基于模糊控制器的船用锅炉燃烧系统的设计.ppt

摘要,模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。由于它不依赖于被控对象的精确数学模型，而是模拟人的思维方式来实施控制，因而对于船用锅炉燃烧的控制就具有了传统PID控制所无法比拟的自适应能力。本文首先介绍船用锅炉燃烧系统自动控制的主要任务，并介绍了目前船用锅炉燃烧控制系统研究的现状及发展，以及模糊控制系统的发展及其在制工程中的应用。然后根据船用锅炉燃烧过程的工作原理，通过对蒸汽压力的动态特性的分析，得到了蒸汽压力调节对象的模型，并通过一定的假设和简化，得到锅炉蒸汽压力近似数学模型。针对船用锅炉这种具有非线性、参数不稳定、难以建立精确数学模型的控制对象，采用传统的PID控制，效果不佳。结合模糊控制理论和PID控制，本文提出用模糊自适应PID控制器实现对船用锅炉主蒸汽压力的控制，空燃比的协调控制采用变偏置双交叉限幅燃烧控制方法。本论文应用MATLABSIMULINK对模糊参数自适应PID控制器的锅炉蒸汽压力控制系统模型进行仿真研究。并利用MATLABSIMULINK仿真工具对模糊自适应PID控制器的性能作了初步研究。仿真结果表明，明显优于传统PID控制，具有超调量小、响应速度快、稳定性好、适应性强等特点，能够达到预期的控制效果。关键词：船用锅炉；模糊控制：PID：模糊自适应PID,目录,1引言2PID控制原理3模糊控制基本原理4模糊PID控制基本原理5船用锅炉燃烧控制系统的设计5.1锅炉燃烧控制系统概述5.2主蒸汽压力模糊自适应PID控制系统的设计6船用锅炉燃烧控制系统的计算机仿真研究6.1控制器Simulink仿真6.2控制器MATLAB编程7小结参考文献,1引言,随着科学技术的飞速发展，人类对能源的需求也在不断地增加，能源短缺威胁着整个世界。我国人口众多，对能源的需求量很大，但我国人均能耗低于世界平均水平，而单位产值的能耗却为发达国家的二倍。可见，节能问题已经成为一个亟待解决的影响国家发展的问题。船用锅炉是船舶动力装置的重要组成部分。在蒸汽动力装置的船舶上，蒸汽锅炉产生的高温高压蒸汽用于驱动主汽轮机运转，以推动船舶前进，同时也为各种以蒸汽为动力的辅机和其它需要以蒸汽为热源的设备提供不同质量的蒸汽。在柴油机动力装置的船舶上，锅炉产生的蒸汽主要用于加热燃油、滑油、工作水、驱动辅机及提供各种生活用汽。船用锅炉在尺寸相对变化较小的情况下，其蒸发量越来越大。随着对船舶续航力要求的提高，在保证快速性的前提下，对锅炉燃烧系统的经济性的要求越来越高，这就对锅炉燃烧控制系统提出了更高的要求，在保证系统响应性能的同时，还要兼顾系统的经济性能。船用锅炉燃烧系统是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，当锅炉负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。如何使主蒸汽压力既具有良好的动态特性，又能使入炉燃料得以充分燃烧(即高效燃烧问题)，是燃烧优化控制的真正内涵，也是燃烧过程控制的关键。本论文结合船用锅炉燃烧控制系统的两个任务：维持主蒸汽压力的稳定和燃烧过程的经济性，研究并设计一个既能兼顾锅炉燃烧控制系统的快速性，又能兼顾燃烧过程的经济性。从而提高船用锅炉的热效率，节约能源。,2PID控制原理,数字PID控制在工业控制领域得到广泛的应用。其控制原理框图如图1所示：,图1PID控制系统原理图,PID控制是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差为e(t)=（t)-c(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：PID控制规律离散表述形式：式中：Kp一一比例系数d；Ti一一积分时间常数；Td一一微分时间常数。,T为采用周期，k为采样序号，k=1，e(k一1)和e(k)分别为第(k一1)和k时刻所得的偏差信号。PID控制器各个校正环节的作用如下：(1)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2)在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数乃，Z越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”、“积分”项，往往是不够的，需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，从而避免了被控量的严重超调。