電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　鍋爐汽包水位智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，而汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，水

3、位過高會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作,可能會(huì)損壞氣輪機(jī)葉片，直接影響運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。水位過低則會(huì)破壞水循環(huán)，由于汽包內(nèi)的水量變少，這時(shí)候如果負(fù)荷很大，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部液化，造成水冷壁燒壞，甚至可能引起爆炸。所以保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對(duì)于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有重要意義。</p><p>　　本文首先介紹了自動(dòng)控制的發(fā)展歷史，通過分析了傳統(tǒng)的PID控制由

4、于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等問題，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得，并且常規(guī)PID控制的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種擾動(dòng)及對(duì)象的變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。模糊控制是以大量人工工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，可以把操作員的平時(shí)的操作經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并運(yùn)用語言的方式表達(dá)出來，得到模糊的，定性的控制規(guī)則，不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。通過研究汽包水位的對(duì)象特性，了解其在不同擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)性能，接著應(yīng)

5、用模糊控制原理完成鍋爐汽包模糊控制器的設(shè)計(jì)，并用MATLAB進(jìn)行仿真，通過對(duì)傳統(tǒng)PID控制器的仿真結(jié)果對(duì)比，說明了模糊控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、適應(yīng)性好、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽包水位；模糊控制；PID控制；MATLAB仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Boiler is a ty

6、pical complex thermal system. Drum water level is the indicators of industrial boiler safe and stable operation. Water level is too high will destroy the separator device to work properly, may damage the gas turbine blad

7、es, directly affect the running of the economy and security. The water level is too low will destroy the water cycle, the fewer the amount of water inside the drum, this time if the load is large, if we do not adjust the

8、 water will make all the liquid, causing cold-</p><p>　　Firstly this paper describes the development of automatic control, because of routine PID control parameter is changeless. It is difficult to adapt the

9、 diversified disturb and variation object. The method is not satisfy require and ideality. Then the fuzzy control based on foundation of manpower experience, it is summarize and describe of skill workers’ practical exper

10、ience and use of language to expression, it’s gained mathematics model of non precise object. Then, studying the object propertie</p><p>　　Key words: water lever; fuzzy Controller; PID controller; MATLAB sim

11、ulation </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景以及選題的意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)的研究動(dòng)態(tài)2</p><p>　　1.3本文的主要任務(wù)2</p&g

12、t;<p>　　第2章 鍋爐概述及其汽包水位動(dòng)態(tài)特性4</p><p>　　2.1鍋爐的概述4</p><p>　　2.2鍋爐的控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.2.1鍋爐的主要調(diào)節(jié)任務(wù)5</p><p>　　2.2.2鍋爐的主要控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.3汽包水位的動(dòng)態(tài)特性5&l

13、t;/p><p>　　2.3.1汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性7</p><p>　　2.3.2汽包水位在蒸汽擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性8</p><p>　　第3章 模糊理論及其控制器的設(shè)計(jì)方法10</p><p>　　3.1模糊控制理論研究的現(xiàn)狀及本課題提出的意義10</p><p>　　3.1.1模糊控制理論的發(fā)展

14、與應(yīng)用現(xiàn)狀10</p><p>　　3.1.2模糊控制理論運(yùn)用于鍋爐系統(tǒng)控制的意義10</p><p>　　3.1.3模糊控制理論的發(fā)展前景11</p><p>　　3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)方法12</p><p>　　3.2.1模糊控制器的規(guī)則設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2.2精確量的模糊化13<

15、;/p><p>　　3.2.3模糊推理14</p><p>　　第4章 鍋爐汽包模糊控制器的設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1模糊控制器的設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1.1確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)15</p><p>　　4.1.2建立模糊控制規(guī)則16</p><p>　　4.1.3確

16、定模糊變量的模糊化18</p><p>　　第5章 仿真研究20</p><p>　　5.1仿真工具的介紹20</p><p>　　5.1.1關(guān)于MATLAB20</p><p>　　5.1.2關(guān)于SIMULINK20</p><p>　　5.2 PID及模糊控制仿真研究21</p><

17、p>　　5.2.1 PID控制的結(jié)構(gòu)21</p><p>　　5.2.2仿真過程及其結(jié)果22</p><p><b>　　小結(jié)27</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b

18、>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景以及選題的意義</p><p>　　在沒有工作人員直接參與的情況就是自動(dòng)控制，它是用外加的裝置、設(shè)備、讓機(jī)器或者生產(chǎn)過程的某一個(gè)參數(shù)或者工作狀態(tài)能夠自動(dòng)的按照先前設(shè)定的指標(biāo)或者規(guī)則運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)備。</p><p>　　20世紀(jì)40年代自從美國的科學(xué)家維納創(chuàng)立控制理論以來。自動(dòng)控制從最早

19、的開環(huán)控制起步，然后經(jīng)過反饋控制、最優(yōu)控制、隨即控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、自組織控制一直這樣發(fā)展到智能控制這一最新階段。</p><p>　　傳統(tǒng)控制理論經(jīng)過經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩個(gè)具有里程碑意義的重要階段。它們的共同特點(diǎn)就是都是基于被控對(duì)象的清晰數(shù)學(xué)模型，即干擾和控制對(duì)象都得用嚴(yán)格意義上的函數(shù)和數(shù)學(xué)方程表示，控制的目標(biāo)和任務(wù)一般都比較直接和明確。外界的干擾和控制對(duì)象的不確定性只允許在很小的限度內(nèi)發(fā)生。

20、</p><p>　　對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)描述就是一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程和微分方程是描述控制系統(tǒng)的三種最基本的數(shù)學(xué)模型，而作為兩者的紐帶是微分方程。經(jīng)典控制理論的主要研究常系數(shù)單變量線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,經(jīng)常使用傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的頻域分析方法。現(xiàn)在控制理論主要研究多輸入-多輸出線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)常使用狀態(tài)方程和微分方程為基礎(chǔ)的時(shí)域分析方法，傳統(tǒng)的控制方法多是要去解決時(shí)不變，線性等相對(duì)簡(jiǎn)單的被控系統(tǒng)的

