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1、摘 要 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺(tái)，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對(duì)于高蒸汽品質(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)行具有要意義。 鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣。因?yàn)楝F(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對(duì)變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是

2、非常危險(xiǎn)的，這是因?yàn)樗贿^低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動(dòng)停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會(huì)造成事故，因此，必須嚴(yán)格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)

3、會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 汽包水位的控制是鍋爐控制的一個(gè)難點(diǎn)，目前，對(duì)汽包水位控制大多采用常規(guī)PID控制方式，傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制方式是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，由于鍋爐水位系統(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，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得而且常規(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。 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的，它能將熟練操作員的實(shí)經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語言表達(dá)出來，得到定

4、性的、不精確的控規(guī)則，不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制易于被人們接受，構(gòu)造容易，魯棒性和適應(yīng)性好。鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，為確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)鍋爐的自動(dòng)控制十分重要，其中汽包水位是一個(gè)非常重要的被控變量。由于鍋爐的水位調(diào)節(jié)過程難以建立數(shù)學(xué)模型，具有非線性、不穩(wěn)定性、時(shí)滯等特點(diǎn)。 給水控制的任務(wù)是維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。由于影響汽包水位的幾個(gè)因素中，燃料量的擾動(dòng)影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時(shí)，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機(jī)側(cè)的影響，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或汽輪機(jī)用汽量變化時(shí)，給水控制都應(yīng)能限制汽

5、包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。 傳統(tǒng)的鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)大都采用PID控制，其控制效果還可以進(jìn)一步提高。而模糊控制不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強(qiáng)，非常適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制。 模糊控制器一般采用二維結(jié)構(gòu)形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號(hào)，根據(jù)二者模糊化的結(jié)果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經(jīng)去模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 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(duì)現(xiàn)有的模糊控制器的構(gòu)成方

6、式進(jìn)行歸納總結(jié)。對(duì)汽包水位的模糊控制方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)及性能上的分析和比較，并利用Simulink分別在設(shè)定值及在干擾作用下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 關(guān)鍵詞:汽包水位；模糊控制；三沖量 V Abstract Boiler is typical complex thermal system, China, at present, various types of boiler, scores have pale because of a device or dispersion, poor management and technical reasons that most boiler is

7、 in good condition, increase the boiler efficiency, reduce the fuel consumption. The modeling and control problems of boiler is always the focus of attention and drum water level is secure and stable operation of the boiler work, guarantees the important index of water control in a given range, high

8、 quality steam for loss and operation, reducing equipment, insure the whole network security is to run. Boiler drum water level elevation, is to ensure safety in production, and provide quality of important parameters for steam, especially that for modern manufacturing industry. Because of the c

9、haracteristics of modern boiler drum is improved markedly, evaporation capacity, water relatively less change quickly, a bit not paying attention to drum with water or burn into dry pot. In modern boiler operation, even if is the shortage of accident, is very dangerous, because the water is too low,

10、 it will affect the normal, natural cycle will make serious on individual freedom, produce water pipe forming causes metal pipe flow stagnation, local overheating and tube. Whatever is full of water or water can cause an accident, therefore, must be strictly controlled within the scope stipulated in

11、 water. Maintain drum water level in a given range is to guarantee the safe operation of the boiler and steam turbine protects the necessary conditions for the normal operation of the boiler, and is also one of main index. High level within the drum, will affect the effect, make the separation of s

12、aturated steam drum exports increased with water, steam turbines with water will produce shock, cause damage shaft seals, etc. The fault accident Also makes higher content of saturated steam, lower overheated steam quality, increase in superheater wall and turbine blade on the scale. Low water may d

13、estroy the natural cycles of boiler steaming-water circulation system, some weaknesses, and that local water-cooled wall was burnt out, causing severe explosion accidents. The consequences are very serious. With the increasing capacity, water boiler changes are increasingly fast, the more strenuous

14、manual operation, thus to realize automatic adjusting drum water level forward urgently demands. Drum water level control is one of the boiler control, at present, the difficulty of drum water level control most of the conventional PID control mode, the traditional conventional PID control method i

