智能控制在锅炉汽包液位自动控制中的应用

1、智能控制在锅炉汽包液位自动控制中的应用摘要锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全、稳定生产，对锅炉的自动控制就显得十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。锅炉汽包水位调节过程难以建立数学模型，并具有非线性、不稳定性和时滞等特点。传统的锅炉汽包水位控制系统大都采用pid控制，其控制效果还可以进一步提高。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，非常适合用于非线性、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，采用多模态控制，是常用的一种方式。本设计在研究锅炉汽包水位调节对象的数学模型的基础上，利

2、用模糊控制理论设计锅炉汽包水位控制系统，运用模糊控制、pid控制以及多模态控制分别对汽包水位进行控制。介绍了模糊制器的设计方法，并应用matlab 软件对汽包水位控制系统进行仿真研究，给出了仿真结果，仿真结果表明了多模态控制明显改善了汽包水位控制的静、动态特性，从而实现了对锅炉汽包水位的最佳实时控制。 关键词：锅炉汽包液位，pid控制，模糊控制，多模态控制，matlabintelligent control of automatic control in boiler drum level applicationabstractbolier is a necessary power plant

3、 in the process of industy.in order to ensure the production and security，the auto-control of it is very important.the drum water level is an important variable to be conrtolled，it is hard to get the mathematic model of the water level with adjustvie process,it is characteristic of nonlinearity,inst

4、ability and time lag.the traditional control mode of three variable in the drum water level mostly use pid，the effect of it can be improved.the fuzzy control does not need precise mathematic model of the controlled oboject，it only needs the experience of operator and the data of operating，it has goo

5、d robustness and is fit to control the system with nonlinearity and lag.but its static characteristic is dissatisfactory，which 1imit the application of it.it is usual mode in order to eliminate the static error that using fuzzy-pid control.the design is based on the establishment of the boiler drum

6、water level in the regulation of the mathematical model of the object. it use the theory of fuzzy control to design the boiler water level control system,and controlled the drum water level use of fuzzy control and pid control, and multi-mode control. introduced the controllers design and simulation

7、 analysis,and vericated and simulated the drum water level control system used matlab software.it showed the results of the comparision about the fuzzy control and tradional methods. it showed the fuzzy control is clear that improved control system for drum water level of the static and dynamic char

8、acteristics, thus realizing the boiler drum water level of the best real-time control. keywords: boiler drum level, pid control, fuzzy control, multi-mode control, matlab,目 录摘要iabstractii第一章 引言11.1 热电厂工艺流程11.2锅炉的工作过程简介21.3 课题背景31.4 本文研究内容4第二章 锅炉汽包水位及控制方式52.1 锅炉汽包水位的特性52.1.1 汽包水位在给水流量w作用下的动态特性52.1.2

9、汽包水位在蒸汽流量d扰动下的动态特性62.2 汽包水位控制方式72.2.1 单冲量控制方式82.2.2 双冲量控制方式92.2.3 三冲量控制方式9第三章 模糊控制原理113.1概述113.1.1模糊控制的形成113.1.2 模糊控制的特点113.2 模糊控制的工作原理133.2.1模糊控制系统的组成133.2.2 模糊控制的基本原理143.3模糊控制器的设计方法153.3.1模糊控制器的结构设计153.3.2 精确输入量的模糊化163.3.3确定控制规则193.3.4模糊量的判决方法(解模糊)22第四章 汽包水位控制系统设计及仿真研究254.1 汽包水位的pid控制方式254.1.1 pid

10、控制方式概述254.1.2 pid参数的整定274.1.3 锅炉汽包水位pid控制器274.1.4 仿真研究274.2 汽包水位的模糊控制方式294.2.1 模糊控制器的结构294.2.2 模糊控制器的设计294.2.3仿真研究324.3 汽包水位的多模态控制方式344.3.1 多模态控制系统的设计354.3.2 仿真研究35第五章 结论37参考文献38致 谢40第一章 引言1.1 热电厂工艺流程热电厂的生产工艺为：取生水，流入水处理车间，首先用混凝澄清， 机械过滤等方法在澄清池、过滤池、清水箱除去水源水中的悬浮物、胶体杂质和有机物等，接着进入阳床、中间水箱、阴床，采用树脂离子交换水中的溶解盐

