锅炉水位模糊控制设计与仿真

1、 毕业设计（论文）题 目 _锅炉水位模糊控制设计与仿真 _锅炉水位模糊控制系统的设计与仿真摘 要锅炉是通过燃料的燃烧，将燃料的化学能转变为热能，并将热能传递给水，从而产生具有一定压力和温度的蒸汽或热水的热力设备。锅炉房及其设备是工业生产和日常生活中不可缺少的、重要的组成部分，在整个国民经济中有着重要的作用。通常来说根据锅炉的在生产和生活中的不同用途可以分为动力锅炉和工业锅炉两大类。其中动力锅炉是通过热蒸汽来产生动力的，它主要用于电厂发电。工业锅炉可以产生热蒸汽和热水，能够用于工业生产中的加热、蒸馏和干燥等，还能用于厂房和居民的供暖。在锅炉的生产过程中必须要保证锅炉的安全运行，锅炉汽包水位就是锅

2、炉正常运行的重要参数，维持汽包水位在一定的范围内变化，是锅炉水位控制的重要任务之一，也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件。如果汽包水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至遭到破坏，影响机组的正常运行和经济性指标；如果汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而被烧坏。为了解决锅炉在生产过程做的炉内水位的控制问题，本文在给定的参数下，综合了许多的期刊论文，设计了锅炉水位控制系统，并对其控制策略进行了重点研究。为了对设计的各种控制器有较好的对比，本课题首先对设计出的单冲量、双冲量和三冲量的普通PID控制系统进行仿真，并对仿

3、真结果进行对比，分析三种控制系统的优缺点。然后又设计了模糊的PID控制系统，对系统进行仿真并且把仿真结构和普通的PD控制系统仿真结果进行对比，分析出模糊控制在锅炉控制中的优点。结构表明，模糊控制在锅炉水位控制的过程中有较好的动态响应性能和较高的控制精度，更能满足锅炉水位控制的要求。具体工作如下：首先，在查阅国内外有关锅炉水位控制文献的基础上，根据本课题研究的锅炉控制系统的参数和控制要求，设计了该锅炉的水位控制系统。通过合理的推导，建立了锅炉水位控制系统的非线性数学模型。其次，针对锅炉控制的性能问题先后设计了单冲量、双冲量和三冲量的普通PID控制系统，并通过对于三种系统对于锅炉水位控制的仿真比较

4、，分析三种不同控制方式的优缺点，结果表明三冲量的PID控制系统比前两种系统在看锅炉水位控制上有更好的控制效果。最后，设计出模糊PID的锅炉水位控制系统，并对其进行仿真。然后把仿真结果和普通PID控制系统的仿真波形进行比较，进一步分析两种系统在锅炉水位控制方面的控制效果，结构表明模糊PID控制系在锅炉控制方面比普通的PID控制系统有更好的控制效果，更能满足锅炉水位控制的要求。关键词 模糊控制/PID控制/锅炉水位/MATLABDesign and Simulation boiler fuzzy control systemABSTRACTBoiler by burning the fuel, f

5、uel chemical energy into heat energy, water and heat transfer, resulting in a certain pressure and temperature of steam or hot water heating device. Boiler room and its equipment in industrial production and daily life is an indispensable and important component plays an important role in the nation

6、al economy. Generally, according to the production and life of the boiler can be divided into different uses of power boilers and industrial boilers two categories. Which is a power boiler to generate power through hot steam, which is mainly used for power generation. Industrial boilers can produce

7、hot steam and hot water can be used for heating in industrial production, distillation and drying, but also for heating plant and residents. In the production process of the boiler must ensure the safe operation of boiler feed water is an important parameter of the normal operation of the boiler boi

8、ler drum water level maintained within a certain range, is one of the important tasks of boiler water level control, but also to ensure that the turbine and an important condition for safe operation of the boiler. If the drum water level is too high, it will affect the normal operation of the separa

9、tor drum unit, resulting in a steam boiler outlet with excessive water and salt, so superheater heating surface fouling and even destroyed, affecting the normal operation of the unit and economic indicators; If the drum water level is too low, causes damage to the boiler water circulation conditions

10、, resulting in insufficient water wall of water was burnedIn order to solve control problems in the production process to make the boiler furnace level, the paper in the given parameters, a combination of many journal articles, designed boiler water level control system and its control strategy focu

11、ses on. For a variety of controller design has better contrast, this paper first design a single impulse, normal PID control system and three double impulse impulse simulation, the simulation results were compared and analyzed three control systems advantages and disadvantages. Then a fuzzy PID cont