15、s based on the established mathematical model control object, due to the boiler water system, the uncertainty of nonlinear delay and load disturbance and non-minimum-phase characteristics, the accurate mathematical model often unavailable and conventional PID control parameters are fixed, difficult

16、to adapt to all kinds of disturbances and object changes, the control effect is often difficult to meet the requirements, the control effect is not ideal. The fuzzy control is established on the basis of artificial experience, it can be skilled operators and the real experience summarized, and lang

17、uage expression comes out, get a qualitative, not accurate control rules, need not be charged object mathematical model. Fuzzy control is easy to be accepted by people, easily, robustness and adaptability. In the process of industrial boiler is the indispensable equipment, in order to ensure the saf

18、e, stable production, the automatic control of boiler drum water level is very important, which is a very important the controlled variables. Because of the boiler water regulation process to establish mathematical model with nonlinear and instability, delay, etc. The task is to maintain water cont

19、rol in the process of drum water level within the limits. Due to the effect of several factors drum water level of the disturbance effect, fuel, therefore, small drum water level control, main purpose is for the controlled variables drum water level, water flow to adjust to control method. At the sa

20、me time, because not only by boiler drum water level, and the influences of side by side effects, while steam boiler load or steam turbine YongQiLiang changes, water control should be limited to only in a drum water level within the scope of change. Commonly used drum water level control mode is sin

21、gle, double impulse and impulse impulse control three. The traditional boiler water impulse control system are three PID control, the control effect can be improved. And the fuzzy control does not require that controlled object mathematical model of, only need to operating personnel of experience a

22、nd knowledge operational data, robust, very suitable for nonlinear control systems, lag. Usually adopts the fuzzy controller with two-dimensional structure, function and variations of the error.it error of fuzzy controller based on the input signal, the results of both fuzzy query fuzzy control tab

23、le, the fuzzy control is obtained, then the fuzzed into accurate quantity to control actuator. Based on the boiler water control and fuzzy control characteristics, this article will introduce boiler drum water level fuzzy control of impulse control in three, some exploratory work, the existing meth

24、ods of the fuzzy controller are summarized. Drum water level of the fuzzy control structure and performance analysis and comparison, and using Simulink respectively in value and the role of control system. Keywords:Drum water;Fuzzy control;Three-variable

25、 目 錄 引言 1 1 鍋爐工作過程及其設(shè)備 2 1.1課題背景 2 1.2鍋爐的工作過程簡(jiǎn)介 2 1.3鍋爐設(shè)備的調(diào)節(jié)任務(wù) 4 1.4本文研究內(nèi)容 5 2鍋爐汽包水位特性及其控制 6 2.1鍋爐汽包水位的特性 6 2.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動(dòng)態(tài)特性 6 2.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動(dòng)下

26、的動(dòng)態(tài)特性 7 2.1.3燃料量B擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 9 2.2汽包水位控制方式 10 2.2.1單沖量控制方式 10 2.2.2雙沖量控制方式 11 2.2.3三沖量控制方式 12 3 模糊控制原理 15 3.1概述 15 3.1.1模糊控制的形成 15 3.1.2模糊控制的特點(diǎn) 15 3.2 模糊控制系統(tǒng)組成 16 3.3模糊控制的工作原理 18 3.3.1模糊控制系統(tǒng)的組成 18 3.3.2模糊控制的基本原理 20 4 汽包水位模糊控制器設(shè)計(jì)及仿真 21 4.1汽包水位的PID控制方式 21 4.1.1PID控制方式概述 21 4.2模糊控制器的設(shè)

27、計(jì)方法 22 4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 4.2.2精確輸入量的模糊化 23 4.2.3確定控制規(guī)則 26 4.2.4模糊量的判決方法(解模糊) 29 4.3汽包水位的模糊控制器的設(shè)計(jì) 31 4.3.1模糊控制器結(jié)構(gòu) 31 4.3.2模糊控制器的設(shè)計(jì) 31 4.3.3仿真結(jié)果 33 5………………………………………………………………………………………...35 謝辭 36 參考文獻(xiàn) 37 37 引言 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十蒼白臺(tái)，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了