11、离子，来进行除盐，最后在混床中进行再次除盐，得到的除盐水流入锅炉，煤粉、石油等在锅炉的炉膛里燃烧、使锅炉水冷壁管流淌的、经化学处理过的软化水被加热成过饱和水，再经汽水分离后，过热蒸汽经饱和蒸汽管道送入汽轮机，推动汽轮机旋转，将热能转化成机械能，汽轮机带动发电机旋转，再将机械能转化成电能；从汽轮机中间段抽出一部分做过功的蒸汽供给热用户使用，或经热交换机将水加热后，供给用户热水；还有部分做过功的蒸汽，排入凝汽器内的管道，被流入凝汽器内的循环水冷却成水，又经凝结水泵、给水泵加压重新送入锅炉使用。汽轮发电机一般发出10千伏的电，一部分通过电网，经变压器转换成380伏的电到达普通用户；另外一部分通过电网

12、直接供给其它的厂矿等。 图1.1 热电厂的主要工艺流程图1.2锅炉的工作过程简介锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1.2所示。由省煤器3、汽包4、下降管5、过热器7、上升管6、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管8等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包；汽包中的水经下降管进入

13、锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。图1.2锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器吸烟气热量，成为热空气后与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇到蒸汽母

14、管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。1.3 课题背景锅炉是全厂重要的动力设备，在锅炉的几个控制系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉汽包水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。因而，对锅炉汽包水位的自动控制系统进行分析研究是必要的。而对水位的控制不当，往往是因汽包受到蒸汽负荷干扰后，产生虚假液位，

15、使控制器反向动作。本设计就是针对锅炉汽包水位的动态特性，研究模糊多模态控制在锅炉控制中的应用。此控制结合了传统pid控制和模糊控制的优点，具有很好的控制效果。并采用matlab进行仿真验证，可满足锅炉的汽包水位控制要求。 另一方面，自从1965年美国加利福尼亚大学的zadeh教授首先提出模糊数学和模糊控制以来，经过几十年的研究，模糊控制得到广泛发展并在实际中得以广泛应用。这主要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。模糊控制的突出特点在于:(1)控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。(2)控制系统的

16、鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。(3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。(4)控制推理采用“不精确推理”。由于推理过程模仿人的思维过程，引入人类的经验，因而能够处理复杂系统。但是在一般的模糊控制系统中，通常采用偏差e及其变化ec作为输入语句变量，因此它具有类似于常规pd控制器的作用，故其静态性能不能令人满意。由于比例积分控制作用既能消除稳态误差，又具有较高的动态响应。因此常常把pi控制策略引入fuzzypi(或pid)复合控制，是常用的一种方式。多模态pid在工业过程中有大量的成功应用，但在锅炉水位控制上还没有形成系统的理论，还存在一些不足

17、，仍然有必要继续研究。1.4 本文研究内容本文针对锅炉汽包水位的动态特性，对现有的模糊pid控制器进行归纳与对比，对锅炉汽包水位模糊pid控制系统进行结构及性能上的分析比较，并利用matlab中的模糊逻辑工具箱进行设计、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，具有不精确推理的特性，将模糊控制与pid控制结合起来，以解决汽包水位的非线性、时变及滞后的特性，同时具有较好的稳定性及鲁棒性，用simulink对系统进行仿真并对仿真结果进行分析。第二章 锅炉汽包水位及控制方式本章主要介绍了锅炉汽包水位在给水流量及蒸汽流量扰动下的动态特性，并对传统的汽包水位单冲量、双冲量及三冲量控制

18、方式进行了分析与介绍，并比较了这几种方案各自的利弊。2.1 锅炉汽包水位的特性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，并维持汽包中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护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

19、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。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即给水流量w和蒸汽流量d。2.1.1 汽包水位在给水流量w作用下的动态特性图2.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的h1线。图2.1给水流量作用下水位阶跃响应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，从原有饱和水中吸收部分热量

20、，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中的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，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数表示时， 总之，汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。2.1.2 汽包水位在蒸汽流量d扰动下的动态特性在蒸汽流量d扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.2所示。当蒸汽流量突然增加，从锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量d大于给水量w,水位应下降，如图中曲线h1。但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然

21、加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的h2线。因此，实际的水位曲线为hl+h2，即为图中的h线。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水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，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2.2中h2的时间常数只有1020秒。图2.2蒸汽流量扰动下水位阶跃响应“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压及蒸汽量有关，对于一般100230吨/小时的中高压锅炉，如负荷阶

