畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于智能pid的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　ABSTRACTⅡ</p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1

2、.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況2</p><p>　　2 鍋爐汽包水位對(duì)象的特點(diǎn)和分析3</p><p>　　2.1鍋爐的工作過程3</p><p>　　2.2“虛假水位”現(xiàn)象3</p><p>　　3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1 確定控制目標(biāo)5</p><p>　

3、　3.1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控變量的選擇5</p><p>　　3.1.2鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的控制變量（操縱量）的選擇5</p><p>　　3.1.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)5</p><p>　　3.2確定控制方案6</p><p>　　3.3設(shè)計(jì)模型的構(gòu)造7</p><p>　　3.3.

4、1對(duì)象模型的構(gòu)造7</p><p>　　3.3.2 汽包水位仿真系統(tǒng)的構(gòu)造10</p><p>　　4 控制系統(tǒng)的介紹與設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.1串級(jí)控制系統(tǒng)12</p><p>　　4.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的組成12</p><p>　　4.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)13</p>

5、<p>　　4.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.2 前饋控制系統(tǒng)15</p><p>　　4.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)15</p><p>　　4.2.2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)15</p><p>　　4.2.3 前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18</p><p>　　5 串級(jí)三沖量給水控

6、制系統(tǒng)20</p><p>　　5.1串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析20</p><p>　　5.2 汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)22</p><p>　　5.3鍋爐汽包水位的串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)MATLAB仿真24</p><p>　　6.鍋爐汽包水位的模糊控制26</p><p>　　6.1 模糊控制系

7、統(tǒng)的組成26</p><p>　　6.1.1模糊控制器的工作原理27</p><p>　　6.1.2模糊PID控制器的設(shè)計(jì)28</p><p>　　6.2模糊控制系統(tǒng)的建模及仿真34</p><p><b>　　結(jié)束語40</b></p><p><b>　　致謝41<

8、/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p>　　基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鍋爐是一種復(fù)雜的熱工系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用在化工業(yè)、發(fā)電、造紙業(yè)、石油業(yè)，是工業(yè)生產(chǎn)的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。為了保證蒸汽

9、的品質(zhì)及鍋爐本體及人身的安全，汽包水位是一個(gè)重要的參數(shù)。</p><p>　　在鍋爐中，汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件，水位過低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鍋爐爆炸，水位過高，會(huì)降低蒸汽質(zhì)量，損壞汽輪機(jī) 葉片，所以必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格控制。汽包的作用是進(jìn)行汽，水分離，汽包的出口為飽和蒸汽。隨著鍋爐的蒸發(fā)量及參數(shù)的日益提高，汽包相對(duì)蒸發(fā)量的尺寸越來越小;在負(fù)荷變化較為頻繁的場(chǎng)合，

10、汽包水位受到的擾動(dòng)也非常劇烈；另外由于汽包中汽，液兩相共存，大量的氣泡存在于汽包的水中，導(dǎo)致了汽包水位的一個(gè)特殊現(xiàn)象“虛假水位”，這種“虛假水位”的現(xiàn)象給控制造成了許多困難。</p><p>　　關(guān)鍵詞 汽包水位/PID控制/虛假水位</p><p>　　Based on Intelligent PID boiler drum water level control system des

11、ign</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The boiler is a typical production process means, has a wide range of applications in various fields of electric power, chemical, metallurgy, bu

12、ilding materials, civil. It generates steam can not only provide heat for industrial production process, such as distillation, drying, evaporation, etc, also provide a power source of compressor, turbine, etc. In order t

13、o ensure the quality of the steam boiler body and personal safety, the drum level is an important parameter.</p><p>　　In the boiler, drum water level is an important indicator of the boiler operation. keep t

14、he water level within a certain range is to ensure that the first condition for safe operation of boilers, the water level is too low can cause severe boiler explosion; the water level is too high will reduce the quality

15、 of steam, damage to the turbine blades, so must strictly control the drum level. The role of the drum is steam-water separator drum export saturated steam. With the the boiler evaporation an</p><p>　　Key wo

16、rds: Drum level , PID control , false water level</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，其作用就是有效的把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活中所需要的能量形式。而汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，汽包的作用是進(jìn)行汽、水分離，汽

17、包的出口為飽和蒸汽，若要是對(duì)汽包水位進(jìn)行控制則要克服“虛假水位”這一現(xiàn)象，采用以給水流量、蒸汽流量、汽包水位作為調(diào)節(jié)信號(hào)的串級(jí)三沖量控制，以克服“虛假水位”的影響以及各種干擾對(duì)水位的影響。本控制采用前饋串級(jí)控制，主副調(diào)節(jié)器配合進(jìn)行控制，主副調(diào)節(jié)器均采用PID控制，主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p>&

18、lt;p>　　鍋爐控制中的重中之重就是對(duì)鍋爐汽包水位的控制，汽包在鍋爐中的作用是非常顯著的，可以進(jìn)行汽、水分離，輸出飽和蒸汽。汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的的重要指標(biāo)，水位過高將會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，甚至引起過熱器爆管；水位過低會(huì)破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對(duì)來說較小，液位的時(shí)間常數(shù)也很小，大容量鍋爐若給水不及時(shí)，數(shù)十秒之內(nèi)

19、就可能達(dá)到危險(xiǎn)水位，所以鍋爐水位控制顯得非常重要。</p><p>　　本課題采用的是利用智能PID對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，對(duì)于汽包水位的控制也經(jīng)歷了好幾個(gè)階段的發(fā)展，首先是汽包水位經(jīng)典控制階段，經(jīng)典汽包水位控制包括單沖量、雙沖量和三沖量控制，由于單沖量、雙沖量及單級(jí)三沖量控制比較簡(jiǎn)單，并且難以適應(yīng)現(xiàn)代各種復(fù)雜鍋爐的控制要求，目前鍋爐汽包水位大多數(shù)采用三沖量水位控制。第二個(gè)階段是先進(jìn)控制。第三個(gè)階段是智能控制，智