21、控制問題。這類系統(tǒng)完全可以用常系數(shù)，集總參量以及線性的微分方程予以描述。</p><p>　　但另一個(gè)方面，許多實(shí)際的控制目標(biāo)和工業(yè)對(duì)象并非常常如此理想的。特別是遇到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量縱多、規(guī)模龐大、參數(shù)隨即多變、系統(tǒng)存在大之后或參數(shù)間又存在強(qiáng)耦合等錯(cuò)綜復(fù)雜的情況時(shí)。傳統(tǒng)的控制理論的數(shù)學(xué)解析結(jié)構(gòu)則很難表達(dá)和處理。由于實(shí)際系統(tǒng)和研究對(duì)象具有非線性、不確定性、不完全性、時(shí)變性，因而無法建立起表述他們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和精確

22、的數(shù)學(xué)模型，于是就失去了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析基礎(chǔ)。也就無法設(shè)計(jì)出合理的經(jīng)典控制器。而且，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)一般都得經(jīng)過理想化的處理和假設(shè)，即使把分布參數(shù)化為集中參數(shù)，非線性化為線性等等，這些實(shí)際系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型相差巨大，使之很難對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效的傳統(tǒng)自動(dòng)控制，于是便出現(xiàn)了模仿信息處理系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng),工程控制產(chǎn)生發(fā)展了智能控制。</p><p>　　大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，有很多復(fù)雜的工藝過程和很難建立的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，

23、可以由熟練工程師，技術(shù)工人或者專家的手工操作，依靠人們的智慧，能夠獲得滿意的控制效果。例如想把一輛車倒進(jìn)一個(gè)車庫，由于很多原因確實(shí)很難建立起這一過程的數(shù)學(xué)模型，然而一個(gè)熟練的司機(jī)卻可以很好的去解決這樣一個(gè)問題。從類似的問題上人們自然而然想到，能否在傳統(tǒng)控制中加入人類手工控制事物的經(jīng)驗(yàn)，邏輯推理與能力等智能部分。從而從分利用人員的操作經(jīng)驗(yàn)和操作技巧，把人的因數(shù)作為一個(gè)有機(jī)部分融入到控制系統(tǒng)中。進(jìn)而用機(jī)器代替人類進(jìn)行復(fù)雜對(duì)象和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制

24、。</p><p>　　1.2國內(nèi)的研究動(dòng)態(tài)</p><p>　　在中國自控技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的推廣較晚，最近幾十年來發(fā)展較快。在國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)的公司也有很多，但是由于能夠集自動(dòng)化技術(shù)、電氣技術(shù)和工藝要求三者于一體的設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的重要地位和作用。鍋爐汽包水位智能控制的目的是維持鍋爐水位在允許的范圍內(nèi)，從而讓鍋爐的給水量和蒸發(fā)量

25、相適應(yīng)。負(fù)荷變化會(huì)影響鍋爐的水位的變化，因而當(dāng)鍋爐的用汽量變化時(shí)，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保持鍋爐的水位的正常是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。鍋爐的水位過高或過低，這都是不允許的。鍋爐水位過高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離從而使飽和水蒸氣溫度急劇下降，該過熱蒸汽作為氣輪機(jī)動(dòng)力的時(shí)候，將可能會(huì)損壞氣輪機(jī)葉片，直接影響運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。另一方面鍋爐水位過低，由于汽包內(nèi)的水量變少，這時(shí)候如果負(fù)荷很大，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部液化，造成水冷壁燒壞，甚

26、至可能引起爆炸。因此，對(duì)鍋爐汽包的水位的控制必須相當(dāng)重視。</p><p>　　鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，鍋爐汽包水位的控制是最基本也是極其重要的。汽包水位控制的目的就是讓鍋爐給水量始終跟蒸發(fā)量維持汽包水位在鍋爐生產(chǎn)的范圍內(nèi)。給水流量以及蒸汽流量是引起水位變化的主要擾動(dòng)。在給水流量不變，蒸汽流量變大的時(shí)候，汽包中的壓力將會(huì)快速下降。導(dǎo)致汽包內(nèi)水的沸騰加劇，水位上升。鍋爐“虛假水位”現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，但是這時(shí)的水位并不是

27、鍋爐中水位的真實(shí)情況，而只是一個(gè)虛假的現(xiàn)象。</p><p>　　鍋爐的控制和建模問題一直以來都是人們關(guān)注的對(duì)象。汽包水位的智能控制是鍋爐控制的一個(gè)難點(diǎn)，現(xiàn)在，對(duì)汽包水位的智能控制基本上采用傳統(tǒng)的PID控制方式。傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制方式是建立在被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，但另一個(gè)方面由于鍋爐水位系統(tǒng)存在不確定性、非線性、負(fù)荷和時(shí)滯、非最小相位特征、干擾等，很難獲得其精確的數(shù)學(xué)模型，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)PID控制的參數(shù)是固

28、定不變的，所以很難適應(yīng)對(duì)象的變化及各種擾動(dòng)，從而使控制效果不理想。而相對(duì)的模糊控制是以人工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，它能把專家或者有經(jīng)驗(yàn)的工作人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語言表達(dá)出來，得到模糊的、不精確的控制規(guī)則，同時(shí)也不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，所以這樣的話模糊控制容易被人們所接受，魯棒性和適應(yīng)性都比較好。</p><p>　　1.3本文的主要任務(wù)</p><p>　　汽包的水位平衡是影響鍋爐安

29、全和穩(wěn)定,持續(xù)運(yùn)行的重要一項(xiàng)重要指標(biāo)。另一方面汽包水位的高度也關(guān)系著產(chǎn)出蒸汽的質(zhì)量以及汽水分離的速度。水位過高的時(shí)候會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，更嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的污垢，然后影響蒸汽的品質(zhì)。而鍋爐汽包水位過低的時(shí)候。則會(huì)破壞水循環(huán)，從而引起冷壁管的破裂，更嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)造成干鍋，損壞汽包。所以汽包水位的過高過低都可能會(huì)造成重大事故。汽包水位時(shí)被調(diào)量。而給水流量是調(diào)節(jié)量，通過對(duì)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)的物料達(dá)到

30、動(dòng)態(tài)的一個(gè)平衡狀態(tài)。</p><p>　　鍋爐汽包水位的主要任務(wù)就是讓給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，并維持汽包的水位在工藝的允許范圍內(nèi)。</p><p>　　本文就鍋爐汽包水位控制特性作為研究對(duì)象，研究其在不同擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，并通過應(yīng)用模糊控制理論，設(shè)計(jì)一個(gè)汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的模糊控制器，從而來完成鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制，保證汽包水位保持在正常范圍內(nèi)。</p><p>　　第2

