【正文】 控制也就無法實現(xiàn)。如果擾動量可控，則可設(shè)置獨立的控制系統(tǒng)予以克服，也就無須設(shè)計較為 復(fù)雜的前饋控制系統(tǒng)。 b．系統(tǒng)中的擾動量的變化幅值大、頻率高。擾動量幅值變化越大，對被控變量的影響也就越大，偏差也越大，因此，按擾動變化設(shè)計的前饋控制要比反饋控制更有利。高頻干擾對被控對象的影響非常明顯，特別是對純延遲時間小的流量控制對象，容易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)震蕩。采用前饋控制，可以對擾動量進行同步補償控制，從而獲得較好的控制品質(zhì)。 c. 控制通道的純遲延時間較大或干擾通道的時間常數(shù)較小。當(dāng)系統(tǒng)控制通道的純遲延時間較大，采用反饋控制難以滿足工藝要求，這時可以采用前饋控制，把基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 19 主要擾動引入前饋，構(gòu)成前饋 反饋控 制系統(tǒng)。 d．當(dāng)工藝上要求實現(xiàn)變量間的某種特殊關(guān)系，需要通過建立數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)控制時，可選用前饋控制。這實質(zhì)上是把擾動量代入已建立的數(shù)學(xué)模型中去，從模型中求解控制變量，從而消除擾動對被控變量的影響。 （ 3）前饋控制系統(tǒng)的選用原則。 當(dāng)決定選用前饋控制方案后，還需要確定前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的選擇要遵循以下原則。 。采用前饋控制的優(yōu)先性次序為靜態(tài)前饋控制、動態(tài)前饋控制、前饋 反饋控制和前饋 串級控制。 。由于動態(tài)前饋的設(shè)備投資高于靜態(tài)前饋，而且整定也比較復(fù)雜，因此 ,當(dāng)靜態(tài)前饋 能滿足工藝要求時，不必選用動態(tài)前饋。 ，在采用單純前饋控制系統(tǒng)中，要求構(gòu)成系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)都應(yīng)盡可能精確辨識，因為開環(huán)控制系統(tǒng)中的任一環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的控制精度有一定的影響。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 20 5 串級三沖量給水控制系統(tǒng) 串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 51所示。這個 系統(tǒng)包含三個回路分別為 主回路、副回路和前饋通道回路 。為 了 保證被 控制的變量沒有靜態(tài)誤差 ，主調(diào)節(jié)器采用 PI 控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用 PI 或 P 控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號，但系統(tǒng)的靜態(tài)特 性由主調(diào)節(jié)器決定， 所以蒸汽流量的信號并不一定和給水流量的信號一樣 。副回路的 主要作用是 消除內(nèi)擾，主回路 主要作用是糾正水位的誤差 ，而前饋通路 回路 則用于補償外擾， 并且 克服虛假水位現(xiàn)象 。 圖 51串級三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理框圖如圖 52所示。從方框圖中可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路：（ 1）是由給水流量 W，給水分流器 2K ，調(diào)節(jié)器 cG ，調(diào)節(jié)閥 vG基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 21 組成的內(nèi)回路。（ 2）由水位調(diào)節(jié)對象 G（ o1） 和內(nèi)回路構(gòu)成主回路。蒸汽流量 D、分流器 1K ，對象 G（ o2） 均在閉合回路之外，它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。 汽包水位串級三沖量 PID 控制系統(tǒng) 根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運行情況，介紹消除三沖量調(diào)節(jié) 系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個方法： （ 1） 輔助信號自消的方法。自消就是輔助信號 X（ t） 經(jīng)一個不完全微分環(huán)節(jié)得到信號 )(tX 再加至控制器 。 （ 2） 輔助信號對消的的方法。