28、效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對(duì)于高蒸汽品質(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)行具有要意義。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸

29、事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 模糊控制器一般采用二維結(jié)構(gòu)形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號(hào)，根據(jù)二者模糊化的結(jié)果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經(jīng)去模糊化處理轉(zhuǎn)化為精確量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 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(duì)現(xiàn)有的模糊控制器的構(gòu)成方式進(jìn)行歸納總結(jié)。對(duì)汽包水位的模糊控制方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)及性能上的分析和比較，并利用Simulink分別在設(shè)定值及在干擾作用下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 1． 鍋

30、爐工作過程及其設(shè)備 1.1課題背景 由前述可知，在鍋爐的幾個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，汽包水位的控制是保證鍋爐安全運(yùn)行的必要條件，是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)志之一。鍋爐的水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務(wù)之一，在鍋爐的安全生產(chǎn)、降低能耗、蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起著重要作用。 目前我國有各類鍋爐幾十萬臺(tái)，其中相當(dāng)大的部分還在使用常規(guī)儀表控制。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位”現(xiàn)象，而常規(guī)儀表所常用的PID算法對(duì)“假水位”現(xiàn)象的控制效果并不理想，若要較好的控制“假水位”現(xiàn)象，采用常規(guī)儀表所構(gòu)成的控制器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性又會(huì)增加，造成成本較高。因此，研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進(jìn)一步提高水位控制的效果，同

31、時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，還是非常有必要的。 另一方面，自從1965年美國加利福尼亞大學(xué)的Zadeh教授首先提出模糊數(shù)學(xué)和模糊控制以來，經(jīng)過幾十年的研究，模糊控制得到廣泛發(fā)展并在實(shí)際中得以廣泛應(yīng)用。這主要在于模糊邏輯本身提供了由專家構(gòu)造語言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法。模糊控制的突出特點(diǎn)在于:(1)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)。(2)控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時(shí)變及滯后系統(tǒng)。(3)以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家的“知識(shí)”。(4)控制推理采用“不精確推理”。由于推

32、理過程模仿人的思維過程，引入了人類的經(jīng)驗(yàn)，因而能夠處理復(fù)雜系統(tǒng)。 在一般的模糊控制系統(tǒng)中，通常采用偏差E及其變化EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PID控制器的作用，缺點(diǎn)是靜態(tài)性能不能令人滿意。由于模糊控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，又具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此常常把PI控制策略引入模糊復(fù)合控制，是常用的一種方式。模糊控制在工業(yè)過程中有大量的成功應(yīng)用，但在鍋爐水位控制上還沒有形成系統(tǒng)的理論，還存在一些不足，仍然有必要繼續(xù)研究。 1.2鍋爐的工作過程簡(jiǎn)介 鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s

33、、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。 鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下

34、降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng) “爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后

35、經(jīng)煙囪排入大氣。 1.3鍋爐設(shè)備的調(diào)節(jié)任務(wù) 鍋爐作為重要?jiǎng)恿υO(shè)備，為了保證提供合格的蒸汽，必須使鍋爐的蒸發(fā)量隨時(shí)適應(yīng)負(fù)荷設(shè)備的需要量。為此，生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)，特別是新汽的壓力和溫度，必須嚴(yán)格控制。 一、控制汽包水位 鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣。因?yàn)楝F(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對(duì)變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險(xiǎn)的，這是因?yàn)樗贿^低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動(dòng)停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆

36、管。無論滿水或缺水都會(huì)造成事故，因此，必須嚴(yán)格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。 二、控制蒸汽溫度 過熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝確定的重要參數(shù)，蒸汽溫度過高會(huì)燒壞過熱器水管，對(duì)負(fù)荷設(shè)備的安全運(yùn)行帶來不利因素。因?yàn)楝F(xiàn)代的蒸汽鍋爐，金屬強(qiáng)度的安全系數(shù)設(shè)計(jì)得都比較小，超溫嚴(yán)重會(huì)使汽機(jī)或其它負(fù)荷設(shè)備膨脹過大，使汽機(jī)的軸向推力增大而發(fā)生事故。汽溫過低直接影響負(fù)荷設(shè)備的使用，對(duì)汽機(jī)來說會(huì)影響效率，進(jìn)汽溫度每降低5℃，效率約降低1%。因此從安全生產(chǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上看，必須保持蒸汽溫度在額定值范圍之內(nèi)。 三、控制蒸汽壓力 蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標(biāo)，是新汽的重要工藝參數(shù)。蒸汽給定壓力過高或過低，對(duì)

37、于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的:壓力太高，會(huì)加速金屬的蠕變，壓力太低就不可能提供各負(fù)荷設(shè)備符合質(zhì)量的蒸汽。在運(yùn)行過程中，蒸汽壓力降低，表明蒸汽消耗量大于鍋爐發(fā)汽量;反之，蒸汽壓力升高，說明蒸汽消耗量小于鍋爐發(fā)汽量。因此嚴(yán)格控制蒸汽壓力，是確保安全生產(chǎn)的需要，也是維持正常生產(chǎn)負(fù)荷的需要。 四、維持經(jīng)濟(jì)燃燒 使空氣和燃料維持適當(dāng)比例，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵措施。將過?？諝饨档偷浇诶硐胨蕉植怀霈F(xiàn)CO和冒黑煙，這就需要快速而精確的燃燒過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)，最佳的空氣、燃料配比。如果離開最適宜的空燃比，勢(shì)必增加熱量損失，降低經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo).并造成對(duì)周圍環(huán)境的污染。 五

38、、控制爐膛壓力 鍋爐在正常運(yùn)行中，爐膛壓力也必須保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。如果是負(fù)壓操作，則負(fù)壓偏正，局部地區(qū)容易噴火，不利于安全生產(chǎn)，不利于環(huán)境衛(wèi)生，負(fù)壓過大，漏風(fēng)嚴(yán)重，總風(fēng)量增加，煙氣熱損失增大，不利于經(jīng)濟(jì)燃燒。由于燃燒室的空間很大，加之介質(zhì)密度差產(chǎn)生的自升引力，使沿著爐膛向上負(fù)壓越來越大，所以保持某個(gè)高度上的負(fù)壓是必要的，可行的。 六、控制一次風(fēng)量 粉煤直吹制鍋爐，為了安全地、經(jīng)濟(jì)地將粉煤輸入爐膛，保證良好的燃燒條件，一次風(fēng)量也需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于高壓鍋爐，有時(shí)還需自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐的連續(xù)排污量以保證鍋爐水中含鹽量為額定值。 為實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)任務(wù)，鍋爐設(shè)備控制劃分為如下幾個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng): 1.鍋

39、爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng):即鍋爐汽包水位的控制。其被調(diào)參數(shù)為汽包水位，調(diào)節(jié)手段為給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。是鍋爐汽包內(nèi)部重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 2.蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)是蒸汽母管壓力，在孤立運(yùn)行鍋爐中，為蒸汽壓力，主要考慮鍋爐內(nèi)部的熱量平衡，其通道很長，包括鍋爐燃燒系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，它是整臺(tái)鍋爐設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)中的核心。 3.經(jīng)濟(jì)燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)隨著測(cè)量方式的不同而異，主要考慮燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)燃燒問題，通道也比較長，包括燃燒系統(tǒng)和煙道。 4.爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)為爐膛負(fù)壓，主要考慮燃燒過程的物料平衡，調(diào)節(jié)通道包括爐膛和煙道