31、章 鍋爐概述及其汽包水位動(dòng)態(tài)特性</p><p><b>　　2.1鍋爐的概述</b></p><p>　　在居民生活中和工業(yè)生產(chǎn)中鍋爐長(zhǎng)期以來都扮演著極其重要的角色，鍋爐的實(shí)質(zhì)就是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備。它是要把燃料中的所含化學(xué)能經(jīng)過一系列有效的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為熱能，或另一方面通過一定的設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生活中和生產(chǎn)中所需的其他能量形式。</p>

32、;<p>　　鍋爐根據(jù)在生活，生產(chǎn)中所起的作用不同，可以其分為生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐等。其中，生活鍋爐主要用于取暖以及提供熱水；電站鍋爐主要就是用于發(fā)電；工業(yè)鍋爐主要用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械或者直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能源。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)過程不斷的強(qiáng)化，生產(chǎn)設(shè)備不斷的革新，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，鍋爐也向著大容量、高效率、高參數(shù)的方向發(fā)展。為穩(wěn)定生產(chǎn)，確保安全，對(duì)鍋爐設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制也就顯得十分得重要。</p><p

33、>　　鍋爐系統(tǒng)主要包括送引風(fēng)系統(tǒng)、燃料燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其主要工藝流程如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 鍋爐主要工藝流程圖</p><p>　　1—燃燒嘴；2—爐膛；3—汽包；4—減溫器；5—爐墻；6—過熱器；7—省煤器；8—空氣預(yù)熱器</p><p>　　由上面的圖形可以看出，汽包及循環(huán)管、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、給水泵等構(gòu)成了蒸汽發(fā)

34、生系統(tǒng)。熱空氣、燃料按照一定比例進(jìn)入燃燒室燃燒，生成的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽，再經(jīng)過過熱器，就形成了具有一定溫度的過熱蒸汽，然后匯集至蒸汽母管。經(jīng)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)提供給生產(chǎn)負(fù)荷設(shè)備使用。</p><p>　　2.2鍋爐的控制系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1鍋爐的主要調(diào)節(jié)任務(wù)</p><p>　　鍋爐設(shè)備要求在保證經(jīng)濟(jì)以及安全的前提下根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的

35、需要，供應(yīng)一定壓力和溫度的蒸汽。這樣，鍋爐設(shè)備的主要的調(diào)節(jié)任務(wù)就有：</p><p>　?。?）保持鍋爐燃燒的安全運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)性；</p><p>　?。?）使?fàn)t膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)；</p><p>　?。?）使鍋爐供給負(fù)荷的蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)；</p><p>　?。?）使供應(yīng)的蒸汽量要保持給定的負(fù)荷或適應(yīng)負(fù)荷的變化；</p

36、><p>　?。?）過熱蒸汽溫度和汽包中的水位保持在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　2.2.2鍋爐的主要控制系統(tǒng)</p><p>　　鍋爐建模與控制的問題一直以來都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，是典型復(fù)雜的熱工系統(tǒng)。K.J.Astrom在國際上始于七十年代開創(chuàng)了系統(tǒng)地研究鍋爐建模與控制的方法，這些方法基于一系列物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了鍋爐的簡(jiǎn)化非線性模型得出的。</p>

37、<p>　　以下控制系統(tǒng)是鍋爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng)：</p><p>　?。?）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制。鍋爐的燃燒系統(tǒng)中有三個(gè)操縱變量：引風(fēng)量、送風(fēng)量和燃燒量以及三個(gè)被控變量：煙氣成分、蒸汽壓力和爐膛負(fù)壓及。這些變量相互關(guān)聯(lián)在一起，需要統(tǒng)籌兼顧，組成合適的燃燒系統(tǒng)控制方案。讓空氣量，燃燒量維持一定的比例，以保證鍋爐的安全性和燃燒的經(jīng)濟(jì)性；而讓引風(fēng)量和送風(fēng)量彼此適應(yīng)，也使?fàn)t膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)。</p

38、><p>　　（2）鍋爐汽包水位的控制。汽包內(nèi)部的物料平衡它主要考慮的因素，就是要使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，保持汽包中水位在一定范圍內(nèi)。這是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)志之一，同時(shí)也是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。</p><p>　　（3）鍋爐水處理過程的控制。使鍋爐給水性能指標(biāo)達(dá)到工藝要求是這一控制過程的作用，基本上是采用離子交換樹脂的方法對(duì)水進(jìn)行軟化處理。</p><p>

39、;　?。?）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。以噴水量為操縱變量，過熱蒸汽溫度為被控變量，目的是保證管壁溫度不超過一定的溫度范圍，并使過熱器出口溫度保持在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　本文是對(duì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。</p><p>　　2.3汽包水位的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　對(duì)上述圖2.1中的汽水系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以表示為圖2.2所示的結(jié)構(gòu)。</p>

40、<p>　　圖2.2 鍋水汽水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖</p><p>　　給水流量和蒸汽流量之間平衡關(guān)系是鍋爐汽包水位的主要影響，燃料的變化和汽包的壓力變化也會(huì)對(duì)汽包水位產(chǎn)生影響，因?yàn)樗籋不僅反映了汽包中的蓄水的多少，也反映了水面下汽泡的體積，而水面下汽泡的體積又與鍋爐的蒸汽壓力、爐膛負(fù)荷有關(guān)?？偟膩砜?，有四大主要因素影響了汽包水位變化：</p><p>　　(1)鍋爐蒸汽壓力的變化；&l

41、t;/p><p>　　(2)鍋爐蒸汽負(fù)荷的變化；</p><p>　　(3)包括給水調(diào)節(jié)閥開度的變化和給水母管壓力的變化的給水?dāng)_動(dòng)；</p><p>　　(4)燃料量的變化。</p><p>　　鍋爐汽包的容積可以看成由蒸發(fā)面（即水面）下方的汽水混合體積即汽泡體積、汽包內(nèi)水的體積和蒸發(fā)面上方的蒸汽體積三部分組成。我們可以把壓力的變化歸到蒸汽負(fù)荷中

42、，這是因?yàn)檎羝麎毫Φ淖兓瘞缀醵际怯捎谡羝?fù)荷變化引起的。這樣的話，壓力的變化對(duì)水位的影響可以忽略。而另一方面燃料量變化有較大的容量滯后、傳輸滯后，變化也十分緩慢，也可以忽略不計(jì)。所以，汽包水位動(dòng)態(tài)特性的方程式如公式2-1：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　式中，—汽包水位；</b></p>