12、rol system, system simulation and the simulation of structural and general PD control system simulation results were compared, analyzed the advantages of fuzzy control in the boiler control. Structure shows that the fuzzy control in the process of boiler water level control has better dynamic respon

13、se and high control accuracy, better meet the requirements of the boiler water level control. Details are as follows:. First, inspect the boiler water level control at home and abroad on the basis of the literature, based on parameters and control of the research Yaoqi boiler control system designed

14、 to control the water level in the boiler system. Reasonable derivation, a nonlinear mathematical model of boiler water level control system.Secondly, boiler control performance problems has designed a single impulse, normal PID control system and three double impulse impulse, and through the three

15、systems for boiler water level control of the simulation, analysis of the advantages and disadvantages of three different control methods, results showed three impulses PID control system than the previous two systems look better control effect on boiler water level control.Finally, the design of th

16、e boiler water level control system of fuzzy PID, and its simulation. Then the simulation waveform simulation results and the general PID control system to compare the effect of further analysis of the two systems to control the water level in the boiler control, the structure shows that the fuzzy P

17、ID control system in the boiler control have better control than ordinary PID control system effect, to better meet the requirements of the boiler water level control.KEY WORDS Fuzzy Control，PID control，Boiler water level1绪 论锅炉控制是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制，而汽包水位控制系统是锅炉自动控

18、制系统中最重要的环节。汽包水位是锅炉正常运行的重要参数，维持汽包水位在一定的范围内变化，是锅炉水位控制的重要任务之一，也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件。如果汽包水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至遭到破坏，影响机组的正常运行和经济性指标；如果汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而被烧坏。所以研究锅炉汽包水位的控制有着重要的意义。1.1课题的背景和意义锅炉在当今社会应用越来越广泛，尤其是在工业和生活中的应用在整个国民经济中有着重要的作用。通常来说根据锅炉的在生产和生活中的不同用途可以分为动力锅炉和工业锅炉两

19、大类。其中动力锅炉是通过热蒸汽来产生动力的，它主要用于电厂发电。工业锅炉可以产生热蒸汽和热水，能够用于工业生产中的加热、蒸馏和干燥等，还能用于厂房和居民的供暖。因此提高锅炉工作效率是一个非常重要的课题，提高锅炉的工作水平最重要的是提高锅炉的自动化水平。提高锅炉的自动化水平还能节约资源以及大量的人力物力。具体来说的话，提高自动化水平的意义在于：（1） 提高锅炉的经济效益：（2） 提高锅炉的运行安全系数：（3） 减少操作人员数目，增加生产率：（4） 增加市场的竞争力。锅炉控制是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制，而汽包水位控

20、制系统是锅炉自动控制系统中最重要的环节。汽包水位是锅炉正常运行的重要参数，维持汽包水位在一定的范围内变化，是锅炉水位控制的重要任务之一，也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件。如果汽包水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至遭到破坏，影响机组的正常运行和经济性指标；如果汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而被烧坏。由此提高自动化控制水平是非常重要的问题，塔对于减轻劳动量，提高锅炉的安全运行系数有重要的意义。1.2锅炉水位控制的发展现状锅炉广泛应运于工农业生产和生活的各个方面。随着工业化水平的不断提高，人们对锅炉的性

21、能要求也不断提高，使锅炉向着高参数、大容量和高效率的方向发展。安全生产，安全永远是第一的。锅炉的自动控制水平直接影响锅炉生产过程中的安全。锅炉系统包括送引风系统、燃烧系统、汽水系统和其他的相关系统。主要的工艺流程如图1.1所示图1.1 锅炉的主要工艺流自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授创建模糊集理论和1947年英国的EH.Mamdani成功的将模糊控制应运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，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式对难以建立精确数学模

22、型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。目前模糊控制技术日趋成熟和完善，各种模糊控制产品越来越丰富。模糊控制的不稳定性分析问题也正在逐步解决。同时也延生出了许多类控制系统，比如神经模糊控制以及人工神经网络和遗传基因形成交叉学科神经网络模糊技术。但是模糊控制也存在一些要去解决的问题，比如如何获得模糊规则及隶属函数、如何能更大程度上的保证系统的稳定性，还有如何解决系统存在严重耦合、由于给煤和煤质的变化给系统带来的变化等。1.3锅炉控制原理的研究概况目前锅炉控制方面主要有一般PID控制和模糊的PID控制方式。在主要的控制原理上是一致的。主要是通

