【正文】 表達的控制規(guī)則又帶有相當?shù)哪：浴Ｈ鐭掍摖t的冶煉過程、工業(yè)鍋爐的燃燒過程等等。無論是采用經(jīng)典控制理論還是采用現(xiàn)代控制理論去設(shè)計一個自動控制系統(tǒng)，一般需要了解被控對象數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)、階次、參數(shù)等等，然后在此基礎(chǔ)上合理地選擇控制策略。誤差e的模糊量可用響應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差e的模糊語言集合的一個子集E(E是一個模糊矢量)，在由E和模糊控制規(guī)則R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量U。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下:微機經(jīng)過中斷采樣獲得被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號e，一般選誤差信號e作為模糊控制器的一個輸入量。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和一般的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)沒有多大區(qū)別，只是用模糊控制器取代了傳統(tǒng)的控制器。 模糊控制理論模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制。針對上述問題，長期以來，人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標的控制要求。所以，探求一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù)，這樣得到的控制效果顯然不是最佳的。在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中人們主要關(guān)心的問題是“設(shè)定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”。但事實上大多數(shù)的生產(chǎn)過程都具有非線性，且其特性隨時間的變化而變化，顯然固定的一組參數(shù)是不能滿足這種變化的。首先，傳統(tǒng)PID控制無自整定能力，這主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，PID控制器的參數(shù)整定必須相對于某一模型已知、系統(tǒng)參數(shù)已知的系統(tǒng)。 PID控制的優(yōu)缺點PID控制的特點，使它在過程控制中有很多優(yōu)點：第一，PID控制的原理簡單，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗豐富，使用起來比較方便；第二，PID控制對于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性；第三，在過程控制中的適應(yīng)性強，在多種生產(chǎn)部門都得到應(yīng)用，在生產(chǎn)過程控制發(fā)展歷程中，盡管控制器的實現(xiàn)幾經(jīng)換代，但基本的控制功能仍然是PID控制。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。令: ， ，則有： (36)其中，KI，KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。 在計算機中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。TD越小，它反抗e(t)變化的作用越弱。TD越大，則它抑制e(t)變化的作用越強，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。(3) 微分部分微分部分數(shù)學(xué)表達式表示如下： (34)微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質(zhì)，因為微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，具有及時性。積分時間TI，對積分部分的作用影響極大。(2) 積分部分積分部分數(shù)學(xué)式表示如下： (33) 從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除偏差。分別介紹如下：(1) 比例部分比例部分數(shù)學(xué)式表示如下： (32)偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強弱取決于比例系數(shù)，越大，控制作用越強，則過渡過程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越小；但越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生震蕩，導(dǎo)致動態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： (31)式中，u（t）——控制器的輸出； e（t）——控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號； KP——控制器的比例系數(shù)； TI—— 控制器的積分時間； TD——控制器的微分時間。 PID控制器的結(jié)構(gòu)PID控制器的基本控制規(guī)律有比例、積分和微分等幾種，工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合。PID控制器在功能和作用上，可以提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除靜態(tài)偏差，通過微分作用可以預(yù)測未來。這樣也就給傳統(tǒng)PID控制器提供了增加一些新功能的可能，這些新功能主要包括自整定、增益調(diào)度和自適應(yīng)。（4）借助于電子管、半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)，PID控制器發(fā)生了許多變化，從過去的氣動式向今天的微處理器方向發(fā)展。（3）現(xiàn)在，隨著微處理器性價比的不斷提高，一些優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的復(fù)雜控制算法能夠得到實現(xiàn)，而且控制技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了控制系統(tǒng)的組合化。概括的說，PID控制器應(yīng)用如此廣泛主要有以下幾個原因：（1）只要設(shè)計和參數(shù)整定合適，PID控制器在許多應(yīng)用場合都能獲得較滿意的效果。第三章 控制理論分析 PID控制理論 PID控制器簡述PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間，盡管自上世紀80年代以來，電子計算機的快速更新?lián)Q代和計算技術(shù)的高速發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，出現(xiàn)了許多先進的控制算法，然而，以PID為原理的各種控制器仍是過程控制中不可或缺的基本控制單元。當負荷變化時，液位可以保持無差。，一是由給水流量W、給水分流器a w組成的內(nèi)回路。為此再引入給水流量信號，即采用三沖量水位控制回路。為了克服虛假水位對控制的不良影響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號，所以雙沖量控制比單沖量控制更好些。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負荷而言，容量較大，水位受到擾動后的轟應(yīng)速度比較慢，虛假水位現(xiàn)象不很嚴重。針對這個問題，三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進了給水量信號控制。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(diào)節(jié)，只有在延遲一段時間后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。當給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達到調(diào)節(jié)要求的。因而大大減小了給水量和液位的波動，縮短了過渡過程的時間。K為蒸汽流量的分流系數(shù)[2]。當蒸汽負荷變化時，使調(diào)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(zhì)量。 雙沖量控制系統(tǒng)在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號。如圖 汽包液位單沖量控制原理圖及方框圖 圖 汽包液位單沖量控制原理圖及方框圖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(diào)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(diào)節(jié)質(zhì)量。其中，單沖量控制系統(tǒng)以汽包水位測量為唯一的控制信號；雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位信號為主要控制信號的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號；三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進給水量控制信號作為內(nèi)環(huán)控制。 