43、<p><b>　　，—時(shí)間常數(shù)，s；</b></p><p>　　—鍋爐給水流量，kg/s；</p><p>　　—鍋爐蒸汽流量，kg/s；</p><p>　　—蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，s；</p><p>　　—給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，s；</p><p>　　—蒸汽流量項(xiàng)的放大倍數(shù)

44、；</p><p>　　—給水流量項(xiàng)的放大倍數(shù)。</p><p>　　由公式2-1，我們知道：蒸汽流量和給水流量的變化是鍋爐汽包水位變化的主要擾動(dòng)。所以，我們就分別對(duì)它們的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行討論。</p><p>　　2.3.1汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　圖中的曲線是建立在理想的平衡過程中。但是一開始汽包內(nèi)原有飽和水比給

45、水溫度高。給水流量的增加時(shí)，會(huì)從原有飽和水中吸收熱量，水位下汽泡體積也會(huì)因此放出熱量而減小。就是說汽包水位隨著汽包中儲(chǔ)水量的增加而緩慢上升。當(dāng)水位下汽泡體積不再變化，水位變化就隨著給水量的增加而直線上升。所以，實(shí)際的汽包水位變化應(yīng)該如曲線所示。也就是說當(dāng)給水量增加時(shí)，一開始汽包水位并不立即增加而是有一個(gè)起始慣性階段的。</p><p>　　在給水流量作用下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖2.3所示。</p>

46、;<p>　　圖2.3 給水流量作用下水位變化階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程在蒸汽負(fù)荷不變而給水流量變化的情況下可以表示為：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得：</p><p><b>　　(2-3)</b

47、></p><p>　　于是，給水流量作用下的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　而相對(duì)來說于中壓鍋爐，一般較小忽略不計(jì)。故式(2-4)可以簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　式中，稱

48、為反應(yīng)速度，即給水流量作單位改變時(shí)水位的變化速度。</p><p>　　由式(2-5)可知，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)的串聯(lián)?？梢詫⑵浔硎緸橐粋€(gè)純滯后環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的串聯(lián)，即：</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　式中，—上升速度，即給水流量變化一個(gè)單位流量時(shí)水位的變化速度

49、；</p><p><b>　　τ—純滯后時(shí)間。</b></p><p>　　純滯后時(shí)間τ在給水溫度越低時(shí)是越大的。</p><p>　　2.3.2汽包水位在蒸汽擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　在蒸汽流量擾動(dòng)下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 在蒸汽流量

50、水位變化階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　一般來說，當(dāng)蒸汽流量突然增加的時(shí)候，蒸汽量大于給水量，水位應(yīng)該下降，如圖中曲線。但實(shí)際情況卻非如此，因?yàn)檎羝昧康脑黾?，在一瞬間時(shí)候必然引起汽包壓力的下降，水中的汽泡由于汽包中的水沸騰加劇而體積快速增大，水位變化的曲線如圖中所示。所以實(shí)際上顯示的水位響應(yīng)曲線為與的迭加。從2.4圖可以知道，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，水位不僅不下降，反而迅速

51、上升，然后再下降。相反的，蒸汽流量突然減少時(shí)，水位開始下降，之后上升，這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。</p><p>　　汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程在這種情況下可以表示為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　進(jìn)行拉普拉斯變換，得到：</p><p><b>　　(2-8)</b

52、></p><p>　　于是，我們得到汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　對(duì)上式進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　或</b

53、></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　試中，——響應(yīng)曲線的放大系數(shù)。</p><p>　　——上升速度，就是給水量變化一個(gè)單位流量時(shí)水位變化的速度。</p><p>　　——響應(yīng)曲線的時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　一開始的變化速度比快得多。另外“虛假水位

54、”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。</p><p>　　第3章 模糊理論及其控制器的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　3.1模糊控制理論研究的現(xiàn)狀及本課題提出的意義</p><p>　　在鍋爐控制中引用傳統(tǒng)的PID控制用，也是應(yīng)用最廣泛的控制方法。雖然原理簡(jiǎn)單，魯棒性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也存在局限性，超調(diào)量大，無法實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制。</p>

55、<p>　　因?yàn)橛猩鲜鰡栴}的存在，隨之而來我們就必要采用一種新型的控制方式，既能達(dá)到設(shè)備的控制要求，又使控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，于此同時(shí)，還要設(shè)法盡可能少地進(jìn)行人工干預(yù)。</p><p>　　3.1.1模糊控制理論的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　扎德（L.A.Zadeh）美國加利福尼亞大學(xué)教授開創(chuàng)了模糊邏輯的歷史是在1965年撰寫的論文《Fuzzy Set》。從哪個(gè)時(shí)候

56、開始，模糊數(shù)學(xué)才開始慢慢的發(fā)展。1966年，P.N.Marinos發(fā)表了模糊邏輯的研究報(bào)告，這標(biāo)志著模糊邏輯真正地誕生。后來，扎德又提出模糊語言變量這個(gè)重要的模糊邏輯概念。1974年，扎德又進(jìn)行模糊邏輯推理的研究。自1974年英國的E.H.Mamdani教授成功地將模糊邏輯應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制并獲得成功，模糊控制標(biāo)志著誕生。至此以后，模糊邏輯就成為了控制工程師們，專家學(xué)者研究的一個(gè)熱門課題。模糊理論實(shí)用化的中心移到了日本是在八十年代,

57、日本幾乎把所有模糊控制都引用于工業(yè)生產(chǎn)，很多模糊控制實(shí)例也都來自日本。</p><p>　　我國模糊控制理論及其應(yīng)用方面的研究工作是從1979年李寶綬，劉志俊等對(duì)模糊控制器性能的連續(xù)數(shù)字仿真研究開始的。與常規(guī)PID控制器進(jìn)行比較,研究了典型FUZZY控制器的性能,得出FUZZY控制器具有調(diào)整時(shí)問短、階躍響應(yīng)速度快以及對(duì)參數(shù)變化不敏感等非常重要結(jié)論。對(duì)模糊推理算法、模糊文法和模糊語言以及模糊控制穩(wěn)定性問題等的研究，

58、大多數(shù)是在著名的高等院校和研究所中進(jìn)行理論研究，而其成果主要集中應(yīng)用于機(jī)床、工業(yè)爐窯造紙機(jī)等的控制。而這幾年來，模糊控制已滲透到家用電器中。國內(nèi)外現(xiàn)在已有模糊空調(diào)機(jī)、模糊洗衣機(jī)、模糊電飯煲以及模糊微波爐等在市場(chǎng)上出現(xiàn)。</p><p>　　3.1.2模糊控制理論運(yùn)用于鍋爐系統(tǒng)控制的意義</p><p>　　在對(duì)鍋爐實(shí)施控制時(shí)采用傳統(tǒng)的控制方法存在以下一些難以克服的困難：</p>