所謂對消就是輔助信號滿足對消條件，設(shè)有兩輔助信號 )(1tX 和 )(2tX 。 )(cG )(vG )1(oG )2(oG 01 nK? K2 D H H0 圖 52串級三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 22 汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量 PID 串級控制系統(tǒng)如圖 53所示。與一般串級系統(tǒng)不同的是引入了蒸汽 流量作為靜態(tài)前饋信號，是一個帶有靜態(tài)前饋的串級控制系統(tǒng)。串級系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用了一個調(diào)節(jié)器，但它對信號的靜態(tài)配合要求不嚴格，這是因為主調(diào)節(jié)器能自動校正信號不準所引起的誤差。水位偏差控制采用蒸汽流量與給水流量對消的方式來消除偏差，即取dwd kkn ? )(1 sGc )(2 sGc pK )(sGp wK HK )(sGD DK Dn rH D W H 圖 53串級三沖量 PID 控制系統(tǒng)框圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 23 鍋爐汽包水位的串級三沖量 PID控制系統(tǒng) MATLAB 仿真 1 通過對實際系統(tǒng)的分析，采用三沖量控制系統(tǒng)有利于消除系統(tǒng)的時滯現(xiàn)象和“ 虛假水位”。同時通過實際的測量建立系統(tǒng)模型，試驗得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 （ 1）水流量的傳遞函數(shù) )130( )( ?? sssG p （ 51） （ 2）汽流量的傳遞函數(shù) sssG D )( ??? （ 52 ） （ 3）變送器的比例系數(shù) 水位變化范圍為 ? 50mm。水位變送器的電流變化為 010mA，所以水位變送器的比例系數(shù)為： 10 ???HK。 水流量和汽流量變送器的比例系數(shù)為 ?? WD KK 。 2 通過估算及仿真實驗得到：根據(jù) WWDD KnKn ? ，給水流量信號和氣流量信號的分流系數(shù)為： 。 PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過仿真實驗得到： （ 1） 主控制器的 PID 參數(shù)為： 0 0 ,0 0 , ??? DIP KKK （ 2） 副控制器的 PID 參數(shù)為： ,150,5 ??? DIP KKK 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 24 3 汽包水位串級三沖量 PID 控制系統(tǒng)圖 圖 54汽包水位串級三沖量 PID 控制系統(tǒng)圖 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 25 圖 55 500s 加入給水流量擾動時的仿真結(jié)果 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制是一種新興的控制手段，自問世以來，得到了迅速的發(fā)展，在很多領(lǐng)域都有了成功的應(yīng)用。以模糊集合理論為基礎(chǔ)的，它是模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)與模糊系統(tǒng)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。 模糊控制利用模糊集合理論，把人的語言轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象模擬人的思維方式控制。 模糊控制的控制規(guī)律是語言規(guī)則，基本形式是 “ 如果 ?” ， “ 則 ”? ，是一個邏輯推理過程，前半部分語句是條件，后半部分語句是結(jié)果。 模糊控制的語言規(guī)則的所有部分都是對事物的一種模糊描述。例如 “ 衣服很臟則要多洗一會 ” 這個規(guī)則描述中， “ 衣服很臟 ” 和 “ 多洗一會 ” 都是一種模糊語言描述。只有將傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與模糊描述良好的搭配起來使用，構(gòu)成一條新的數(shù)學(xué)分支 —基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 26 模糊數(shù)學(xué)，計算機才能自動實現(xiàn)控制規(guī)則。 如圖 61所示，它的核心部分為模糊控制器，模糊控制器由計算機語言實現(xiàn)。執(zhí)行機構(gòu)一般由各種調(diào)節(jié)閥組成，一般控制作用比如使角度、位置、電壓等發(fā)生變化。檢測裝置一般由傳感器和變送裝置組成，對溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等變化放大為標準的電信號，包括模擬信號和數(shù)字信號。