炉锅汽包液位智能控制系统设计与仿真研究 --本科毕业设计.doc

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内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究学生姓名：强佳学号：200440503124专业：测控技术与仪器班级：测控2004-1班指导教师：李忠虎副教授51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究摘要锅炉是化工、发电、炼油、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。因此，对锅炉设备的自动控制系统进行分析研究就显得尤为重要。锅炉汽包液位控制是锅炉生产过程中最重要的环节。锅炉的大部分事故是由汽包液位控制不当而引起的，由于受到蒸汽负荷干扰而产生虚假液位，使控制器反向动作，进而引发汽包液位的大幅振动。本文针对锅炉汽包液位的动态特性，研究FUZZY-PID控制在锅炉汽包液位控制中的应用。传统的锅炉汽包液位三冲量控制系统大都采用PID控制。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，适合用于非线性、滞后系统的控制，但其静态性能不能令人满意，限制了它的应用。为消除模糊控制的稳态误差，本文将FUZZY-PID引入锅炉汽包液位的三冲量控制中，并利用Simulink分别在设定值及干扰作用下对控制系统进行仿真，结果表明，较之单纯的模糊控制和常规PID控制，这种控制效果较为理想，可满足锅炉的汽包液位控制要求。关键词：汽包液位；PID控制；糊控控制；FUZZY-PID控制；仿真51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）ThedesignandimitateresesrchofintellectualcontrolsystemofboilerdrumwaterlevelAbstractTheboilerisabsolutelynecessarysignificantpowerplantofindustryproductionsprocesssuchasthechemicalindustry，heatedibleoil，generationofelectricalenergy，papermakingandrefinessugarandsoon．So，itisespeciallyimportanttoanalyzeandresearchtheautomaticcontrolintheboilerinstallation．Segmentthattheboilerdrumwaterlevelcontrolisthemostsignificantintheprocessofboilerproduction．Themostaccidentsofboilerwerecausedbytheunfitcontrolofdrumwaterlevel，whichwasduetotheinterferenceofsteamtothedrum，causingthefalsewaterlevel，makingthereactionofcontroller，thenarousingthelargemarginvibrationofthedrumwaterlevel．Accordingtothefeatherofthedrumwaterlevel，weresearchtheusingofthefuzzy-pidcompoundcontrolintheboilerdrumwaterlevelcontrolsystem．Thetraditionalcontrolmodeofthree-variableinthedrumwaterlevelmostlyusesPID．Thefuzzycontroldoesnotneedprecisemathematicalmodelofthecontrolledobject，itonlyneedstheexperienceofoperatorandthedataofoperating，ithasgoodrobustnessandisfittocontrolthesystemwithnonlinearityandtimelag，butitsstaticcharacteristicisdissatisfied，whichlimitsitsapplication．Itisusualmodeofthree-variabledrumwaterlevelinordertoeliminatethestaticerrorthatusingfuzzy-PIDcontrol，andthesimulationwiththeactionofsettingvalueandnoise．TheresultofsimulationindicatesthattheeffectofcontrolimprovescomparingwithsimplefuzzycontrolandtraditionalPIDcontrol，whichcansatisfythecontrolrequirementofthedrumwaterlevel．Keywords：drumwaterlevel；PIDcontrol；fuzzycontrol；fuzzy-PIDcontrol；simulation51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目录锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究I摘要IAbstractII第一章引言11.1课题背景与意义11.2锅炉控制的研究现状31.3本文的主要研究内容5第二章控制理论分析62.1PID控制理论62.2模糊控制理论82.2.1模糊控制理论的起源与发展82.2.2模糊控制的基本思想92.2.3模糊控制系统的组成112.2.4模糊控制器的设计122.2.5模糊论域、量化因子和比例因子的选择162.2.6模糊控制的主要优点172.2.7模糊控制存在的问题182.3模糊-PID控制182.3.1模糊自适应PID原理简介182.3.2多模态模糊-PID控制原理192.3.3多模态模糊-PID控制系统实现1951 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第三章锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析203.1汽包液位的动态特性203.1.1汽包液位在给水流量作用下的动态特性203.1.2汽包液位在蒸汽流量作用下的动态特性223.2锅炉汽包液位控制233.2.1单冲量控制系统243.2.2双冲量控制系统253.2.3三冲量控制系统26第四章锅炉汽包液位PID控制系统设计及仿真研究284.1汽包液位的PID控制系统设计284.1.1汽包液位的PID控制系统的建立284.1.2PID参数的整定284.2仿真研究304.2.1关于MATLAB304.2.2关于SIMULINK314.2.3仿真研究31第五章多模态模糊-PID控制系统设计及仿真研究335.1模糊控制系统的设计及仿真研究335.1.1模糊控制器的设计335.1.2模糊控制系统的设计395.1.3仿真研究395.1.4多模态模糊-PID控制系统的设计455.1.5仿真研究4651 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5.2几种控制效果比较分析47第六章结束语48参考文献50致谢5251 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章引言1.1课题背景与意义锅炉是工业生产部门重要的动力设备，它产生的高压蒸汽可作为动力源，也可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。就热电厂而言，锅炉产生的合格蒸汽用来推动汽轮机转动，再由气轮机带动发电机,将机械能转化为电能，送给用户。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉安全经济运行是保障国家财产及人民生命安全，促进国民经济发展，合理使用和节约能源的重要保证。锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其安全性尤为重要。只有在充分保证锅炉安全生产、保护环境和运行可靠的前提下，通过科学管理、技术改造、提高操作及运行水平，使锅炉实现热效率高的状态。锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性、经济性、稳定性具有深远的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用。其中，压力、液位、温度是锅炉运行质量的重要指标，液位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包液位进行自动调节，使液位严格控制在规定范围内。