59、<p>　?。?）系統(tǒng)存在嚴(yán)重耦合。例如：蒸汽流量因?yàn)槿剂狭康淖兓a(chǎn)生擾動(dòng)，另一方面蒸汽流量的改變也導(dǎo)致了給水流量的改變。</p><p>　?。?）由給煤量的變化到主汽壓的變化回路存在時(shí)間滯后，包括傳輸時(shí)滯,測(cè)量滯后和過程延遲等。</p><p>　?。?）為使鍋爐能夠在優(yōu)化狀態(tài)下運(yùn)行，鍋爐運(yùn)行參數(shù)設(shè)定值也需要經(jīng)常變化。</p><p>　?。?）

60、因?yàn)樵O(shè)備高壓性能而導(dǎo)致在測(cè)量信號(hào)中存在大量噪聲。</p><p>　?。?）由于蒸汽需求量的不斷變化和煤質(zhì)及煤種的變化給系統(tǒng)帶來了不確定性。</p><p>　　鍋爐的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜多變，而且具有高度耦合的多變量輸入輸出非線性熱工系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性差異也很大，并伴負(fù)荷干擾，時(shí)滯以及噪聲等。所以鍋爐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型也很難建立。根據(jù)上述實(shí)際情況，基于知識(shí)規(guī)則的模糊控制在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用

61、就具有了理論和現(xiàn)實(shí)的意義。</p><p>　　3.1.3模糊控制理論的發(fā)展前景</p><p>　　模糊控制的應(yīng)用因?yàn)槭澜缰心：刂片F(xiàn)象的大量存在范圍會(huì)越來越廣。正因?yàn)槿绱?，國?nèi)外在模糊控制研究開發(fā)領(lǐng)域尤其是在模糊邏輯控制產(chǎn)品的開發(fā)上和模糊控制理論的研究會(huì)有更大的發(fā)展。然而，模糊控制與經(jīng)典控制的技術(shù)和研究方法有著千絲萬縷的聯(lián)系，不可能脫離與其它領(lǐng)域的聯(lián)系而獨(dú)立存在。模糊控制也是屬于智能控

62、制技術(shù)的一種。正因?yàn)槿绱四：刂婆c其它智能控制也有很多的聯(lián)系，雖然在模糊控制方面的研究已取得很多成果，但另一個(gè)方面相對(duì)經(jīng)典控制理論來說，仍表現(xiàn)得不是很成熟，下一些方面更需要值得進(jìn)一步的研究：</p><p>　?。?）模糊控制技術(shù)需要與其它計(jì)算技術(shù)及控制技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合，從而形成完善的模糊預(yù)測(cè)控制理論、模糊自適應(yīng)控制理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論、模糊專家系統(tǒng)理論等，讓模糊控制器具有智能功能以及更強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，這樣更容

63、易去適應(yīng)于復(fù)雜，龐大對(duì)象的模糊控制。</p><p>　?。?）到目前為止雖然已得到很多模糊控制的解析結(jié)果，但還需完善。經(jīng)典控制的概念和理論仍可以更深一步的推廣到模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析中。如模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等都有待發(fā)展，復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制理論和模糊建模也有待深入。</p><p>　?。?）具有豐富實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的操作者和專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)目前是模糊控制器控制規(guī)則的設(shè)計(jì)依據(jù)。模糊控

64、制規(guī)則接近于人的語言規(guī)則，模糊控制規(guī)則有待解決的問題是如何從眾多的規(guī)則中選取若干能有效反應(yīng)對(duì)象控制特性。另一個(gè)方面，確定模糊控制規(guī)則對(duì)于提高模糊控制系統(tǒng)的性能也是十分重要的。</p><p>　?。?）模糊控制相對(duì)于穩(wěn)定性分析已經(jīng)比較完善傳統(tǒng)的控制理論還處于起步狀態(tài)。一套完整的穩(wěn)定性分析理論也需隨著模糊控制器應(yīng)用的而日漸成型。</p><p>　　（5）由于模糊控制是離散控制，因此在將連續(xù)

65、的輸入量量化成離散量時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致一部分信息丟失。</p><p>　　（6）雖然模糊控制器因?yàn)榱己玫目刂菩阅茉趯?shí)際的工業(yè)過程中得到了大量的應(yīng)用。但于此同時(shí)在這些應(yīng)用中，其通常都是針對(duì)不同的控制對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，這樣使模糊控制器的研制缺乏通用性和適應(yīng)能力，還浪費(fèi)了人力物力，而且嚴(yán)重的阻礙了模糊控制器大范圍推廣應(yīng)用和開發(fā)。</p><p>　　（7）在模糊控制器的設(shè)計(jì)過程中，還沒有系統(tǒng)的理論

66、和方法將實(shí)際操作者或者專家的語言描述與最終形成的模糊控制規(guī)則精確、完整的轉(zhuǎn)化成模糊控制規(guī)則；另一個(gè)方面，在模糊化過程中，語言變量的基精確量如何模糊化、模糊合成和推理的算法如何選取、本論域應(yīng)如何劃分、以及反模糊化的計(jì)算方法等至今仍在理論界存在爭(zhēng)議。</p><p>　?。?）在實(shí)際控制工程中，存在模糊推理較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問題，所以簡(jiǎn)化模糊控制器的量化過程，如何針對(duì)電廠熱工過程確定推理規(guī)則以及將其轉(zhuǎn)換成易于學(xué)習(xí)的

67、算法等都是有待進(jìn)一步研究的問題。模糊控制近年來取得的巨大成就使得人們期待著它能夠在電廠熱工等復(fù)雜過程控制中發(fā)揮重要的作用。</p><p>　　模糊控制理論存在的問題為模糊控制的發(fā)展提出了要求，解決這些問題就成為模糊控制技術(shù)目前所面臨的主要任務(wù)和發(fā)展方向。</p><p>　　3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　鍋爐汽包水位的控制也是本課題研究控制對(duì)象，

68、由于原有的基于常規(guī)PID算法的控制系統(tǒng)目前己經(jīng)不能令人滿意地完成自動(dòng)控制任務(wù)，故現(xiàn)在不得不采用人工手動(dòng)控制。而為了能夠真正意義上的實(shí)現(xiàn)具有較高控制質(zhì)量的自動(dòng)控制，根據(jù)前面的討論，將把模糊控制理論應(yīng)用于鍋爐汽包水位對(duì)象的控制。</p><p>　　模糊控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括以下幾方面:</p><p>　?。?）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；</p>