22、跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达3040毫米。由于“虚假水位”现象属于反向特性，其出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服， 由此可见，汽包水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“虚假水位”现象，“虚假水位”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，在设计调节系统时必须考虑。2.2 汽包水位控制方式给水控制的任务是维持汽包水位在工艺允许范围内。因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应

23、能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。2.2.1 单冲量控制方式单冲量水位控制方式方框图如图2.4所示。单冲量即汽包水位（被控变量），操纵变量是给水流量，属典型的单回路定制控制系统，它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。此方式将水位信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。图2.3汽包水位单冲量控制方框图这种控制方式，在停留时间较长且负荷比较稳定的场合，再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短，负荷变化较大时，

24、采用此方式就不合适。单冲量汽包水位调节的优点是系统结构简单，汽包容量较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。2.2.2 双冲量控制方式在汽包水位控制中，最主要的扰动是蒸汽负荷的变化。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“虚假水位”引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，如图2.5所示。图2.4 汽包水位双冲量控制方框图从本质上看，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“虚假水位”对调节的不良影响， (2)

25、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。双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。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。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易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。2.2.3 三冲量控制方式为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位h、蒸汽流量d和给水流量w组成了三冲量汽包水位调节

26、系统，汽包水位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。前馈串级控制方式的方框图如图2.5所示，该方案与前馈反馈控制方式相似，此方案在负荷变化时，液位可以保持无差。图2.5汽包水位三冲量前馈一串级控制方框图第三章 模糊控制原理3.1概述3.1.1模糊控制的形成模糊数学最早于1965。由美国加利福尼亚大学的l.a.zdaha教授提出。它的出现打破了经典数学，“非对即错”、“非0即1”的局限性。模糊数学是建立在模糊集合基础之上的，模糊集合相对于经典集合的最大不同就是引入隶属函数。经典集合对集合中的对象关系进行严格划分，一个对象要么完全属于一个集合，要么完全不属于这个集合，

27、不存在介于二者之间的情况。而模糊集合则允许其中的元素部分隶属，即对象在模糊集合中的隶属度可以取o到1中的任何值。在控制工程中，传统的控制系统的设计，都需要了解被控制对象的数学模型。但是工业生产过程中，要得到精确的数学模型有时是非常困难的，甚至是不可能的。然而，一个熟练的操作人员却可以不依赖于数学模型，仅依赖于人的经验知识、感觉和逻辑判断，取得较好的人工控制效果。由此，人们加以总结，可以把凭经验所采取的相应措施总结成一条条控制规则，如水位太高则减小给水量，温度太低则增加燃烧量等等。由这些规则所构成的控制器对复杂的生产过程进行控制，由于这些规则基于模糊逻辑，是模糊数学与控制技术相结合的产物，这种控

28、制方式就是模糊控制。3.1.2 模糊控制的特点由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立数学模型，根据实际系统的输入和输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可以对系统进行实时控制，实际是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。它具有如下一些突出优点:(1) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。(2) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

29、(3) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言规则却具有相对独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的方案，使控制效果优于常规控制器。模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。(4) 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性，时变及纯滞后系统的控制。简单的模糊控制器与常规的控制器相比具有一定的优点，然而它也存在一些缺陷： 精度不太高。这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通过增加量化等级数目虽可

30、以提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大空间，使运算时间增加。实际上，如果模糊控制器不引入积分机制，原则上误差总是存在的。 自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环境的变迁而变化时，它不能对自己的规则进行有效的调整，从而使其良好的性能不能得到充分的发挥。 易产生振荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡。针对上述不足，人们提出了许多方案，多模态控制就是其中常用且有效的一种形式。3.2 模糊控制的工作原理3.2.1模糊控制系统的组成模糊控制系统属于计算机控制的一种形式，其组成类同于一般的数字控制系统，其组成框图如图3.1所示。一般可以分为五

31、个组成部分:图3.1 模糊控制系统组成(1) 模糊控制器:模糊控制的核心部分。一般为一台微计算机，根据控制系统的需要，可选用单板机或单片机。随着近几年来日本、美国推出的专用模糊芯片，也可以选用。模糊控制系统中的控制器采用的是基于知识表示和规则推理的语言型控制器，这是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的特点所在。(2) 输入/输出接口装置:模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取信号，并将模糊控制器决策的数字信号经过数/模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。在i/o接口装置中，除a/d、d/a从转换器外，还包括必要的电平转换电路。(3) 执行机构:包括各种交、直流电动机，伺服

