锅炉压力控制系统研究

1、中华人民共和国教育部东北林业大学毕业设计论文题目:锅炉压力控制系统研究学生:李绍杰指导教师:张妤讲师学院:成人教育学院专业:电气工程及其自动化20102011年7月火电厂粉尘分析及治理方法研究摘要压力控制在工业控制中一直是富有新意的课题,对于不同的控制对象,有着不同的控制方式和模式。压力系统惯性大、滞后现象严重,难以建立精确的数学模型,给控制过程带来很大难题。本文以电厂锅炉主蒸汽压力为研究对象,研究一种最佳的控制方案,以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。本文对主汽压力可采用的控制方案进行了深入研究,首选的研究方案是PID控制。压力PID控制器的原理,是将压力偏差的比例、积分和微分通

2、过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。PID控制的重点是参数的调节,本文利用了人工整定方法对其参数进行整定。第二个研究方案是模糊PID控制,研究了模糊控制的机理,确定了模糊控制器的结构。通过对主汽压力特点的分析,建立了模糊控制规则表。借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱,对锅炉主汽压力PID控制和模糊PID控制进行仿真分析。结果表明模糊PID 控制效果达到了锅炉主汽压力控制系统的性能指标,是一种较为理想的智能性控制方案。关键词:压力控制;模糊PID控制;参数整定;仿真Research on pressure control of boiler systemSummaryP

3、ressure control in the industrial control has always been the innovation topics. For different control objects .Have different control modes and patterns. The pressure system inertia is big. The lag is serious. Different to establish accurate mathematical model. To the control procedure brings great

4、 challenges. Object this article to main steam pressure of boiler in power plant for study. Study of a best of control program. To achieve the system stability. Adjustment time is short and small overshoot of the performance.This article the control plan which may use to the host steam pressure has

5、conducted the through research. The first choice research plan is the PID control .Principle of pressure PID controller. Is the ratio of the pressure deviation. Integral and differential through linear combination constitution control quantity. Control of the controlled object. PID control parameter

6、s is the focus of adjustment. This article used the artificial installation method to carry on the installation to its parameter. The second research plan is the fuzzy PID control. Has studied the fuzzy control mechanism. Determine the structure of the fuzzy controller. Through to host steam pressur

7、e characteristic analysis. Has established the fuzzy control rule table. With the aid of in MATLAB Simulation and Fuzzy toolbox. For boiler main steam pressure PID control and simulation analysis of fuzzy-PID control. The result indicated the fuzzy PID control effect has achieved the boiler host ste

8、am pressure control system performance index. Is one kind of more ideal intelligence control plan.Key words: Pressure controlFuzzy PID ControlParameter SettingSimulation目录摘要Abstract1 绪论. 错误!未定义书签。1.1 课题的研究背景. 错误!未定义书签。1.2 模糊控制在电厂锅炉主蒸汽压力控制系统中的应用. 错误!未定义书签。1.3 本文主要研究内容. 错误!未定义书签。2 模糊基本理论. 错误!未定义书签。2.1

9、 模糊集合论. 错误!未定义书签。2.2 模糊语言变量. 错误!未定义书签。2.3 模糊推理. 错误!未定义书签。2.4 本章小结. 错误!未定义书签。3 锅炉主蒸汽压力的模糊控制器的设计. 错误!未定义书签。3.1 电厂主蒸汽压力被控对象的数学模型特性的分析. 错误!未定义书签。3.2 锅炉主蒸汽压力的模糊PID控制器. 错误!未定义书签。3.3 本章小结. 错误!未定义书签。4 仿真研究. 错误!未定义书签。4.1 仿真工具. 错误!未定义书签。4.2 PID控制器的仿真研究. 错误!未定义书签。4.3 模糊PID控制器的仿真研究. 错误!未定义书签。4.4 本章小结 (195 结论 (2