69、<p>　　（2）設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；</p><p>　?。?）確定模糊化和非模糊化的方法；</p><p>　　（4）編制模糊控制算法程序，控制算法是由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的。</p><p>　　3.2.1模糊控制器的規(guī)則設(shè)計(jì)</p><p>　　控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵，一般包括三部分設(shè)計(jì)內(nèi)容:選擇描述輸入輸

70、出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集及建立模糊控制器的控制規(guī)則。</p><p>　　（1）選擇輸入和輸出變量的詞集。模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的詞匯(如“正大”、“負(fù)小”等)的集合，稱為這些變量的詞集。一般情況選七個(gè)詞匯：</p><p>　　英文字頭縮寫為:[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]</p><p

71、><b>　　即為:</b></p><p>　　{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，</p><p>　?。?）定義各模糊變量的模糊子集。總的來說就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀，將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，得到有限點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)模糊變量的模糊子集。同時(shí)，應(yīng)注意:一，隸屬函數(shù)曲線的形狀不同會(huì)導(dǎo)致不同的控制特性。隸屬函數(shù)曲線形狀較緩，

72、控制特性也較平緩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，相對(duì)的，較尖的模糊子集其分辨率較高，控制靈敏度也較高。所以，在選著隸屬函數(shù)時(shí)，在誤差較小或接近于零的區(qū)域采用高分辨率的模糊集，相反的在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率的模糊集。二，定義某一語言變量，如誤差，誤差變化和控制量的變化的全部模糊集合時(shí)。首先要考慮它們對(duì)基本論域的覆蓋程度，應(yīng)使論域中的任意一點(diǎn)對(duì)這些模糊集合的隸屬度的最大值都不能太小，否則在這樣的點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)“空檔”，從而引起失控，使模糊控制系統(tǒng)控制性

73、能變壞。</p><p>　?。?）建立模糊控制規(guī)則。模糊控制是建立在一系列模糊控制規(guī)則（人們對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)）的基礎(chǔ)上的。所以，這些控制規(guī)則是一些邏輯推理規(guī)則，其形式表現(xiàn)為模糊條件語句，在實(shí)際控制中，把有關(guān)控制規(guī)則加以處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制算法，模糊控制器就以相應(yīng)的算法去控制被控對(duì)象工作。而模糊控制規(guī)則是根據(jù)被控對(duì)象的行為特性和專家的控制經(jīng)驗(yàn)編寫的，是吸取了該專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，由自然語言變量所表達(dá)的

74、模糊條件語句組成，表征了控制目標(biāo)和該領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗砸浴癐F-THEN”形式所表達(dá)的模糊推理語句。</p><p>　　因?yàn)槟：刂埔?guī)則是對(duì)系統(tǒng)控制經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，它直接影響著控制系統(tǒng)的質(zhì)量是設(shè)計(jì)模糊控制器的重要依據(jù)。所以，準(zhǔn)確產(chǎn)生一套合理的模糊控制規(guī)則十分重要。模糊控制規(guī)則的生成目前主要有四種方法:根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則，根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成控制規(guī)則，經(jīng)驗(yàn)歸納法，根據(jù)對(duì)手工操作系統(tǒng)地觀察和測(cè)量生成控制規(guī)則。&

75、lt;/p><p>　　3.2.2精確量的模糊化</p><p>　　在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需將精確值轉(zhuǎn)化為模糊量，以便實(shí)現(xiàn)模糊控制算法就是要對(duì)輸入量進(jìn)行采樣、量化、并模糊化。</p><p>　?。?）輸入、輸出變量的論域。我們把模糊控制器的輸入量偏差、偏差變化的實(shí)際范圍稱為這些變量的基本論域。</p><p>　　設(shè)誤差的基本論域?yàn)?/p>

76、[，]，誤差變化的基本論域?yàn)閇，]。輸出變量的基本論域?yàn)閇，]。</p><p>　　誤差所取的模糊子集的論域?yàn)?</p><p>　　[，，……，，……，，]</p><p>　　誤差變化所取的模糊子集的論域?yàn)?</p><p>　　[，，……，，……，，]</p><p>　　輸出變量的模糊子集的論域?yàn)?</

77、p><p>　　[，，……，，……，，]</p><p>　　一般選擇誤差論域的，選誤差變化論域的，控制量的論域的。這是因?yàn)檫@樣能滿足模糊集論域中所含元素個(gè)數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的兩倍以上，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。</p><p>　?。?）量化因子和比例因子。為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，這中間需將輸入變量乘以相應(yīng)的因子，這就是量化因子

78、的概念。量化因子一般用表示，誤差的量化因子,及誤差變化的量化因子分別可用下面兩個(gè)公式來計(jì)算:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　另外，還要選取一個(gè)比例因子，因?yàn)榻?jīng)模糊控制算法給出的控制量還不能直接控制對(duì)象，必須將其轉(zhuǎn)換到為控制對(duì)象所能接受的基

79、本論域中去。若控制量的基本論域?yàn)閇，]，量化后的論域?yàn)閇，]，則控制量的比例因子可由式3-3確定</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　量化因子的是否合適對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有很大的影響，選得較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量也較大，過渡時(shí)間較長(zhǎng)；選得較大時(shí)，超調(diào)量減小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。此外，輸出比例因子，選擇過小，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程變長(zhǎng)；

80、選得較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。所以合理的選擇模糊控制器的輸入變量的量化因子和輸出變量的比例因子是非常重要的。</p><p>　　模糊變量、以及的隸屬度賦值是根據(jù)不一樣對(duì)象的實(shí)際情況而來具體確定的。</p><p>　　3.2.3 模糊推理</p><p>　　模糊推理具有模擬人的基于模糊概念的推理能力是模糊控制器的核心。模糊推理是以模糊條件為基礎(chǔ)，它是模糊決策的前提

81、，也是模糊控制規(guī)則生成的理論依據(jù)，該推理過程是基于模糊邏輯中的推理規(guī)則以及蘊(yùn)含關(guān)系來進(jìn)行。在設(shè)計(jì)中，一般采用Mmadnai推理法。對(duì)于兩個(gè)輸入一個(gè)輸出的模糊系統(tǒng)，則有:</p><p>　　:如果是且是，則是；</p><p>　　同樣:如果是且是，則是；</p><p><b>　　………</b></p><p>　　