20、能控能高效的對(duì)汽包水位進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)我采用的是串級(jí)前饋控制。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況</p><p>　　鍋爐微機(jī)控制是近幾年來開發(fā)的新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。而作為鍋爐的控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。</p><p>　　最近幾年鍋爐工業(yè)的發(fā)展非

21、?？?，雖然我們落后與國(guó)外的先進(jìn)鍋爐控制水平，但是通過科研人員的努力，我國(guó)在鍋爐工業(yè)特別是控制方面的提高非常顯著，鍋爐的汽包水位是鍋爐控制的關(guān)鍵，早些時(shí)候我們只用傳統(tǒng)的PID對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，導(dǎo)致控制的效果不好，近些年來，智能控制已經(jīng)在我國(guó)迅速發(fā)展，通過智能PID中的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、專家PID控制等一些智能控制，我們能夠?qū)ζ贿M(jìn)行準(zhǔn)確的控制。</p><p>　　2 鍋爐汽包水位對(duì)象的特點(diǎn)和分析

22、</p><p>　　2.1鍋爐的工作過程</p><p>　　典型的鍋爐給水系統(tǒng)如圖2-1所示。其中，W為給水，能量較低的冷水或循環(huán)水由此進(jìn)入鍋爐，通常，給水量可以通過改變給水調(diào)節(jié)閥門開度或通過改變給水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；D為飽和蒸汽輸出。為了提高鍋爐整體的熱效率，飽和蒸汽經(jīng)布置在煙道中的過熱器加熱為過熱蒸汽后送往下道工序做功。通常蒸汽流量的大小由負(fù)荷決定；Q為送入爐膛中的燃料。給水通過水

23、冷壁吸收爐膛中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量；H為汽包水位，加熱后的熱水上升至汽包，飽和水在此完成汽，水分離，產(chǎn)生飽和蒸汽。</p><p>　　圖2-1 汽包鍋爐工作示意圖</p><p>　　2.2“虛假水位”現(xiàn)象</p><p>　　在該系統(tǒng)中，穩(wěn)定的工作狀況應(yīng)當(dāng)是給水量（W）與輸出蒸汽量（D）相等，即W=D。在該條件下，水位處于一種動(dòng)態(tài)的平衡。這種平衡一旦被打破，汽包水

24、位將發(fā)生變化。從物料平衡的角度看，當(dāng)W>D時(shí)，流入的水大于流出的蒸汽，水位必將上升；W<D時(shí)，流入的水小于流出的蒸汽，水位將下降。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽包已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)是（進(jìn)入飽和水，輸出飽和汽，可完成汽，水分離），實(shí)際情況并不完全如此。在給水（W），蒸汽（D）分別擾動(dòng)下，水位的變化的情況，如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 給水?dāng)_動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)下的汽包水位變化過程</p>&l

25、t;p>　　在給水?dāng)_動(dòng)下，汽包水位并沒有表現(xiàn)出立即上升，而是表現(xiàn)出滯后一段后上升的過程；在負(fù)荷擾動(dòng)的情況下，水位也沒有表現(xiàn)出立即下降的現(xiàn)象，而是表現(xiàn)出先上升后下降的過程。這種現(xiàn)象稱“虛假水位”現(xiàn)象。其原因是由于汽包中是汽液兩相共存，下半部是飽和水，上半部是飽和氣，當(dāng)給水增加時(shí)，大量低于飽和水溫度的低溫水進(jìn)入，吸收了汽包中飽和水的能量，汽包汽水溫度下降，飽和水中大量氣泡破裂，汽水體積減小，水位下降。而負(fù)荷增加時(shí)，汽包壓力瞬時(shí)下降，飽

26、和水中大量汽包產(chǎn)生，體積增加，導(dǎo)致水位升高。</p><p>　　3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 確定控制目標(biāo)</p><p>　　3.1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控變量的選擇</p><p>　　在鍋爐給水系統(tǒng)中，輸出蒸汽的品質(zhì)及安全是兩個(gè)關(guān)鍵的要素，汽包水位過高，會(huì)導(dǎo)致出口的蒸汽帶水，無法保證出口為飽和汽；汽

27、包水位過低，可能會(huì)導(dǎo)致水冷壁缺水，水冷壁缺水后溫度會(huì)急劇上升，造成水冷壁爆管的嚴(yán)重事故。因此，正常的汽包水位是鍋爐安全，可靠工作的關(guān)鍵，據(jù)此，該系統(tǒng)選汽包水位為被控變量。</p><p>　　3.1.2鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的控制變量（操縱量）的選擇</p><p>　　在該系統(tǒng)中，可以影響汽包水位的變量很多，輸出蒸汽量（D）的變化，燃燒情況的變化，給水量（W）的變化都可以影響汽包的水位，

28、但輸出蒸汽量（D）的變化由負(fù)荷決定，燃燒系統(tǒng)要確保系統(tǒng)的能量和效率，這兩個(gè)變量都無法作為正常情況下的控制參數(shù)，而給水量W不僅與被調(diào)變量直接相關(guān)，且以此控制汽包水位有足夠的靈敏度，通常，該系統(tǒng)都選給水量W最為控制變量。</p><p>　　3.1.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)</p><p>　　被控變量及控制變量確定，調(diào)節(jié)通道就被唯一確定，其他所有可以影響對(duì)象被控變量—汽包水位的參數(shù)均可

29、視為擾動(dòng)。這里，主要擾動(dòng)有蒸汽負(fù)荷（D）的變化，燃燒情況的變化，給水壓力的變化等均是系統(tǒng)的主要擾動(dòng)。</p><p><b>　　3.2確定控制方案</b></p><p>　　根據(jù)以上分析，給水系統(tǒng)的主要目的就是穩(wěn)定汽包水位，因此汽包水位是該系統(tǒng)的主被控變量；對(duì)該系統(tǒng)，從機(jī)理上看進(jìn)出物料的平衡是保證液位的關(guān)鍵，汽包水位的變化是由于進(jìn)出物料不平衡引起的，因此可以通過調(diào)