23、过对锅炉内水位的感应达到控制进出水阀的开关大小来实现对锅炉内水位的控制。具体来说就是当锅炉水位高的时候通过控制关闭进水阀开关打开出水阀开关降低水位，当锅炉水位低于正常水位的时候工作原理于此相反。（1）PID控制它是一种比例、积分、微分并联控制器。1. 比例环节的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏离误差信号e（t），以最快的速度产生控制效果，使偏差变小。随着比例系数的增加，稳定误差逐渐件减小，但是动态改变效果差，振荡比较剧烈，超调量增大。2. 积分环节的引入主要用于消除静态误差。3. 微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应时间，它可以预测未来，能反应偏差信号的变化趋势。（2）模糊控制

24、模糊控制系统是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通到的闭环结构的数字模糊控制系统。 模糊控制系统是由被控制对象、执行机构、过程输入输出通道、检测装置、模糊控制器等几部分构成。被控制对象的数学模型可以是已知的、精确的，也可以使未知的、模糊的。过程输入输出通道一般指模/数（A/D）、数/模（D/A）转换单元和接口部件，作为控制系统核心部件的模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行控制。模糊控制器抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。1.4论文主要工作及工作安排1.4.1论文主要工作本文以锅炉水位为研究对象，研究了锅炉水位的模糊控制策略，同时进行了一系

25、列的仿真研究和探讨，主要研究内容如下：1） 简单介绍了锅炉控制的历史背景、研究现状与存在问题分析，阐述了目前用于锅炉水位的几种控制原理。2） 介绍了锅炉的主要工艺原理并分析了在PID控制以及模糊PID控制下的的输入量，输出量和电机建立了锅炉模糊控制的数学模型。3） 采用MATLAB软件下的simulink工具箱及模块化与功能化的建模方法。实现的进水，出水和控制器的一体化建模。4） 概述了已建立的锅炉水位模型所用的控制方法，在此基础上，通过一系列的仿真研究与分析，探讨所使用的控制策略的合理性，对于控制策略中存在的不足，给出优化措施。1.4.2 论文结构第1章 ：介绍了课题背景及研究意义，简述了锅

26、炉控制的发展过程，阐述了目前常用于锅炉水位控制的几种控制原理。明确提出了本文的研究工作。第2章 ：分析了锅炉水位的原理结构，并建立了锅炉水位的数学模型。第3章 ：采用MATLAB软件下的simulink工具以及模块与功能化的建模方式，实现了输入、输出以及PID控制的的一体化建模。第4章 ：概述了已建立的锅炉水位模型所用的控制方法，在此基础上，通过一系列的仿真研究与分析，探讨所使用的控制策略的合理性，对于控制策略中存在的不足，给出优化措施。2 锅炉水位控制的工作原理和数学模型2.1 PID控制器2.1.1 PID控制原理和算法PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控

27、制的。PID控制系统框如图2-1所示。图2-1 PID控制系统框图 1）比例（P）控制比例控制是一种简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2）积分（I）控制 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（System with Steady-state Error）。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

28、，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。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3）微分（D）控制 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（环节）或有滞后(delay)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”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而

29、目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.1.2 PID控制规律的计算方法 PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，所以简称PID控制器。 连续控制系统中的模拟PID控制规律为式2.1所示： （2.1）式中是控制器的输出，是系统给定量与输出量的偏差，是比例系数，是积分时间常数，

30、是微分时间常数。其相应传递函数为式2.2所示： （2.2）比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用：（1）比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但是，过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。（2）比例积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差不为零，它将通过累积作用影响控制量，从而减小偏差，直到偏差为零。

31、如果积分时间常数大，积分作用弱，反之为强。增大将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分词节的代价是降低系统的快速性。（3）比例积分微分调节器：为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。由于计算机系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当采样周期为T时， （2.3）如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。上式中为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第i次采样时刻应达到

32、的位置，因此，上式称为PID位置型控制算式。可以看出，按上式计算时，输出值与过去所有状态有关。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，可导出下面的公式： （2.4）或 （2.5）式2.4称为增量型PID控制算式；式2.5称为递推型PID控制算式；增量型控制算式具有以下优点：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小； (2)在i时刻的输出，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差、，和前一次的输出值，这大大节约了内存和计算时间； (3)在进行手动自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡； 控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数

33、字控制器时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。下面介绍简化算式的方法。按照式2.5表示的递推型PID算式，计算机每输出一次，要作四次加法，两次减法，四次乘法和两次除法。若将该式稍加合并整理写成如下式2.6形式： （2.6）式中系数、可以离散算出，从而加快了算法程序的运算速度。 2.1.3 PID控制器的参数整定 ID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得