正常运行时的锅炉燃烧系统必须使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低，降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。所以，在锅炉运行中必须保持过热汽温的稳定性。另外，压力过大容易带来危险。所以，要把压力、液位、温度控制在规定范围内。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下列自动调节任务：51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）(1)保持汽包液位汽包液位是工业锅炉正常运行的主要指标。液位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会影响汽水循环，使金属管壁局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包液位进行自动调节，将其严格控制在工艺允许的范围内。(2)维持蒸汽压力蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。(3)维持炉膛负压炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的相适应程度。通常要求炉膛负压保持在-20~-40Pa的范围内，这对燃烧状况、锅炉房工作条件、炉膛的维护及安全运行都最为有利[6]。如果炉膛压力太大，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。负压太小，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。(4)保持过热蒸汽温度恒定为了保证汽轮机正常工作，必须保证过热蒸汽温度恒定，汽温过高或过低都会影响汽轮机的安全运行，所以，过热蒸汽温度是影响安全的重要参数，一般要求温度变化保持在士5℃的范围之内。(5)保证锅炉燃烧的经济性51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。因此，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道:工业锅炉的汽包液位是正常运行的主要指标之一，汽包液位是一个十分重要的被调参数。如果液位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；液位过高会影响汽包的汽水分离。产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。由此可见，锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要意义。本文以锅炉汽包液位控制为例来研究模糊-PID复合控制在锅炉控制中的应用。1.1锅炉控制的研究现状锅炉是火力发电厂的重要设备，同时也是工矿企业生产的重要热力设备，随着改革开放后国民经济的高速发展，锅炉工业得到了飞速发展，我国每年有很多套的新造工业锅炉投入运行。因为锅炉的燃烧是多输入多输出系统，各参数之间相互影响，相互制约，并且有时受负荷干扰严重，因此很难用精确的数学模型来表示，用经典控制理论难以实现有效的控制，目前在工程设计中经常采用的方法是具体分析生产过程的特点和要求，在设计单回路为主的基础上，考虑到多变量系统的特点，加以补充修正。因各回路之间的相互制约，控制效果也不尽人意，并且设计复杂，造价高，这样中小型用户就难以实施。因此还有相当多的锅炉，特别是中小型锅炉还在简单的启动停止的状态下运行，控制靠人工实现，这样，锅炉运行好坏完全依靠工人的经验和责任心。这一方面造成经济效益差和不安全，容易造成工业事故，另一方面，煤燃烧不充分也会造成严重的环境污染。目前，一些科研人员运用以下控制理论来控制锅炉：51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1．基于PID控制的锅炉控制传统的PID控制用在锅炉控制中，原理简单，易于实现，鲁棒性较强，是应用最广泛的控制方法，但是也存在局限性，超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。2．基于模糊控制的锅炉控制模糊控制用在锅炉控制中，有效地克服复杂系统的非线性及不确定特性，与传统控制比较有较强的鲁棒性，但模糊控制的控制作用较粗糙，使得稳态控制精度较低。3．基于模糊-PID控制的锅炉控制模糊-PID控制用在锅炉控制中，能对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID控制与模糊控制在规定的阈值范围内的自动切换，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更精确。4．基于集散控制系统[1][2]的锅炉控制集散控制系统是一个集中监视、分散控制的仪表化系统，是目前国内先进的控制系统。该系统由工程师站、操作站、现场控制站、通信网络等组成。集散控制系统用于锅炉控制中，使得系统运行稳定、无振荡、蒸汽耗热量大大降低，提高动态控制品质，改善劳动环境，收到良好的经济效益。5．基于神经网络控制[4]的锅炉控制现在许多人把人工神经网络控制应用于锅炉控制中，达到了很好的控制效果，具有响应速度快，精度高和鲁棒性强的特点。神经网络自学习的特性解决了模糊逻辑设计中存在的一些问题。神经网络能够对系统的输入/输出信息进行分析、捕捉、归纳，形成自处理的“自学习”功能，即能产生恰当的模糊规则和隶属函数，以自动方式适应系统实时控制的需要。神经模糊控制系统具有控制简单易于理解、方法简便、调整灵活、计算量小使用性强、控制精确效果好等特点，不仅适用于过程控制，而且也适合实时控制。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）6．基于专家控制[8]的锅炉控制专家控制是基于知识的智能控制，它是人工智能、专家系统、自动控制、模糊技术相结合的产物。它利用专家系统的推理机制决定控制方法的灵活选用，实现解析规律与启发式逻辑的结合、知识模型与控制模型的结合，它模仿人的智能行为，采取有效的控制策略，从而使控制性能的满意实现成为可能。专家控制用在锅炉控制中，控制效果好，动态特性较好，简单易懂，参数调整相对于传统PID控制也简单的多。近年来，人们对模糊智能PID控制器、神经网络智能PID控制器、混沌PID智能控制器及遗传算法一神经网络PID智能控制器等，产生了浓厚的兴趣，研究者甚多。模糊控制己成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。其中，模糊-PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。本文就是对模糊-PID控制在锅炉控制中的应用进行研究。1.1本文的主要研究内容本文将探讨锅炉汽包液位的控制方案。首先要分析几种控制理论的原理和锅炉汽包液位的动态特性，然后分别设计基于传统PID控制的汽包液位控制系统、基于模糊控制的汽包液位控制系统和基于多模态模糊—PID控制的汽包液位控制系统。在模糊控制系统的设计中，将重点介绍模糊控制器的设计，它是整个模糊控制系统的核心。将上述三种汽包液位控制系统设计好之后，要用MATLAB软件中的SIMULINK模块逐一进行仿真，分析和比较它们的仿真结果，最后确定要采用的控制方案。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章控制理论分析1.1PID控制理论PID控制器即比例、积分、微分控制器。它是应用最广泛的一种控制器。PID控制器的数学模型可以用下式表示：(2-1)式中，u（t）——控制器的输出；e（t）——控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；KP——控制器的比例系数；TI——控制器的积分时间；TD——控制器的微分时间。PID控制规律由比例、积分、微分三部分组成。分别介绍如下：(1)比例部分比例部分数学式表示如下：(2-2)偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制作用强弱取决于比例系数Kp，Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但Kp越大，超调量也越大，越容易产生震荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。因此，比例系数Kp选择必须适当，这样才能取得过渡时间短、稳态误差小而又稳定的效果。(2)积分部分积分部分数学式表示如下：51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）(2-3)从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差，可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间TI，对积分部分的作用影响极大。