10、0参考文献致谢锅炉压力控制系统研究1 绪论1.1 课题的研究背景随着电厂锅炉机组越来越向着高参数、大容量的方向发展,对热工自动控制系统的控制品质的要求也越来越高。从30年代起,锅炉控制中就采用了PID控制器。目前,国内的锅炉燃烧控制仍然大多采用常规PID控制器,或者为了改善控制效果,加一些前馈控制。控制方法远远落后于国外的控制技术,尤其是北欧国家和德国。在国内无论是燃烧过程自动控制系统、汽包水位自动控制系统,还是主蒸汽压力自动控制系统等,主要都是采用各种类型的常规PID控制策略,也就是说PID控制在电厂的大大小小的控制系统中仍占着主导地位。多年来,虽然PID控制在电厂热工过程控制中发挥了很大作

11、用,在一些机组的某些控制系统上也有令人满意的控制效果,但是,由于PID算法本身的限制,在某些复杂对象上应用时,控制效果很不理想,甚至无法实现自动控制。究其原因,主要是因为PID控制实施有效的前提是要有准确的被控对象模型。当实际被控对象模型发生变化时,按照原被控对象模型进行参数整定的PID控制器的控制效果就很难保证了。而且在实际的工程应用中,被控对象的模型往往是不精确的、时变的,有时甚至根本无法获得,这时采用常规的 PID控制就很难达到理想的控制效果。也就是说面对越来越复杂的被控对象,常规PID 控制己束手无策,要想获得好的控制效果,必须采用其它的控制策略。英国科学家Ea.HeMamdani首先

12、应用Fuzzy控制方法来控制用于试验的锅炉和汽轮机;美国德克萨斯州的某化工厂工业锅炉及所有蒸汽回路都采用了EXACT,蒸汽消费量减少了15%;在燃油锅炉上应用最优控制,自适应控制等现代控制技术的例子也有多次报道1。电厂锅炉主蒸汽压力,是指从汽包出来的饱和蒸汽经过布置在锅炉烟道中的各种形式的过热器与高温烟气进行热交换后,最后在过热器出口所得到的蒸汽的压力。它是电厂生产过程中的一个非常重要的监测和控制参数,过高或过低都会影响到机组的安全性和经济性。主蒸汽压力过高,可能使过热器管道和汽轮机高压缸等设备产生变形而被损坏;主蒸汽压力过低,会导致机组效率降低。因此,一般要求主蒸汽压力基本上维持在额定值(即

13、给定值附近。由于主蒸汽压力被控对象总是存在着一定的迟延,而且随着机组容量的增加和参数的提高,锅炉过热器管路长度和受热面面积增加,主蒸汽压力的迟延也会增大,而被控对象迟延越大,控制难度也越大,所以主蒸汽压力的控制已成为电厂各个控制系统中的一个控制难点。在机组运行工况波动比较大时,许多电厂只好由运行人员手动进行主蒸汽压力的本题目来自于科研控制6。通过对一些大型电厂主蒸汽压力控制情况的调研了解到:目前电厂的主蒸汽压力控制普遍采用串级PID控制策略(个别小型电厂的主蒸汽压力控制因迟延现象不是很严重仍采用单回路PID控制。主蒸汽压力串级PID控制系统包括主回路和副回路两个回路。副回路包括副调节器、执行机

14、构、主蒸汽压力被控对象的导前区和测量导前压力的压力变送器。副调节器一般采用比例调节器,它的任务是根据导前压力的变化调节减温水的流量,其作用是在扰动引起主蒸汽压力变化之前先进行调节,可以抑制扰动对主蒸汽压力的部分影响。主回路包括主调节器、副回路、主蒸汽压力被控对象的惰性区和测量主蒸汽压力的压力变送器。主调节器采用PI或PID调节器,它的任务是消除主蒸汽压力与给定值之间的偏差。由于影响主蒸汽压力的因素很多,如:负荷的变化、烟气温度和压力的波动、主蒸汽温度的变化、给水流量和温度的波动、吹灰器投入、磨煤机的切换等,在主蒸汽压力串级PID控制系统中,有时会将负荷信号、燃料量信号、主蒸汽压力信号、给水流量