32、电动机，步进电动机，气动调节阀，液压机构等等。(4) 被控对象:被控对象是一种设备或装置以及它们的群体，或是一个生产、自然、社会的生物等等的状态转移过程。它可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但具有较精确的数学模型的被控对象，也同样可以采用模糊控制方案。(5) 传感器:传感器是将被控对象或各种过程的被控变量转换为电信号(模拟的或数字的)的一类装置。被控变量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度

33、。因此，在选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。3.2.2 模糊控制的基本原理以单冲量锅炉汽包水位模糊控制系统为例说明模糊控制的基本原理。锅炉汽包水位模糊控制系统由汽包、水位传感器、模糊控制器和给水调节阀组成(系统组成框图如图2.4)。当汽包水位连续变化时，水位变送器信号经a/d转换，送入模糊控制器，模糊控制器的输出控制量经d/a转换、信号放大去控制给水调节阀，改变给水量，从而使水位保持在允许的范围内变化。由上述模糊控制的过程来看，它与一般反馈控制的思路一致。但是，模糊控制器处理的是模糊变量，而非一般反馈控制的精确变量。因此，偏差量e在送入模糊控制器之后应先进行模糊量化，将e变成模

34、糊量，如水位偏高、偏低、偏差为0等等。量化后的模糊量，在模糊控制器中根据规则库进行推理，得到一个模糊输出量。由于执行机构即给水调节阀只能接受精确信号，故在d/a转换前模糊控制器还要将模糊输出量转换成为精确的数字信号，此数字信号经d/a转换后得到精确的控制量，再送给调节阀改变水量。规则库是根据人的操作经验或专家经验知识，按人的直觉推理的一种语言表示形式。通常由一系列关系词连接而成，如上例汽包水位控制系统中，控制规则可以用语言描述如下:若水位偏高则减小给水量，偏高得越多给水量越小；若水位偏低则增加给水量，偏低得越多给水量越大；若水位偏差为o，给水量保持不变；综上所述，模糊控制算法可概括为下述四个步

35、骤:(1) 根据本次采样得到的系统的输出值，计算系统的输入变量；(2) 将输入变量的精确值变为模糊量；(3) 根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)；(4) 由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量。3.3模糊控制器的设计方法 3.3.1模糊控制器的结构设计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

36、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、三维模糊控制器等等。其结构示意如图3.2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3.2模糊控制器的结构3.3.2 精确输入量的模糊化由于偏差及偏差的变化都是精确的输入值，要采用模糊控制技术就必须首先把它们转换成模糊集合的隶属函数。每一个输入值都可对应一个模糊集合，某一范围连续变化的值就可有无限多个模糊集合，这在工程实践中是无意义的。为了便于工程实现。通常把输入变量范围人为地定义成离散的若干级，所定义级数的多少取决于所需输入量的分辨率。(1) 选择输入、输出量的词集模糊控制器的控制规则表

37、现为一组模糊条件语句，具有“ifthen”的形式。在条件语句中描述输入变量的一些词汇如“正大”、“负小”等的集合，称为该变量的词集。选择模糊词集时不一定是选择的数量越多就越好，而需要兼顾简单性和灵活性两方面。一般说，每个变量以选用210个模糊语言为宜。由于人们一般习惯把事物分成三个等级，如大、中、小；好、中、差等等，所以一般都采用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入变量的状态。这些词集同样也适用于输出变量。同时人的行为在正负两个方向上的判断基本上是对称的，将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量的0值，根据经验，控制精度要求高的场合可选七个词汇，如负大(nb)、负中(nm)、负小(n

38、s)、零(z0)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)。控制精度要求一般的场合可选5个模糊状态，如负大(nb)、负小(ns)、零(z0)、正小(ps)、正大(pb)。在有些场合也可选3个模糊状态,负(n)、零(z0)、正(p)。(2) 量化因子确定好模糊词集后，应将输入的连续变化的精确量离散化，以进行模糊量化。通常将输入变量变化的实际范围称为基本论域，正如前面所述，在某一基本论域内连续变化的输入量，可有无限多个模糊集合，通常把输入变量范围离散成若干级，即为模糊子集的论域。为了实现模糊控制器的设计，通常把输入变量所取的模糊子集的论域范围设定为-6，+6区间的离散变化量，使之构成含13个整数元

