【正文】 來設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了對比討論。基于鍋爐水位控制及模糊控制的特點(diǎn)，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現(xiàn)有的模糊控制器的構(gòu)成方式進(jìn)行歸納總結(jié)。第1章 緒論 鍋爐控制系統(tǒng)分類目前，在工程處理上做了一些假設(shè)后，將鍋爐設(shè)備控制劃分為若干個控制系統(tǒng)，主要包括：(1)鍋爐汽包水位的控制。(3)過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。汽包水位是鍋爐系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)，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(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。因此，研究汽包水位的控制方法有著重要的意義。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。引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。下面分別討論汽包水位在給水流量和蒸汽流量作用下的動態(tài)特性：（1） 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。經(jīng)省煤器進(jìn)入汽包的給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽包減少給出的空間。但水面下汽包容積變化過程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。用傳遞函數(shù)來描述時(shí)，它相當(dāng)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： （）（2） 汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性（給水量不變），可直接從公式（）導(dǎo)出： （）經(jīng)拉氏變換后： （）則其傳遞函數(shù)為： （） 上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即： （）其中， 當(dāng)蒸汽流量在時(shí)間突然增加的擾動下，汽包水位的反應(yīng)用傳遞函數(shù)來描述可以表示為： （） 式中， 為在蒸汽流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛升速度；, 別為只考慮水面下汽包容積變化所引起的水位變化的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)。但是因?yàn)檎羝髁颗c給水流量產(chǎn)生不平衡的初始階段，水位下降存在時(shí)間上的延遲，所以實(shí)際上，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，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。造成“虛假水位”的原因有兩個：(1) 鍋爐蒸汽負(fù)荷增加使?fàn)t管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“虛假水位”的主要原因； (2) 蒸汽流量增加，汽包氣壓下降爐水沸點(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?？傊捎诖嬖凇疤摷偎弧爆F(xiàn)象，當(dāng)負(fù)荷蒸汽流量增加時(shí)，汽包水位開始不但不下降反而上升，即先上升后下降；當(dāng)蒸汽負(fù)荷量突然減小時(shí)，則汽包水位變化的情況相反，先降后升。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(jìn)給水量控制信號作為內(nèi)環(huán)控制，下面分別加以詳細(xì)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)。②在給水?dāng)_動時(shí)，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(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。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。(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。對于幾臺鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，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。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[1] [2] [3] [4] [5]。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。(2) PID 控制器有一個相對固定的結(jié)構(gòu)形式，一般僅有三個參數(shù)需設(shè)置，不需要精確的數(shù)學(xué)模型；并且PID控制器操作簡單、維護(hù)方便，對設(shè)備和技術(shù)人員的要求不高，因而在現(xiàn)有控制系統(tǒng)中使用容易。然而在這種情況下，為什么PID控制器依然能在過程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用?其中一個原因，是許多高級控制策略都采用分層結(jié)構(gòu)，而PID 控制被用于最底層。(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。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)。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。 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。這三部分的表示方式和作用分別是：(1) 比例部分在比例部分，比例系數(shù) 越大，則過渡過程越短，控制結(jié)果的靜態(tài)偏差也越?。坏酱?，也越容易產(chǎn)生振蕩。(2) 積分部分從積分部分的數(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不斷增加?？梢姡e分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。當(dāng)較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。當(dāng)較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)。(3) 微分作用微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間決定。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定由很大的影響。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式和增量式兩種：(1) 位置式 PID控制算法位置式 PID控制系統(tǒng)如下圖所示： 圖22 位置式PID控制系統(tǒng)由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。按模擬 PID 控制算法的算式()，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT 代替連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換: （） 其中，T 是采樣周期。為了書寫方便，將簡化表示為 ，即省去 。這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。所謂增量式 PID是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量 。增量式 PID控制系統(tǒng)如下圖所示：圖24 增量式PID控制系統(tǒng)根據(jù)遞推原理可得： （）用式()減式()可得增量式PID控制算法: （） 式()稱為增量式PID控制算法。可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 ，一旦確定了、只要使用前三次測量的偏差，即可由式()或式()求出控制增量。對應(yīng)閘板實(shí)際位置的控制量，目前采用較多的是利用算法 = +通過軟件來完成。手動或自動切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換。但增量式PID也有其不足之處，如積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。