15、信号以前馈形式引入到串级系统的副调节器中,以实现“超前”调节。尽管主蒸汽压力串级PID调节系统已采用导前汽温信号和前馈信号来参与调节,获得了部分超前调节的效果,但以调节参数固定不变的PID控制器来控制主蒸汽压力这种时变的复杂对象时,控制效果仍会很不理想。1.1.2.1 模糊控制的产生自20世纪70年代以来,现代控制理论己经在工业生产过程、军事科学以及航空航天等许多方面取得了成功的应用。但是他们都有一个基本的要求,要建立被控对象的精确数学模型。随着科学技术的迅猛发展,各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高,所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列原因,诸如

16、被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场检测手段不完善等,难以建立被控对象的精确模型。虽然常规PID控制技术可以解决一些问题,但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象,采用传统的控制方法,包括基于现代控制理论的控制方法,往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。1.1.2.2 模糊控制的发展概况模糊控制的发展经历了三个重要的阶段,第一阶段为基本模糊控制,第二阶段为自适应模糊控制,第三阶段为智能模糊控制。第一阶段:基本模糊控制的理论和应用研究自从1974年Mamdani首先把模糊控制应用于锅炉蒸汽机控制

17、以来,人们已取得了大量的在这方面的研究成果并付诸于实践,模糊控制的简单易行和良好性能引起人们的高度重视掀起一阵“模糊热”,特别是1987年在日本,基于模糊控制的仙台地铁开通以后,各种家电的模糊产品相继研制出成功并进入市场,如洗衣机、照相机、摄像机、复印机、吸尘器、电冰箱、微波炉、电饭锅、空调器、电视机、淋浴器等,这些家电产品在节约资源、方便使用以及使用效果方面更富有“人情味”,更符合人的实际生活。同时,各种各样的模糊控制系统也被研制成功5。例如,各种熔炉、电气炉、水泥生成炉的控制系统、核能发电供水系统、汽车控制系统、电梯升降机控制系统、机器人控制系统,以及活跃于航空、宇宙、通信领域里的专家系统

18、。这些模糊控制系统的应用取得了明显的效益,并且受到了人们普遍的重视。第二阶段:自适应模糊控制器研究及应用根据模糊控制原理可知,要使模糊控制有效,关键在于条件语句的正确完整和模糊算法的正确选择,但在复杂的过程中有时很难总结出完整的经验,即控制规则很粗糙,不完善,这样势必影响效果。另一方面,即使控制规则较完善,但是由于过程是不断变化的,总是按照原来的控制规则进行运算,所得的结果可能与实际过程相差甚远,因而就使人们去研究这样的控制器,它能在运行中自动修改完善和调整模糊控制规则,使系统的性能不断完善直至达到预定的效果。第三阶段:智能模糊控制尽管自适应模糊控制能较好地解决一些问题,但是毕竟是有限的,因为

19、在自适应控制中,还是依照人的意志,事先作了适当的划分,在允许范围内进行调整而已,为了使复杂工业生产过程能进行自动控制,就必须不断了解过程的机理,同时结合操作经验,利用模糊语义和模糊条件语句构成原始的具有人工智能的专家系统。利用生产式学习系统软件来决定处理问题的过程,并对原有知识进行反馈修正,如此不断进行就是智能控制。在我国模糊控制的研究正处在基本模糊控制器的应用和自适应模糊控制的研究和应用阶段。智能模糊控制的研究成果很少。1.2 模糊控制在电厂锅炉主蒸汽压力控制系统中的应用目前,已有专家或技术人员对模糊控制技术在电厂主蒸汽压力控制中的应用进行了研究,取得了一定的研究成果。文献3提出了一种基于模