微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统得动作速度，减少调节时间。,3模糊控制基本原理,模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。模糊集合和模糊控制的概念是由美国加州大学教授LAZadeh在其Fuzzysets)、FuzzyAlgorithm)及ARetionnaleforFuzzyContro1)等论著中首先提出的。模糊控制是根据对控制对象的粗略知识以及人们的生产技能等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊理论进行控制的一种控制方法。模糊控制以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，把人的控制策略的自然语言转化为计算机等各种各样处理器能接受的算法语言来实现。其基本原理图如图2所示：图2模糊控制原理图,整个控制系统中，最重要的部分是模糊控制器。其控制流程如图3所示图3模糊控制器原理图模糊控制的基本思想如图2、图3所示，处理器通过采样获取被控制量的精确值c(t)，然后将其与给定值进行差运算，得到偏差量e(t)。偏差e(t)经过A/D转换成模糊控制器输入量e，把输入量e进行模糊化成模糊量，再把模糊量用相应的模糊语言表示，从而得输入量e模糊语言的一个子集，然后再由模糊子集和控制规则(模糊关系)根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量为：u=e*R。式中u为一个模糊控制量。,4模糊PID控制基本原理,模糊控制理论与PID控制理论相结合应用于步进电机控制系统，充分发挥两种控制策略各自的优势，提高步进电机控制系统控制性能。根据模糊控制理论及PID控制理论的控制特性，可以有两种整合控制器设计方式：(1)调整系统控制量的模糊PID控制器。(2)模糊增益调整PID控制器。(1)调整系统控制量的模糊PID控制器。调整系统控制量的模糊PID控制器，主要是指在大偏差范围内(|e|/e01)时，利用模糊推理的方法调整系统控制量U，而在小偏差(|e|/e01)范围内转换成PID控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围e0自动实现。其控制原理如图4所示:图4调整系统控制量的模糊PID控制器,(2)模糊增益调整PID控制器模糊增益调整PID控制器，是利用模糊规则和推理来对PID参数进行在线调整的控制方式。其中调整的参数就是KP，Ki，KD，分别为PID控制中的比例增益、积分增益和微分增益。其控制原理图如图5所示:图5模糊臼适应整定PID控制原理图,5船用锅炉燃烧控制系统的设计,5.1锅炉燃烧控制系统概述5.1.1工业锅炉燃烧控制系统工业锅炉是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数之间的关系如下图41所示。图6工业锅炉输入输出之间的相互关系示意图,由图6可以看出，工业锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，如当锅炉负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。而且改变任一个调节量时，也会影响到其它几个被调量。因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。但这种调节系统十分复杂，其数学模型仍是半经验性的，是经过许多假定与简化推导得出的，无法应用到实际的控制系统中。目前实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉当作几个相对独立的调节对象所组成，相应地设置几个相对独立的调节系统，即锅炉给水自动控制系统、过热蒸汽汽温自动调节系统，锅炉燃烧自动控制系统等。,工业锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和运行的安全性。