30、整給水流量來滿足物料的平衡，進(jìn)而保證汽包的液位，通過這樣的分析我們可以建立單回路控制系統(tǒng)。但在實(shí)際系統(tǒng)中，首先，給水流量不僅受給水閥開度的影響，還要受到給水壓力變化的影響，給水壓力又要受到給水泵轉(zhuǎn)速、汽包壓力、燃燒情況，以及給水系統(tǒng)中其他負(fù)荷的變化等諸多因素的影響；其次，汽包水位對(duì)象的時(shí)間常數(shù)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)定性造成影響。因此，單回路給水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，為了克服各種引起給水流量變化的因素，通常引入給水流量作為副被控變

31、量，構(gòu)成流量-液位串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可以及時(shí)克服對(duì)水流量的各類擾動(dòng)。</p><p>　　這樣的串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生負(fù)荷（主蒸汽）變化時(shí)，由于虛假水位的現(xiàn)象，導(dǎo)致反饋控制系統(tǒng)被虛假水位的現(xiàn)象蒙蔽，做出完全相反的調(diào)節(jié)動(dòng)作。例如，蒸汽增加時(shí)，汽包液位首先升高，據(jù)此，主調(diào)節(jié)器做出降低給水流量的調(diào)節(jié)動(dòng)作，副調(diào)節(jié)器根據(jù)主調(diào)節(jié)器的指令，快速將給水流量降低，這種調(diào)節(jié)結(jié)果加劇了進(jìn)出物料的不平衡，是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量無法

32、滿足要求。因此，根據(jù)進(jìn)出物料的不平衡是系統(tǒng)液位變化的內(nèi)在原因，將表征負(fù)荷變化的蒸汽流量作為前饋信號(hào)引入，確保負(fù)荷變化時(shí)給水流量可以及時(shí)隨之變化，這樣，構(gòu)成如圖3-1所示前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖3-1 前饋—串級(jí)給水控制系統(tǒng)</p><p>　　3.3設(shè)計(jì)模型的構(gòu)造</p><p>　　3.3.1對(duì)象模型的構(gòu)造</p><p&g

33、t;　　準(zhǔn)確的給水對(duì)象模型是給水控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，由對(duì)象的給水流量-液位及負(fù)荷液位的階躍響應(yīng)曲線可看出，構(gòu)造給水系統(tǒng)的模型的關(guān)鍵是如何構(gòu)造“虛假水位”的部分。我們可以設(shè)想汽包水位的變化由兩部分組成，一部分直接反映進(jìn)出流量的不平衡，對(duì)于汽包，進(jìn)出流量不平衡時(shí)，液位將持續(xù)升高或降低，這部分可以由一個(gè)積分環(huán)節(jié)描述；另一部分描述飽和水的體積，汽包壓力變化、冷流體進(jìn)入量的變化都將引起汽包水中汽包的數(shù)量的變化，引起汽水體積的變化，最終導(dǎo)致汽包水位

34、的變化，氣泡的產(chǎn)生或破裂最終會(huì)在新的狀態(tài)下平衡下來，因此可以用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來描述。圖示3-2和圖示3-3表示了這個(gè)分解的過程。由于引起汽包產(chǎn)生或破裂的機(jī)理不同，這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)H的時(shí)間，一般，表征負(fù)荷擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)要小一些，增益要大一些。</p><p><b>　　由圖3-2可以得到</b></p><p>　?。?-1）

35、 </p><p>　　式（1-1）表示給水?dāng)_動(dòng)下的對(duì)象特性可以由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)或串聯(lián)表示，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 調(diào)節(jié)通道模型</p><p>　　由于，給水?dāng)_動(dòng)引起的虛假水位不太明顯。主要表現(xiàn)為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時(shí)用慣性加純遲延描述這一特性，即</p><p>　　(

36、S)= （3-2）</p><p>　　式中, 稱飛升速度，表示進(jìn)出物料不平衡時(shí)水位變化的速度。</p><p>　　式（1-2）可以由如圖7所示純滯后環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成。</p><p>　　由圖7可以看出，負(fù)荷變化引起的虛假水位現(xiàn)象十分嚴(yán)重，通常，用一個(gè)積分環(huán)節(jié)加一個(gè)反方向的，時(shí)間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)描述負(fù)荷與汽包水

37、位的關(guān)系，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式（1-3）可以由如圖3-6所示慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)并聯(lián)構(gòu)成</p><p>　　相對(duì)于其他環(huán)節(jié)，閥門的特性可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>

38、;　　副對(duì)象可以看做是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié)</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　綜合以上各部分，可以得出對(duì)象模型如圖3-7所示</p><p>　　針對(duì)一個(gè)蒸發(fā)量數(shù)百噸的鍋爐，相應(yīng)時(shí)間大約為30s（飛升速度0.0331/s），滯后時(shí)間與鍋爐形式有關(guān)，在幾秒到數(shù)百秒之間。大約在10—20s之間。結(jié)合仿真中時(shí)間

39、比例尺的概念，可以取=1，，進(jìn)行仿真。</p><p>　　3.3.2 汽包水位仿真系統(tǒng)的構(gòu)造</p><p>　　在構(gòu)成前饋-串級(jí)給水控制系統(tǒng)時(shí)，通常取汽包液位為主變量，給水流量為副變量，主蒸汽流量為前饋?zhàn)兞?，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的給水控制系統(tǒng)框圖如圖所示。</p><p><b>　　其中：</b></p><p><

40、;b>　　主對(duì)象</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　廣義副對(duì)象</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　負(fù)荷干擾通道</b></p>

41、<p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　4 控制系統(tǒng)的介紹與設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1串級(jí)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程日趨強(qiáng)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。</p>

42、<p>　　4.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖如圖4-1所示</p><p>　　4.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力。</p><p>　　改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。</p><p>　　對(duì)負(fù)荷或操作條件

43、的變化有一定自適應(yīng)能力。</p><p>　　4.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　首先是主、副回路的選擇，串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，它的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的種種特點(diǎn)都是因?yàn)樵黾恿烁被芈返木壒?。可以說，副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，問題