40、。 5.蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng):被調(diào)參數(shù)為過熱器出口過熱蒸汽的溫度，主要考慮過熱器的熱量平衡問題。 1.4本文研究內(nèi)容 本文將對(duì)現(xiàn)有的模糊控制器進(jìn)行歸納、對(duì)比及創(chuàng)新，對(duì)鍋爐水位控制系統(tǒng)的模糊控制進(jìn)行結(jié)構(gòu)及性能上的分析比較，并利用MATLAB中的模糊邏輯工具箱進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，具有不精確推理的特性，設(shè)計(jì)模糊控制器，以解決汽包水位的非線性、時(shí)變及滯后的特性，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性及魯棒性，做了一些試探性研究并利用Simulink分別在設(shè)定值及在干擾作用下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 2． 鍋爐汽包水位特性及其控制 2.1鍋爐汽包水位的特性 鍋爐汽包

41、水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位

42、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲(chǔ)水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量D和給水流量W。 2.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動(dòng)態(tài)特性 圖2.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包水位看作單容量無自衡過程，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖中的Hl線。 圖2.1 給水流量作用下水位階躍響應(yīng) 但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當(dāng)水位下汽泡容積的變化過程逐漸

43、平衡時(shí)，水位的變化就完全反映了由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。因此，實(shí)際水位曲線如圖中的萬線，即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)表示時(shí)，它近似于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和時(shí)滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。系統(tǒng)特性可表示為: 2-1 式中K1—反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時(shí))。 從式2-1可知，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性由一個(gè)積分環(huán)

44、節(jié)和一個(gè)滯后環(huán)節(jié)所組成，Kl、T1的數(shù)值可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時(shí)，在較長的一段時(shí)間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對(duì)于這種鍋爐用式2-1來表示它的動(dòng)態(tài)特性，誤差較大，這時(shí)可選用下面近似計(jì)算： 2-2 式中，τ—給水量擾動(dòng)后的純滯后時(shí)間，對(duì)非沸騰式省煤器的鍋爐，τ這時(shí)為30至100秒;對(duì)于沸騰式省煤器的鍋爐，τ為100至200秒;K0一水位的反應(yīng)速度。給水溫度越低，時(shí)滯τ亦越大。 由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可以有二種形式:反應(yīng)曲線變化最快的可用式(2

45、-1)表示，這時(shí)的動(dòng)態(tài)特性可以等效為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián);另外也可用式(2-2)表示，相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。對(duì)于不同的鍋爐設(shè)備，究竟采用何種形式的傳遞函數(shù)來表示它的動(dòng)態(tài)特性，還要根據(jù)具體條件來定，原則是:表達(dá)特性最符合實(shí)際情況、傳遞函數(shù)式盡可能地簡(jiǎn)單。 總之，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用二種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和汽化強(qiáng)度來定。 2.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 在蒸汽流量刀擾動(dòng)作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖2.2所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加，從鍋爐的物料平衡關(guān)系看，蒸汽流量D大

46、于給水量磯水位應(yīng)下降，如圖中曲線H1。但實(shí)際并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中的H2線。因此，實(shí)際的水位曲線為H1+H2，即為圖中的H。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后再上升)，這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2.2中H2的時(shí)間常數(shù)只有10~20秒。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，水

47、位變化的動(dòng)態(tài)特性可表示為: 2-3 式中，Kf一一響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時(shí)，水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時(shí))。 K2一一響應(yīng)曲線玩的放大系數(shù) T2一一響應(yīng)曲線的時(shí)間常數(shù) 圖2.2蒸汽流量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng) “虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對(duì)于一般100一230噸/小時(shí)的中高壓鍋爐，如負(fù)荷階躍變化10%時(shí)，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)30一40毫米。由于“虛假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，其出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求水位波動(dòng)不能太大，只有限制負(fù)荷D的變化速

48、度或限制負(fù)荷一次變化量。 由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在蒸汽流量擾動(dòng)下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛假水位”現(xiàn)象，“虛假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比，也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)必須考慮。 2.1.3燃料量B擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 汽包水位在燃料量B擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線如圖2.3所示。當(dāng)燃料量增加時(shí)，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強(qiáng)度加大。如果負(fù)荷的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增加，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時(shí)產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時(shí)也會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將同時(shí)導(dǎo)致汽包壓力

