáng)大的工具。除了常用的矩陣運(yùn)算， MATLAB 還提供了類似于其它編程語言的特性。當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，便于根據(jù)輸出的信息，從“文件”中查詢所需采取的控制策略。 R （ 313） 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 50 頁 由上式計(jì)算出的模糊控制量，可以選用一種判決方法，如采用最大隸屬度方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。此種算子在模糊數(shù)學(xué)的理論分析中被推薦使用 [14]。 R （ 38） u e NB NM NS ZE PS PM PB ec NB 6 6 4 2 2 0 0 NM 6 6 4 2 2 0 2 NS 4 4 4 2 0 2 2 ZE 4 4 2 0 2 4 4 PS 2 2 0 2 2 4 4 PM 2 0 2 4 4 4 6 PB 0 0 4 4 4 6 6 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 50 頁 U的隸屬函數(shù)為： uU (z ) = ∨ uA(x) ∧ uB(y) ∧ uC(z ) （ 39） x ∈ X y ∈ Y 設(shè)論域?yàn)椋? X={x1， x2， ， xn}； Y={y1， y2， ， ym}； Z={z1， z2， ， zl} 則 X、 Y、 Z上的模糊集分別為一個(gè) n、 m、 l元的模糊向量，而描述控制規(guī)則的模糊關(guān)系 R為一個(gè) n m行 l列的矩陣。 j =l )uAi(x)uBj(y)uCij(z) （ 37） 式中 x∈ X， y∈ Y， z∈ Z， ∧ 表示 MIN， ∨ 表示 MAX。描述控制規(guī)則的模糊關(guān)系 R為： R=Y Ai Bj Cij （ 36） R的隸屬函數(shù)為： uR(x, y,z ) = (i = n。 可以列出輸出變量 U 的控制規(guī)則如下表 所示： 表 32 模糊控制器控制規(guī)則表 U e NB NM NS ZE PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS zo NS NS ec ZE PM PM PS ZE NS NM NM PS PS PS ZE NS NS NM NM PM PS ZE NS NM NM NM NB PB ZE ZE NM NM NM NB NB 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 50 頁 模糊控制的輸出都是一個(gè) Fuzzy 子集 , 它是反映控制語言的不同取值的一種組合 ,但實(shí)際被控對(duì)象只能接受一個(gè)輸出量 , 因此要將 Fuzzy 集合變換到精確的輸出量 (反模糊化 )，我們可用模糊判決，即按加權(quán)平均法或隸屬度最大法或重心方法等原則，求出相應(yīng)的輸出量 .如下表 ： 表 模糊控制器規(guī)則表 模糊邏輯推理 MIN— MAX重心法（ Mamdani推理法）因?yàn)榉椒ê?jiǎn)單、實(shí)用、速度快，于是在模糊控制理論中較常用。只有選擇適當(dāng)?shù)牡目刂埔?guī)則，才能很好的體現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)操作人員的控制策略，以獲得較好的控制效果，既能保證響應(yīng)的快速性，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，模糊控制器采用如下的形式的控制規(guī)則： If e=iA and ce=iB Then u= PID else u= FZu(i=1,2,...,n) (34) 其中iA,iB及 iC分別為 e， ec 和 u 的模糊子集。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；而當(dāng)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。當(dāng)誤差為負(fù)中時(shí)，考慮的原則仍然是盡快消除誤差，其控制量的變化取值同誤差為負(fù)大時(shí)。 C】 【 3， +3】 【 6， +6】 模糊子集 {NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB} 模糊論域 【 6， +6】 【 6， +6】 【 6， +6】 量化因子 6/30= 6/3=2 6/6=1 500t/h CFB 鍋爐床溫模糊 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 50 頁 E隸屬函數(shù)分布圖 U 隸屬函數(shù)分布圖 圖 隸屬度分布圖 模糊控制規(guī)則 模糊控制器的控制規(guī)則的制定是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和專家的知識(shí)的綜合以后得到的，模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心組成部分。 變量 e ec U 語言變量 E Ec U 基本論域 【 30176。對(duì)于輸出量 u，調(diào)節(jié)范圍為 [ R R]，語言集為 {負(fù)大 (NB)，負(fù)中 (NM ) ， 負(fù)小 (NS)，零 (ZE)，正小 (PS)，正中 (PM)，正大 (PB )}，模糊論域可選擇為 [m m2?? 2 0 2?? m2 m]，輸出比例因子為： Ku=R/m (33) 由上述可得，它們的語言變量，基本論域，模糊子集，模糊論域及量化因子如表 。 模糊化模 糊控 制規(guī) 則模 糊決 策判 決清晰化控 制對(duì) 象設(shè) 定模 糊 控 制 器輸 出 圖 模糊控制系統(tǒng)組成框圖 由上圖我們看出，模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)過程可概括為以下三個(gè)步驟： 量的精確值模糊化，轉(zhuǎn)化為模糊量； ，并確定推理法則，也就是模糊決策，模糊決策后還必須經(jīng)過模糊判決以便得到一個(gè)確切的控制量； ，從而計(jì)算出精確的控制量。設(shè)計(jì)模糊控制器必須解決以下三個(gè)問題 [15]： 、輸出量的模糊化； b．模糊控制規(guī)則或模糊控制表的建立 (模糊算法 )； c．輸出信息的模糊判決。 1974年英國(guó)馬丹尼 (Mamdani)首先將模糊控制用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，實(shí)用效果良好。