44、的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象，然后組成一個(gè)副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副控變量（副變量）。以下是關(guān)于副回路設(shè)計(jì)的幾個(gè)原則。</p><p>　　副被控變量（副變量）的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，并且反應(yīng)靈敏。</p><p>　　副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。</p><p>　　應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。&l

45、t;/p><p>　　然后是主、副控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇。從串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此主控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)類似。但凡是需要采用串級(jí)控制的場(chǎng)合，工藝上對(duì)控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許主被控變量（主變量）存在偏差，因此，主控制器都必須具有積分作用，一般都采用PI控制器。如果副回路外面的容積數(shù)目較多，同時(shí)有主要擾動(dòng)落在副回路外面，就可以考慮采用PID控制器。主控制器的任務(wù)是準(zhǔn)確保

46、持主被控變量（主變量）符合生產(chǎn)要求。</p><p>　　副回路既是隨動(dòng)控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)。而副變量則是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量，一般無嚴(yán)格的指標(biāo)要求，即副變量并不要求無差，所以副控制器一般都選用P控制器，也可以采用PD控制器，但是這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且沒有很大的效果。在一般情況下，采用P控制器就足夠了。如果主、副回路的頻率相差很大，也可以考慮采用PI控制器。副控制器的任務(wù)是要快動(dòng)作以迅速抵消落在

47、副回路內(nèi)的二次擾動(dòng)。</p><p>　　最后是主、副控制器正、反作用的選擇。與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一樣，一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，其主、副回路都必須構(gòu)成負(fù)反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。</p><p>　　副控制器作用方式的選擇，是根據(jù)工藝安全等要求，在選定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式后，按照使副回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定的。因此，副控制器的作用方式與副對(duì)象特性及調(diào)節(jié)閥

48、的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式的選擇方法相同。這時(shí)可不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值即可。</p><p>　　在假定副測(cè)量變送器的增益為正的情況下，副控制器正、反作用選擇的判別式為</p><p>　?。ǜ笨刂破鳎ㄕ{(diào)節(jié)閥）（副對(duì)象）=（—）</p><p>　　其中，調(diào)節(jié)閥的“”取決于它的“

49、氣開”還是“氣關(guān)”作用方式，“氣開”為“+”，“氣關(guān)”為“—”；而副對(duì)象的“”取決于控制變量和副被控變量的關(guān)系，控制變量增大，副被控變量也增大時(shí)稱其為“+”，否則稱其為“—”。</p><p>　　主控制器的作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而與調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式及副控制器的作用方式完全無關(guān)，即只需根據(jù)主對(duì)象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。</p><p>　　在選擇主控

50、制器的作用方式時(shí)，首先把整個(gè)副回路簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)節(jié)。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其副回路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個(gè)副回路可看成為一個(gè)增益為正的環(huán)節(jié)。這樣，在假定主測(cè)量變送器的增益為正的情況下，主控制器正、反作用的選擇實(shí)際上只取決于主對(duì)象的增益符號(hào)。</p><p>　　主控制器正、反作用方式選擇的判別式為</p><p>　　（主控制器）（主對(duì)象

51、）=(—)</p><p>　　由這個(gè)判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對(duì)象的特性相反，即當(dāng)主對(duì)象的增益為正時(shí)，主控制器選反作用；而當(dāng)主對(duì)象的增益為負(fù)時(shí)，主控制器選正作用。</p><p>　　4.2 前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　4.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　a．前饋控制是一種開環(huán)控制。前饋控制有利于對(duì)系統(tǒng)中的主

52、要干擾進(jìn)行及時(shí)控制。</p><p>　　b．前饋控制是一種按擾動(dòng)大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂?。在理論上，前饋控制可以把偏差完全消除?lt;/p><p>　　c．一種前饋控制器只能克服一種擾動(dòng)。由于前饋控制作用是按擾動(dòng)進(jìn)行工作的，而且整個(gè)系統(tǒng)也是開環(huán)的。因此根據(jù)一種擾動(dòng)設(shè)計(jì)的前饋控制器只能克服這一擾動(dòng)，而對(duì)于其他擾動(dòng)，前饋控制器無法檢測(cè)到。</p><p>　　d. 前饋控制只

53、能抑制可測(cè)不可控?cái)_動(dòng)對(duì)被控變量的影響。如果擾動(dòng)不可測(cè)，就無法采用前饋控制；而如果擾動(dòng)可測(cè)又可控，則只要涉及一個(gè)簡(jiǎn)單的定值控制系統(tǒng)，而無需采用前饋控制。</p><p>　　e. 前饋控制使用的是視對(duì)象特性而定的專用控制器。一般的反饋控制系統(tǒng)中的控制器可采用通用類型的PID控制器；而前饋控制器的控制規(guī)律與被控對(duì)象控制通道和干擾通道的特性有關(guān)。</p><p>　　4.2.2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)

54、構(gòu)</p><p>　　常用的前饋控制系統(tǒng)又單純前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)和前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　首先是單純前饋控制系統(tǒng)，單純前饋控制系統(tǒng)時(shí)開環(huán)控制系統(tǒng)，一般單純前饋控制系統(tǒng)的框圖如圖4-2所示。圖中，D（s）和Y（s）分別為擾動(dòng)量和被控變量的拉氏變換，為干擾通道的傳遞函數(shù)，為控制通道的傳遞函數(shù)，為前饋控制器的傳遞函數(shù)。</p><

55、p>　　確定前饋控制器的控制規(guī)律是實(shí)現(xiàn)對(duì)單純前饋控制系統(tǒng)干擾完全補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。</p><p>　　由圖4-2可知，在擾動(dòng)量D（s）作用下，系統(tǒng)的輸出Y（s）為</p><p><b>　　或者寫為</b></p><p><b>　　+</b></p><p>　　系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)量D（s）實(shí)現(xiàn)完

56、全補(bǔ)償?shù)臈l件是D（s）≠0，而Y（s）=0，即</p><p><b>　　=0</b></p><p>　　于是，可得前饋控制器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　由式（4-1）可知，不論擾動(dòng)量D（s）為何值，總有被控變量Y（s）=0，即擾動(dòng)量D（s）

