【正文】 。常規(guī)的模糊控制器都是單變量模糊控制器，它有一個(gè)獨(dú)立的外部輸入變量和一個(gè)輸出變量。在進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)之前，需要先選定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。(6)合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。控制算法是由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的。⑷ 選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)，如量化因子、比例因子。模糊化是將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊化量，這其中分有三個(gè)過程：①將輸入量變成模糊控制器要求的量；②將處理過的輸入量進(jìn)行尺度變換；③將已經(jīng)變換的模糊量進(jìn)行模糊處理?？刂埔?guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵，一般包括三部分內(nèi)容：選擇描述輸人輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器控制規(guī)則。木文設(shè)計(jì)中采用溫度誤差和誤差變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動(dòng)控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸人變量可有三個(gè)，即誤差、誤差的變化、誤差變化的變化，輸出變量一般選擇控制量的變化。第五章 模糊控制器設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器(Fuzzy Logic Conroller)簡(jiǎn)稱為模糊控制器(Fuzzy Controller)，因?yàn)槟：刂破鞯目刂埔?guī)則是基于模糊條件語(yǔ)句描述的語(yǔ)言控制規(guī)則，所以模糊控制器又稱為模糊語(yǔ)言控制器。但模糊控制具有很大的魯棒性，它具有一定的適應(yīng)性。它的絕大部分功能都是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成的，隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組單元的軟件。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，即為解模糊化。⑸ 輸出量的清晰化（解模糊化）。模糊推理是控制器中根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如ifthen、or、also、and等，關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”，才能將模糊控制規(guī)則數(shù)值化。⑶ 語(yǔ)言控制規(guī)則。⑵ 模糊數(shù)據(jù)庫(kù)。⑴ 輸入量的模糊化。然后，進(jìn)行下一次信號(hào)采樣，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了被控對(duì)象的模糊控制。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，（也稱為去模糊化或非模糊化處理）。微機(jī)通過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到偏差信號(hào)e，再進(jìn)行模糊化變成模糊量 E，將模糊量 E 用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線框中部分所示。檢測(cè)變送裝置在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇檢測(cè)變送裝置時(shí)，應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定性好的檢測(cè)變送裝置。它是將被控對(duì)象或各種過程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（模擬或數(shù)字）的一類裝置。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會(huì)的、生物的或其它各種的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。 ⑶ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括各交、直流電機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液壓電動(dòng)機(jī)、液壓缸等。⑵ 輸入/輸出接口?？梢詷?gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運(yùn)算放大器加上阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的 PID 控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的各種串聯(lián)、并聯(lián)校正器；在現(xiàn)代控制理論中，設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制器、解耦控制器、魯棒控制器等。其框圖如下圖 ：模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個(gè)組成部分：⑴ 模糊控制器，是模糊控制系統(tǒng)中的核心部分。因此，模糊控制被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、煤炭生產(chǎn)過程、金屬冶煉、石油化工等方面，并取得了較為理想的效果。⑷ 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。⑵ 由對(duì)工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。 模糊控制特點(diǎn)模糊控制理論誕生后，由于它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要反映在對(duì)復(fù)雜的、機(jī)理不明的控制系統(tǒng)，它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗(yàn)與策略，因此與經(jīng)典的控制方法比較更有工程意義。在生產(chǎn)或生活實(shí)踐中，人們可以采用手動(dòng)控制方式來(lái)達(dá)到控制某一對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。由此得到啟發(fā)，將由腦中的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，把憑經(jīng)驗(yàn)所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)控制器去代替人對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，這種控制就是模糊控制。然而，一個(gè)熟練的操作人員卻能夠?qū)ο到y(tǒng)中的各種參量，如溫度、壓力、以致顏色、氣味等，做出響應(yīng)和判斷，最終獲得最好的人工控制效果。但是對(duì)于一些生產(chǎn)過程，既要獲得有足夠的精確性，又要便于系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的。當(dāng)代模糊控制的趨勢(shì)可向以下幾個(gè)方面發(fā)展：1 硬件——模糊邏輯芯片和模糊計(jì)算機(jī)的研制；⑵ 高度智能化模糊控制理論與應(yīng)用研究[22] 。