当TI较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生震荡，但是消除静差所需的时间较长，当TI较小时，则积分作用较强，这时系统过渡过程中有可能产生震荡，但消除静差所需的时间较短。(3)微分部分微分部分数学表达式表示如下：(2-4)微分作用的引入是为了改善高阶对象的控制品质，因为微分作用是按照偏差的变化趋势来控制，具有及时性。微分部分的作用强弱由微分时间TD决定。TD越大，则它抑制e(t)变化的作用越强，有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。因为微分作用的引入会把高频干扰放得很大，反而可能使系统调节品质降低。TD越小，它反抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）在计算机中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期很短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程变为描述离散-时间PID算法的差分方程，数字PID位置型控制算式，如下式所示：(2-5)式中：u(k)——k采样周期时的输出；e(k)——k采样周期时的偏差；Ts——采样周期。令，，则有(2-6)其中Kp，KI，KD分别为比例、积分、微分系数。PID控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。1.1模糊控制理论1.1.1模糊控制理论的起源与发展51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）模糊控制理论属于智能控制的范畴，它是在美国加利福尼亚大学的扎德(L.A.Zadeh)教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理、和模糊控制等方面的内容。模糊控制系统是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制系统。1974年，英国玛莉皇家学院的Mamdani(马丹尼)教授将模糊控制首次用于蒸汽发动机的压力和速度控制，性能比PID更好，这也许就是模糊控制技术首次在控制领域得到应用。1980年，丹麦工科大学的Ostergara等对水泥窖进行模糊控制。20世纪90年代后，模糊控制技术飞快发展，特别是在日本，模糊控制技术已经广泛应用于人们的生产、生活中。目前，模糊控制技术已经用在列车自动运行控制系统、净水处理、汽车速度控制、电梯群管理控制等领域，并取得了很好的控制效果[16]。模糊控制的诞生和社会科学技术的发展和需要是分不开的。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的数学模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确控制的目的。在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象模型，但却能十分有效地对系统执行控制。模糊数学的创始人，扎德教授举过停车的例子，正如一个汽车司机，不懂汽车模型而能很好地驾驶汽车一样。这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观的经验上的，凭借在实际中取得的经验采取相应的决策就可以完成控制工作。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。因此，模糊集合理论用于描述人的经验就有着独特的优势。可以把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合理论对语言变量进行量化，再用糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这也就是模糊控制器的工作过程。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1.1.1模糊控制的基本思想控制理论的发展和数学有着密切的关系，尤其是现代控制理论的发展，这种关系就更为密切。无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论去设计一个自动控制系统，一般需要了解被控对象数学模型的结构、阶次、参数等等，然后在此基础上合理地选择控制策略。但是在许多情况下无法建立被控过程的数学模型。如炼钢炉的冶炼过程、工业锅炉的燃烧过程等等。此类过程的变量多，各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性、强藕合等特点，因此建立这一类过程的精确数学模型困难很大，难以进行控制，但有经验的操作人员进行手动控制却可以收到令人满意的效果。模糊控制的基木思想就是利用计算机来实现人的控制经验，而人的控制经验一般是由语言来表达的，这些语言表达的控制规则又带有相当的模糊性。如人工控制水槽液位的经验可以表达为：若水槽无水或水较少时，则开大水阀；若液位和要求的液位相差不太大，则把水阀关小；若液位快接近要求的液位，则把阀门关得很小；．．．这些经验规则中，“较小”、“不太大”、“接近”、“开大”、“关小”、“关得很小”这些表示液位状态和控制阀门动作的概念都带有模糊性，这些规则的形式正是模糊条件语句的形式，可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值(需化成模糊变量)用模糊逻辑推理的方法得出此刻的控制量。这就是模糊控制的基本思路。由于模糊控制器的模型不是由数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条件语句构成的语言形式，因此从这个角度上讲，模糊控制器又称模糊语言控制器。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）模糊控制器的模型是由带有模糊性的有关控制人员和专家的控制经验和知识组成的知识模型，是基于知识的控制，因此，模糊控制属于智能控制的范畴。因此可以说，模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控制。1.1.1模糊控制系统的组成模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，结构如图2.1所示。图2.1模糊控制系统原理框图(1)模糊控制器：它是模糊控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的规则各异，可以构成各种类型的控制器，如在经典控制理论中，用运算放大器加上阻容网络构成PID控制器和由前馈、反馈环节构成各种串、并联校正器；在现代控制理论中，设计的有限状态观测器、自适应控制器、解耦控制器和鲁棒控制器等。而在模糊控制理论中，则采用基于模糊控制的知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的特点所在。模糊控制器的主要功能有三个：模糊量化处理、模糊推理(决策)、精确化处理。(2)执行机构：执行机构是模糊控制器向被控对象施加控制作用的装置，如工业控制过程中应用最普遍最典型的各种调节阀和变频器。执行机构实现的控制作用常常表现为角度、位置或电压等发生变化，因此，它往往是由伺服电动机、步进电动机、气动调节阀、液压阀等加上驱动装置组成。(351 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）)被控对象：被控对象是一种设备或装置或是若干个设备组成的群体，它们在一定的约束下工作以实现人们的某种目的。工业上典型的被控对象是各种各样的生产设备实现的生产过程，从数学模型的角度讲，它们可能是单变量或多变量的，可能是线性的或是非线性的，可能是定常的或时变的，可能是一阶的或高阶的，可能是确定的或是随机过程，当然也可能是混合有多种特性的过程。1.1.1模糊控制器的设计模糊控制器的设计主要包括以下几项内容：(1)确定模糊控制器的结构；(2)设计模糊控制器的控制规则；(3)确立模糊化和非模糊化的方法；(4)确定模糊控制器的参数。模糊控制器的结构指的是确定哪些变量是它的输入变量，哪些变量是它的输出变量。由于模糊控制规则是总结操作人员控制经验得到的，所以，选择的变量应当是操作人员能观察到的变量。一般而言，通常选择被控对象的输出变量与设定值的偏差、偏差的变化、偏差变化的变化等，作为模糊控制器的输入变量，而把控制量作为模糊控制器的输出变量。根据模糊控制器输入变量的个数，可分为一维模糊控制器，二维模糊控制器，三维模糊控制器等。其结构如图2.2所示。(a)一维模糊控制器(b)二维模糊控制器(c)三维模糊控制器图2.2模糊控制器的结构51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库(含数据库和规则库)、模糊推理和反模糊化计算四部分的设计问题。下面分别予以介绍。1.模糊化过程在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输入量进行采样、量化并模糊化。