57、對(duì)于被控變量Y（s）的影響將為零，從而實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償，這就是“不變性”原理?？梢钥闯?，要實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)量的完全補(bǔ)償，必須保證等環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是精確的；否則，就不能保證Y（s）等于零，于是，被控變量與設(shè)定值之間就會(huì)出現(xiàn)偏差。</p><p>　　前饋控制分為靜態(tài)前饋控制和動(dòng)態(tài)前饋控制。</p><p>　　所謂靜態(tài)前饋控制，就是指前饋控制器的控制規(guī)律為比例特性，即</p><

58、p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，稱為靜態(tài)前饋系數(shù)。</p><p>　　在實(shí)際的過程控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)往往都是時(shí)間的函數(shù)。所以采用靜態(tài)前饋控制方案，就不能很好補(bǔ)償動(dòng)態(tài)誤差，特別是在對(duì)動(dòng)態(tài)誤差控制精度要求很高的場(chǎng)合，必須考慮采用動(dòng)態(tài)前饋控制方式。</p><p>　　動(dòng)態(tài)前饋控制

59、的設(shè)計(jì)思想是，通過選擇適當(dāng)?shù)那梆伩刂破?，使干擾信號(hào)經(jīng)過前饋控制器至被控變量通道的動(dòng)態(tài)特性完全復(fù)制對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性，并使它們的符號(hào)相反，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。其傳遞函數(shù)一般可表示為</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　若實(shí)際系統(tǒng)的，則動(dòng)態(tài)前饋控制器為</p><p><b>　?。?

60、-4）</b></p><p>　　由于單純的前饋控制是一種開環(huán)控制，它在控制過程中完全不測(cè)取被控變量的信息，因此，它只能對(duì)指定的擾動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償控制，而對(duì)其他的擾動(dòng)量無任何補(bǔ)償作用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。前饋控制器用來消除可測(cè)擾動(dòng)量對(duì)被控變量的影響，而反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其他不可測(cè)干擾所產(chǎn)生的影響，典型的前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-3所

61、示。</p><p>　　根據(jù)圖4-3可得，擾動(dòng)量D（s）對(duì)被控變量Y（s）的閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　在擾動(dòng)量D（s）作用下，對(duì)被控變量Y（s）完全補(bǔ)償?shù)臈l件是D（s）≠0，Y（s）=0，因此有</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　由式（4—5）可知，從實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)主要擾動(dòng)量完全

62、補(bǔ)償?shù)臈l件看，無論是采用單純的前饋控制或是采用前饋—反饋控制，其前饋控制器的特性不會(huì)因?yàn)樵黾恿朔答伝芈范淖儭?lt;/p><p>　　4.2.3 前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　（1）擾動(dòng)量的選擇。前饋控制器的輸入變量時(shí)擾動(dòng)，擾動(dòng)量選擇的依據(jù)如下。</p><p>　　a．?dāng)_動(dòng)量可測(cè)但不可控，例如換熱器進(jìn)料量和供汽鍋爐的負(fù)荷變化等。</p>&l

63、t;p>　　b. 擾動(dòng)量應(yīng)是主要擾動(dòng)，變化頻繁且幅度較大。</p><p>　　c. 擾動(dòng)量對(duì)被控變量影響大，用反饋控制較難實(shí)現(xiàn)所需控制要求。</p><p>　　d. 擾動(dòng)量雖然可控，但工藝要經(jīng)常改變其數(shù)值，進(jìn)而影響被控變量。</p><p>　?。?）系統(tǒng)引入前饋控制的原則。</p><p>　　一般來說，在系統(tǒng)中引入前饋必須遵循以

64、下幾個(gè)原則。</p><p>　　a.系統(tǒng)中的擾動(dòng)量是可測(cè)不可控的。如果前饋控制所需的擾動(dòng)量不可測(cè)，前</p><p>　　控制也就無法實(shí)現(xiàn)。如果擾動(dòng)量可控，則可設(shè)置獨(dú)立的控制系統(tǒng)予以克服，也就無須設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的前饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　b．系統(tǒng)中的擾動(dòng)量的變化幅值大、頻率高。擾動(dòng)量幅值變化越大，對(duì)被控變量的影響也就越大，偏差也越大，因此，按擾動(dòng)變化設(shè)計(jì)的

65、前饋控制要比反饋控制更有利。高頻干擾對(duì)被控對(duì)象的影響非常明顯，特別是對(duì)純延遲時(shí)間小的流量控制對(duì)象，容易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)震蕩。采用前饋控制，可以對(duì)擾動(dòng)量進(jìn)行同步補(bǔ)償控制，從而獲得較好的控制品質(zhì)。</p><p>　　c. 控制通道的純遲延時(shí)間較大或干擾通道的時(shí)間常數(shù)較小。當(dāng)系統(tǒng)控制通道的純遲延時(shí)間較大，采用反饋控制難以滿足工藝要求，這時(shí)可以采用前饋控制，把主要擾動(dòng)引入前饋，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。</p>

66、;<p>　　d．當(dāng)工藝上要求實(shí)現(xiàn)變量間的某種特殊關(guān)系，需要通過建立數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，可選用前饋控制。這實(shí)質(zhì)上是把擾動(dòng)量代入已建立的數(shù)學(xué)模型中去，從模型中求解控制變量，從而消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。</p><p>　?。?）前饋控制系統(tǒng)的選用原則。</p><p>　　當(dāng)決定選用前饋控制方案后，還需要確定前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的選擇要遵循以下原則。</p>

67、;<p>　　a.優(yōu)先性原則。采用前饋控制的優(yōu)先性次序?yàn)殪o態(tài)前饋控制、動(dòng)態(tài)前饋控制、前饋-反饋控制和前饋-串級(jí)控制。</p><p>　　b.經(jīng)濟(jì)性原則。由于動(dòng)態(tài)前饋的設(shè)備投資高于靜態(tài)前饋，而且整定也比較復(fù)雜，因此,當(dāng)靜態(tài)前饋能滿足工藝要求時(shí)，不必選用動(dòng)態(tài)前饋。</p><p>　　c.控制系統(tǒng)精確辨識(shí)原則，在采用單純前饋控制系統(tǒng)中，要求構(gòu)成系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)盡可能精確辨