39、素的离散集合:-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，1，2，3，4，5，6其中的每个离散元素对应一个模糊变量等级，习惯上有:“正大”(pb):可取在6附近；“正中”(pm):可取在4附近；“正小”(ps):可取在2附近；“零”(zo):可取为零；“负小”(ns):可取在-2附近；“负中”(nm):可取在-4附近；“负大”(nb):可取在-6附近。应注意的是，实际输入精确量的基本论域变化范围一般与模糊子集的论域不在同一区间内，此时必须将输入变量乘以量化因子。设输入精确量x的基本论域范围为a，b，则可根据下式进行转换:若根据上式计算出的数值不是整数，可以把它归为最接近的整数。(3) 定义模糊变量

40、的模糊子集定义模糊子集，就是要确定模糊子集(即前述的模糊状态或模糊语言值)隶属函数曲线的形状，将确定的隶属函数曲线离散化，即可得到有限个点上的隶属度。所谓隶属度是指元素属于模糊子集的程度。因每一离散化的输入精确量对所有的模糊子集具有不同的隶属度，从中找出隶属度最高的一个子集即为该输入的模糊状态。在模糊控制领域，经常使用的隶属函数一般有以下几种:(1) 对称三角形(等腰三角形)其隶属曲线如图3.3所示，一般可描述为下式: 式（31）图3.3 对称三角形隶属函数曲线(2) 对称梯形(等腰梯形)其隶属曲线如图3.4所示，一般可描述为下式: 式（32）图3.4对称梯形隶属函数曲线(3) 正态型其隶属曲

41、线如图3.5所示，一般可描述为下式: 式（33）图3.5正态形隶属函数曲线3.3.3确定控制规则控制规则是模糊控制器的核心。在选择好描述输入、输出变量的模糊语言即模糊状态后，即可确定控制规则。控制规则是用一系列基于专家知识的语言来描述表征的，专家知识常采用形如“如果那么”规则的形式，而这些规则通过模糊条件描述用模糊逻辑是很容易实现的。用一系列模糊条件描述表达的模糊控制规则就构成模糊控制的规则库。建立模糊控制规则表的基本思想应是尽量减小误差，保证系统工作的稳定性。其总的原则是:当误差较大时，选择控制量以尽快消除误差为主:而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主。模糊控制规则的

42、生成有四种形式，这四种形式并不相互排斥，要建立一个有效的模糊控制规则库，应把四种形式结合起来。(1) 专家经验和控制工程知识模糊规则采用模糊条件句形式，即基于用模糊“如果那么”规则语言来表达知识和经验的。此方法产生模糊控制规则可有两种途径:最常用的一种方法是对人的专业特长的回忆性语言描述。另一种方法是通过精心组织的调查表与有经验的专家和操作工进行对话。为优化性能，还必须进行反复剪裁、试验。(2) 基于操作工的控制作用在工业界许多人机控制系统中，输入输出关系不能充分精确获知，也就无法用经典控制理论来建模和仿真。然而，熟练的操作工虽没有定量的模型却能相当成功地操作这种系统。事实上，熟练操作工有意识

43、或无意识地应用一系列“如果那么”的模糊规则去控制过程。为了实现这种过程的自动化，就必须将操作工的控制规律用语言变量表达成模糊“如果那么”规则，实践中，这样的规律能从以输入输出操作数据形式的人工控制作用的观察中推断得到。(3) 基于过程的模糊模型在语言方法中，受控过程的动态特性的语言描述可以被看成为过程的模糊模型。在模糊模型基础上，为获得动态系统优化性能，我们可以生成一系列的模糊控制规则，模糊控制规则的集合就构成了模糊控制器的规则库。虽然这种方法较为复杂，但是其性能和可靠性较好，同时为从理论上研究模糊控制器提供了更容易处理的结构。但这种设计模糊控制器的方法还未被充分发展。(4) 基于学习此方式将