为此，燃烧过程控制系统由三个控制任务：1、维持主汽压以保证蒸汽的品质；2、维持最佳的空燃比以保证燃烧的经济性；工业锅炉燃烧系统输入与输出的关系图7如下。图7燃烧系统输入与输出的关系图,5.1.2船用锅炉燃烧控制系统船用锅炉燃烧控制系统的基本任务是燃烧所产生的热量能够适应动力装置对锅炉负荷的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。船用锅炉受使用情况、系统特点等诸多因素的限制，其燃烧控制系统一般不采用电站锅炉及工业锅炉燃烧控制系统中经常使用的，以锅炉排烟中的烟气含氧量作为控制或修正信号，来实现燃料量与空气量的配比控制。船用锅炉一般燃用重油或轻柴油，其燃料热值相对稳定，也就是说其过剩空气系数在规定好的范围内变化。船用锅炉燃烧过程自动控制系统的框图如图8所示图8船用锅炉燃烧控制系统框图,5.2主蒸汽压力模糊自适应PID控制系统的设计目前船用锅炉燃烧控制系统中采用了主蒸汽压力和空气压力两个控制器，由于主蒸汽压力主控制器的控制输出信号与燃油流量有一一对应关系，因此由主蒸汽压力控制器直接控制燃油流量调节滑阀，从而省去了燃油流量控制器，主蒸汽压力自动调节系统和燃油流量调节系统合为一个调节系统。主蒸汽压力控制器是燃烧控制系统的主导控制器，它的测量机构用于检测锅炉主停汽阀前的蒸汽压力值；调节机构是燃油滑阀中的调节滑阀，用于改变进入炉膛的喷油量并使其变化值足够用于恢复汽压的变化。这样使系统硬件结构简单，也可以缩短系统过渡过程时间，即提高系统的机动性能。主蒸汽压力控制器目前采用的是PID控制器，主蒸汽压力控制器直接控制燃油流量调节滑阀，控制进入炉膛的燃油流量。由上可知锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，使用简单的PID控制算法很难达到理想的控制效果。而且参数固定的PID控制，一方面参数的整定本身就较麻烦，另一方面不能满足在不同偏差和偏差的变化率下，系统对PID参数的自整定要求，整个系统的适应性和鲁棒性将下降。模糊自适应PID控制器能够实现PID参数的模糊自整定，即控制器根据系统偏差和偏差的变化率，通过一定的模糊推理来自行调整PID参数。此种方法易于实现参数的自整定，可使PID控制器的适应性提高，从而增强整个系统的鲁棒性。本论文主蒸汽压力控制器采用模糊自适应PID控制器，下面介绍模糊自适应PID控制器的设计。,5.2.1模糊控制器的结构根据输入变量和输出变量的个数，模糊控制系统分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。在单变量模糊控制器中，将输入变量的个数定义为模糊控制器的维数，一维模糊控制器由于仅仅采用偏差E，很难反映受控过程的动态特性品质，因此所获得的系统动态特性是不能令人满意的。二维模糊控制器输入变量基本上都选用了受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC，能够严格的反映过程中输出变量的动态特性。从理论上讲，模糊控制系统所选用的模糊控制器维数越高，系统的控制精度越高。但是维数选择太高，模糊控制规律就过于复杂，基于模糊合成推理的控制算法的计算机实现，也就更困难。因此本论文选用二维模糊控制器，即输入变量为受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC.,5.2.2输入变量输出变量的模糊化模糊控制用模糊变量子集来描述论域上的变量，当用语言变量值表示一个语言变量时，一般将其分为510档。如果档数过少，语言变量值会过于粗糙，影响控制效果：如果控制档数过多，则会带来关系矩阵的运算复杂等问题。一般选误差论域6，误差变化率论域小6，控制量论域，6。我们这里取刀=朋=，=6。则系统输入输出的模糊变量子集为：负大，负中，负小，零，正，J、，正中，正大)且pNB，NM，NS，O，PS，PM，PB。模糊语言变量隶属度函数的确定，就是要确定模糊子集的隶属函数曲线形状，将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点的隶属度。模糊隶属函数的确定基于以下原则。隶属函数是精确量与模糊量转化的桥梁，它的作用十分重要，研究隶属函数对控制性能的影响，恰当地选择隶属函数是很有意义的。模糊子集的隶属函数对论域覆盖面的大小直接影响控制器的输出。三角形隶属函数具有简化计算，易于实现，本文选用三角形隶属函数。量化因子与比例因子的确定。