68、識(shí)，因?yàn)殚_環(huán)控制系統(tǒng)中的任一環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的控制精度有一定的影響。</p><p>　　5 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)</p><p>　　5.1串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析</p><p>　　串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示。這個(gè)系統(tǒng)包含三個(gè)回路分別為主回路、副回路和前饋通道回路。為了保證被控制的變量沒有靜態(tài)誤差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控

69、制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入信號(hào)，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，所以蒸汽流量的信號(hào)并不一定和給水流量的信號(hào)一樣。副回路的主要作用是消除內(nèi)擾，主回路主要作用是糾正水位的誤差，而前饋通路回路則用于補(bǔ)償外擾，并且克服虛假水位現(xiàn)象。</p><p>　　圖5-1串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-2所示。從方框圖中可以看出，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回

70、路：（1）是由給水流量W，給水分流器，調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路。（2）由水位調(diào)節(jié)對(duì)象G（o1）和內(nèi)回路構(gòu)成主回路。蒸汽流量D、分流器，對(duì)象G（o2）均在閉合回路之外，它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。</p><p>　　5.2 汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)</p><p>　　根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，介紹消除三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個(gè)方法：&

71、lt;/p><p>　　輔助信號(hào)自消的方法。自消就是輔助信號(hào)X（t）經(jīng)一個(gè)不完全微分環(huán)節(jié)得到信號(hào)再加至控制器。</p><p>　　輔助信號(hào)對(duì)消的的方法。所謂對(duì)消就是輔助信號(hào)滿足對(duì)消條件，設(shè)有兩輔助信號(hào)和。</p><p>　　汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量PID串級(jí)控制系統(tǒng)如圖5-3所示。與一般串級(jí)系統(tǒng)不同的是引入了蒸汽流量作為靜態(tài)前饋信號(hào)，是一個(gè)帶有靜態(tài)前饋的串級(jí)控制系

72、統(tǒng)。串級(jí)系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，但它對(duì)信號(hào)的靜態(tài)配合要求不嚴(yán)格，這是因?yàn)橹髡{(diào)節(jié)器能自動(dòng)校正信號(hào)不準(zhǔn)所引起的誤差。水位偏差控制采用蒸汽流量與給水流量對(duì)消的方式來消除偏差，即取</p><p>　　5.3鍋爐汽包水位的串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)MATLAB仿真</p><p>　　通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的分析，采用三沖量控制系統(tǒng)有利于消除系統(tǒng)的時(shí)滯現(xiàn)象和“虛假水位”。同時(shí)通過實(shí)際的測(cè)量建立系統(tǒng)

73、模型，試驗(yàn)得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。</p><p>　?。?）水流量的傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　?。?）汽流量的傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?-2 ）</b></p><p>　?。?）變送器的比例系數(shù)</p>

74、;<p>　　水位變化范圍為50mm。水位變送器的電流變化為0-10mA，所以水位變送器的比例系數(shù)為：。</p><p>　　水流量和汽流量變送器的比例系數(shù)為。</p><p>　　通過估算及仿真實(shí)驗(yàn)得到：根據(jù)，給水流量信號(hào)和氣流量信號(hào)的分流系數(shù)為：0.21。</p><p>　　PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到：</p>

75、<p>　　主控制器的PID參數(shù)為：</p><p>　　副控制器的PID參數(shù)為：</p><p>　　3 汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)圖</p><p>　　圖5-4汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng)圖</p><p>　　圖5-5 500s加入給水流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　6.鍋

76、爐汽包水位的模糊控制</p><p>　　6.1 模糊控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　模糊控制是一種新興的控制手段，自問世以來，得到了迅速的發(fā)展，在很多領(lǐng)域都有了成功的應(yīng)用。以模糊集合理論為基礎(chǔ)的，它是模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)與模糊系統(tǒng)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制利用模糊集合理論，把人的語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法，一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象模擬人的思維方式控制。

77、</p><p>　　模糊控制的控制規(guī)律是語言規(guī)則，基本形式是“如果…”，“則”…，是一個(gè)邏輯推理過程，前半部分語句是條件，后半部分語句是結(jié)果。</p><p>　　模糊控制的語言規(guī)則的所有部分都是對(duì)事物的一種模糊描述。例如“衣服很臟則要多洗一會(huì)”這個(gè)規(guī)則描述中，“衣服很臟”和“多洗一會(huì)”都是一種模糊語言描述。只有將傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與模糊描述良好的搭配起來使用，構(gòu)成一條新的數(shù)學(xué)分支—模糊數(shù)學(xué)，計(jì)算

78、機(jī)才能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則。</p><p>　　如圖6-1所示，它的核心部分為模糊控制器，模糊控制器由計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由各種調(diào)節(jié)閥組成，一般控制作用比如使角度、位置、電壓等發(fā)生變化。檢測(cè)裝置一般由傳感器和變送裝置組成，對(duì)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等變化放大為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。被控對(duì)象是一種設(shè)備或裝置或若干個(gè)組成的對(duì)象，工作在一定的約束條件下，實(shí)現(xiàn)人們的某種目的。</p><

79、p>　　6.1.1模糊控制器的工作原理</p><p>　　模糊控制器是一種仿人控制規(guī)則中的條件。一般為描述偏差，其本質(zhì)是反饋控制。是一種用模糊控制算法的控制器。模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。它的工作過程如下：用模糊條件語句來表示人的經(jīng)驗(yàn)，用模糊理論對(duì)語言變量進(jìn)行量化，然后利用模糊推理對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，根據(jù)分析處理結(jié)果做出相應(yīng)的控制決策。模糊推理、模糊化、反模糊化構(gòu)成模糊控制器。</