20、糊规则的PID。控制器的设计方法,即用模糊规则的方式根据当前偏差和偏差变化值设定合适的PID控制器的参数,相当于一种变PID参数的控制方式。显然这种控制方法比固定参数的PID控制的控制效果要好。文献2采用模糊规则的方式,分别根据机组当前负荷值和当前的偏差、偏差变化值粗调和细调PID参数值,也是一种变PID参数的控制方式。文献4采用神经网络技术,不断修正模糊控制器的隶属度函数,实现模糊规则的自动更新。这种方法使得模糊控制器有了自学习功能。当主汽压偏差较大时,利用模糊控制的仿人智能特性迅速给出适当的作用量以抑制干扰,保证系统响应的快速性;当主汽压偏差较小时,采用专家自整定PID自动根据偏差噪声范围

21、的变化在线整定PID参数,以保证较好控制效果7。近年来模糊控制在电厂锅炉控制方面的运用已经有了较大的发展,许多公司都已在自己的控制系统组态软件模块加入了模糊控制模块。相信在不久的将来,模糊控制将能更广泛的应用到电厂热工控制领域8。1.3 本文主要研究内容本文着重对锅炉主蒸汽压力控制系统进行研究。针对电厂主蒸汽压力系统的大滞后、大惯性、非线性等特点,改变传统PID控制方法,采用PID控制器与模糊控制相结合的控制手段对其进行控制;对锅炉主汽压力的模糊PID控制算法进行MATLAB仿真研究,与传统PID控制方法进行比较,仿真结果表明,模糊PID控制系统具有较强的鲁棒性及良好的控制品质,提高了系统的动

22、、静态性能指标。2 模糊基本理论2.1 模糊集合论在现实世界中,有很多事物的分类边界是不分明的,或者说是难以明确划分的。比如,将一群人划分为“高”和“不高”两类,就不好硬性规定一个划分标准。如果硬性规定, 1.80m以上的人算“高个子”,否则不算,则有可能会出现两个本来身高“基本一样”的人却被认为一个“高”,一个“不高”,这就有悖于常理,因为这两个人在任何人看来都是“差不多高”。这种概念外延的不确定性称它为模糊性。定义论域U中的模糊子集A,是以隶属函数A表征的集合。即由映射A:U0,1 (2-1 uA(u确定论域U的一个模糊子集A。A称为模糊子集A的隶属函数,A(u称为u对A的隶属度,它表示论

23、域中的元素u属于其模糊子集A的程度。它在0,1闭区间内可连续取值。A(u=1,表示u完全属于A;A(u=0,表示u完全不属于A; 0A(u1,表示u隶属于A的程度。对于论域U上的模糊集合A,通常的表示方法有查德记号表示法、向量表示法、单点表示法、序偶表示法、隶属函数的解析式表示法等。定义论域U中模糊子集的全体,称为U中的模糊幂集,记作F(U,即F(U=A|A:U0,1对于任一uU,若A=0,则称A为空集;若A=1,则称A=U为全集,通常全集记为E。定义设A、B是论域U上的两个模糊集合,即A,BF(U,对任一uU,都有B(uA(u ,则称B包含于A,或称A包含B;若对任一uU ,都有B(u=A(

24、u ,则称B等于A。设A、B是论域U上的两个模糊集合,隶属函数分别为A和B,常用的运算有:1“并”运算ABAB(U=maxA(u,B(u= A(u B(u2“交”运算ABAB(U=minA(u,B(u= A(u B(u3“补”运算AA(u=1-A(u这里,符号“”、“”称为Zadeh算子,为模糊逻辑中的运算符号,在无限集合中,它们分别表示sup和inf,在有限元素之间,则表示max和min,即取最大值和最小值。隶属度函数的确定在模糊数学中占有重要的地位,这是因为模糊集合是由隶属度函数刻画的,模糊集合的各种运算都是利用隶属度函数来进行的,因此,在模糊集合的各种应用场合,首先要解决的问题就是确定隶

