模糊PID在锅炉汽包水位控制的应用研究.doc

1摘 要锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好的工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位的控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据被控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得，而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象的变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了两种消除水位偏差的方法：(1)辅助信号自消方法 (2)辅助信号对消方法。根据三冲量水位调节系统控制水位误差，设计采用了三冲量PID串级控制方式，采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状，提出了参数自整定模糊控制规则，设计了二输入三输出自适应模糊PID控制器对汽包水位进行控制，克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB对传统PID控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。关键词锅炉；汽包水位；三冲量；串级系统；PID控制；模糊控制AbstractThe self-adaptability fuzzy PID control with three impulses for boiler water level the system for boiler water level is a typical complicated thermal technical system. At present, the diversified style boilers have several lacks in china. Due to equipments separated, no good of manage and the causation of technical, due to above causation, it is difficult that the most boiler in good condition, and increasing the fuels consume and depressing efficiency of the boiler. The problem of modeling and control is an attention focus of people. The boiler water lever is importance index of industry boiler safety and stabilization. It is importance meaning to ensure water level in definite range for increasing quality of steam and reducing wastage of equipment and insuring safety of whole heart-power-net. At present, the mostly method is adopt the routine PID control. Because of routine PID control parameter is changeless. It is difficulty to adapt the diversion disturbs and variation objects. The method is not satisfy require and ideality. The fuzzy control based on foundation of manpower experience, it is summarize and describe of skill workers practice experience, and it is giver expression to using vocabulary, its gained mathematics model of no precise object. The fuzzy control is facility to be accepted and structure.This article analyses dynamic characteristic of water level object and introduces traditional control method. Because there are three inputs accede to adopter of water lever control system of boiler, it is easy to bring error of water lever controlling. This article puts forward two methods to dispel error of water lever: (l) assistant signal self-disappear. (2) Assistant signals each other dispel. According to three impulse control water lever error, designing three impulse PID cascade is control system. According to actuality of boiler control, putting forward fuzzy control rule of parameter self-adaptability, designing The Self-Adaptability Fuzz PID Control System. This system gets over disadvantage of no precision and defaulting to adjust parameter for using tradition control methods. This article designs cascade PID control system and self-adaptability fuzzy PID three impulse control system for controlling water level. The simulation results show that fuzzy controller is better than the traditional PID controller in MATLAB at adaptability, anti-jamming, etc. Keywords boiler ；Water level；Three impulse；Cascade system；PID controller；Fuzzy controller III目 录摘 要IAbstractII第一章 引言1第二章 工业锅炉的理论基础22.1工业锅炉的控制要求与工艺流程22.2锅炉设备控制系统42.