49、上升，它會(huì)使汽泡體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量D緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比蒸汽擾動(dòng)下緩和的多。 圖2. 3燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng) 2.2汽包水位控制方式 給水控制的任務(wù)是維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。由于影響汽包水位的幾個(gè)因素中，燃料量的擾動(dòng)影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。同時(shí)，由于汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機(jī)側(cè)的影響，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或汽輪機(jī)用汽量變化時(shí)，給水控制都應(yīng)能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。這里的沖量指的是變量。 圖2

50、.4汽包水位單沖量控制原理圖及方框圖 2.2.1單沖量控制方式 單沖量水位控制方式原理圖及方框圖如圖2.4所示。它是汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡(jiǎn)單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。此方式將水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。這種控制方式，在停留時(shí)間較長，負(fù)荷也比較穩(wěn)定的場(chǎng)合，再配上一些聯(lián)鎖報(bào)替裝置，也可以保證安全操作.但在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，采用此方式就不合適。這是由于: 1)負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假水位”，將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)誤動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反向關(guān)小

51、給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)很大，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。 2)負(fù)荷變化時(shí)，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再由水位變化到閥動(dòng)作己滯后一段時(shí)間。如果水位過程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。 3)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，閥門動(dòng)作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進(jìn)水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不夠及時(shí)。 總之，單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場(chǎng)合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)是能夠滿足生產(chǎn)要求的。 2.2.2雙沖量控制方式 在汽包水位

52、控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。這樣不僅可以補(bǔ)償“虛假水位”的引起的誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)，如圖2.5所示。圖中，cl、q為加法系數(shù)，G2為蒸汽流量擾動(dòng)下，汽包水位的傳遞函數(shù)。 圖2.5汽包水位雙沖量控制原理圖及方框圖 從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是: 1)引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”對(duì)調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向

53、正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量和水位的波動(dòng)，縮短了過渡過程的時(shí)間。 2)引入了蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。當(dāng)C1、C2選擇匹配時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)特性是無差的。雙沖量調(diào)節(jié)由于有以上特點(diǎn)，所以能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完 成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)到調(diào)節(jié)要求的。 雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是:調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)，當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。同時(shí)調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難。 2.

54、2.3三沖量控制方式 目前鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對(duì)就越小，允許波動(dòng)的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10-20秒內(nèi)就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)水位;如僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對(duì)水位控制要求就更高了。 鍋爐給水量在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，還可能發(fā)生幾臺(tái)鍋爐的水位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺(tái)鍋爐負(fù)荷和給水量改變時(shí)，引起給水母管壓力波動(dòng)，而使其它鍋爐的給水量受到擾動(dòng)。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中，對(duì)于給水量這種自發(fā)變化不能及時(shí)反映出來，要經(jīng)過一定的遲延時(shí)間之后，給水量的擾動(dòng)才能通過汽包水位的變化而被發(fā)

55、覺，此后在克服擾動(dòng)時(shí)，幾臺(tái)鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜。 針對(duì)上述情況，為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上引入了給水流量信號(hào)，由水位H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽包水位H是被調(diào)量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量D、給水流量W是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。 圖2.6汽包水位三沖量前饋一反饋控制原理圖及方框圖 1)前饋一反饋控制方式 前饋一反饋控制方式的原理圖及方框圖如圖2.6所示，從方塊圖上可以看出，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路:(1)是由給水流量W、給水分流器aw、調(diào)節(jié)器Gc。、調(diào)節(jié)閥Gv組成的內(nèi)回路。(2)由水位調(diào)節(jié)對(duì)象G1和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽

56、流量D、分流器aD、對(duì)象G2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。所以該系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了確保當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)水位無余差，必須保證物料平衡，由此確定分流系數(shù)aw，aD的值。 2)前饋一串級(jí)控制方式 前饋一串級(jí)控制方式的原理圖及方框圖如圖2.7所示，該方案與前饋一反饋控制方式相似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。此方案不管系數(shù)如何設(shè)置，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，液位可以保持無差。 圖2.7汽包水位三沖量前饋一串級(jí)控制原理圖及方框圖 3． 模糊控制原理 3.1概述 3.1.1模糊控制的形成 人們往往都會(huì)有這樣的體驗(yàn)，我們每天都會(huì)遇

57、到大量的模糊概念和模糊現(xiàn)象，比如，“天很熱”、“這小孩真漂亮”、“他的個(gè)子很高”等等，這里的“很熱”、“真漂亮”、“很高”都是模糊概念。它們無法用經(jīng)典數(shù)學(xué)方法來度量，但是大家用這些模糊概念來描述時(shí)我們卻都能明白對(duì)方說的是什么意思，一般并不會(huì)引起誤解和歧義。正是由于模糊現(xiàn)象客觀存在于人類思維、社會(huì)現(xiàn)象和自然界中，為了描述這些現(xiàn)象形成了模糊數(shù)學(xué)。 模糊數(shù)學(xué)最早于1965，由美國加利福尼亞大學(xué)的L.A.Zdaha教授提出。它的出現(xiàn)打破了經(jīng)典數(shù)學(xué)，“非對(duì)即錯(cuò)”、“非0即1’’的局限性。模糊數(shù)學(xué)是建立在模糊集合基礎(chǔ)之上的，模糊集合相對(duì)于經(jīng)典集合的最大不同就是引入隸屬函數(shù)。經(jīng)典集合對(duì)集合中的對(duì)象關(guān)系進(jìn)行

58、嚴(yán)格劃分，一個(gè)對(duì)象要么完全屬于這個(gè)集合，要么完全不屬于這個(gè)集合，不存在介于二者之間的情況。而模糊集合則允許其中的元素部分隸屬，即對(duì)象在模糊集合中的隸屬度可以取0到1中的任何值。 在控制工程中，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，都需要了解被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。但是工業(yè)生產(chǎn)過程中，要得到精確的數(shù)學(xué)模型有時(shí)是非常困難的，甚至是不可能的。然而，一個(gè)熟練的操作人員卻可以不依賴于數(shù)學(xué)模型，僅依賴于人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、感覺和邏輯判斷，取得較好的人工控制效果。由此，人們加以總結(jié)，可以把憑經(jīng)驗(yàn)所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，如水位太高則減小給水量，溫度太低則增加燃燒量等等。由這些規(guī)則所構(gòu)成的控制器對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制

59、，由于這些規(guī)則基于模糊邏輯，是模糊數(shù)學(xué)與控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，這種控制方式就是模糊控制 3.1.2模糊控制的特點(diǎn) 由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入和輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)際是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。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(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)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(jiǎn)單，便于應(yīng)用。 2)由工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控

60、制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。 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;但一個(gè)系統(tǒng)語言規(guī)則卻具有相對(duì)獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性知識(shí)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。 4)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性，時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。簡(jiǎn)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

61、不太高。這主要是由于模糊控制表的量化等級(jí)有限而造成的，通過增加量化等級(jí)數(shù)目雖可以提高精度，但查詢表將過于龐大，須占用較大空間，使運(yùn)算時(shí)間增加。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。 2)自適應(yīng)能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當(dāng)對(duì)象參數(shù)隨環(huán)境的變遷而變化時(shí)，它不能對(duì)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。 3)易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。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(huì)導(dǎo)致振蕩。針對(duì)上述不足，人們提出了許多方案，模糊PID功控制就是其中常用且有效的一種形式。 3.2 模糊控制系統(tǒng)組成 一．組成部分 模糊控制系統(tǒng)一般可分

62、為五個(gè)組成部分：1）模糊控制器，是各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心部分。2）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。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各類電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥等。4）被控對(duì)象。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。5）傳感器。傳感器是將被控對(duì)象或過程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類裝置。 給定 被控對(duì)象 A/D 模糊控制器 D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感器 被控量 圖3.1 模糊控制系統(tǒng)圖 二．模