34、到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定。2.1.4 凑试法确定PID参数凑试法是通过模拟或实际的闭环运行情况、观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影

35、响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID控制器中的三个调节参数。其中在实践中总结出如下的规律：（1）增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏； （2）增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢； （3）增大微分时间亦有利于加快系统的响应，减小振荡，使系统稳定性增加，但系统对干扰的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应；另外，过大的微分系数也将使系统的稳定性变坏。 在凑试时，可以参考以上的一般规律，对参数的调整步骤为先比例，后积分，再微分的整定步骤，即： （1

36、）先整定比例部分：将比例系数由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。 （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。整定时一般先置个较大的积分时间系数，同时将第一步整定得到的比例系数缩小一些（比如取原来的80），然后减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数和积分时间系数从而实现满意的控制过程和整定参数。 （3）如果使用比例积分控制

37、器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数，同时相应地改变比例系数和积分时间系数，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。、与系统时间域性能指标之间关系的总结表如下2-2所示。 参数名称上升时间超调量 过渡过程时间 静态误差 减少 增大 微小变化减小 减少 增大增大消除 微小变化 减小减小微小变化图 2-2 三种比例系数调节的关系2.2 模糊控制2.2.1 模糊控制原理模糊控制死智能控制领域的一个分支，是以模糊集合理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一类计算机数字控制方法，其基本思想是

38、在被控制对象的模糊模型的基础上，用计算机去模拟人对系统控制的一种方法。目前模糊控制已渗透到多个应用领域。模糊控制具有以下特点：（1） 不需要被控对象的精确数学模型。（2） 易于实现对具有不确定性或强非线性的对象进行控制。（3） 对被控制对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性。（4） 对于控制系统的干扰具有较强的抑制作用。模糊控制系统基本结构如图2-3所示。系统一般按照系统偏差及偏差变化率实现对控制对象的控制，其结构包括输入模糊化、模糊规则库、模糊推理和输出解模糊化。图2-3 模糊控制器的基本结构其中r为参数输入，y为系统输出，e和ec分别表示为系统误差和误差变化率，E和EC分别为e和ec经过量化后

39、的语言变量，u为系统模糊控制器的输出2.2.2 模糊化模糊控制器的精确输入量必须经过模糊化接口，模糊化接口包括两部分内容：一是对精确输入量进行尺度变换，将其从原来的精确论域转换到模糊论域内的语言变量；二是对变换后的输入变量进行模糊处理，通过定义在其论域上的隶属函数计算其属于模糊集合的隶属度，从而将其转换为一个模糊变量。2.2.3 模糊规则表模糊规则库是模糊控制器的一个重要组成部分，其包含了用模糊语言变量表示的一个一系列控制规则，由操作经验和专家知识组总结得到的模糊规则均放于模糊规则库。模糊规则库是用以存放全部模糊控制规则，在推理时为模糊推理提供控制规则。模糊规则库由一组模糊if-then规则组

40、成，每条模糊规则可分成前提(if)和结论(then)两部分。模糊规则表是展现完整的模糊规则库的一种非常方便的方式，模糊规则表中的规则位置由if部分的输入模糊集合的坐标来确定，每条规则由then部分的输出模糊集合来描述。2.2.4 模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程。模糊推理根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。目前，模糊推理有很多种方法，常用的模糊推理方法是最大最小推理。2.2.5 解模糊化解么模糊化是将模糊推理得到的模糊输出量转化为实际可作用于被控

41、制对象的精确输出量，其实际上就是一个从模糊空间到精确空间的映射。解模糊化包括两个部分内容：一是将模糊输出量经解模糊作用转化成表示在输出模糊论域范围内的精确输出量；二是将表示在输出模糊论域范围内的精确输出量经尺度变换变成实际的输出控制量作用于被控制对象。解模糊化方法很多，较常用的有最大隶属度法、取中位法和加权平均法。2.3 模糊PID控制2.3.1 模糊PID控制器的原理模糊PID控制在常规PID控制基础上加设模糊参数自整定控制器，使其根据系统误差的大小、方向以及变化趋势等特征，通过模糊推理做出相应的控制决策，自动在线调整PID三个参数，使系统达到更加满意的控制效果。模糊PID控制系统保持了常规