将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化，以便实现模糊控制算法。模糊化过程主要完成：测量输入量的值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言值表示的某一限定码的序数。每一个限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。对于某一个输入值，它必定与某一个特定模糊子集的隶属程度相对应。图2.3给出了三种模糊化函数。(a)三角形隶属函数曲线(b)对称梯形隶属函数曲线(c)正态形隶属函数曲线图2.3隶属函数曲线以正态形隶属函数为例，它的函数表达式如式为：(2-7)当模糊集设计完成，则对于任一物理输入X，映射的过程实际上是将当前的物理输入根据模糊子集的分布情况确定出此时此刻输入值对这些模糊子集的隶属程度。因此，为了保证在所有论域内的输入量都能与某一模糊子集相对应，模糊子集的数目和范围遍及整个论域。这样，对于每一个物理输入量至少有一个模糊子集的隶属程度大于零。2.知识库51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制策略给出了一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合，在建立控制规则时，首先要解决诸如状态变量的选择、控制变量的选择、规则类型的选择和规则数目的确定等事项。(1)数据库模糊逻辑控制中的数据库主要包括：量化等级的选择、量化因子、比例因子和模糊子集的隶属度函数。这些概念都是建立在经验和工程判断的基础上的，其定义有一定的主观性。(2)规则库模糊控制系统是用一系列基于专家知识的语言来描述的，专家知识常采用“IF…THEN…”的规则形式，而这样的规则很容易通过模糊条件语句描述的模糊逻辑推理来实现。用一系列模糊条件描述的模糊控制规则就构成模糊控制规则库。与模糊控制规则库相关的主要有：过程状态输入变量和控制输出变量的选择和模糊控制规则的建立等。1.模糊推理模糊决策推理是模糊控制的核心，它利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出了适合的控制量。模糊推理是以模糊判断为前提的，运用模糊语言规则，推出新的模糊判断结论的方法。目前模糊逻辑推理方法还在发展之中，比较典型的有扎德(L.A.Zadeh)方法、玛达尼(Mamdani)方法等等。从条件变量的多少、模糊规则多少的角度来划分，模糊规则推理方法又可分为近似推理、模糊条件推理、多输入模糊推理、多输入多规则推理等四种模糊推理规则。2.反模糊化过程通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就称为反模糊化过程。常用的反模糊化的计算方法有以下三种：51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）(1)最大隶属度函数法这种方法是取模糊子集中隶属度最大的元素Umax作为执行量。当多个最大隶属度元素时，就取它们的平均值作为输出。这种判别方法简单易行，实时性也好，但它概括的信息量少，因为这种方法完全不考虑其它隶属度较小的元素的影响和作用。(2)中位数判决法计算隶属函数曲线同横坐标轴围成区域的面积，取1/2面积处横轴坐标为决策值的方法叫做中位数法。中位数法比最大隶属度法包含了更多的信息。但是，它往往会导致隶属函数不同而中位数相同的现象，无法突出主要信息，这显然不合理。因此，中位数较少采用。(3)加权平均法加权平均法是将各等级隶属度与该等级值相乘，并求乘积和，然后除以隶属度和，所得值即为控制决策值，即控制决策值=[∑(等级值×隶属度)]/∑隶属度(2-8)1.1.1模糊论域、量化因子和比例因子的选择(1)模糊论域和基本论域模糊控制器的输入变量误差、误差变化的实际范围称为这些变量的基本论域，设误差的基本论域为[-emax，+emax]，误差变化的基本论域为[-ecmax，+ecmax]。被控对象实际要求的变化范围为模糊控制器输出变量的基本论域，设其为[-yu，+yu]，显然基本论域内的量为精确量。误差变量所取的模糊论域为：{-n，-n+1，．．．0，．．．n-1，n}误差变化变量所取的模糊论域为：{-m，-m+1，．．．0，．．．ｍ-1，ｍ}控制量所取的模糊论域为：｛-ｌ，．．．0，．．．ｌ｝51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）有关模糊论域的选择问题,一般选n≥6，m≥6，ｌ≥6，这样能确保模糊集能较好地覆盖模糊论域，本文中取n=m=ｌ=6。(2)量化因子和比例因子为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊论域，这中间必须将输入变量乘以相应的量化因子。量化因子一般用K表示，误差的量化因子Ke和误差变化的量化因子Kec分别由下面两个公式来确定：　　　　　　　　　　　　　(2-9)在模糊控制器的实际工作过程中，一般误差和误差变化的基本论域选择范围要比模糊论域选择范围小，所以量化因子一般都大于1。模糊控制器输出的控制量还不能直接控制对象，必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中去。输出控制量的比例因子由下式确定：(2-10)对输出而言的比例因子起比例作用。(3)量化因子和比例因子的选择量化因子Ke和Kec的大小对控制系统的动态性能影响极大。Ke过小，系统上升速度过小，可能造成系统产生震荡，甚至使系统不稳定。Ke选的较大时，系统的超调也较大，过渡过程较长。因为Ke增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大了误差变量的控制作用，虽然能使上升时间变短，但是由于超调过大，使得系统的过渡过程较长。[18]Ke过大时系统上升速度过快，也会产生震荡，甚至使系统不稳定。Kec较大时，系统的超调较小，但是系统的响应速度变慢。量化因子Ke和Kec的大小影响着输入变量误差和误差变化的不同加权程度，Ke和Kec两者之间也相互影响。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）输出控制量的比例因子Ku作为模糊控制器总的增益，它的大小影响着控制器的输出，Ku选择过小会使动态响应过程变长，而Ku选择过大会使系统振荡加剧。因此，量化因子和比例因子必须选择适当，才能使系统产生较好的控制效果。1.1.1模糊控制的主要优点在实践应用中，模糊控制具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主要是:(1)使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产过程很难获得过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。(2)对于具有一定操作经验、但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。(3)操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。(4)采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。1.1.2模糊控制存在的问题虽然模糊控制取得了很多研究成果，但是由于它的发展历史还不长，因此，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性还都是不够的；另一方面，模糊控制虽有其独特的优点，但并不能取代传统的控制方法，而是作为后者的补充和改进。目前，模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。控制规则的选择、论域的选择、模糊集的定义、量化因子的选取多采用凑试法，这对复杂系统的控制是难以奏效的[17]。另外，信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若要提高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制，有待人们进一步地研究探索。1.2模糊-PID控制1.2.1模糊自适应PID原理简介51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）模糊自适应PID参数控制器原理为根据偏差的绝对值、偏差变化率的绝对值的大小和调整时间的长短，不断地在线修正PID参数Kp、KI、KD。对于汽包液位控制，其误差e和误差变化量ec作为模糊控制器的输入量，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，根据模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数，再代入下式计算：Kp=ΔKp+Kp*KI=ΔKI+KI*KD=ΔKD+KD*(2-11)式中：Kp、KI、KD为PID3个控制参数的取值，Kp*、KI*、KD*为PID参数基准值；ΔKp、ΔKI、ΔKD为PID参数校正值。