25、属度函数。确定隶属度函数总是力图尽量符合客观实际,但不同的人对于同一个模糊概念的认识又是有差异的,因此隶属度函数的确定又带有主观性。如何评价隶属度函数是否符合客观实际,到目前为止还没有一个标准。常常用初步确定的一个粗略的隶属度函数,然后通过在实践运用中“学习”和检验,逐步修改和完善。确定隶属函数可以通过“主观”途径和“客观”途径进行,当隶属度无法通过主观途径给出时,往往需要在实验基础上获得11。(1模糊统计法模糊统计法是对模糊性事物的可能性程度进行统计,其统计结果即为隶属度。其基本思想是:对论域U上的一个确定元素u,考虑n个有模糊集合A属性的普通集合A*以及元素u0对A*的归属次数。u对A*的

26、归属次数和n的比值就是元素u对模糊集合A的隶属度:A(u0=limnAu的次数*0(2专家经验法专家经验法是根据某领域专家的实际经验对模糊信息进行处理从而确定隶属度函数的一种方法。例如,医生治病的过程首先需要对病人的各种症状进行询问或仪器检查,最后判断患者是否有这种疾病,假设病人论域U中一患者x,这种疾病患者全体为模糊集合A,各种症状是清晰的,用普通集合A1表示。有A(x=0或者1,就是说分为患者x不具备这种症状A1和具备这种症状A1,最后,由医生对每一种症状是否属于某种疾病赋予一定的权数,则患者x属于某种疾病A的隶属度为A(x=ni i iAi x1此外,确定隶属度函数还有二元对比排序法、相

27、对选择法、可变模型法等等。(一正态型曲线如图2-1所示,这是一种最常见的模糊分布,其表达式为:A(x=2-baxe b0其参数b值大,曲线变宽,反之,b值小,曲线变窄。的值决定了曲线的中心点。(二三角型曲线如图2-2所示。 图2-1 正态型曲线图2-2 三角型曲线1.模糊关系。以集合A和B的直积AB=(x,yxA,yB为论域的一个模糊子集R,叫做集合A和B的模糊关系,也称为二元模糊关系。如果(x,yAB,则隶属函数R表明元素x和y属于模糊关系R的程度。当论域为n个集合的直积A1A2A n,则称为R为n元模糊关系。2.模糊关系矩阵。(1定义:当论域AB为有限集,模糊关系R可以用矩阵来表示,并把这

28、个矩阵称为模糊关系矩阵或模糊矩阵,用黑体R表示。(2模糊向量:模糊向量是一种特殊的模糊矩阵,它在模糊控制中十分有用。将元素C i0,1,i=1,2,n写成向量C=C1,C2,C n,称C为模糊行向量。简称模糊向量,记为C H。C的转置C L称为模糊列向量。定义运算CD=C LD为模糊向量的笛卡尔积。2.2 模糊语言变量例如:设某一简单压力控制系统,压力误差为模糊语言变量X,论域U=(-6PA,+6PA,压力正、负误差语言变量由G按照语法规则构成的语言值名称有:正很大(PVB、正大(PB、正中(PM、正小(PS、零(Z、负小(NS、负中(NM、负大(NB、负很大(NVB。 T(x=T(误差=PV

29、B+PB+PM+PS+Z+NS+NM+NB+NVB词义规则M是指模糊子集的隶属函数。2.3 模糊推理推理是根据已有的命题按照一定的法则,去推断出一个新的命题的思维方式。形式逻辑对于人类社会的发展起了很大的作用,但对于模糊性问题,形式逻辑和数理逻辑都没有办法解决。解决推理性问题需要用模糊推理方法。模糊推理是以模糊条件为基础的,它是模糊决策的前提条件,更是模糊控制规则生成的根据。模糊推理在模糊控制和综合评判等方面极为重要。假言推理规则可以写成:CA CC A CA 结论:结论小前提:如今则大前提:若 其中,C =A R 表示一种近似推理合成规则,这是解决所有模糊推理的基础。“”代表合成运算。R 是