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性5第三章 锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择63.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性63.1.1汽包水位在给水流量扰动下的动态特性63.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性73.1.3燃料量扰动下汽包水位的动态特性83.2锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择93.2.1单冲量水位控制系统93.2.2双冲量水位控制系统103.2.3三冲量水位控制系统103.2.4汽包水位的三冲量PID串级控制系统133.2.5锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真14第四章 模糊控制194.1 模糊控制的产生与发展194.2模糊控制的基本原理194.2.1模糊控制系统组成194.2.2模糊控制器的基本结构204.3模糊PID控制器24第五章 自适应模糊PID控制系统设计2651自适应模糊PID控制器的设计265.2三冲量自适应模糊PID控制系统325.3三冲量自适应模糊PID控制与传统PID控制仿真结果比较33结束语37致谢38参考文献391第一章 引言第一章 引言在锅炉运行中,水位是一个很重要的参数。若水位过高,则会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而水位过低,则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常必要的。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制部分与蒸汽前馈控制部分正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学模型，这样就不能设计常规的控制器进行控制。39 第二章 工业锅炉的理论基础第二章 工业锅炉的理论基础2.1工业锅炉的控制要求与工艺流程锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，锅炉的复杂特性使得采用常规方法难以获得良好效果，近年来锅炉的建模和控制融入了智能化的手段。自从1965年加利福尼亚大学的查德教授创建模糊集理论和1974年英国的 E.H.Mamdani 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得到广泛发展并在现实中得以成功应用。模糊控制在70年代才引入中国，研究起步较晚，但发展较快，目前在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类、模糊模式识别等领域取得很大成就。我国是最早把模糊理论引入气象预报、地震预测和高炉冶炼控制方面的国家。在自适应模糊PID控制器方面，我国的许多学者研究提出了采用模糊逻辑的非常规的PID控制器，研究表明自适应、自调整以及模糊PID不仅可以解决简单线性问题，而且对于许多复杂非线性、高阶、时延等系统具有很好的效果。最近几年对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究受到学者的关注。汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。汽包水位的动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。对锅炉汽包水位控制方法大多采用传统的PID 控制方式，由于传统PID控制系统的参数是固定不变，在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统运行动态大幅度变化的情况下，系统不能适应，造成系统的不稳定甚至失控。在实际运行中常常需要手工操作。自适应模糊控制就是运用模糊的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊表来表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入知识库中，然后根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理即可自动调整最佳参数。本文设计了汽包水位三冲量PID串级控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统。提出了三冲量辅助信号对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状及本人的仿真结果，提出三维PID自整定规则。仿真结果表明三冲量自适应模糊PID控制系统提高系统抗干扰能力及鲁棒性，改善控制效果。锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供热取暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图2-1. 图2-1 锅炉主要工艺流程图锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。锅炉汽水系统结构如图2-2所示。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。 图2-2锅炉汽水系统结构图2.2锅炉设备控制系统 锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调节仪表，控制装置（运算器，监控器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改善劳动环境条件。锅炉设备控制划分为若干个控制系统。主要控制系统如下。1）锅炉汽包水位的控制被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。2）锅炉燃烧系统的控制其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。3）过热蒸汽系统的控制维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。2.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。第三章 锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择第三章 锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择3.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性工业锅炉的汽水系统结构如图3-1所示。876541 23图3-1工业锅炉汽水结构1 给水母管；2调节阀；3省煤器；4汽包；5下水管；6上升管；7过热器；8蒸汽母管汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引水位变化的主要扰动就是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为： （3-1） 式中 、 时间常数， 给水流量项时间常数， 蒸汽流量项时间常数， 给水流量项放大系数， 蒸汽流量项放大系数。