PID调节器的输出值u到锅炉给水流量调节器。1.1.1多模态模糊-PID控制原理这种控制策略是：在大偏差范围内，即偏差e在某个阈值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即e落到阈值之内时转换成PID控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值根据事先给定的偏差范围自动实现。1.1.2多模态模糊-PID控制系统实现多模态模糊-PID控制系统的实现原理比较简单，原理如图2.4所示图2.4多模态模糊-PID控制系统原理图51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或受干扰因素影响，其对象特性参数或结构发生改变。多模态模糊-PID控制充分利用了模糊控制的及时性和PID控制的精确性的优点，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析本章主要介绍了锅炉汽包液位在给水流量和蒸汽流量扰动下的动态特性，并对传统的汽包液位单冲量、双冲量及三冲量控制方式进行了分析与介绍。汽包液位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时，锅炉汽包液位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大和汽包容积相对减小的方向发展。这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包液位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为液位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺永都会造成事故。因此，必须对汽包液位进行自动调节，将液位严格控制在规定的范围之内。1.1汽包液位的动态特性汽包的流入量是给水流量W，流出量是蒸汽流量D，当给水量等于蒸汽量时，汽包液位就恒定不变，当给水流量大于蒸汽流量时，液位会上升，蒸汽中含带的水分过多，会造成蒸汽管壁结垢，影响蒸汽输出的品质，当给水流量小于蒸汽流量时，液位会下降，给水的蒸发速度加快，造成虚假液位，严重时会导致汽包干涸，甚至引发爆炸。容易引起液位变化的主要扰动是蒸汽流量D的变化和给水流量W的变化。1.1.1汽包液位在给水流量作用下的动态特性给水流量对液位的影响，即控制通道的动态特性。给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量发生变化时，汽包液位对象的微分方程式可以表示为：(3-1)式中，T1，T2——时间常数；Tw——给水流量项时间常数；Td——51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）蒸汽流量项时间常数；Kw——给水流量项的放大系数；Kd——蒸汽流量项的放大系数。(3-2)H0——稳定状态下的水位；ΔH——水位高度的变化。(3-3)Δw——给水流量的变化；Dmax——最大蒸汽负荷量。(3-4)ΔD——蒸汽负荷量。经拉氏变换后得(3-5)从而可以得到汽包液位在给水流量作用下的传递函数：(3-6)Tw的数值一般很小，常常可以忽略不计，对于一些锅炉，在给水量增加时，在较长一段时间里，汽包液位并不增加，有一段较长的起始惯性段，这类锅炉用下面近似计算公式：(3-7)根据以上公式，在给水流量阶跃输入作用下，汽包液位的反应特性曲线如图3.1所示，51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图3.1给水流量扰动下的液位特性曲线图中的H1曲线为给水扰动下的阶跃响应曲线，但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加以后，从原有饱和水中吸收部分热量，这使得液位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，液位的变化就完全反映了由于汽包中给水量的增加而逐渐上升。因此，液位曲线如图中的H曲线，即当给水量作阶跃变化后，汽包液位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性。用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个惯性环节的串联，可表示为：(3-8)本文中K取1，T取15。即在给水流量作用下，汽包液位的传递函数为：(3-9)1.1.1汽包液位在蒸汽流量作用下的动态特性在蒸汽流量D作用下，液位的阶跃响应曲线如图3.2所示。当蒸汽流量突然增加时，从理论上讲，蒸汽流量D大于给水流量W，液位应下降，如图中曲线H1。但实际并非如此，由于蒸汽量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使液位变化的曲线如图中的H2线。因此，实际的液位曲线为H1+H2，即为图中的H。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，液位不仅不下降，反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则液位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假液位”51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文），当汽水混合物中汽泡容积与负荷相应达到稳定后，液位才反映出物料的不平衡，开始下降。图3.2蒸汽流量作用下液位特性曲线蒸汽流量作用下液位变化的动态特性可表示为：(3-10)式中，Kf——响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，液位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨/小时)。K2——响应曲线H2的放大系数；T2——响应曲线的时间常数。本文中取(3-11)由此可见，汽包液位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“虚假液位”现象，“虚假液位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比。1.1锅炉汽包液位控制汽包液位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）的影响和各种干扰对液位的影响，维持汽包液位在允许的范围内变化。在工业汽包液位的自动控制中，针对不同的控制信号可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。其中，单冲量控制系统以汽包液位测量为唯一的控制信号；双冲量控制系统在汽包液位信号为主要控制信号的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号；三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制。这里的冲量指的是变量。1.1.1单冲量控制系统单冲量液位控制方式原理图及方框图如图3.3所示，它是汽包液位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包液位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将液位测量信号经变送器送到液位调节器，液位调节器根据液位测量值与给定值的偏差去控制阀门，改变给水量来保持汽包液位在允许的操作范围内。图3.3汽包液位单冲量控制原理图及方框图单冲量汽包液位控制系统存在两个主要问题：(1)当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始液位“虚假”上升而减少给水量，这个错误动作反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包液位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）(2)在给水扰动时，调节器要等到液位改变了以后才动作，又经过一段时间延迟后才能影响到液位，导致汽包液位发生较大变化，调节时间长。综上，单冲量汽包液位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、液位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假液位”现象不很严重的场合，采用单冲量液位调节是能够满足生产要求的。1.1.1双冲量控制系统在汽包液位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。这样不仅可以补偿“虚假液位”引起的错误动作，而且使给水调节阀的动作及时，如图3.4所示。