42、PID控制系统原理简单、使用方便等特点，此外它具有更大的灵活性、适应性、精确性和鲁棒性等特性。典型的模糊PID控制系统如图2-4所示。 图2-4 模糊PID控制系统的基本结构其中r为设定值，y为系统输出，e和ec分别为系统误差和误差变化率，、均为模糊控制器的输出，即PID控制参数的三个修正量，u为系统模糊PID控制器的输出。模糊PID控制器设计的核心是：总结工程设计人员的技术知识和实践积累的经验知识，简历合适的模糊控制规则。依据误差和误差变化率的关系自整定PID控制参数的原则如下： （1）当误差的绝对值较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的比系数Kp；同时为了避免由于开始时的瞬时变化大可能

43、出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的微分系数Kd；同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常取积分系数Ki为零，去掉积分作用。（2） 当误差的绝对值和误差变化率的绝对值处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，比例系数Kp应取得小一些，积分系数Ki的取值要适当，这种情况微分系数Kd的取值对系统响应的影响较大，取值要大小适中，以保证系统的响应速度。（3） 当误差的绝对值较小即接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加比例系数Kp和积分系数Ki的取值，同时为了避免系统在设定值附近出现震荡，并考虑系统的抗干扰性能，微分系数Kd的取值很重要。

44、一般当较小时，微分系数Kd可取得大一些；当较大时，Kd应取得小一些。（4） 误差变化率的绝对值的大小表明偏差变化的速率，值较大，Kp的取值越小，Ki取值越大。（5） 根据前人的经验，分析PID三个控制参数与e、ec之间的模糊关系，建立针对PID控制参数Kp、Kd、Ki的模糊规则分别对应如表2-52-7所示。 E ECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMZOZONSNSZOPMPMPSNSNSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB图2-5 Kp模糊规则表 EE

45、CNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNNPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPSPMPSPSPB2-6 Kd模糊规则表EECNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB图2-7 Ki模糊规则表2.4 本章小结本章首先介绍了PID控制器的

46、系统结构以及介绍了PID控制的三种控制的原理和PID控制器的算法，紧接着介绍了PID控制器的参数整定。由于PID在控制方面存在着缺陷，接下来介绍了控制更加优秀的模糊控制器的结构和原理以及模糊控制的的工作步骤，最后结合PID控制器和模糊控制的有点介绍了模糊PID控制器的原理和在仿真富哦成中应该注意的事项和模糊控制器三个参数Kp、Kd、Ki模糊控制表。3 锅炉水位控制系统的建模与仿真仿真是验证控制方法、控制策略正确与否的重要手段，是进行系统前期设计的有效途径。由于锅炉水位数学模型和控制策略的特殊性，其建模和仿真难以采用传统的建模和仿真方法。MATLAB软件下的Simulink工具箱可以实现电气系统

47、和控制系统的混合仿真，为锅炉水位控制的仿真模型的建立提供了方便。本章采用Simulink工具箱，对锅炉水位进行的建模和仿真。通过系统的数字仿真来验证数学模型、控制策略，以及本章所建仿真模型及所用仿真方法的正确性。3.1 系统仿真软件介绍3.1.1 MATLAB介绍MATLAB是美国Mathswork公司于1984推出的功能强大、内容广泛的计算机辅助设计的软件工具。MATLAB语言设计者得初衷是为了解决数学中“线性代数”课程的矩阵运算问题而开发的。之后控制学者们注意到了它特有的矩阵处理功能，并发现了用于控制理论研究的功能丰富的控制系统专用工具箱和结构程序设计的Simulink仿真工具，使得MAT

48、LAB语言成为控制界计算机辅助设计的有利工具。其他诸如信号处理、应用数学等学科。也纷纷向MATLAB中加入了各种使用的专用工具，使得MATLAB语言越来越完善，功能越来越强大。例如在信息与控制学中相当活跃的模糊逻辑、小波分析、人工神经元网络技术、ARAM模型技术等，在MATLAB中都有专用的工具箱。可以说，迄今为止MATLAB语言的扩展开发远远没有结束，各种学科的相互促进、相互渗透使得MATLAB语言的应运越来越广泛，越来越实用。MATLAB语言的特征：（1） 语言简洁紧凑，语法限制不严格，程序设计自由度大，使用方便灵活。（2） 数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。（3） 运算符丰富。（4） M

49、ATLAB即具有结构化的控制语句（if、for、while），又支持面向对象的程序设计。（5） 程序的可移植性好。（6） MATLAB的图形功能强大，支持数据的可视操作，方便的显示程序的运行结果。（7） 源程序的开发性、系统可扩展性能力强。（8） MATLAB是解释执行语言。3.1.2 Simulink建模特点Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的将软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统系统，也支持具有多种采样频率的系统。在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这