3.1.1汽包水位在给水流量扰动下的动态特性给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线应为一条直线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内气泡含量减少，导致水位下降。即当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现一段起始惯性段。图3-1-1所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。图3-2 汽包水位在给水流量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，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量。这使得水位下汽包容积有所减少，使水位下降，单考虑这个因数，水位的变化如图中曲线H2，相当于一个惯性环节，实际上水位H的响应为H1与H2的和。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图3-2中H线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。可表示为：式中 :迟延时间(s); :响应速度，即给水流量改变一个单位流量时。 3.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性 在蒸汽流量扰动下，水位响应曲线如图3-3。从图上可以看出，在燃烧不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓 “虚假水位”现象。 “虚假水位”是由两个原因造成的：（1） 由于锅炉蒸汽负荷增加，使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化（汽容积增加）而引起汽包水位上升，这是引起汽包“虚假水位”的主要原因。（2） 蒸汽流量增加，汽包气压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水的汽化，使汽包水位随压力下降而升高。图3-3汽包水位在蒸汽负荷扰动下的阶跃响应曲线当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图3-3中H2所示。而实际显示的水位响应曲线H为H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。 应该指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中H2的时间常数只有1020S。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为：式中， :曲线2的时间常数 :曲线2的放大系数 :曲线1的响应速度“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般100200t/h的中高压锅炉，当负荷变化10时，“虚假水位”可达3040mm。“虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉的气压和蒸发量的变化的大小有关，而与给水流量无关。3.1.3燃料量扰动下汽包水位的动态特性汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如图3-4所示，当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度增大。如果气轮机侧的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将气量D缓慢增加，故虚假水位现象要比D扰动下缓和得多。图3-4 汽包水位在燃烧率扰动下的阶跃响应曲线3.2锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择3.2.1单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。图3-5单冲量水位控制系统如图3-5所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制结构简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。这是由于：负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。负荷变化时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。3.2.2双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。如图3-6，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就向正确的方向动作。因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。图3-6 双冲量控制系统双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控制任务。在给水流量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行器进行调节，滞后时间长，水位波动较大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制。3.2.3三冲量水位控制系统近代锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-30秒内就会发生危险水位，如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制稳定，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，由水位、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，如图3-2-3 所示。在这个系统里，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。、引入系统的符号，根据各自信号的增减对水位H的影响来定。如蒸汽流量，当时，水位降低，要使水位不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值，所以引入系统的符号为“+”。、引入系统的符号可用同样的方法来确定。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。图3-7 三冲量汽包水位调节系统1.三冲量水位调节系统的分析图3-8 是三冲量水位调节系统的原理图。从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(l)是由给水流量W、给水分流器、调节器、调节阀组成的内回路。