鍋爐汽包水位控制汽包水位控制的目的就是要克服鍋爐負荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對水位的影響，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)變化?？傊?，由于存在“虛假液位”現(xiàn)象，當負荷蒸汽流量增加時，汽包水位開始不但不降反而上升，即先上升后下降。造成“虛假液位”的原因有兩個：(l)鍋爐蒸汽負荷增加使爐膛和汽包中汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化(汽容積增加)而引起汽包水位上升，這是引起汽包“虛假液位”的主要原因。但因蒸汽流量與給水流量產(chǎn)生不平衡的初始階段，水位下降存在時間上的延遲，所以實際上，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸汽流量，水位不但不下降，反而迅速上升，這是由于汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加造成的。 圖用傳遞函數(shù)來描述可以表示為: (210)式中，為蒸汽流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛升速度: ，分別為只考慮水面下汽泡容積變化所引起的水位變化H2的放大倍數(shù)和時間常數(shù)。這是由于蒸氣用量突然增加時，瞬間導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水沸騰加劇，氣泡迅速增加，氣泡容積增大造成的。當蒸汽流量突然增加時，若單從物料不平衡角度考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，液位應(yīng)當直線下降。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為： (24)由切線法求得：[1] (25) 汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性蒸汽負荷(蒸汽流量)對水位的影響，其干擾通道的動態(tài)特性。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包內(nèi)汽泡含量減少，導(dǎo)致水位下降。當水面下汽泡容積不再變化，完全穩(wěn)定下來時，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。這時，雖然給水量增加，但水位基本不變。給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負荷不變，那么在給水流量發(fā)生變化時，汽包水位對象的微分方程式可以表示為：經(jīng)拉式變換后得 (22)從而可得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)： (23)根據(jù)以上公式，在給水流量階躍輸入作用下，當突然加大給水流量(蒸汽量不變)，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位開始并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因為溫度較低的更多地給水進入了水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有的飽和汽水中吸取了一部分熱量，汽包和熱水管路中由于熱量的“損失”，汽包體積減少。如果只考慮主要擾動，那么，汽包水位對象的動態(tài)特性可用方程式表示: （21）式中，—時間常數(shù)；—給水流量項時間常數(shù)；—蒸汽流量項時間常數(shù)；—給水流量項的放大系數(shù)；Kd—蒸汽流量項的放大系數(shù)； 為穩(wěn)定狀態(tài)下的水位，△H為水位高度的變化)；(△w為給水流量的變化，Dmax為最大蒸汽負荷量)；(△D為蒸汽負荷量)。: 工業(yè)鍋爐的汽包及蒸發(fā)管中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。 汽包水位的動態(tài)特性維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標之一。鍋爐給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它對減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行具有重要意義。(3)提高了鍋爐的工作壓力，給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。汽包水位間接地表示了鍋爐負荷和給水的平衡關(guān)系，隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：(l)汽包的個數(shù)和體積減少，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽葬機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。汽包水位是鍋爐運行的主要指標。因此，必須對汽包水位進行自動調(diào)節(jié)，將水位嚴格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代鍋爐要向蒸發(fā)量大，汽包容積相對減小的方向發(fā)展。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，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。工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋爐缺水，鍋爐超壓，鍋爐滿水，汽水共騰，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。第二章 鍋爐汽包液位系統(tǒng)特性與控制方法分析鍋爐是一種既受壓又直接受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。因此，只要將他們的操作經(jīng)驗和知識正確地進行歸納、總結(jié)，找出相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，就可以在此基礎(chǔ)上建立汽包水位模糊控制系統(tǒng)。這是汽包水位控制最主要克服的問題之一。通過對現(xiàn)場鍋爐汽包水位的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲線。本文建立了鍋爐汽包水位控制特性的數(shù)學(xué)模型，分別采用傳統(tǒng)PID控制手段和模糊PID控制方法來設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并進行了對比討論。這個調(diào)節(jié)器接受三個輸入調(diào)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(nèi)反饋信號。對于幾臺鍋爐并列運行時，幾臺鍋爐的汽包水位控制會相互影響，使得控制過程非常復(fù)雜。(3)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，這就要求提高汽包水位的控制。雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是：調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動。加入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對控制的不良影響。②在給水擾動時，調(diào)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(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時間長。其中，單沖量控制系統(tǒng)以汽包水位測量為唯一的控制信號；雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位信號為主要的控制信號的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量為潛虧信號；三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進給水量控制信號作為內(nèi)環(huán)控制，下面分別加以詳細說明：(1)單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即調(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，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。本文就是對模糊PID控制在鍋爐控制中的應(yīng)用進行研究[4]。但應(yīng)用最活躍的是模糊控制。所以有必要對模糊控制進行更深入地研究，以便提高對汽包水位系統(tǒng)控制的性能。由此看來，將模糊控制引入鍋爐水位控制系統(tǒng)已是勢在必行。模糊控制的優(yōu)點就是不需要建立對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。因此，常規(guī)的PID控制器難以獲得良好的控制效果。水位對象的特征隨著鍋爐運行工況的改變而改變，沒有確定的數(shù)學(xué)模型。 鍋爐控制的研究現(xiàn)狀對鍋爐的汽包水位，傳統(tǒng)的控制方法如PID控制是目前較為流行也運用較多的控制方法，其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)，對于有精確的