這樣，既提高了控制的穩(wěn)定性，又避免了系統(tǒng)可能發(fā)生的振蕩[6] [7] [8]。這類對象往往被稱為不確定性系統(tǒng)。但是對于這類系統(tǒng)，人類卻可以憑借自身的操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行很好的控制。而后，控制專家運(yùn)用模糊控制工具，結(jié)合人類的專家控制控制經(jīng)驗(yàn)建立了一種新型的控制方法模糊控制。模糊控制器的基本工作原理是：將測量得到的被控對象的狀態(tài)經(jīng)過模糊化接口轉(zhuǎn)換為用人類自然語言描述的模糊量，而后根據(jù)人類的語言控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理得到輸出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經(jīng)過清晰化接口轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠接收的精確量。它具有如下一些突出優(yōu)點(diǎn):(1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據(jù)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡單，便于應(yīng)用。(3)基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異。模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(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。簡單的模糊控制器與常規(guī)的控制器相比具有一定的優(yōu)點(diǎn)，然而它也存在一些缺陷:1)精度不太高。實(shí)際上，如果模糊控制器不引入積分機(jī)制，原則上誤差總是存在的。由于量化因子和比例因子是固定的，當(dāng)對象參數(shù)隨環(huán)境的變遷而變化時(shí)，它不能對自己的規(guī)則進(jìn)行有效的調(diào)整，從而使其良好的性能不能得到充分的發(fā)揮。如果查詢表構(gòu)造不合理，或量化因子和比例因子選擇不當(dāng)，都會導(dǎo)致振蕩。 模糊控制系統(tǒng)組成圖31 模糊控制系統(tǒng)圖如上圖所示，模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分：(1)模糊控制器：模糊控制的核心部分。隨著近幾年來日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。(2)輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括各種交、直流電動機(jī)，伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)，氣動調(diào)節(jié)閥，液壓機(jī)構(gòu)等等。它可以是線性或非線性的、定常或時(shí)變的，也可以是單變量或多變量的、有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種情況。(5)傳感器：傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(模擬的或數(shù)字的)的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度。 模糊控制的基本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(jì)算機(jī)智能控制。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。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下:微機(jī)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，一般選誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量。誤差的模糊量可用響應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差的模糊語言集合的一個子集 (是一個模糊矢量)，在由和模糊控制規(guī)則 R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量 ： ()下面詳細(xì)介紹模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及到的具體理論。2. 隸屬函數(shù)用[0,1]中的一個實(shí)數(shù)來度量元素屬于模糊集的程度，這個實(shí)數(shù)稱為隸屬度。隸屬函數(shù)在模糊控制中占有十分重要的地位，確定隸屬函數(shù)的方法主要有模糊統(tǒng)計(jì)法、相對比較法、對比平均法以及專家經(jīng)驗(yàn)法等。它用兩個參數(shù)來描述，一般可表述為 ()其分布曲線如下圖所示：圖32 正態(tài)分布 （2） 三角型 這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個參數(shù)表示，一般可描述為: () 分布曲線見下圖：圖33 三角分布（3） 梯型 這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由四個參數(shù)表示，一般可描述為: ()分布曲線見下圖：圖34 梯形分布3. 模糊關(guān)系以集合 和 的直積 為論域的一個模糊子集稱為集合 到 的模糊關(guān)系，也稱為二元模糊關(guān)系。模糊關(guān)系是模糊運(yùn)算、模糊函數(shù)等的基礎(chǔ)。它代表集合 中第 個元素和集合 中第 個元素 組成的序偶屬于模糊關(guān)系 的程度，即 。稱為 對 的合成。算符“0”是合成運(yùn)算符號。例如在模糊控制中的“偏差” 、“偏差變化率”等。例如“極大” 、“很大” 、“較小”等作為語言變量“偏差” 、“偏差變化率”的值。顯然，基本論域內(nèi)的量為精確量。每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量(精確量)還不能直接控制對象，必須將其轉(zhuǎn)換為控制對象所能接受的基本論域中去，從而引入比例因子。量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子之間大小的相對關(guān)系，對模糊控制器的控制性能影響很大，僅用一組恒定不變的值是難以保證被控過程到處于最佳控制狀態(tài)，往往會降低模糊控制系統(tǒng)的魯棒性。然而和的大小意味著對輸入變量誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，和兩者之間也互相影響，選擇或調(diào)整量化因子和比例因子是有一定難度的.模糊控制器是以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，并己成為把人的控制經(jīng)驗(yàn)及推理納入自動控制策略之中的一條簡捷的途徑。把人的經(jīng)驗(yàn)用模糊條件語句表示，然后用模糊集合理論對語言變量進(jìn)行量化，再用模糊推理對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，這就是模糊控制器的工作過程。下面對其分別詳細(xì)說明：(1) 模糊化所謂模糊化，就是把輸入和根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù)，找出所定義的各個語言值的隸屬度的過程，從而把精確量輸入“模糊化”成不同的語言值，實(shí)現(xiàn)模糊控制的第一步。模糊化等級不宜劃分的過細(xì)、過密，否則它不僅會失去某些信息，體現(xiàn)不出模糊量的長處，而且會大大增加運(yùn)算與推理過程的工作量，使它的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)更為困難。此外，為了按照一定的語言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，還要事先確定輸出量的隸屬函數(shù)。在模糊控制器推理過程中，數(shù)據(jù)庫向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。2）模糊控制規(guī)則是基于手動操作人員長期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識，它是對被控對象進(jìn)行控制的一個知識模型。在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)輸入、輸出論域的模糊子集常常用有標(biāo)識性的符號標(biāo)記，如 NB(負(fù)大)﹑NM(負(fù)中) ﹑NS(負(fù)小)、NO(負(fù)零)、ZO(零)、PO(正零)、PS(正小)、PM (正中)、PB(正大)等來表示。建立模糊控制規(guī)則的常用方法是經(jīng)驗(yàn)歸納法。這些規(guī)則實(shí)質(zhì)是人類控制行為的一種語言描述。 (3) 模糊推理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