80、p><p>　　圖6-2模糊控制器的組成</p><p><b>　　（1）模糊化</b></p><p>　　模糊化的作用就是將測(cè)量到的清晰數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊量。如果對(duì)某個(gè)模糊變量的隸屬度為0，則這個(gè)模糊變量為前提條件的規(guī)則在控制中不起作用。論域上定義若干個(gè)語言變量，作為規(guī)則的條件或者結(jié)果。</p><p>　　模糊化的首先就是

81、進(jìn)行論域變換，然后是講求得的輸入對(duì)應(yīng)于語言變量的隸屬度。語言變量的隸屬函數(shù)有兩種表示方法，連續(xù)方式和離散方式。</p><p><b>　?。?）模糊推理</b></p><p>　　模糊控制算法多用語言規(guī)則表達(dá)，因此控制作用的產(chǎn)生是推理的結(jié)果。模糊規(guī)則的基本形式是“如果則”，模糊規(guī)則的數(shù)學(xué)表示即模糊關(guān)系有多種形式，使用較多的是轉(zhuǎn)移關(guān)系和合成關(guān)系。</p>

82、<p><b>　　（3）解模糊</b></p><p>　　將模糊集合變成清晰值的過程稱為解模糊。解模糊的算法有兩種：最大隸屬度法和區(qū)域重心法。</p><p>　　6.1.2模糊PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括一下幾個(gè)方面：首先確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，其次設(shè)計(jì)控制器的控制規(guī)則，確定輸入、輸出變

83、量的論域以及隸屬度等這些模糊控制器參數(shù)，解模糊化以及模糊化的方法。</p><p>　?。?）模糊控制器輸入與輸出變量</p><p>　　也就是汽包實(shí)際水位與給定水位值之差e以及汽包水位偏差變化ec作為輸入變量。輸出變量為給水閥門控制量u。，u（k）直接影響水位變化，輸出控制量u(k)對(duì)應(yīng)閥門開度變化，當(dāng)閥門開大時(shí)為“正”，即給水流量增加，反之，則閥門關(guān)閉為“負(fù)”。</p>

84、<p>　　（2）對(duì)輸入與輸出變量進(jìn)行模糊化處理</p><p>　　水位誤差e、誤差變化量ec、給水閥門控制量u都是清晰量，不能進(jìn)行模糊運(yùn)算，將水位誤差e、誤差變化量 ec、給水閥門控制量這些清晰量，變化成對(duì)應(yīng)的模糊量E、EC、U。 </p><p><b>　　(6-1)</b></p><p><b>　　(6-2)

85、</b></p><p><b>　　(6-3)</b></p><p>　　論域設(shè)置{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}為模糊控制器各模糊控制器語言變量E、EC、U。{正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大}為模糊子集。分別對(duì)應(yīng)為{PB,PM,PS,0，NS,NM,NB}。</p><p>　?。?）

86、模糊變量的模糊子集的制定</p><p>　　在選擇描述模糊變量的各個(gè)模糊子集時(shí)，應(yīng)使它們較好地覆蓋整個(gè)論域。水位偏差的變化范圍是[-50，+50]。將水位偏差和水位誤差率模糊語言變量量化到整數(shù)論域均為：｛-3、+3｝。輸出變量的整數(shù)論域?yàn)椋簕-3 3｝。</p><p>　　各變量隸屬函數(shù)曲線采用曲線型，水位誤差、誤差變化率的隸屬度曲線，輸出控制量的隸屬度曲線如圖6-3所示</p&

87、gt;<p>　　圖6-3模糊規(guī)則的建立</p><p>　　量化因子的選擇：誤差的量化因子，誤差變化率的量化因子輸出控制量的比例因子，其中為水位誤差值，為水位誤差變化率，為輸出控制量n、m、l為論域值。</p><p>　　對(duì)系統(tǒng)的影響：越大，調(diào)節(jié)死區(qū)越小，上升速率變大，過大系統(tǒng)變會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間t增大，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。越大，反應(yīng)時(shí)間比較慢。過小引起大的超調(diào)

88、，使調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)不能工作。當(dāng)于常規(guī)的比例增益，大，上升速度較快，過大將產(chǎn)生較大超調(diào)，影響穩(wěn)態(tài)工作，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　?。?）模糊控制規(guī)則的語言描述</p><p>　　控制規(guī)則一般由模糊條件語句來表達(dá)：</p><p>　　IF E=NB and EC=NB, then U=NB</p><p>

89、　　IF E=NM and EC=NB, then U=NB</p><p>　　IF E=NS and EC=NB, then U=NB</p><p>　　IF E=ZE and EC=NB, then U=NB</p><p>　　IF E=PS and EC=NB, then U=NM</p>&l

90、t;p>　　IF E=PM and EC=NB, then U=NS</p><p>　　IF E=PB and EC=NB, then U=ZE</p><p>　　IF E=NB and EC=NM, then U=NB</p><p>　　IF E=NM and EC=NM, then U=NB</p&

91、gt;<p>　　IF E= NB and EC=NM, then U=NM</p><p>　　IF E= NM and EC=NM, then U=NM</p><p>　　IF E= NS and EC=NM, then U=NS</p><p>　　IF E= ZE and EC=NM, then

92、 U=ZE</p><p>　　IF E= PS and EC=NM, then U=PS</p><p>　　當(dāng)考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)控制系統(tǒng)誤差大的時(shí)候，控制量的作用是消除誤差；當(dāng)控制系統(tǒng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要以防止為主，最根本的是使保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，當(dāng)EC為負(fù)值時(shí)，水位有上升的趨勢(shì)，如果此時(shí)水位過高，則應(yīng)關(guān)閉給水水閥以減少入水量，使水位下降；

93、反之，應(yīng)開大水閥。據(jù)此，得到如表所示的四十九條規(guī)則。 </p><p>　　由規(guī)則知，模糊規(guī)則表如下圖。</p><p>　　表6-2 的控制規(guī)則表</p><p>　　表6-3 的控制規(guī)則表</p><p>　　表6-4 的控制規(guī)則表</p><p>　　上表由模糊條件語句表示的四十九條控制規(guī)則，組成的這四十九條控制