63、糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 知識(shí)庫 模糊化 模糊推理 清晰化 控制對(duì)象 輸出 圖3.2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊化量。其輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過程如下： 1）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。 2）將上述已經(jīng)處理過的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。 3）將已經(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。 三．知識(shí)庫 知識(shí)庫包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)。它通常由以下兩部分組成。 1）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫所存放

64、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)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中包含了與模糊控制規(guī)則及模糊數(shù)據(jù)處理有關(guān)的各種參數(shù)，其中包括尺度變換參數(shù)、模糊空間分割和隸屬度函數(shù)的選擇等。 ①輸入量的變換。對(duì)于實(shí)際的輸入量，第一步首先要進(jìn)行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。論域可以是連續(xù)的，也可以是離散的。若要求離散的論域，則要求將連續(xù)的論域離散化或量化。量化查是均勻的，也可以是非均勻的。 ②輸入和輸出空間的模糊分割。模糊控制規(guī)則的輸入和前提的語言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語言變量

65、構(gòu)成模糊輸出空間。每個(gè)語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構(gòu)成了語言名稱的集合。每個(gè)模糊語言名稱對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集合。對(duì)于每個(gè)語言變量，其取值的模糊集合具有相同的論域。模糊分割是要確定對(duì)于互個(gè)語言變量取值的模糊語言名稱的個(gè)數(shù)，模糊分割的個(gè)數(shù)決定了模糊控制精細(xì)化的程度。 這些語言名稱通常均具有一定的含義。模糊分割的個(gè)數(shù)也決定了最大可能的模糊規(guī)則的個(gè)數(shù)，模糊分割數(shù)年越多，控制規(guī)則數(shù)年也越多，因此模糊分割不可太細(xì)，否則需要確定太多的控制規(guī)則，這也是很困難的一件事。當(dāng)然，模糊分割太小癬導(dǎo)致控制太粗略。確定分割數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊。 ③模糊控制的完備性對(duì)于數(shù)據(jù)庫的要求：對(duì)于任意輸入，若能找到一個(gè)模糊集

66、合，使該輸入對(duì)于該模糊集合的隸屬度函數(shù)不小于ε。對(duì)于規(guī)則庫的要求:對(duì)于任意的輸入應(yīng)確保至少有一個(gè)可適用的規(guī)則，而且規(guī)則的適用度應(yīng)大于某個(gè)數(shù)，根據(jù)完備性要求，控制規(guī)則不可太少。 ④模糊集合的隸屬度函數(shù)。根據(jù)論域?yàn)殡x散和連續(xù)的不同情況，隸屬度函數(shù)的描述有如下方法：A、數(shù)值描述方法。當(dāng)論域?yàn)殡x散，且元素個(gè)數(shù)為有限時(shí)，模糊集合的隸屬度函數(shù)可以用向量或表格的形式來表示。B、函數(shù)描述方法。對(duì)于論域?yàn)檫B續(xù)的情況，隸屬度常常用函數(shù)的形式來描述，隸屬度函數(shù)的形狀對(duì)于模糊控制器的性能有很大影響。通常，當(dāng)誤差較小時(shí)，隸屬度函數(shù)可取得較為窄小，誤差較大隸屬度函數(shù)可取寬大些。 3.3模糊控制的工作原理 3.3.1模糊控制系統(tǒng)的組成 圖3.3模糊控制系統(tǒng)組成 模糊控制系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)控制的一種形式，其組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其組成框圖如圖3.1所示。一般可以分為五個(gè)組成部分: 1)模糊控制器:模糊控制的核心部分。一般為一臺(tái)微計(jì)算機(jī)，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，既可選用系統(tǒng)機(jī)、又可選用單板機(jī)或單片機(jī)。隨著近幾年來日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。模糊控制系統(tǒng)中的控制器采用的是基于知識(shí)