30、集合A 、C 的模糊关系。近似推理规则说明,对于处于模糊概念的推理过程不必像形式逻辑中的那样的判断推理过程,而可以看成是模糊集合的变量和隶属函数的演算过程。即输入一个模糊子集A ,经过模糊变换器R 变换,得到一个新的模糊输出结果C =A R这种方法在模糊控制中应用最广泛。它也是基于似然推理的合成推理法则,只是将模糊蕴涵关系A C 用A 、C 的直积A C 表示,即R=A C=A C=A L C ,因此有推理式C =A R=A (A L C 这里只介绍本设计所要用到的“若a 且b 则c ”型。设A 、B 、C 分别是论域U 、V 、W 上的模糊集合。若是一个双输入的模糊系统,在这种条件下,模糊条

31、件语句“若a 且b 则c ”决定一个三元模糊关系R=(A B C ,根据Mamdani 推理法则有:R=(A B C=A L BL C当输入为A 、B 时的输出根据推理合成规则以及行向量的定义符有C =A B H R=A L B H R2.4 本章小结本章在模糊集合理论的基础上,介绍了模糊逻辑和模糊推理。模糊理论是在模糊集合理论的基础上发展起来的,主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。掌握好这些知识,为后文建立模糊控制器打好基础。3 锅炉主蒸汽压力的模糊控制器的设计3.1 电厂主蒸汽压力被控对象的数学模型特性的分析锅炉过热器结构如图3-1所示,末级过热器出口压力为主蒸

32、汽压力。文献8中有结论:在同样的减温水扰动情况下,主蒸汽压力在不同工况下的响应曲线有较大的差别。这说明了主蒸汽压力的动态特性是随工况的变化而变化的,也就是说主蒸汽压力的模型参数在不同工况下是完全不同的。这里先分析一下主蒸汽压力动态特性机理。有某工况下主蒸汽压力与减温水扰动的传递函数10为:(s T s T m m D s K S D s T e DT SP +-= 10 (3-1式中: D V /0= (3-2 (3-5 (21/P SP D T C D I I K -= (3-6 其中:T 主蒸汽压力;D 、D SP 主蒸汽流量和减温水流量;I 1、I SP 喷水处的蒸汽焓和减温水焓;C P

33、 、C P2环节中工质的平均定压比热和环节出口工质的定压比热; 0工质流过整个受热管的平均时间;D 动态参数;T m 金属蓄热时间常数;V 、环节容积和环节内工质的平均密度;A 环节内表面积;M j 、C j 管壁金属的质量和比热;2对流放热系数;、流体热导率和动力粘度;B 常数。从上述传递函数表达式中可以看出,主蒸汽压力数学模型中的参数均可以看作是工况参数的函数2,而主蒸汽压力的工况主要由主蒸汽流量(D和主蒸汽温度(T决定的,也就是说引起主蒸汽压力数学模型发生变化主要是D 和T 二个工况参数。而二个工况参数, D和T中,主蒸汽温度T的变化对模型参数的影响最小;而主蒸汽流量D的变化对模型参数的

34、影响最大。常规PID控制,具有结构简单易于实现、鲁棒性强等优点,因此目前广泛应用于电厂主汽压力的调节。但常规PID控制器构成的调节系数存在其固有的缺点:参数是根据被控对象的数学模型来整定的,而汽温调节对象的时变性、不确定性和非线性,使其难以建立精确的数学模型,仅仅依靠PID控制,无论PID参数如何匹配,也很难使蒸汽压力适应各种扰动的变化。而且,一旦运行工况发生较大变化,过热汽温对象的动态特性和模型参数会受到较大影响。所以,采用常规PID控制方法很难获得令人满意的控制性能。因此考虑将PID控制算法的实用性与模糊控制算法的智能性相结合,实现优势互补,研究一种模糊PID控制器对锅炉主汽压力系统进行控

35、制。使锅炉达到减小系统的振荡性、超调量和调节时间,提高系统总体控制效果的性能指标22。3.2 锅炉主蒸汽压力的模糊PID控制器模糊PID控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析,采用模糊推理的方法实现PID三个参数K p、K i和K d的在线自整定12。模糊PID 控制不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便等特点,而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性。典型的模糊PID控制系统的结构如图3-2所示。 图3-2 模糊PID控制系统结构图系统包括一个常规PID控制器和一个模糊推理的参数校正部分。偏差e和偏差的变化率ec作为模糊系统的输入,三个PID参数