為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化， Ts越小越好。但 是 Td 太大時(shí)，會(huì)引起過大的超調(diào)， 系統(tǒng)不穩(wěn)定； Td 太小，調(diào)節(jié)質(zhì)量改善不大。微 分部 分反映了系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有超前和預(yù)測(cè)的特 點(diǎn)。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，Ti 太大時(shí)，消除靜差太慢 ； Ti 太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2) Ti 的影響積分控制主要用于消除靜差。相反，若 Kp 太小會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，靈敏度降低。但是 , 比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。下面對(duì) PID 控制規(guī)律和參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn) 行分析。 PID 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 PID 參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例”項(xiàng)往往是不夠 的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤 差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等 于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。其原因是由于存 在有較大慣性組件（環(huán)節(jié) ） 或有滯 后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是 落后于誤差的變化。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān) 系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的 增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng)”。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 PID 控制器由 比例單元 （ P)、 積分單元（ I)和微分單元 （ D)組成。實(shí)際中也有 PI 和 ro 控制。 PID 控制器簡(jiǎn)介 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。它的絕大部分功能都是由計(jì)算機(jī) 程序來完成的。 推理與解模糊接口 (Inference and Defuzzyinterface)推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。 （ 2）知識(shí)庫 (Knowledge BaseKB)由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分構(gòu)成。 （ 1）模糊化接口 (Fuzzy interface)模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實(shí)際上是模糊控制器的輸入接口。模糊控制器 (Fuzzy ControllerFC) 也稱為模糊邏輯控制器 (Fuzzy Logic ControllerFLC),由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句來描述的， 因此模糊控制器是一種語言型控制器， 故也稱為模糊語言控制器(FuzzyLanguageControlleFLC)?？刂茖?duì)象的動(dòng)態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，因此根據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和生產(chǎn)過程對(duì)控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入之前要做的一項(xiàng)重要工作。 模 糊控 制 器A / D D / A鍋爐檢 測(cè) 裝 置執(zhí)行機(jī)構(gòu)床 溫 給定 值床 溫 輸 出 圖 模糊 控制原理框圖 模糊控制原理框圖的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)床溫發(fā)生變化時(shí)，首先要根據(jù)變化的趨勢(shì)相應(yīng)調(diào)節(jié)給煤量，然后就是調(diào)節(jié)送風(fēng)量，但由于送風(fēng)系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)不利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，所以要考慮通過給煤調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)床溫的控制。影響鍋爐床溫的內(nèi)在可調(diào) 節(jié)因素包括給 煤量，一、二次風(fēng)量和總風(fēng)量，床層的高度或床料存量，爐膛底渣排放量，返料裝置下的放灰量等。此時(shí)用常規(guī)控制理論解決這些問題就出現(xiàn)了困難，因此本設(shè)計(jì)采用控制算法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，有較強(qiáng)魯棒性的模糊控制算法進(jìn)行控制。 H 0+_HA / D傳 感 器eyd e / d te c輸入量化輸入量化模糊化模糊化模糊推理解模糊化E△ E輸入量化UD / Au模 糊 規(guī) 則 庫被 控 對(duì) 象 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 圖 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)圖 鍋爐床溫模糊控制總體設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)主要是對(duì) 500t/hCFB 鍋爐床溫的控制。床溫誤差 e和床溫誤差變化率 ec作為模糊控制器的