图中，G2为蒸汽流量扰动下汽包液位的传递函数。αD为蒸汽流量的分流系数。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制系统的复合控制系统，这种调节系统的特点是：(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和液位的波动，缩短了过渡过程的时间。(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图3.4汽包液位双冲量控制原理图及方框图1.1.1三冲量控制系统由于双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对液位的影响，因为当给水压力波动时，给水流量相应变化，此时只有待液位发生变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，即采用三冲量液位控制回路。汽包液位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。本文三冲量控制控制系统采用前馈-串级控制方式，如图3.5所示。从图中可以看出，此系统有两个闭合回路：一是由给水流量W、给水分流器αw组成的内回路。二是由液位调节对象G1、变送器、调节器Gc和内回路构成的主回路。当负荷变化时，液位可以保持无差。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图3.5汽包液位三冲量控制原理图及方框图本文就是采用这种三冲量的控制方式，将蒸汽流量作为前馈信号，把给水流量作为控制信号，组成汽包液位的三冲量控制系统，同时考虑到传统PID控制对汽包运行中“虚假液位”严重时控制不够及时，所以将模糊控制应用到该三冲量控制系统中，组成切换型的复合控制系统，实现锅炉汽包液位的定值控制。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章锅炉汽包液位PID控制系统设计及仿真研究1.1汽包液位的PID控制系统设计1.1.1汽包液位的PID控制系统的建立通过对实际系统的分析，采用三冲量控制系统有利于消除系统的时滞现象和虚假液位。同时通过建立系统模型如图4.1所示，得到系统传递函数。给水流量主通道传递函数为：(4-1)蒸汽流量干扰通道传递函数为：(4-2)图4.1PID控制系统模型1.1.2PID参数的整定一、凑试法确定PID调节参数51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）凑试法是通过观察系统的响应曲线(例如阶跃响应)。然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的系统响应，从而确定PID调节参数。在凑试时，可以参考PID参数对控制过程的影响效果，对参数实行下述先比例、后积分、再微分的整定步骤。　1．首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察系统的响应，直至得到过渡时间短、超调小的响应曲线。　2．如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，在保持系统良好动态性能的情况下，使静差得到消除。3．若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。二、实践经验法确定PID调节参数1．衰减曲线法先在单纯P作用下凑试比例度δ值，找出满足规定衰减比下的比例度δs。对于随动系统，取n=10：1，同时测出振荡周期Ts。对定值系统，取n=4：1。一般情况下按表4.1确定控制参数。表4.1曲线衰减法的整定参数δ/%TiTdPδsPI1.2δs0.5TsPID0.8δs0.3Ts0.1Ts2．临界比例度法在系统闭环情况下，将控制器的积分时间TI放到最大，微分时间TD放到最小，比例度δ设置为100%。然后使δ由大往小逐步改变，并每改变一次δ51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）值，通过改变给定值给系统施加一次阶跃干扰，同时观察被控变量yu的变化情况。若yu的过渡过程成衰减振荡，则继续减小δ值，若yu的过渡过程呈发散振荡，则应增大δ值，直到调至某一值，过渡过程出现不衰减的等幅振荡，这时过渡过程称之为临界振荡过程。出现临界振荡过程的比例度δk称为临界比例度，临界振荡的周期则称为临界周期。然后按表4.2确定控制器参数。表4.2临界比例度法的整定参数δ/%TITDP2δkPI2.2δk0.85TkPID1.7δk0.5Tk0.13Tk临界比例度法应用起来比较简单。然而，如果工艺方面不允许被控变量作长时间的等幅振荡，这种方法就不能应用。此外，这种方法只适用于二阶以上的高阶对象，或是一阶加纯滞后的对象，否则，在纯比例控制情况下，系统将不会出现等幅振荡，因此，这种方法也就无法应用了。1.1仿真研究1.1.1关于MATLAB在科学研究和工程应用中，为了克服一般语言对大量的数学运算，尤其当涉及矩阵运算时编制程序复杂、调试麻烦等困难，美国MathWorks公司于1967年构思并开发了矩阵实验室软件包。经过不断的更新和扩充，该公司于1984年推出MATLAB的正式版，特别是1992年推出具有划时代意义的MATLAB4.0版，并于1993年推出其微机版，以配合当时日益流行的Microsoft51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Windows操作系统一起使用。截止到2005年，该公司先后推出了MATLAB4.x、MATLAB5.x、MATLAB6.x以及MATLAB7.x等版本，该软件的应用越来越广，本文用MATLAB7.0版本进行系统的仿真研究。MATLAB语言的主要功能如下：(1)强大的矩阵运算功能(MATRICS)；(2)广泛的符号运算功能(SYMBOLIC)；(3)高级与低级装备的图形功能(FIGURE)；(4)图形化控制仿真程序设计功能(SIMULINK)；(5)可靠的容错功能(ERRORCOMPATIBILITY)；(6)应用灵活的兼容与接口功能(INTERFACE)；(7)信息量丰富的联机检索功能(INFORMATION)。1.1.1关于SIMULINKSIMULINK是MATLAB环境下的数字仿真工具，其文件类型为.mdl，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，也支持具有多种采样速率的多速率系统仿真。SIMULINK提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。与传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直观、方便、灵活的优点。1.1.2仿真研究本文在MATLAB7.0下的SIMULINK仿真工具对锅炉汽包液位控制系统进行仿真，因为MATLAB提供了基本模糊逻辑工具箱，使得建立和设计模糊控制器变得方便，模糊逻辑工具箱提供了模糊逻辑控制器及系统设计的各种途径。工具箱提供了生成和编辑模糊推理系统常用的工具函数，如newfis，addvar，addmf，addrule，setfis，writefis等，它包括了产生新的FIS，给FIS加入变量、隶属函数、规则、设置反模糊方法及存储FIS等功能，用户可以用命令调用这些函数的方法生成和编辑模糊推理系统，工具箱还提供了GUI（图形用户界面）编辑函数，利用它用户可以更直观迅速地生成系统。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）交互式的模型输入与仿真环境SIMULINK工具箱是MATLAB软件的扩展，主要用于动态系统的仿真。它的windows中提供了建立系统模型所需的大部分类型方块。用户只需用鼠标器选择所需模块在模型窗口上“画出”模型(双击任何模块，即可代开该功能块来完成参数的设定)，然后用鼠标器将它们连接起来，就可以构成一个系统的框图描述，亦即得出系统的SIMULINK描述。建立起系统模型后，用户可通过选择仿真菜单设置仿真控制参数，启动仿真过程，然后通过输出Scope(示波器)观察系统的仿真结果。仿真波形如下图所示。图4.2PID控制阶跃响应曲线经凑试，参数确定为：Kp=25，KI=0.05，KD=18设定值为10。从仿真曲线可以看出，PID控制方案下，系统的超调量较大，过渡时间较长，过渡过程不太平稳，控制效果不是很好。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章多模态模糊-PID控制系统设计及仿真研究1.1模糊控制系统的设计及仿真研究从上述汽包液位的PID控制方式仿真曲线可见，虽然稳态误差为0，但动态误差较大，同时系统响应速度较慢。本节讨论纯模糊控制方式的特点。模糊控制是一种应用模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理知识，模拟人的模糊思维方法对复杂系统实行控制的一种智能控制系统。模糊控制不需要事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。