44、重点放在人的学习能力上，在学习经验的基础上创造模糊控制规则和修改规则。它具有象人一样的学习能力，以创造和修改一般基于系统所期望的全部性能的数据库。综合以上几种模糊规则的生成方式，如果输入、输出的模糊状态均采用7个(即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大)，我们可以采用以下方法确定模糊规则:当误差为负时，若误差为负大，且误差变化为负，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的误差并抑制误差变大，控制量的变化取正大。比如锅炉水位控制中，若误差(误差=设定值-实际值)为负说明实际水位高于设定水位，误差变化为负说明实际水位有进一步增加的趋势，根据经验这种情况应是给水量太大引起的，如果执行机构的比例系数为

45、负的话，那么控制量就应取为正大，即减小给水量。显而易见，如果执行机构的比例系数为正时，则控制量应取为负大，即与执行机构的比例系数为负时的相反，这一点在生成控制规则时应引起注意。当误差为负而误差变化为正时，系统本身已有减小误差的趋势，所以为尽快消除误差且又不出现超调，应取较小的控制量。具体而言，当误差为负大且误差变化为正小时，控制量的变化取为正中；若误差变化为正大或正中时，控制量不宜增加，否则造成超调会产生正误差，此时控制量取为o等级。当误差为负中时，控制量的变化应使误差尽快消除，则控制量的选取应与误差为负大时相同。当误差为负小时，系统接近稳态，若误差变化为负时，选取控制量为正中，以抑制误差往负

46、方向变化;若误差变化为正时，系统本身已有减小负小的误差的趋势控制量为正小。误差为正时与误差为负时相类同，符号应做相应的变化。根据以上阐述，结合实际操作经验可得出表3.1所列的控制规则表，这是一个二维模糊控制器的模糊控制规则。其中e代表误差，ec代表误差变化，表中的语言代表输出的模糊控制量。如表中的第一行第一列所对应的规则为“如果e是负大且ec是负大，则输出为负大”，依此类推，于是可得到共49条控制规则。同时从该表中可看出，如果增加输入、输出的模糊状态，则控制规则也相应增加，这会给模糊控制器的应用带来困难。因此输入输出模糊状态的选择应适当。表3.1 二维模糊控制规则表3.3.4模糊量的判决方法(

47、解模糊)(1) 常用判决法经过模糊推理得到的控制输出是一个模糊隶属函数或者模糊子集，它反映了控制语言的模糊性，这是一种不同取值的组合。然而在实际应用中要控制一个物理对象，只能在某一个时刻有一个确定的控制量，这就必须要从模糊输出隶属函数中找出一个最能代表这个模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精确量，这就是解模糊判决。从数学上讲，这是一个从输出论域所定义的模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射。目前主要的方法是最大隶属度法、中位数判决法和加权平均判决法。 最大隶属度法(mom)这种方法最简单，只要在推理结论的模糊集合中取隶属度最大的那个元素作为输出量即可。不过要求这种情况下其隶属度函数曲线一定是

48、正规凸模糊集合(即其曲线只能是单峰曲线)。如果该曲线是梯形平顶的，那么具有最大隶属度的元素就可能不止一个，这时就要对这所有取最大隶属度的元素求其平均值。 如某模糊控制器的输出为:则由于2的隶属度最大为0.8，故2为解模糊的结果。但若输出改为:则由于有隶属度最大的模糊等级不只一个，可取它们的平均值作为解模糊的结果，即取1.5。这种判决方法的优点是简单易行，缺点是它概括的信息量较少，因为它排除了其他一切隶属度较小的元素的影响和作用。 中位数判决法(biseetor)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

49、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，中位数法较少采用。 加权平均法(centriod)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，即如某模糊控制器的输出为:则：所以控制决策值为12.6/4.6=2.74用软件途径进行模糊控制的具体实施办法有两种,一是在控制过程中实时进行模糊推理和决策，这一方法的不足之处是存入模糊推理关系矩阵要占用大量的内存，而且进行大量的模糊集合的交、并和合成运算，对计算机的运算速度要求比较高，因此这一方法一般不被人们采用。二是离线设计，即根据各种可能的输入，经模糊推理和决策计