最近幾年，對(duì)于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善，模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)(或規(guī)則)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究，尤其受到各國(guó)學(xué)者的重視。許多國(guó)家都投入了大量的研究人員對(duì)模糊理論和模糊控制進(jìn)行研究。隨著研究系統(tǒng)的復(fù)雜程度及不確定程度的逐步提高，一種新的系統(tǒng)方法模糊思想誕生了[24][25]。尤其是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最優(yōu)控制理論，成功地應(yīng)用到了航空航天領(lǐng)域的控制系統(tǒng)中。因此，模糊控制系統(tǒng)無(wú)疑也是一種智能控制系統(tǒng)[22] [23]。 模糊控制模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性，這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結(jié)構(gòu)突變，使得原整定參數(shù)無(wú)法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時(shí)就要求PID控制器具有在線修正參數(shù)的功能，這是自從使用PID控制以來(lái)人們始終關(guān)注的重要問題之一。記下此時(shí)的臨界比例增益Kps，并計(jì)算兩個(gè)波峰的時(shí)間Ts；3. 利用Kps和Ts的值，按下式計(jì)算Kp、TI 、TD。它基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即臨界比例增益Kps和臨界振蕩周期Ts利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器最佳數(shù)值。初始PID參數(shù)的確定使用穩(wěn)定邊界法，又叫臨界靈敏度法。由于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在為數(shù)眾多的不確定性，這些不確定性造成模型參數(shù)的變化難以預(yù)測(cè)，某些情況甚至能夠?qū)е履Ｐ徒Y(jié)構(gòu)突變，這使得按照傳統(tǒng)的整定方法得到的整定參數(shù)無(wú)法保證系統(tǒng)一直保持良好的工作狀態(tài)，這時(shí)就要求PID控制器具有在線修正參數(shù)的功能。整定的好壞直接影響控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性。TD越大，則它抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)，TD越小，它反抗e(t)變化的作用越弱，它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。③ 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，微分控制能敏感出偏差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。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)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除靜差所需的時(shí)間較長(zhǎng)?？墒欠e分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷地積累，輸出控制量以消除靜差。故而，比例系數(shù)Kp選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。我們不妨簡(jiǎn)單分析一下PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：① 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。[20]。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法[20]。在連續(xù)―時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器、專家PID控制器、基于遺傳算法的PID控制器都是研究的熱點(diǎn)[19]。隨著模糊理論的成熟，模糊控制技術(shù)和PID控制技術(shù)結(jié)合在一起的研究，成了這個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。是一種以知識(shí)工程為指導(dǎo)的、具有思維能力和學(xué)習(xí)、自適應(yīng)調(diào)整及自組織功能的先進(jìn)控制思想和策略。所謂智能控制是以控制理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用擬人化的思維方法、規(guī)劃及決策實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程優(yōu)化控制的一種技術(shù)。第四章 控制理論簡(jiǎn)介由于一些工業(yè)過程存在著嚴(yán)重的不確定性，以經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)的、基于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制方法已經(jīng)顯示出其不適應(yīng)性。模糊控制具有簡(jiǎn)易性和快速性等特點(diǎn)，雖可以獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，但沒有積分作用，使得控制存在靜態(tài)偏差，所以，對(duì)除氧器的溫度控制采取了模糊—PID復(fù)合控制。由PID控制的各個(gè)環(huán)節(jié)的作用可知，比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；積分控制作用能消除靜態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；微分控制作用可加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減小超調(diào)量[19]。 發(fā)電廠熱力除氧器具有大滯后、時(shí)變、參數(shù)變量耦合等非線性特性，同時(shí)還存在著多種隨機(jī)干擾，這就需要控制器具有較高的智能性。除氧器溫度控制的基本任務(wù)是在電站鍋爐負(fù)荷寬幅波動(dòng)，除氧器給水流量擾動(dòng)等因素的作用下，將除氧器內(nèi)的溫度控制在104土3℃范圍內(nèi)，從而滿足熱力除氧器除氧工藝的要求，使電站鍋爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行。在時(shí)變參數(shù)的非線性系統(tǒng)中，模糊自整定PID控制和帶自調(diào)整模糊控制不僅具有PID控制的優(yōu)點(diǎn)，且具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能，具有好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。下面將幾種算法的控制策略進(jìn)行比較，如表 所示。 控制方案的確定溫度的測(cè)量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著很重要的測(cè)控任務(wù)。⑶ 除氧器內(nèi)的主要干擾是給水干擾，其擾動(dòng)幅值大而頻繁，對(duì)被調(diào)參數(shù)影響較大，反饋控制難于達(dá)到除氧工藝的要求，采用單一的PID控制系統(tǒng)通常不能滿足除氧工藝的要求。因此，我們將溫度的控制范圍設(shè)定在104土3℃。⑵ 從水中氣體的溶解特性以及熱力除氧的特點(diǎn)可以看出，采用溫度控制系統(tǒng)來(lái)替代壓力控制系統(tǒng)，能更好地滿足熱力除氧工藝對(duì)溫度的要求。為了減少給水流量的波動(dòng)頻率，可以采取程序控制的方法來(lái)保持給水流量在某一時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定不變。