(2)由水位调节对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量、分流器、对象：均在闭合回路之外它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量调节的实质是前馈加反馈的调节系统。图3-8 三冲量水位调节系统原理图在这个系统里，内回路相当于串级调节的副环，当给水流量产生扰动时（给水流量的扰动也称内扰），由于副回路的快速调节作用，将对水位影响较小。在分析内回路时可认为主回路是开路，内回路是一个随动系统。内回路的方块图可表示为图3-9。如果把调节器以外的环节都看作是调节对象，那么调节对象的动态特性近似为比例环节，这样调节器的比例带和积分时间可设置得较小。PII +WW-图3-9 水位调节系统内回路方块图其中,因此可认为： (3-9) 则图3-9进一步简化为图3-10，在内回路分析基础上，可以画出主回路的简化方块图3-11，从图3-11可以看出，主回路也是一个单回路系统。调节对象以给水量W 作为输入，以水位H作为对象的输出。等效调节器是比例调节器，等效比例带。I图3-10 水位调节系统内回路等效方块图IWHD+图3-11 水位调节系统主回路简化方块图2.蒸汽流量分流系数的选择蒸汽流量信号不在调节系统闭合回路之内，因此它的大小不影响调节系统的稳定性。蒸汽流量信号的大小原则上可以这样来定，当蒸汽流量发生扰动时，就利用这个扰动信号作为调节信号，通过调整按水位H变化很小或基本不变。 (3-2)这样就要求取值(32)式值时，就可实现蒸汽流量扰动下水位不变的设想。但这时的就不是一个简单的系数，而是一个复杂的动态环节。一般情况，要是一个比例环节，在负荷变化时就能把锅炉水位控制在允许的范围内。通常都根据蒸汽流量信号与给水流量信号静态配合的原则来选择、如果要求在整个负荷范围内，水位的稳定值不变，则取： (3-3)即蒸汽流量信号的前馈系数等于给水流量信号的分流系数。3.2.4汽包水位的三冲量PID串级控制系统由于在采用三冲量，在系统中控制器的输入端有三个输入信号，这就水位极易引起偏差，因此，本文根据汽包水位控制系统的运行情况，提出了消除三冲量调节系统消除水位控制偏差的两个方法:(1)辅助信号自消的方法。所谓自消就是辅助信号经一个不完全微分环节(或带滤波器的微分环节)得到信号再加至控制器，当系统稳定时有： (3-4)(2)辅助信号对消的方法所谓对消就是辅助信号满足对消条件。设有两辅助信号和,满足对消条件： (3-5)本文汽包水位控制系统采用三冲量PID串级控制系统如图3-12 所示。与一般串级系统不同的是引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，是一个带有静态前馈的串级控制系统。串级系统比三冲量系统多用了一个调节器，但它对信号的静态配合要求不很严格，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。水位偏差控制采用蒸汽流量与给水流流量对消方式来消除偏差即取。其中,、分别为蒸汽流量、给水流量、水位变送器的传递系数。为静态前馈系数。HDW+图3-12 汽包水位串级控制系统3.2.5锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真1.课题的控制对象为中压锅炉，由相关文献资料可得，汽包水位控制通道传递函数为： (3-6)蒸汽量扰动下干扰通道的传递函数为： (3-7)变送器的比例系数：水位变化范围为50mm，水位变送器的电流变化为010mA ，所以水位变送器的比例系数为： 水流量和汽流量变送器的比例系数为：。2通过估算及仿真实验得到：根据,给水流量信号和汽流量信号的分流系数为：0.21。PID控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：(1)主控制器的PID参数为：(2)副控制器的PID参数为：3汽包水位三冲量串级PID控制系统控制系统如图213所示，在水位传递函数为仿真结果如图314所示。4汽包水位三冲量PID控制系统若汽包水位采用双冲量单级PID控制系统，控制系统如图315 所示。对其在无、有干扰情况下进行仿真。仿真结果与双冲量PID进行比较如图215、216所示。图3-13汽包水位三冲量串级PID控制系统图(a) 水位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果(b) 在0秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果(c) 在0秒加入给水流量扰动时的仿真结果图2-14(a)(b)(c)在水位传递函数为时的仿真结果图3-15 汽包水位双冲量单级PID控制系统图1 为三冲量PID控制系统仿真结果，2 为双冲量PID控制系统仿真结果图3-16系统无扰动时仿真结果比较图1 为三冲量PID控制系统仿真结果，2 为双冲量PID控制系统仿真结果图3-18 系统在0秒加入扰动时仿真结果比较图从控制系统仿真曲线图可以看出:采用PID控制器，系统的静态特性较好。三冲量控制与双冲量，采用三冲量系统对干扰有很好有控制能力。当对象参数发生改变时，系统发生巨大响应，超调量明显变大，上升时间变长，系统振荡加剧，可以看出当控制对象不明确时，PID控制效果不好。串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。可见，采用PID控制器，系统的静态特性较好。但当对象参数发生改变时，系统发生较大响应，超调量明显变大，上升时间变长，系统振荡加剧，当控制对象不明确时，三冲量的常规PID控制效果不好。以下，我们将尝试采用自适应模糊控制的方法，来改善上述不足。第四章 模糊控制第四章 模糊控制4.1 模糊控制的产生与发展模糊理论的创始人是美国加利福尼亚大学的自动控制专家扎德(L.A.Zadeh)，在他的第一篇论文模糊集合中，首先引入了隶属函数的概念。扎德建立了模糊集合论的基础。模糊理论一出现就表现其强大的生命力和渗透力。20 世纪70 年代以后，在广泛的领域内得到了很快的发展10。在控制系统传统设计中，都需要了解被控对象的数学模型。但是，对于一些生产过程，要获得既有足够的精确性，又便于系统分析的数学模型是相当困难的。这使现代控制理论的应用受到限制。扎德的模糊理论为控制理论开辟了新的发展方向，提供了新的控制系统设计方法。1974年英国伦敦大学教授E.H.Mamdani首先成功地把模糊理论用于锅炉和蒸汽机的控制，这一开拓性的工作标志模糊控制工程的诞生。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业窑炉等多个领域中得到广泛应用。我国的模糊控制理论及其应用研究是从工作1979 年开始的。19791980 年我国的李宝绶、刘志俊等人设计了一类缺乏数学模型的控制器，对模糊控制器的特性进行了仿真，与PI控制器进行比较，结果表明，模糊控制器对单位阶跃响应具有速度快、精确度较高以及对参数变化不敏感等优点。近年来在工业基础上应用模糊控制己取得了许多成果。模糊控制实际上是一种非线性控制，是以模糊理论模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法，从属于智能控制的范畴。