50、算出相应的控制决策值，生成控制表，实时控制时查控制表进行控制，这是通常采用的方法。(2) 比例因子经上述判决算法给出的控制量还不能直接去控制被控对象，必须将其转换到对象所能接受的变化范围中去，即应通过比例因子将其转换到输出量的基本论域中去。比例因子与量化因子类似，也是由于考虑到论域变换引起的，对输入变量而言，量化因子确实具有量化效应，而对输出而言，比例因子只起比例作用。设计一个模糊控制器，合理选择输入变量的量化因子和输出变量的比例因子是非常重要的。第四章 汽包水位控制系统设计及仿真研究本文采用单冲量控制方式进行汽包水位控制系统的设计及仿真。其结构图如图41所示：图4-1 汽包单冲量控制系统结构

51、图4.1 汽包水位的pid控制方式大部分的控制系统中，其控制器使用的是pid控制器，为作对比这里首先对此方式进行仿真实验。本文所有的仿真实验均基于matlab软件，利用其所提供的simulink工具箱进行仿真。4.1.1 pid控制方式概述pid调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图4.2所示，所以简称为p(比例)、i(积分)、d(微分)调节器。图4.2 pid调节器控制系统框图其常用的表示形式为: 式（43）或 式（44）式中:u为输出；kp为比例系数；

52、e为偏差:ti为积分时间；td为微分时间;ki = kp/ti；kd=kptd。在pid控制的三个作用中，比例作用是基本控制作用。增大比例系数kp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，使稳定性变坏。但单纯采用比例控制，当对象具有自衡特性时，系统将有余差。为消除系统余差，通常引入积分作用。引入积分作用后系统响应时间增长，增大积分时间常数ti有利于减小超调，但系统静差的消除将随之减慢。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。增大微分时间有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增

53、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大得很大，反而可能使系统调节品质降低。因此对于噪声大的对象，一般不引入微分作用，或者先将测量值滤波。4.1.2 pid参数的整定这里采用凑试法确定pid调节参数，凑试法是通过模拟或闭环运行(如果允许的话)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，可参考以pid参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例、后积分、再微分的整定步骤。 首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线

54、。 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，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小(如缩小为原值的0.8倍)，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。 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。4.1.3 锅炉汽包水位pid控制器这里采用pid控制器，控制器中引入微分作用的目的，是改善高阶对象的控制品质。直观地看，微分作用是按照偏差的变化趋势来控制，显然更加及时。从传递函数看，引入d作用后使控制器的传递函数多了一个零点，如果与对象的高阶极点对

55、消，等效于使高阶过程化为低阶过程，如果配置得当，显然是有利的。工业锅炉本身具有一定的滞后，若不加微分作用，则控制作用的及时性无法发挥。虽然工业锅炉内扰严重，但适当的加一点微分作用对于锅炉水位的控制还是有一定好处。4.1.4 仿真研究经过反复凑试，可知kp取8，ki取0.5，kd取20。pid控制系统仿真原理如图4.3所示：图4.3 pld控制系统仿真原理图pid仿真结果如4.4所示：图4.4 pld控制方式的仿真曲线由图可知，超调量为18%，稳态误差为0，响应时间为65s.4.2 汽包水位的模糊控制方式从上述汽包水位的pid控制方式仿真曲线可见， 虽然此方式稳态误差为o，但动态误差较大，同时系

56、统响应速度较慢。本节讨论简单模糊控制方式的特点。 4.2.1 模糊控制器的结构 简单模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作为模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制规则表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。控制器结构如图4.5。图4.5 二维模糊控制器结构4.2.2 模糊控制器的设计对于锅炉汽包水位控制系统,采用二输入输出的模糊控制器。即以汽包实际水位值与给定水位值之差e及其变化率作为输入语言变量,控制给水阀门开度。(1) 模糊化模糊控制器各语言变量水位误差e、误差变化率ec、控制量u的论域均为:6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6，输入语言变量e、ec和输出语言变量u的模糊子集为:正大、正中、正小、零、负小、负中、负大，简记为:pb,pm,ps,0,ns,nm,nb，输入语言变量和输出语言变量均采用三角形隶属函数。e,ec,u的隶属函数设计界面如图4.6所示，图4.6 模糊变量的隶属函数的设计界面(2) 模糊规则的确定模糊规则基是模糊控制器的一个重要组成部分,由操作经验和专家知识总结得到的模糊规则均存放于此。模糊规则是设计模糊控制器的核心。建立模糊控制规则的方法常用是经验归纳法。根据锅炉水位控制经验,可以得到用“ifthen”形式表达的模糊