在“模糊化”过程中，将精确量转化到相应的模糊论域，需要对精确量进行转化。量化因子疋、误差变化率量化因子如及控制量量化因子K，分别由以下各式确定。量化因子疋及如的大小对控制系统的动态性能影响很大。当K选得较大时，系统的超调也较大，过渡时间较长；如对超调的抑制作用十分明显，当如选择较大时，超调量减小，如越大，系统超调量越小，但系统的响应时间变长。K反映了对控制器输出幅度上的调整，邑过大，则增大控制信号的幅度，使响应时间缩短，但是容易导致振荡；K过小，则系统响应速度慢，系统动态响应时间变长。基于以上原则本论文选用本系统中的量化因子和比例因子由等级划分初步确定后，在系统仿真和现场调试中根据具体情况进行优化调整。,5.2.3建立模糊控制规则模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头脑中的一种技术知识集合。利用模糊集合理论和语言变量的摄念，可以把利用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算，于是可以采用微计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现所谓的模糊自动控制。比例环节作用是成比例的反映控制系统的偏差信号e。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；如果K。取值过大，会引起系统振荡，破坏系统动态性能。因此当偏差leI较大时，为提高响应速度，K。取大值；在偏差较小时，防止超调过大产生振荡，K。应减小；当偏差很小时，为使系统尽快稳定，则其应继续减小。同时也要考虑ec的因素，当ec和e同号时，输出向偏离稳定值的方向变化，适当增大K。；反之，适当减小。从。的控制规则见表5.1,表51p的控制规则表,积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。它对误差进行积分，对系统控制有一定的滞后作用，积分作用过强，会造成系统超调增大，甚至引起振荡。在常规PID控制中，偏差过大时，为防止积分饱和，常将积分环节分离出来，当偏差减小至一定范围时，才加入积分环节。因此，当偏差eI大或较大时，为避免系统超调，K取零值；当Iel较小时，积分环节有效，随Iel的减小而增大，以消除系统的稳态误差，提高控制精度。丛j的控制规则见表52所示表52战的控制规则表,微分环节反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前加入一个修正信号，加快系统的响应速度，减少超调时间，增强系统的稳定性，但它对干扰信号同样敏感，会使系统抑制干扰的能力下降。因此，在控制过初期，当偏差leI较大时，为避免误差瞬时变大，造成微分溢出，髟取小些；在偏差较小时，综合考虑系统的抗扰动能力和系统响应速度，髟应适当取值。其原则是：当lecl值较小时，髟取大一些；当fecl值较大时，局取较小的数值，通常为中等大小。岛控制规则见表53所示。,表53战控制规则表,5.2.4输出变量的去模糊化模糊自适应PID中三个修正参数脒P、馘、战的模糊量需要去模糊化，即取得精确量进行计算机控制。清晰化有儿种方法，在第三章中我们有所介绍。在本控制器中我们采用加权平均法求取输出量的精确值：从而得出模糊判决后的清晰量即为自整定之后的修正参数。最终输入至!UPID控制器的参数由下式计算得出：,5.2.5PID控制器参数的初整定主蒸汽压力模糊自适应PID控制系统是根据系统偏差和偏差的变化率，通过一定的模糊推理来自行调整PID参数。此种方法易于实现参数的自整定，可使PID控制器的适应性提高，从而增强整个系统的鲁棒性。在主蒸汽压力模糊自适应PID控制系统投入运行之前，要对PID控制器中的三个参数进行初整定。下面介绍几种常见的PID控制器参数整定的办法。,1、ZieglerNichols法从对象的开环响应曲线来看，大多数工业过程都能有一阶惯性加纯滞后模型来近似描述，其传递函数为：其中，K、下、T分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。ZN法是由Ziegler(齐格勒)和Nichols(尼科尔斯)于1942年首先提出来的，在理论基础之上通过实践总结出来的，其PID控制器整定参数公式如表54所示。