【正文】 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。2．通過估算及仿真實(shí)驗(yàn)得到：根據(jù),給水流量信號(hào)和汽流量信號(hào)的分流系數(shù)為：。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。仿真結(jié)果與雙沖量PID進(jìn)行比較如圖2－12－16所示。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。串級(jí)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的干擾有較強(qiáng)的控制能力。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(zhǎng)，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。第四章 模糊控制 模糊控制的產(chǎn)生與發(fā)展模糊理論的創(chuàng)始人是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的自動(dòng)控制專家扎德()，在他的第一篇論文《模糊集合》中，首先引入了隸屬函數(shù)的概念。模糊理論一出現(xiàn)就表現(xiàn)其強(qiáng)大的生命力和滲透力。在控制系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，都需要了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。這使現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用受到限制。這一開拓性的工作標(biāo)志模糊控制工程的誕生。我國(guó)的模糊控制理論及其應(yīng)用研究是從工作1979 年開始的。近年來在工業(yè)基礎(chǔ)上應(yīng)用模糊控制己取得了許多成果。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。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖4－2所示。輸出模糊化模糊推理清晰化控制對(duì)象知識(shí)庫(kù)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。模糊化的具體過程如下：首先對(duì)這些輸入量進(jìn)行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量。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。(1)單值模糊器。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。(2)高斯模糊器。三角形模糊器。111KKK圖43 單點(diǎn)隸屬函數(shù)圖 44 高斯隸屬函數(shù)圖 45 三角形隸屬函數(shù)高斯模糊器或三角形模糊器能克服輸入變量中包含的噪聲，而單值模糊器卻不能。它通常由以下兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值，若論域?yàn)檫B續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)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。最常用的關(guān)系詞為if－then , e1se , a1so ，對(duì)于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有and 等。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。3．模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模糊人的基于模糊概念的推理能力。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）。對(duì)于多輸入多輸出模糊控制器，其規(guī)則庫(kù)具有如下形式： (45) 可見，規(guī)則庫(kù)R可看成由q個(gè)子規(guī)則庫(kù)所組成，每個(gè)子規(guī)則庫(kù)由n個(gè)多輸入單輸出的規(guī)則所組成。設(shè)已知模糊控制器的輸入模糊量為：x是A39。則根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，可以得出輸出模糊量z(用模糊集合表示）為： (46)其中以上運(yùn)算包括了三種主要的模糊邏輯運(yùn)算：and 運(yùn)算、合成運(yùn)算“。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。假設(shè)有如下兩條推理規(guī)則：R1:if X is A1 and Y is B1,then Z is C1R2:if X is A2 and Y is B2,then Z is C2Mamdani 模糊推理的計(jì)算方法如下：若己知，則新的隸屬度為： (47) 式中。(2)己經(jīng)被廣泛地接受和應(yīng)用。Sugeno模糊推理的優(yōu)點(diǎn)：(1)計(jì)算效率高。(3)可以與優(yōu)化和自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合運(yùn)用。(5)非常適用于數(shù)學(xué)分析。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。清晰化計(jì)算通常有以下幾種方法。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。(3)最大隸屬度取最大值方法(lom) 該方法取模糊集合中具有最大隸屬度的所有點(diǎn)中的最大的一個(gè)作為去模糊化的結(jié)果。(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。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。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。如果將兩種控制策略結(jié)合，則能構(gòu)成兩者優(yōu)點(diǎn)兼有的新的控制器。模糊PID控制器主要有：(1)引入積分因子的模糊PID控制器。 (2)混合型模糊PID控制器。混合模糊PID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)。其基本控制原理是在大誤差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小誤差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的誤差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。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。第五章 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5．1自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)用用誤差和誤差變化率來表示一個(gè)PID控制，則其表示形式為： (51)其中為控制器輸出量，為誤差，為誤差變化率，為比例系數(shù)，為積分作用系數(shù)，為微分作用系數(shù)。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。二輸入三輸出模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖5－1所示。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。將水位偏差和水位誤差率模糊語言變量量化到整數(shù)論域均為：｛+3｝。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。圖52 輸入變量的三角形隸屬度曲線圖圖53 輸出變量的三角形隸屬度曲線圖量化因子的選擇：誤差的量化因子，誤差變化率的量化因子輸出控制量的比例因子，其中為水位誤差值，為水位誤差變化率，為輸出控制量n、m、l為論域值。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。過小引起大的超調(diào)，使調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)不能工作。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。本模糊控制器根據(jù)鍋爐控制的現(xiàn)狀及工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合仿真，歸納總結(jié)出PID三個(gè)參數(shù)的控制規(guī)則如表5表5表53所示。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。6．模糊推理算法和清晰化計(jì)算采用Mamdani型模糊推理算法，運(yùn)用極小運(yùn)算規(guī)則定義蘊(yùn)涵表達(dá)模糊關(guān)系。本設(shè)計(jì)采用加權(quán)平均法也叫面積重心法(Centroid)。如圖5－4所示。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)。根據(jù)傳統(tǒng)鍋爐水位三沖量PID控制方式，本設(shè)計(jì)的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)采用串級(jí)方式，主控制器采用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器，副控制器采用P 控制器。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)。(3)加入給水流量擾動(dòng)時(shí)仿真結(jié)果如圖5－6所示。(2)加入蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)。(4)水位對(duì)象發(fā)生變化時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如圖55510所示。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。結(jié)束語工業(yè)鍋爐燃燒過程有許多被控量和控制變量，這些變量間存在很強(qiáng)的耦合，并且互相關(guān)聯(lián)。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。本文對(duì)電站工業(yè)鍋爐汽包水位控制特點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的動(dòng)態(tài)分析，從而確定了對(duì)于大中型工業(yè)鍋爐宜采用三沖量水位自動(dòng)控制的方案。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(zhǎng)的問題，使該系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。所以模糊控制非常適合于控制對(duì)象不確定的場(chǎng)合。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)。在這一學(xué)期中通過與司徒老師的接觸，她那孜孜不倦、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度也給了我很大啟發(fā)，使我終身受益，在論文的寫作過程中，指導(dǎo)老師司徒瑩老師無比耐心、無私無求的給予我持續(xù)的幫助，沒有司徒瑩老師的指導(dǎo)，論文無法順利完成。衷心感謝自動(dòng)化教研室的司徒瑩等老師的關(guān)懷。行方智圓煅內(nèi)蘊(yùn)，海闊天空鑄宏圖。老師教誨之恩，當(dāng)