94、規(guī)則就是汽包水位控制時(shí)用的模糊控制算法，實(shí)際是用分段條件語句，一個(gè)離散式的模糊控制模型，取代了傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可應(yīng)用于復(fù)雜控制系統(tǒng)的模糊控制中。</p><p><b>　　（5）模糊推理</b></p><p>　　模糊控制系統(tǒng)中，采取正向推理，易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用max-min推理算法。</p><p>　?。?）輸出量的去模糊化&

95、lt;/p><p>　　將汽包水位偏差e和汽包水位偏差變化ec量化為論域中的某個(gè)等級(jí)。經(jīng)過相關(guān)的合成算法，計(jì)算控制量的模糊子集。然后按照最大隸屬度法得到模糊控制表。上面的求解過程就是max-min推理合成法。推理合成法易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)用有效，簡(jiǎn)單快捷，大多數(shù)模糊控制都用推理合成法。</p><p>　　在汽包水位控制，汽包水位偏差和汽包水位偏差變化量通過查找模糊控制規(guī)則表得到校正量，然后乘以比例因

96、子得到，，。整定的瞬態(tài)PID參數(shù)由，，分別加上PID基準(zhǔn)值得到。</p><p>　　6.2模糊控制系統(tǒng)的建模及仿真</p><p>　　（1）雙擊MATLAB圖標(biāo)，進(jìn)入MATLAB編程環(huán)境，輸入fuzzy, 出現(xiàn)FIS編輯器。對(duì)有關(guān)輸入輸出，變量名稱進(jìn)行編輯。如圖6-4所示。</p><p>　　圖6-4 FIS編輯器</p><p>　　

97、（2）語言變量隸屬度的定義</p><p>　　雙擊FIS編輯器輸出變量與輸入變量的方框，進(jìn)入隸屬函數(shù)編輯器，對(duì)模糊變量的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯。定義變量的論域，模糊集，隸屬函數(shù)的類型。如圖6-5所示。</p><p>　　圖6-5 隸屬度函數(shù)編輯器</p><p>　　（3）模糊控制規(guī)則的定義</p><p>　　FIS編輯器的View菜單下的編

98、輯規(guī)則子菜單，即可進(jìn)入模糊規(guī)則輸入。當(dāng)模糊規(guī)則編輯好以后，文件后綴加入為.fis。如圖6-6所示。</p><p>　　圖6-6模糊控制規(guī)則的編輯</p><p><b>　?。?）輸出預(yù)覽</b></p><p>　　選擇FIS編輯器主菜單的View surface，三維圖如6-7所示。</p><p>　　圖6-7

99、輸出預(yù)覽圖</p><p>　　圖6-8模糊自適應(yīng)PID控制模型圖</p><p>　　圖6-9 500s加入給水流量擾動(dòng)時(shí)模糊PID控制仿真結(jié)果</p><p>　　圖6-10 500s加入給水流量擾動(dòng)時(shí)串級(jí)三沖量PID控制水位仿真圖</p><p>　　通過比較6-9和6-10可得出</p><p>　　自適應(yīng)模糊

100、控制系統(tǒng)的超調(diào)量比較??；</p><p>　　當(dāng)控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)較快平穩(wěn)，取得較好的控制效果，說明自適應(yīng)模糊控制的魯棒性好；</p><p>　　自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間小，震蕩周期短；</p><p>　　采用參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制方式，系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都較好，取得良好的控制效果，自適應(yīng)能力強(qiáng)</p><

101、p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　通過這段時(shí)間的努力，我的論文基于智能PID的鍋爐汽包水位控制已經(jīng)基本完成，本次設(shè)計(jì)能夠基本完成老師的要求，用Matlab能夠?qū)刂七M(jìn)行仿真，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我能夠從中學(xué)到很多東西。</p><p>　　首先，能夠了解到汽包對(duì)于鍋爐重要的作用，通過汽包來對(duì)鍋爐的水位進(jìn)行控制，通過我的這個(gè)設(shè)計(jì)能夠解決汽包水位的“

102、虛假水位”的現(xiàn)象，更加方便對(duì)鍋爐汽包水位的控制。</p><p>　　其次，能夠了解到前饋控制和串級(jí)控制對(duì)于本次設(shè)計(jì)的作用，串級(jí)控制對(duì)于二次干擾有很強(qiáng)的克服能力，改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化由一定自適應(yīng)能力。前饋控制有利于對(duì)系統(tǒng)中的主要干擾進(jìn)行及時(shí)控制，可以把偏差完全消除。</p><p>　　最后能夠熟悉掌握關(guān)于Matlab的一些基本的操作，用Sim

103、ulink對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)仿真的目的。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　隨著本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，我的大學(xué)生活也將結(jié)束。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我獲益匪淺，在這過程中我學(xué)會(huì)了去搜集資料和文獻(xiàn)來幫助我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)于前饋控制和串級(jí)控制更加了解，能夠懂得怎么用智能PID去對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，并且更加熟練的掌握一些關(guān)于Matlab的知識(shí)。&

104、lt;/p><p>　　在這里要感謝我的指導(dǎo)老師，在開題階段告訴我怎么去設(shè)計(jì)，用什么方法去設(shè)計(jì)，并且在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我很大的幫助，幫我確定了方向，能夠讓我很順利的上手，有一個(gè)很清晰的思路去面對(duì)本次設(shè)計(jì)，無論是在理論學(xué)習(xí)階段和設(shè)計(jì)進(jìn)行階段都給予我很大的幫助，在這里再次感謝指導(dǎo)老師。</p><p>　　希望在將來的學(xué)習(xí)和工作中，能夠更加努力來答謝老師和同學(xué)我的信任。</p>

105、<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]潘煉，方康玲，吳懷宇主編.過程控制與集散系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008</p><p>　　[2]李國(guó)勇.過程控制系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[3]孫優(yōu)賢，孫紅.鍋爐設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)[M].北京；化工出版社，1982.<

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