36、K p、K i和K d作为输出,根据事先确定好的模糊控制规则作出模糊推理的参数校正,在线改变PID参数的值,从而实现压力的控制。模糊PID控制使被控对象有良好的动、静态性能,而且计算量小13。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,K p、K i、K d的作用如下:(1比例系数K p的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。K p越大,系统的响应速度就越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。K p取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使静态、动态特性变坏。(2积分系数K i的作用是消除系统的稳态误差。K i越大,系统的静态误

37、差消除越快,但K i 过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。若K i 过小,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。(3微分系数K d 的作用是改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报。但K d 过大,会使响应过程提前滞动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性16。本文所选的是单元机组为某电厂410t 循环流化床锅炉的主汽压力,这一具体对象的传递函数是9:(112025.1122+=-s e s G s(3-7考虑到实际现场的情况,在生产控制现场对于压力控制,在时间刚刚开始的时候,也就是说在偏差很大

38、的时候,可以根据PID 控制的自身特点加以控制,此时不需要模糊控制器起作用,输出值会自动的向给定值接近。当偏差逐渐变小,直到某一程度时,加入模糊控制作用,也就是说把模糊的作用利用在微观的调控上。根据实验设备的情况以及压力控制的特点,应客观的选取模糊控制器的作用范围,这里将系统误差e 的基本模糊范围定义为(-6,+6,就是说当误差到了这个范围之后,模糊控制器开始发挥作用,这里将误差e 和误差变化率ec 变化范围定义为模糊集上的论域:e ,ec=-6,-4,-2,0,2,4,6其模糊子集为e,ec=NB ,NM ,NS ,Z ,PS ,PM ,PB,设它们都服从三角形曲线分布。 将PID 的三个系

39、数K p 、K i 、K d 的变化范围分别定义为 K p =0.2,0.4,0.6,0.8,1,1.2,1.4K i =0.001,0.002,0.003,0.004,0.005,0.006,0.007 K d =10,20,30,40,50,60,70它们的模糊子集为K p 、K i 、K d =NB ,NM ,NS ,Z ,PS ,PM ,PB,设它们都服从三角形曲线分布。由以上的说明,可以知道模糊控制器的输入和输出的模糊子集的隶属度。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊控制规则表,得到针对K p 、K i 、K d 三个参数分别整定的模糊控制表,

40、如表3-1,3-2,3-3所示。该设计是采用的两个输入,所以采用的控制规则为:If e and ec then K p If e and ec then K i If e and ec then K d表3-1 Kp的模糊规则表ECE PB PM PS ZO NS NM NBPB NB NB NM NM NM ZO ZOPM NB NM NM NM PS ZO PSPS NM NM NS NS ZO PS PSZO NM NM NS ZO PS PM PMNS NS NS ZO PS PM PM PMNM NS ZO PS PS PM PB PBNB ZO ZO PS PM PM PB PB表

41、3-2 Ki的模糊规则表ECE PB PM PS ZO NS NM NBPB PB PB PM PM PS ZO ZOPM PB PB PM PS PS ZO ZOPS PB PM PS PS ZO NS NMZO PM PM PS ZO NS NM NMNS PS PS ZO NS NS NM NBNM ZO ZO NS NS NM NB NBNB ZO ZO NS NM NM NB NB表3-3 Kd的模糊规则表ECE PB PM PS ZO NS NM NBPB PB PS PS PM PM PM PBPM PB PS PS PS PS ZO PBPS ZO ZO ZO ZO ZO ZO