82、同樣:如果是且是，則是。</p><p>　　其中，，和是代表系統(tǒng)狀態(tài)和控制量的語言變量；，和分別是，和的語言值。，和的論域分別是，和</p><p>　　模糊控制規(guī)則“如果是且是，則是”的模糊蘊(yùn)含關(guān)系，定義為</p><p>　　其中“”是定義在上的模糊集合，是定義在上的模糊蘊(yùn)含關(guān)系?？紤]條模糊控制規(guī)則的總的模糊蘊(yùn)含關(guān)系為</p><p>

83、<b>　　后求得推理的結(jié)論為</b></p><p>　　上式中是合成運(yùn)算符，采用最大-最小合成法。</p><p>　　第4章 鍋爐汽包模糊控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1模糊控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　選定模糊控制器的結(jié)構(gòu)是在進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)之前首先要做的，所謂其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變

84、量和輸出變量。模糊控制器可以分為單變量模糊控制器（有一個(gè)獨(dú)立的外部輸入變量和一個(gè)輸出變量）和多變量模糊控制器，基本上我們用到的模糊控制器都是單變量模糊控制器。模糊控制器的維數(shù)也就是單變量模糊控制器的輸入的個(gè)數(shù)。下圖4.1給出了幾種結(jié)構(gòu)形式的模糊控制器。</p><p>　　圖4.1 模糊控制的基本結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　總的來講，模糊控制器的維數(shù)越高，它的控制也就越精細(xì)。但另一方面維

85、數(shù)過高的話，模糊控制規(guī)則也將變得十分的復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)也會(huì)變得相當(dāng)?shù)睦щy。所以，現(xiàn)在二維模糊控制器被廣泛采用，它的輸入一般為誤差和誤差的變化率，以及輸出為控制量的變化。</p><p>　　4.1.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)本課題的特點(diǎn)和控制要求，模糊控制器選用二維結(jié)構(gòu)，即以水位的誤差和水位誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化(電動(dòng)閥的開度)為輸出量。圖4.2是

86、二維模糊控制器為核心的模糊控制系統(tǒng)的基本原理圖，其中，虛框內(nèi)的就是二維模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　4.2 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　上圖中是輸入變量的給定值，和分別為輸入變量的誤差和誤差的變化率，是解模糊化后輸出的語言變量，為經(jīng)過輸出量化以后的實(shí)際輸出值，是傳感器測(cè)量的鍋爐汽包的當(dāng)前水位。</p><p>　　4.1.2建立模糊

87、控制規(guī)則</p><p>　　在本課題的設(shè)計(jì)中，輸入變量和輸出變量都采用七個(gè)詞匯來描述。</p><p>　　水位誤差的七個(gè)詞匯為:{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}</p><p>　　水位誤差的變化率的七個(gè)詞匯為:{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}</p><p>　　輸出控制量的七個(gè)詞匯為:{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，

88、正中，正大}</p><p>　　語言值模糊集合隸屬函數(shù)的形狀是梯形、三角形是正態(tài)分布，對(duì)控制效果的影響不是很大，但其隸屬函數(shù)的幅寬大小對(duì)性能的影響較大，在本課題中，所選用的水位誤差、水位誤差的變化率和輸出控制量的語言值的隸屬函數(shù)都是三角形隸屬函數(shù)，其隸函數(shù)曲線如圖4.3，4.4，4.5所示。</p><p>　　圖4.3 E的隸屬函數(shù)曲線</p><p>　　圖

89、4.4 EC的隸屬函數(shù)曲線</p><p>　　圖4.5 U的隸屬函數(shù)曲線</p><p>　　首先考慮誤差為負(fù)的情況，在建立模糊控制規(guī)則表時(shí)，例如，當(dāng)誤差為負(fù)大時(shí)，若當(dāng)誤差變化為負(fù)，這時(shí)誤差有增大的趨勢(shì)，為盡快地消除己有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，所以，控制量的變化取正大。</p><p>　　當(dāng)誤差為負(fù)小時(shí)，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差變化為負(fù)時(shí)，選取控制量變化為正中，以

90、抑制誤差向負(fù)方向變化；若誤差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身有消除負(fù)小的誤差的趨勢(shì)，選取控制量變化為正小即可。</p><p>　　當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減少誤差的趨勢(shì)，所以，為盡快地消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量；當(dāng)誤差為負(fù)大且誤差變化為正小時(shí)，控制量的變化取為正中:若誤差變化正大或正中時(shí)，控制量不宜增加，否則，造成超調(diào)會(huì)產(chǎn)生正誤差，因此，這時(shí)控制量變化取為“零”等級(jí)。</p><

91、;p>　　根據(jù)上述選取控制量變化的原則:當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主:而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，就可以確定鍋爐汽包水位模糊控制器的控制規(guī)則表，如表4.1所示:</p><p>　　表4.1 鍋爐汽包水位的控制規(guī)則表</p><p>　　4.1.3確定模糊變量的模糊化</p><p>　　在鍋爐汽包的水位控制系統(tǒng)中，水位的給定值

92、，由水位傳感器測(cè)量到的水位值記為，則可以得到水位誤差和水位誤差的變化為:</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　將和作為水位控制器的輸入變量，輸出變量為執(zhí)行器電動(dòng)閥的開度。根據(jù)鍋爐汽包的實(shí)際工作情況，考慮到傳感器的誤差，要求將水位誤差的范圍在-1

93、20mm到+120mm之間，水位誤差變化五的范圍在-12mm到+12mm之間。水位控制量即為輸出變量，即電動(dòng)閥的開度的范圍在0%到100%之間。</p><p>　　因此，鍋爐汽包水位模糊控制器的誤差的基本論域?yàn)?[-120mm，+120mm]</p><p>　　誤差變化的基本論域?yàn)?[-12mm，+12mm]</p><p>　　誤差所取的模糊子集的論域?yàn)?[-

94、6，+6]</p><p>　　誤差所取的模糊子集的論域?yàn)?[-6，+6]</p><p>　　所以，在本課題設(shè)計(jì)過程中，量化因子可根據(jù)公式(3-1)得，誤差變化率的量化因子可根據(jù)公式(3-2)得。量化因子使得輸入量實(shí)現(xiàn)了從基本論域變換到模糊集論域的作用。</p><p>　　應(yīng)該指出，在實(shí)際的應(yīng)用過程中若利用量化因子計(jì)算出的誤差模糊子集的論域和誤差變化模糊子集的論