被控對象是一種設(shè)備或裝置或若干個組成的對象，工作在一定的約束條件下，實現(xiàn)人們的某種目的。 模糊控制器的工作原理 模糊控制器是一種仿人控制規(guī)則中的條件。一般為描述偏差，其本質(zhì)是反饋控制。是一種用 模糊控制算法的控制器。模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。它的工作過程如下：用模糊條件語句來表示人的經(jīng)驗，用模糊理論對語言變量進行量化，然后利用模糊推理對控制系統(tǒng)的實時輸入狀態(tài)進行處理，根據(jù)分析處理結(jié)果做出相應(yīng)的控制決策。模糊推理、模糊化、反模糊化構(gòu)成模糊控制器。 A/D 計算控制變量 模糊量化處理 模糊控制規(guī)則 模糊決策 逆模糊化處理 D/A 執(zhí)行機構(gòu) 被控 對象 傳感器 圖 61 模糊控制系統(tǒng)的原理圖 模糊化 模糊推理 反模糊化 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 27 圖 62 模糊控制器的組成 （ 1）模糊化 模糊化的作用就是將測量到的清晰數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊量。如果對某個模糊變量的隸屬度為 0，則這個模糊變量為前提條件的規(guī)則在控制中不起作用。論域上定義若干個語言變量，作為規(guī)則的條件或者結(jié)果。 模糊化的首先就是進行論域變換，然后是講求得的輸入對應(yīng)于語言變量的隸屬度。語言變量的隸屬函數(shù)有兩種表示方法，連續(xù)方式和離散方式。 （ 2）模糊推理 模糊控制算法多用語言規(guī)則表達，因此控制作用的產(chǎn)生是推理的結(jié)果。模糊規(guī)則的基本形式是 “ 如果則”，模糊規(guī)則的數(shù)學(xué)表示即模糊關(guān)系有多種形式，使用較多的是轉(zhuǎn)移關(guān)系和合成關(guān)系。 （ 3）解模糊 將模糊集合變成清晰值的過程稱為解模糊。解模糊的算法有兩種：最大隸屬度法和區(qū)域重心法。 模糊 PID 控制器的設(shè)計 模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容一般包括一下幾個方面：首先確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) ，其次設(shè)計控制器的控制規(guī)則，確定輸入、輸出變量的論域以及隸屬度等這些模糊控制器參數(shù)，解模糊化以及模糊化的方法。 （ 1）模糊控制器輸入與輸出變量 也就是汽包實際水位與給定水位值之差 e以及汽包水位偏差變化 ec 作為輸入變量。輸出變量為給水閥門控制量 u。， u（ k）直接影響水位變化，輸出控制量 u(k)對應(yīng)閥門開度變化，當(dāng)閥門開大時為 “ 正 ” ，即給水流量增加，反之，則閥門關(guān)閉為 “ 負 ” 。 （ 2）對輸入與輸出變量進行模糊化處理 水位誤差 e、誤差變化量 ec、給水閥門控制量 u 都是清晰量，不能進行模糊運算，將水位誤差 e、誤差變化量 ec、給水閥門控制量這些清晰量，變化成對應(yīng)的模糊量 E、 EC、 U。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 28 eKE e= (61) ecKEC ec = (62) uU u= (63) 論域設(shè)置 {6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6}為模糊控制器各模糊控制器語言變量 E、EC、 U。 {正大、正中、正小、零、負小、負中、負大 }為模糊子集。分別對應(yīng)為{PB,PM,PS,0， NS,NM,NB}。 （ 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模糊子集時，應(yīng)使它們較好地覆蓋整個論域。水位偏差的變化范圍是 [50， +50]。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｝。輸出變量的整數(shù)論域為： {3 3｝。 各變量隸屬函數(shù)曲線采用 曲線型 ，水位誤差 e 、誤差變化率 ce 的隸屬度曲 線，輸出控制量 P I DK K K、 、 的隸屬度曲線如圖 63 所示 圖 63模糊規(guī)則的建立 量 化因子的選擇：誤差的量化因子e enK x?，誤差變化率的量化因子ec ecmK x?輸基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 29 出控制量的比例因子 uu yK l?，其中 ex 為水位誤差值， cex 為水位誤差變化率， uy 為輸出控制量 n、 m、 l為論域值。 e ec uK K K、 、 對系統(tǒng)的影響： eK 越 大，調(diào)節(jié)死區(qū) 越 小，上升速率 變大 ， eK 過大系統(tǒng) 變會產(chǎn)生較大的超調(diào)量