42、 ZOZO ZO NS NS NS NS NS ZONS ZO NS NS NM NM NS ZONM ZO NS NM NM NB NS PSNB PS NM NB NB NB NS PS模糊控制器采用二维的Mamdani控制器,模糊控制决策采用Max-Min,去模糊采用重心法(Centriod。在线运行过程中,控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算,完成PID 参数的在线自校正。其工作流程图3-3所示。 图3-3 在线自校正工作流程图3.3 本章小结本章对锅炉主蒸汽压力被控对象的数学模型特性进行了分析,并得出结论:整个主蒸汽压力数学模型的模型参数可以认为是仅由主蒸汽流量来决定的。

43、针对PID控制器参数是根据被控对象的数学模型来整定的这个缺陷,设计了模糊PID控制器,确定了论域以及控制规则,为后一章仿真研究奠定基础。4 仿真研究仿真是对实际过程的模拟,系统仿真就是在数学模型的基础上,以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真根据真实系统的数学模型建立仿真模型,对系统环境加以模拟,在计算机上进行分析、计算、研究获得真实的定量关系18。本章通过对系统采用不同的控制策略,得出它们各自的仿真结果,然后进行分析比较,从中找出一个合乎要求的解决方案。4.1 仿真工具仿真是控制系统进行科学研究的重要方法,通过仿真来分析各种控制策略和方案对控制系统的性能,优化相关参数,以获得最

44、佳控制效果。为了进行模糊系统的仿真设计,国内外的学者都开发了一些工具,其中一个就是MATLAB的模糊控制工具箱(Fuzzy Logic Toolbox。模糊控制工具箱是数字计算机环境下的函数集成体,是一个不针对具体硬件平台的控制设计工具,它可以用完全图形界面的工作方式设计整个模糊控制器。如定义它的输入、输出变量的数目,各输入、输出变量的隶属度函数的形状和数目,模糊控制规则的数目,模糊推理的方法,反模糊化的方法等等。在设好这样一个模糊控制器之后,可以利用MATLAB 本身的Simulink仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真研究。它的优势在于可以利用MATLAB软件本身的丰富资源,方便的将模

45、糊工具箱与其它一些工具箱集合使用,来构建不同结构的模糊系统,比如神经网络模糊系统,遗传算法模糊系统,模糊PID系统等,并对这样的系统进行仿真、分析17。MATLAB(MATrix LABoratory,即矩阵实验室是Cleve Moler博士在New Mexico大学讲授线性代数时,发现用高级语言编程极为不便而构思开发的18。它是集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统。系统经过几年的试用之后,Moler博士等一批数学家与软件专家组建了一个名为MathWorks的软件开发公司,专门扩展并改进MATLAB,推出了该软件的正式版本。除原有的数值计算能力外,还增加了图形处理功能。MathWor

46、ks公司于1993年推出了基于Windows平台的MATLAB 4.0。MATLAB 4.x版在继承和发展其原有数值计算和图形处理能力的同时,还推出了符号计算工具包、Notebook和一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境Simulink。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包19。它除了包括输入模块、输出模块、连续模块、离散模块、函数和表模块、数学模块、非线性模块、信号模块以及子系统模块外,还包括各个工具箱特有的模块,如模糊逻辑工具箱的模糊逻辑控制器模块。用户可以利用这些模块搭建自己的系统并进行仿真,通过更改这些模块的参数提高系统的性能,最终得到合乎自己设

47、计要求的系统23。本文的所有仿真都是在Simulink中完成的。 图4-1 MATLAB与模糊逻辑工具箱及Simulink的关系图由4-1图可以看出,模糊逻辑工具箱必须在MATLAB环境下运行,它所创建的模糊控制器可以为其它工具箱所用,也可以用Simulink环境对它进行仿真。最后还可以C语言的形式输出一个独立的模糊控制器,嵌入到用户自己的应用程序代码中去20。4.2 PID控制器的仿真研究在Simulink中创建用PID算法控制锅炉主汽压力的结构图如图4-2所示: 图4-2 PID控制系统仿真结构图对PID参数整定的方法多种多样,常见的有齐格勒尼柯尔斯参数整定、CHR参数整定、人工整定等,用理论整定方法算出的PID参数不一