表54ZN法PID控制器参数整定公式,2、Cohen-Coon法经过不少改进，Cohen(柯恩)-Coon(库恩)总结出了计算PID控制器参数的整定公式，它是通过配置系统的主导极点使对象的过渡曲线按4：1衰减率衰减，系统闭环响应特性的单项性能指标，如衰减比、最大动态偏差、调节时间或振荡周期等和基于从起始时间点至稳定时间为止的整个响应曲线形态的误差性能指标。单项性能指标直观、简单并且意义明确，但是难以准确衡量；误差性能指标比较精确，但相比之下使用起来又比较麻烦。常见的基于误差的性能指标有：(1)绝对误差积分(IAE)性能指标(2)平方误差积分(ISE)性能指标(3)时间与绝对误差乘积积分(ITAE)性能指标(4)时间与误差平方乘积积分(ISTE)性能指标按照以上不同的误差性能指标进行PID控制器参数整定时，所得到的系统闭环控制效果是不一样的。基于IAE的性能指标对小偏差的抑制能力比较强；基于ISE的性能着重于抑制过渡过程中的大偏差的出现；基于1ATE的性能指标则可使调节时间较短；基于ISTE的性能指标在控制大偏差的同时还可缩短调节时间。ISTE指标同其他性能指标相比，基于ISTE性能指标整定得至IJPID控制器参数往往能带来更优的闭环响应。特别是随看被控对象纯滞后时间T和时间常数T的比值即可控率的增加，更能显示出ISTE指标的优越性。基于ISTE性能指标整定PID控制器参数的公式由庄敏霞和DPAthenon提出的，其整定公式为：其中，al、b2、a2b2、a3、b3的取值在不同范围的可控率下如表55所示。表55ISTE最优整定法PID控制器参数的整定公式,其中，al、b2、a2b2、a3、b3的取值在不同范围的可控率下如表55所示。表55ISTE最优整定法PID控制器参数的整定公式,6船用锅炉燃烧控制系统的计算机仿真研究,6.1控制器Simulink仿真由于计算机技术的高速发展，可以借助计算机完成获得系统时间响应的任务，这就是数字仿真。数字仿真实质上是根据被研究的真实系统的模型，利用计算机进行实验研究的一种方法。本章所进行的仿真主要是计算机仿真。仿真的主要过程是：建立模型、仿真运行和分析研究结果。仿真运行就是借助一定的算法，获得系统的有关信息，特别是系统输入和输出响应的变化情况。由于连续时间系统和离散系统的数学模型不同，仿真算法也不同：对于连续时间系统，有不同求解微分方程的数值计算方法,6.1.1船用锅炉燃烧控制系统的计算机仿真研究在本论文所研究的是在负荷变化时的汽压被控对象，由锅炉燃烧过程理论模型分析可知，主蒸汽压力控制对象可简化为一阶惯性加纯滞后模型，其传递函数为：我们分别用常规PID和模糊自适应PID两种控制算法，在系统参数变化和系统出现的随机干扰的情况下，得出主蒸汽压力设定值为定值的系统响应曲线，并对响应曲线进行比较，分析本文所提出的控制算法的性能特性。由第四章分析可知，基于ISTE最优性能指标整定得到PID控制器参数往往能带来更优的闭环响应，因此采用基于ISTE最优性能指标整定得出PID三个参数值。,=23.0145,=194,=4.1092,算法下，系统的响应曲线如图。在锅炉燃烧控制过程中，影响主蒸汽压力的因素有很多，系统内部和外部的随机扰动会随时出现，设计控制系统时要将这一因素考虑进去，对系统出现的随机干扰要能够快速的消除。在仿真过程中，我们在t=lS0s时加入幅值为系统设定值10的干扰，其系统响应曲线如,图(a)为ISTE最优整定PID控制算法的系统响应图(b)幅值为系统设定值10的干扰下系统的响应图图(c)系统设定值15的干扰下系统的响应图图(d)模糊自适应PID控制算法的系统响应图,6.2控制器MATLAB编程MATLABFunction在控制器仿真框图的任务是完成模糊PID控制中的PID控制部分，包括将归一化的参数转换为实际PID参数及对偏差e的PID算法编程。程序流程如图11所示：图11MATLABFunction程序流程图,7、小结,本章简要介绍了计算机仿真软件MATLABSIMULINK。在此基础上，运用计算机仿真软件MATLABSIMULINK对主蒸汽压力控制系统进行了计算机仿真，给出了仿真曲线，通过比较得出了结论。本文主要是将模糊控制理论运用于船用锅炉燃烧控制系统的研究。系统的介绍了船用锅炉的燃烧控制系统，分析了其自动控制系统的特点，并依据燃烧控制的主要任务设计了燃烧控制方案，实现了燃烧控制系统动态过程中响应性和经济性的良好兼顾，主要得出了以下结论：1、船用锅炉燃烧过程对象是一个多输入、多输出的复杂调节对象。在分析其机理的基础上，得出了理论模型。在燃料量