1.1.1模糊控制器的设计1．确定模糊控制器的输入变量和输出变量模糊控制器是模糊控制系统的核心，对于锅炉汽包液位的模糊控制系统，一般采用常见的二维模糊控制器，即它的输入变量是给定液位和实际液位的偏差和偏差的变化：(5-1)(5-2)公式(4-1)表示液位的偏差，其中y0(t)代表给定液位。当液位y(t)高于y0(t)时，即实际液位高于给定液位，偏差为“负”，液位高得越多则偏差负得越大；相反，y(t)低于y0(t)时，即实际液位低于给定液位，偏差为“正”，液位低得越多，则偏差正得越大。公式(4-2)表示液位偏差的变化。当t时刻的液位偏差高于t-1时刻的液位偏差，说明水量变化在增大，即实际液位有上涨趋势，偏差变化为“负”；相反，当t时刻的液位偏差低于t一l时刻的液位偏差，偏差变化为“正”。模糊控制器的输出量是阀门开度u(t)的变化，它直接影响液位y(t)的变化。输出控制量对应阀门开度变化，阀门开大为“正”，表明注水量加大；反之，则阀门关闭为“负”。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2．输入变量和输出变量的模糊化进行模糊控制，要将上述输入变量及输出变量用模糊语言变量的模糊子集表示。设输入偏差用模糊语言变量的模糊集E表示，即：E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}其中NB表示实际液位比给定液位很高，NM表示实际液位比给定液位高，NS表示实际液位比给定液位有点高，ZE表示实际液位于给定液位相等，PS表示实际液位比给定液位有点低，PM表示实际液位比给定液位低，PB表示实际液位比给定液位很低。则输入偏差对应的模糊论域为：E={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}设输入偏差的变化用模糊语言变量的模糊集EC表示，即：EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}对应的模糊论域为：EC={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}设控制量的变化用语言变量的模糊集U表示，即：U={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}其中，NB表示水阀关得很快，NM表示水阀关得快，NS表示水阀关得有点快，ZE表示水阀保持正常开度，PS表示水阀关得有点慢，PM表示水阀关得慢，PB表示水阀关得很慢。设模糊控制器的输入输出的基本论域设置如下：液位的偏差e最大变化范围是[-3cm，+3cm]，偏差变化ec的最大变化范围是[-0.23cm/s，+0.23cm/s]，输出量yu的最大变化范围是[0，100%100]。对应的模糊论域为：U={-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}3．确定输入、输出变量的隶属度函数51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）选择输入变量的隶属度函数为高斯型函数，输出变量的隶属度函数也为高斯型函数。见图5.1，输入模糊变量通过模糊规则与输出模糊变量建立关系。(a)e的隶属度函数　　　　(b)ec的隶属度函数(c)u的隶属度函数图5.1输入变量与输出变量的隶属度函数51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4．模糊控制规则表表5.1模糊控制规则表eecUNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZENMNBNBNMNMNSZEPSNSNBNMNMNSZEPSPMZENMNSNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPMPMPBPMNSZEPSPMPMPBPBPBZEPSPMPBPBPBPB在设计模糊控制规则时，选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；但误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要的出发点。因此，当EC为负时液位有上涨趋势，如果此时液位为高，则应关闭水阀以减小入水量，使液位降下来；反之，开大水阀。据此，得到表中共49条规则。模糊控制规则如表5.1所示。5．模糊推理系统的选择最常见的模糊推理系统是具有模糊产生器和消除器的模糊逻辑系统(Mamdani)型。该模糊推理系统的基本属性设为：“与”运算采用极小运算，“或”51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）运算采用极大运算，模糊蕴涵采用极小运算，模糊规则采用极大运算，去模糊化采用加权平均法。调节控制汽包液位需要的过程参数有三个：汽包实际液位与液位设定值的偏差、给水量的变化值和蒸汽量的变化值。现场根据以上参数观察液位。估计入水量与蒸汽流量间的平衡关系，然后操作入水阀以决定入水量是否需要增加或减少。模糊控制器的设计要体现以上反映人的思维的经验过程。6．模糊输出的反模糊方法通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就称为反模糊化过程。常用的反模糊化的计算方法有以下三种：(1)最大隶属度函数法这种方法是取模糊子集中隶属度最大的元素Umax作为执行量。当有多个最大隶属度元素时，就取它们的平均值作为输出。如某模糊控制器的输出为：由于4的隶属度最大为0.8，故4为反模糊化的结果。但若输出改为：则取(2+4)/2=3为反模糊化的结果。这个判别方法简单易行，实时性也好，但它概括的信息量少，因为这种方法完全不考虑其它隶属度较小的元素的影响和作用。(2)中位数判决法计算隶属函数曲线同横坐标轴围成区域的面积，取1/2面积处横轴坐标为决策值的方法叫做中位数法。中位数法比最大隶属度法包含了更多的信息。但是，它往往会导致隶属函数不同而中位数相同的现象，无法突出主要信息，这显然不合理。因此，中位数较少采用。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）(3)加权平均法加权平均法是将各等级隶属度与该等级值相乘，并求乘积和，然后除以隶属度和，所得值即为控制决策值。如模糊控制器的输出为：则：∑(等级值×隶属度)=(-6×0.1)+(-4×0.2)+(-2×0.4)+(2×0.8)+(4×0.4)+(6×0.2)=2.2∑隶属度=0.1+0.2+0.4+0.8+0.4+0.2=2.1所以控制决策值为2.2/2.1=1.057．建立模糊控制器的输出查询表，查询表如下表所示。表5.2模糊控制输出查询表ue-6-4-20+2+4+6ecNBNMNSZEPSPMPB-6NB-5.24-5.24-5.23-4.78-3.16-0.690.00-4NM-4.78-4.78-4.78-3.46-2.62-0.350.33-2NS-3.95-3.61-3.16-2.620.001.271.930ZE-3.61-3.16-1.060.001.063.163.61+2PS-1.93-1.060.002.623.163.613.95+4PM-0.330.352.623.464.784.784.78+6PB0.000.693.164.785.235.245.241.1.1模糊控制系统的设计模糊控制器设计好之后，就可以建立如图5.2的模糊控制系统。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图5.2模糊控制系统图1.1.1仿真研究Fuzzylogic工具箱是进行模糊推理和模糊控制器仿真的工具包，它集成了FIS编辑器、隶属函数编辑器、模糊规则编辑器和输出预览器等可视化工具，使用户快速开发设计模糊控制器成为可能。当然，这些工具实质都是由开发者为MATLAB用户编写的M文件或S函数组成的，如fuzzy.m等等。这些以.m为后缀的文件通常放在Fuzzy目录下，用户可以在MATLAB编程环境中单独编程调用这些文件或函数。1．进入仿真界面进行仿真时，首先双击MATLAB软件的快捷图标，然后打开SIMULINK模块，按ctrl+N联合键就可以建立一个仿真界面。将设计好的控制系统用SIMULINK里面的相关模块进行链接，模块的链接采用“拖拉”法，即把要用的模块从SIMULINK工具箱“拖”到仿真界面即可。模糊控制系统的仿真界面如下图所示：51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图5.3模糊控制系统仿真界面然后设计系统中的模糊控制器，在MATLAB环境下，输入fuuy语句，回车就进入如下图所示的模糊控制器编辑画面，在编辑菜单Edit下选择输入变量的模糊函数和输入输出个数，将锅炉汽包液位的偏差e和偏差的变化ec作为模糊控制器的输入量，阀门开度u作为模糊控制器的输出变量，然后在相应的name方框里命名。