⑴ 在工業(yè)鍋爐的運(yùn)行工況下，除氧器的主要擾動(dòng)——給水流量的波動(dòng)大而頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制品質(zhì)非常差，甚至于失控。因此，工業(yè)鍋爐熱力除氧器的除氧效果往往很差。由于除氧系統(tǒng)管路及除氧器本身比較復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)特性較難確定，當(dāng)鍋爐負(fù)荷急劇變化時(shí)，該系統(tǒng)的主要干擾——給水流量產(chǎn)生較大的變化，而該系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)——除氧器內(nèi)的溫度尚未變化，蒸汽調(diào)節(jié)閥是不會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用的。因此工業(yè)鍋爐熱力除氧器僅控制汽壓的變化是很難將除氧器內(nèi)的溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)的。當(dāng)鍋爐負(fù)荷波動(dòng)范圍不大時(shí)，除氧頭內(nèi)的汽壓與溫度的變化幾乎成線性關(guān)系，因此通過控制除氧頭內(nèi)的汽壓能夠達(dá)到控制除氧溫度的目的。因此除氧器的除氧效果就大為降低。鍋爐負(fù)荷的變化引起了除氧水箱的出水流量的變化，引起了除氧水箱的水位變化，現(xiàn)有系統(tǒng)通過水位調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)流入熱力除氧器的回水及軟水的流量，保持除氧水箱內(nèi)水位的穩(wěn)定。若除氧器的負(fù)荷突然增加，會(huì)造成水溫下降，影響除氧效果[14]。第三章 熱力除氧器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 熱力除氧器控制系統(tǒng)現(xiàn)狀熱力除氧器除氧效果的好壞，最主要的因素是調(diào)節(jié)進(jìn)汽量和給水量，保持除氧器汽壓、水溫穩(wěn)定?，F(xiàn)將除氧器的控制器不接入控制回路中，使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，用飛升曲線法測(cè)得式22各系數(shù)的近似值如下：τ=3秒，T=，K=。 （21）熱工被控對(duì)象的絕大多數(shù)是屬于有自平衡能力的，并且屬于有純滯后的多階慣性環(huán)節(jié)[44]。所以，對(duì)一般的工業(yè)過程對(duì)象，常采用一階、二階傳遞函數(shù)進(jìn)行擬合。閉環(huán)控制，尤其是采用先進(jìn)而合適的控制策略的控制系統(tǒng)，并不要求非常精確的被控對(duì)象模型。對(duì)同一條響應(yīng)曲線，用低階傳遞函數(shù)擬合，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，計(jì)算量也小，但準(zhǔn)確程度較低。經(jīng)簡(jiǎn)單處理，就可得到該過程的模型參數(shù)。因此，本系統(tǒng)采用階躍信號(hào)作為輸入信號(hào)。 本課題對(duì)除氧器控制系統(tǒng)的建模采用統(tǒng)計(jì)建模的方法。因此，在除氧器溫度控制系統(tǒng)的研究中，其動(dòng)態(tài)特性的分析是關(guān)鍵。 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型除氧器溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)是建立在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上的。這種方法的特點(diǎn)在于不要求清楚了解系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)理，而只著眼于系統(tǒng)的整體特性。工程中許多被控對(duì)象都是相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)備和系統(tǒng)，它們的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜，采用理論建模方法獲得其數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難，或者說(shuō)需要用很復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述其動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)建模是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，即先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)分析確定模型的結(jié)構(gòu)，然后由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其未知參數(shù)。理論建模是根據(jù)基本的物理、化學(xué)定律和工藝參數(shù)，在一定的假設(shè)條件下，導(dǎo)出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。如果通過對(duì)被控對(duì)象特性的研究，得出被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，則可對(duì)工藝設(shè)備提出具體的設(shè)計(jì)要求或合理的改進(jìn)意見，使工藝設(shè)備具有良好的動(dòng)態(tài)特性，為設(shè)計(jì)滿意的控制系統(tǒng)創(chuàng)造先決條件；③確定控制系統(tǒng)的最佳整定參數(shù)，只有掌握了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，才有可能應(yīng)用控制理論計(jì)算確定控制系統(tǒng)的最佳整定參數(shù)[16]。從控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則知道，只有準(zhǔn)確地掌握了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，才能確定最優(yōu)的控制規(guī)律，設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)；②對(duì)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)提出合理的要求和建議。被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性實(shí)際上就是建立被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，即用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述被控對(duì)象各變量間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱建模[14]。只有掌握了它們各自的動(dòng)態(tài)特性，并把它們合理地構(gòu)成控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)人們預(yù)期的控制目的。3℃范圍時(shí)，除氧效果難于保證； (5) 蒸汽消耗量比較大，通常按設(shè)計(jì)規(guī)范達(dá)到鍋爐自產(chǎn)蒸汽量的一定量時(shí)，就造成熱力除氧器運(yùn)行費(fèi)用非常高； (6) 提高給水進(jìn)入省煤器的溫度，使廢煙氣回收利用率降低；(7) 負(fù)荷變動(dòng)時(shí)不易調(diào)整； (8) 要求設(shè)備高位布置，增加了基建投資、設(shè)計(jì)、安裝、操作的不方便； (9) 對(duì)壓力、溫度、以及除氧器的水位要求比較高。國(guó)內(nèi)目前工業(yè)鍋爐(蒸汽類)的除氧器，淋水式熱力除氧器是最常