4.2模糊控制的基本原理4.2.1模糊控制系统组成模糊控制系统一般可分为五个组成部分，如图41所示：给定A/DD/A模糊控制器执行机构传感器+被控量被控对象图4-1 模糊控制系统图模糊控制器，是各类自动控制系统中的核心部分；输入输出接口，模糊控制器通过输入输出接口从被控制对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/ O接口装置中，除A/D 、D/A转换外，还包括必要的电平转换电路；执行机构，各类电动机、调节阀等；被控对象，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制；传感器，传感器是将被控对象或过程的被控量转换为电信号的一类装置。4.2.2模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构如图42所示。它包括以下四个部分。输出模糊化模糊推理清晰化控制对象知识库参考输入图4-2 模糊控制器的基本结构1模糊化模糊化的作用是将输入的精确量转换为模糊化量。其输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下：首先对这些输入量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量。将上述己经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围。将己经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。在模糊控制中，主要采用以下三种模糊器。(1)单值模糊器。单值模糊器将一个实值点*U映射成U上的一个模糊单值,在*点上的隶属度值为1，在U中其他所有点上的隶属度值为O，即： (4-1)其隶属度函数如图3-3所示。这种模糊化方法只是形式上将清晰量转变成了模糊量，而实质上它表示的仍是准确量。在模糊控制中，当测量数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分自然和合理的。(2)高斯模糊器。高斯模糊器将*U映射成U上的模糊集, 它具有如下高斯隶属度函数： (4-2)如图44 所示。三角形模糊器。三角形模糊器是将*U映射成U上的模糊集x ，它具有三角形隶属度函数： (4-3)其隶属函数如图4-5所示。111KKK图4-3 单点隶属函数图 4-4 高斯隶属函数图 4-5 三角形隶属函数高斯模糊器或三角形模糊器能克服输入变量中包含的噪声，而单值模糊器却不能。2知识库知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由以下两部分组成。(1)数据库。数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值，若论域为连续域，则为隶属度函数。(2)模糊控制器的规则库。基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成，如ifthen , else , also , end , or 等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为ifthen , e1se , a1so ，对于多变量模糊控制系统，还有and 等。通常把if部分称为“前提部”, 而then 称为“结论部”，其基本结构可归纳为if A and B then C ，其中A为论域U上的一个模糊子集，B是论域V上的一个模糊子集。根据人工控制经验，可离线组织其控制决策表R, R是笛卡儿乘积集UV上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量由下列式给出： (4-4)式中，为模糊直积运算，为模糊合成运算。模糊规则的条数与模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的“准确性”还与专家知识的准确度有关。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。该推理过程是基于模糊逻辑的蕴含关系及推理规则来进行的。在模糊控制中，通过用一组语言描述的规则来表示，通常具有如下形式即IF（满足一组条件）THEN（可以推出一组结论）。对于多输入多输出模糊系统，则有多个输入法和前提条件以及多个结论。对于多输入多输出模糊控制器，其规则库具有如下形式： (4-5) 可见，规则库R可看成由q个子规则库所组成，每个子规则库由n个多输入单输出的规则所组成。所有n条规则的总模糊蕴含关系为（取连接词“also”为求并运算）。设已知模糊控制器的输入模糊量为：x是A and y 是B，则根据模糊控制规则进行模糊推理，可以得出输出模糊量z(用模糊集合表示）为： (4-6)其中以上运算包括了三种主要的模糊逻辑运算：and 运算、合成运算“。”和蕴含运算。在模糊控制中，and 运算通常采用求交（取小）或求积（代数积）的方法；合成运算采用最大最小或最大积（代数积）的方法；蕴含运算采用求交或求积的方法。常用模糊推理方式主要有：mamdani 模糊推理方式、Sugeno 模糊推理方式。假设有如下两条推理规则：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 模糊推理的计算方法如下：若己知，则新的隶属度为： (4-7) 式中。Sugeno 模糊推理的计算方法如下： (4-8) Mamdani 模糊推理的优点：(1)理论相当直观。(2)己经被广泛地接受和应用。(3)非常适合人类认知信息的输入。Sugeno模糊推理的优点：(1)计算效率高。(2)可以与已有的线性系统理论很好地结合。(3)可以与优化和自适应技术结合运用。(4)保证了曲面的连续性。(5)非常适用于数学分析。4清晰化清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量。它包括以下两部分内容：(1)将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量。(2)将表示在论域范围的清晰量经尺度变成实际的控制量。清晰化计算通常有以下几种方法。(1)平均最大录属度法(mom) 若输出量模糊集合的隶属度函数只有一个峰值，则取隶属度函数的最大值为清晰值，即,式中，表示清晰值。若输出量的隶属度函数有多个极值，则取这些极值的平均值为清晰值。(2)最大隶属取最小值方法(som) 该方法取模糊集合中具有最大隶属度的所有点的最小的一个作为模糊化的结果。(3)最大隶属度取最大值方法(lom) 该方法取模糊集合中具有最大隶属度的所有点中的最大的一个作为去模糊化的结果。(4)中位数法(面积平分法bisector) 中位数法是取的中位数为z的清晰量，即的中位数，它满足，也就是说，为分界，a为下界,b为上界，与z轴之间面积两边相等，如图46所示。(5)加权平均法(面积重心法centroid)加权平均法取的加权平均值为z的清晰值，即 (4-9)它类似于重心的计算，所以也称重心法。对于论域为离散的情况，则有ab图4-6 清晰化计算的中位数法 (4-10)在求得清晰值后，还需经尺度变为实际的控制量。变换的方法可以是线性的，也可以是非线性的。若的变化范围为，实际控制量的变化范围为，采用线性变换，则: (4-11)式中k为比例因子。4.3模糊PID控制器常规PID控制是过程控制中应用最广泛的一种基本控制规律，但是常规PID控制对强非线性、时变和机理复杂的过程难以控制和参数在线整定困难等。另一面，模糊控制器虽然能对复杂的和难以建模的过程进行简单而有效的控制，但是简单模糊控制器由于不具有积分环节，因而很难消除稳态误差。如果将两种控制策略结合