95、域的值不屬整數(shù)，可以把它歸為最接近的整數(shù)。 </p><p>　　輸出變量的基本論域?yàn)?[-4，+4」</p><p>　　輸出變量所取的模糊子集的論域?yàn)?[-6，+6]</p><p>　　因此，根據(jù)公式(3-3)，可得到控制量的比例因子。</p><p><b>　　第5章 仿真研究</b></p>&

96、lt;p>　　5.1仿真工具的介紹</p><p>　　5.1.1關(guān)于MATLAB</p><p>　　MATLAB顧名思義就是矩陣實(shí)驗(yàn)室（mstrix laboratoty）,它是由MathWorks公司于1984年推出的一套可視化和高性能的數(shù)值計(jì)算數(shù)學(xué)軟件。最為重要的是，MATLAB被稱為演算紙式科學(xué)算法語言，用MATLAB編寫程序如同在演算紙上排列出公式與求解問題。它在進(jìn)行編程

97、運(yùn)算時(shí)與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的表達(dá)方式完全一致，所以不像其他高級(jí)語言（如Basic、C等）那樣難于掌握。</p><p>　　MATLAB自問世以來，就以數(shù)值計(jì)算稱雄，正如其名MATLAB主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無需定義維數(shù)的矩陣。MATLAB進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基本單位是復(fù)數(shù)數(shù)組（或稱陣列），這使得MATLAB高度“向量化”，MATLAB現(xiàn)已發(fā)展成為線性代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。由于它不需要定義數(shù)組維數(shù)，并且它提供了

98、矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時(shí)，顯得大為高效、簡(jiǎn)捷、方便，這是其他高級(jí)語言所不能比擬的。</p><p>　　MATLAB的典型的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）數(shù)值和符號(hào)計(jì)算；</p><p>　?。?）仿真，建模，原型開發(fā)；</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)

99、分析，財(cái)務(wù)工程；</p><p>　　（4）工程與科學(xué)繪圖；</p><p>　　（5）應(yīng)用開發(fā)和圖形用戶界面設(shè)計(jì)。</p><p>　　MATLAB系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：</p><p>　　（1）MATLAB工作環(huán)境；</p><p>　　（2）MATLAB編程語言；</p><p>

100、　　（3）MATLAB的庫函數(shù)；</p><p>　?。?）MATLAB繪圖系統(tǒng)；</p><p>　?。?）應(yīng)用程序接口（API）。</p><p>　　在世界上各個(gè)國家的大學(xué)里，如數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制理論、模擬與數(shù)字通信等課程的教科書都把MATLAB作為其十分重要的內(nèi)容。當(dāng)前，MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”而是已經(jīng)成為國際上

101、最流行的科學(xué)和工程計(jì)算軟件以及是一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言。MATLAB語言的功能也越來越強(qiáng)大，不斷適用新的要求，提出新的解決方法，在各種數(shù)學(xué)運(yùn)算中正扮演著重要的角色。</p><p>　　5.1.2關(guān)于SIMULINK</p><p>　　SIMULINK問世與20世紀(jì)90年代初，它的前身是Simulib，以工具庫的形式掛接在3.5版本的MATLAB上。在MATLAB

102、4.2X版本時(shí)期Simulink名稱廣為人知，Simulink只能在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行，不能獨(dú)立進(jìn)行。Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)仿真和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，可以使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非編程上。</p><p>　　Simulink是一個(gè)圖形化的建模工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)仿真、分析和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模

103、的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)字控制的建模和仿真中。從某種意義上來說，凡是能夠用數(shù)學(xué)方式描述的系統(tǒng)，都可用其建模。Simulink可以用離散采樣時(shí)間、連續(xù)采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，同時(shí)，它也支持多速率系統(tǒng)。Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種直接明了，快捷的方式，而且于此同時(shí)用戶也可以立

104、即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p><p>　　構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于執(zhí)行、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB&reg;緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。</p><p>　　5.2

105、PID及模糊控制仿真研究</p><p>　　5.2.1 PID控制的結(jié)構(gòu)</p><p>　　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。</p><p>　　圖5.1 PID控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　PID控制器的控制規(guī)律為:</p><p>&

106、lt;b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：――控制器的輸出；</p><p>　　――控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，即=-， 為系統(tǒng)參考輸入（設(shè)定值），為系統(tǒng)輸出（被控量），稱為偏差信號(hào)；</p><p>　　――控制器的比例系數(shù)；</p><p>　　――控制器的積分時(shí)間；</p>

107、;<p>　　――控制器的微分時(shí)間；</p><p>　　對(duì)公式（5-1）拉氏變換后，可以得到：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　整理后得到PID控制器的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p&g

108、t;　　由PID控制器的數(shù)學(xué)模型，可知它由比例、積分、微分三部分組成。這三部分的表示方式和作用分別是：</p><p><b>　　1.比例部分：</b></p><p>　　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?lt;/p><p>　　越大，也越容易產(chǎn)生振蕩。故而，比例系數(shù)選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間少，靜態(tài)偏

109、差小而又穩(wěn)定的效果。</p><p><b>　　2.積分部分：</b></p><p>　　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)不斷增加。只有在偏差=0時(shí)，它的積分才會(huì)為一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增大的常數(shù)?？梢姡e分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。</p><p>　　積分時(shí)間對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng)較大時(shí)

110、，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。但是消除偏差所需的時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)。這是系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需的時(shí)間較短。</p><p><b>　　3.微分作用：</b></p><p>　　微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間決定。越大，則它抑制變化的作用越強(qiáng)；越小，它抑制變化的作用越弱。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。<

111、/p><p>　　5.2.2仿真過程及其結(jié)果</p><p>　　為驗(yàn)證模糊控制的有效性，本文采用MATLAB對(duì)鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。已知其給水流量與水位的傳遞函數(shù)、蒸汽流量與水位的傳遞函數(shù)。</p><p>　　給水流量主通道傳遞函數(shù)；</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p&

112、gt;　　(2)蒸汽流量干擾通道傳遞函數(shù)；</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　為使仿真直觀、方便，取給定值和輸出水位具有相同的量綱，水位測(cè)量變送器的傳遞系數(shù)取為l。仿真時(shí)，PID控制器中的比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)。模糊控制器中的量化因子，，模糊輸出的比例因子。利用MATLAB中的Simulink進(jìn)行仿真。在30mm階躍輸入信號(hào)作用