50、种结构画模型就像用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink包含有Sinks（输出方式）、Source（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connections（连接与接口）和Extra（其他环节）等子模型库，而且每个子模型库中包含相应的功能模块，用户也可以定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或者从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型

51、的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令方式对于一大类仿真非常有用。采用Scope模块和其他的图像模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结构。除此之外，用户还可以在改变参数后迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结构还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。Simulink具有非常高的开放性，提倡将模型通过框图表示出来，或者将已有的模型添加组合到一起，或者将自己创建的模块添加到模型中。Simulink具有较高的相互性，允许随意修改模块参数，

52、并且可以直接无缝地使用MATLAB的所有分析工具。对最后得到的结构可进行分析，并能够将结构可视化显示。3.2 系统建模3.2.1 锅炉水位的PID控制锅炉水位控制的时候由于只考虑水位变化引起的改变的话对于锅炉的控制很难达到精确的控制，因此在此在基础人们又通过双冲量和三冲量的控制系统从而达到对于水位的更加精确的控制。单冲量控制系统：单冲量控制系统就是以汽包水位的变化为唯一的控制基准，通过汽包水位与标准水位的比较，通过两者之间的偏差达到对于水位的调节作用。但是单冲量控制系统主要存在着两个问题：（1） 当锅炉内的蒸汽量变大时会引起压强的增大，受“虚假水位”现象的影响，刚开始的时候会出现水位的“虚假”

53、上升从而导致给水量的减少，这反而进一步扩大了进出水位的不平衡性。（2） 在给水的干扰时，调节器的反应不能及时的更新，使得锅炉内水位的量不能精确的反馈，从而使得调节时间延长。双重量控制系统：是在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量做为反馈的信号，从而减轻因“虚假水位”的影响产生的不良误差。三冲量控制系统：因为双冲量不能克服给水时水压力变化对于雨水控制的影响，三冲量就是在双冲量的基础上增加水压的对于水位控制的影响，进一步消除“虚假水位”的现象。本文首先采用单冲量的控制方式，将水流量作为唯一的控制信号，通过反馈与系统达到水位的控制目的；其次采用双冲量和三冲量的控制方式，以蒸汽量为前反馈信号，以水流量

54、为主控制信号；然后通过模糊的PID控制方式对水位的控制。通过实践和大量的实验可知，可以把水位调节的对象通过3-1表示出来，也是可以把控制对象看做是一个积分部分和一个微分部分的并联。通过串并连之后也可以看成是积分部分和微分不分的串联如图3-2所示。图3-1 积分部分和惯性部分并联图3-2 积分部分和惯性部分串联因此，给水流量扰动下的水位动态特性可以由传递函数表示为； （3.1）在上式3-1中为延迟时间，单位是（s）；为给水量改变一个单位时，锅炉的水位变化的速度，即为锅炉水位的响应速度。因为锅炉水位还要受到蒸汽流量和水位压强的影响，因此汽包水位的动态特性如下图3-3所示。图3-3 汽包水位动态特性

55、因此可知，蒸汽流量扰动下，汽包水位的传递函数为： (3.2)式3-2中T表示变化时间常数；K表示H2的变化的传递函数；表示H2的响应的速度。 通过对于系统的分析和研究，以及通过实际的测量建立的模型，得出如下公式为系统的传递函数。（1）给水流量主通道的传递函数如下式3.3所示。 （3.3）（2） 蒸汽干扰通到传递函数如下式3.4所示。 （3.4）本文中水位变化的范围为50mm，水位变送器的电流变化为0-10mA，因此可以得到水位变送器的比例系数为0.01，给水流量和蒸汽流量变送器的比例系数相等且都为0.015.根据实验和估算能够得到给水流量信号和蒸汽流量信号的分流系数为0.21.单冲量水位控制的仿真如下图3-4所示。图3-4 单冲量水位控制仿真图仿真的波形图如下3-5所示。图3-5 单冲量控制仿真波形图在上述的仿真中设置的基准水位是1，由上述的仿真波形可以看出在PID参数给定的情况下，超调量为32%左右，而且在调节的过程中出现了尖端的现象，而且系统达到稳定控制的时间在350s左右。双冲量水位控制的仿真如下3-6所示。图3-6 双冲量水位控制仿真图双冲量水位控制系统的仿真波形如下3