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图5.4模糊控制器编辑界面在模糊控制变量的个数和名称确定之后进入下一步的各个模糊变量的模糊函数类型的确定，本模糊控制器中输入变量e和ec的模糊函数类型都选择高斯型函数，论域范围都选择[-6，+6]。2．输入隶属度函数双击各个变量的图标处，然后依次在编辑菜单中编辑模糊变量的隶属函数类型和参数，操作界面如下图所示：51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图5.5模糊变量的隶属函数设计界面3．输入模糊控制规则　　在Edit菜单下选择Rule选项，根据事先制定的模糊控制规则表进行模糊规则的设计，如下图所示：图5.6模糊控制规则设计界面51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4．模糊推理输出特性曲面模糊推理如下图所示：图　5.7　模糊推理界面根据模糊推理得到的输出特性曲面如下图所示：图5.8　输出特性曲面5．仿真波形如图5.951 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）在模糊控制器设计完毕并生成mohuqi．fis文件之后，在MATLAB环境下输入命令：jia=readfis(‘mohuqi．fis’)，在仿真界面里的模糊控制系统中，双击模糊模块控制器，并命名为上述的jia，然后点击仿真按钮，观察示波器，就会出现下图所示的仿真波形。图5.9模糊控制阶跃响应曲线其参数经凑试，最终确定为ke=2.2，kec=23，ku=0.18，设定值为10。由仿真曲线可以看出，最大超调量为38%，过渡过程较为平稳。多模态模糊-PID控制系统实现起来比较简单，模糊控制器的设计和纯模糊控制系统中的模糊控制器一样，在偏差比较大时，用开关模块自动切换到模糊控制方式中，偏差比较小时，切换到PID控制方式中，它具有响应速度快、控制精度高的优点。1.1.1多模态模糊-PID控制系统的设计汽包液位的多模态模糊-PID控制系统中，考虑到PID控制器是在小误差范围内工作，为提高响应速度，适当增加积分部分的系数。KI，具体结构图如图5.10所示。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图5.10多模态控制系统结构采用此系统时，切换条件|e0|对控制性能的影响很大。仿真实验时必须选择合适的值，才能达到理想的控制效果，本系统中取e0=1.5。1.1.1仿真研究多模态模糊-PID控制系统仿真步骤和纯模糊控制系统的一样，仿真曲线如图5.11所示。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）图5.11多模态控制系统阶跃响应曲线其参数经凑试，确定为ke=2.1，kec=24，ku=0.18，kp=25，ki=0.05，kd=18，设定值为10。从多模态控制系统的仿真曲线可以看出，多模态控制方案下，系统的最大超调量为17%，过渡时间为30个单位时间，基本消除了系统的余差，过渡过程更为平稳。1.1几种控制效果比较分析从仿真曲线比较图可以看出：(1)多模态模糊-PID控制系统的超调量比较小。(2)当控制对象参数发生改变时，多模态模糊-PID控制系统较快平稳,取得较好的控制效果，说明多模态模糊-PID控制的鲁棒性好。(3)多模态模糊-PID控制系统的调节时间短，振荡周期少。(4)采用多模态模糊-PID控制方式，系统的静态特性和动态特性都较好。与传统PID控制系统和纯模糊控制系统相比较，多模态模糊-PID控制系统具有较好的控制效果，所以，本设计采用多模态模糊-PID控制锅炉汽包液位。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章结束语本论文主要探讨了锅炉汽包液位的控制方案，就锅炉汽包液位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉汽包液位控制特性所提出的问题。建立了锅炉汽包液位控制特性的数学模型，分别采用PID控制手段和模糊控制方法来设计锅炉汽包液位控制系统，并进行了对比讨论，仿真表明模糊控制方法要优于PID控制方法.但是也存在缺点，最后采用模糊-PID控制来设计锅炉液位控制系统，仿真证明了采用多模态模糊-PID控制优于PID控制和纯模糊控制。首先通过研究发现，锅炉汽包液位控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量有关。我们通过对锅炉汽包液位的研究，得出传递函数以及特性曲线。当蒸汽流量与给水流量不平衡时，会产生“虚假液位”现象。这是汽包液位控制最主要克服的问题之一。为此，我们首先采用传统PID控制算法对锅炉液位进行控制。锅炉汽包液位的控制方案通常有如下几种：(1)单冲量控制系统。即汽包液位的单回路控制系统。(2)双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号。(3)三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。这些控制方案通常采用PID算法，观察上述控制系统的动态响应特性、抗干扰性、和对被控对象变化的抑制效果。从仿真图中可以看到PID调节效果不理想，没有消除“虚假液位”的影响，鲁棒性不强。因此，我们提出模糊控制的构想。模糊控制器的输入变量是实际液位和给定液位的偏差e和偏差的变化率ec51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）(二维结构)，输出变量是控制量u。同样的，我们也观察此模糊控制系统的动态特性、抗干扰性和抑制被控对象扰动性，做出了仿真结果。从仿真结果我们看到，模糊控制有较好的鲁棒性。可靠性高，控制效果好。但模糊控制的控制作用较粗糙，使得稳态控制精度较低。因此，我们采用多模态模糊-PID控制，并给出仿真结果。仿真证明了采用多模态模糊-PID控制要优于传统PID控制和纯模糊控制方法。51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）参考文献1翁维勤,孙洪程.过程控制系统及工程[M].北京化学工业出版社,20022程武山.智能控制理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社,20063张光化,孟祥萍.智能控制基础理论及应用[M].北京:机械工业出版社,20054刑培生.锅炉设备运行及事故处理[M].北京:化学工业出版社,20055李国勇,谢克明.控制系统数字仿真与CAD[M].北京:电子工业出版社,20036王国刚.热电厂建设及工程实例[M].北京:化学工业出版社,20057燕东升.智能液位控制系统可视化仿真平台的研制[D]:硕士学位论文.南京:南京航空航天大学,2005.108陈平.锅炉汽包液位模糊PID控制的研究[D]:硕士学位论文.厦门:华侨大学，2006.89李玲玲,葛蔓玲,赵全明.工业锅炉液位三冲量控制系统的改进[J].河北工业大学学报.2000.7⑹:97～10110王智.锅炉汽包液位的自动控制[J].化工科技市场,2003.8⑺:3～511张建伟,马志杰.汽包液位控制系统参数整定方法的研究[J].山西电力,2001.3:1～612营莉娜.锅炉汽包液位保护控制方案的设计[J].安徽电力职工大学学报,2003.4:78～8513周佳,曹小玲,刘永文.锅炉汽包液位控制策略的现状分析[J].锅炉技术,2005.6:43～4714付晓刚.锅炉汽包液位模糊免疫PID的应用研究[J].锅炉技术,2006.5(03):29～3315潘祥亮,罗利文.模糊PID控制在工业锅炉控制系统中的应用[J].上海交通报,2003.7(03):6～916姜长生,王从庆,魏海坤，陈谋.智能控制与应用[M].北京:科学出版社,200751 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）17王芳．模糊自调整PID控制在锅炉汽包液位控制中的应用[D]:硕士学位论文．山东大学,2007.618杨良煜．基于模糊理论的汽包液位控制器设计[J].西安科技大学,2004.6(04):12～1519王忠礼,段慧达,高玉峰.MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用[M].北京:清华大学出版社,200720张静.MATLAB在控制系统中的应用[M].北京:电子工业出版社,200751 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）致谢经过紧张而有序的学习和设计，为期16周的毕业设计将要接近尾声，在这个过程中，自己学习到了一些新的理论知识，比如模糊控制理论的有关知识，在李忠虎老师的悉心指导下，从设计的选择、文献综述、中期报告到论文工作的理论分析，直至整个论文的撰写，李老师都给予了我无私的帮助和谆谆教诲，使我一点一点，一步一步地完成了本次的毕业设计。期间，李老师还带我们去包钢集团的CCPP（蒸汽、燃气联合发电项目）进行了实习，使我认识到了理论与实践相结合的重要性。李老师严谨的教学态度和诲人不倦的品格影响并教育了我，他渊博的知识、平易近人的作风，都是我学习的榜样。在此，我向在这个过程中给予我帮助和指导的老师同学说一声谢谢!51