基于模糊控制器的船用鍋爐燃燒系統(tǒng)的設(shè)計.ppt

摘要,模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計算機(jī)控制方法。由于它不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是模擬人的思維方式來實施控制，因而對于船用鍋爐燃燒的控制就具有了傳統(tǒng)PID控制所無法比擬的自適應(yīng)能力。本文首先介紹船用鍋爐燃燒系統(tǒng)自動控制的主要任務(wù)，并介紹了目前船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展，以及模糊控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在制工程中的應(yīng)用。然后根據(jù)船用鍋爐燃燒過程的工作原理，通過對蒸汽壓力的動態(tài)特性的分析，得到了蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象的模型，并通過一定的假設(shè)和簡化，得到鍋爐蒸汽壓力近似數(shù)學(xué)模型。針對船用鍋爐這種具有非線性、參數(shù)不穩(wěn)定、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制對象，采用傳統(tǒng)的PID控制，效果不佳。結(jié)合模糊控制理論和PID控制，本文提出用模糊自適應(yīng)PID控制器實現(xiàn)對船用鍋爐主蒸汽壓力的控制，空燃比的協(xié)調(diào)控制采用變偏置雙交叉限幅燃燒控制方法。本論文應(yīng)用MATLABSIMULINK對模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器的鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究。并利用MATLABSIMULINK仿真工具對模糊自適應(yīng)PID控制器的性能作了初步研究。仿真結(jié)果表明，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。關(guān)鍵詞：船用鍋爐；模糊控制：PID：模糊自適應(yīng)PID,目錄,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船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計5.1鍋爐燃燒控制系統(tǒng)概述5.2主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計6船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真研究6.1控制器Simulink仿真6.2控制器MATLAB編程7小結(jié)參考文獻(xiàn),1引言,隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求也在不斷地增加，能源短缺威脅著整個世界。我國人口眾多，對能源的需求量很大，但我國人均能耗低于世界平均水平，而單位產(chǎn)值的能耗卻為發(fā)達(dá)國家的二倍?？梢?，節(jié)能問題已經(jīng)成為一個亟待解決的影響國家發(fā)展的問題。船用鍋爐是船舶動力裝置的重要組成部分。在蒸汽動力裝置的船舶上，蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽用于驅(qū)動主汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以推動船舶前進(jìn)，同時也為各種以蒸汽為動力的輔機(jī)和其它需要以蒸汽為熱源的設(shè)備提供不同質(zhì)量的蒸汽。在柴油機(jī)動力裝置的船舶上，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽主要用于加熱燃油、滑油、工作水、驅(qū)動輔機(jī)及提供各種生活用汽。船用鍋爐在尺寸相對變化較小的情況下，其蒸發(fā)量越來越大。隨著對船舶續(xù)航力要求的提高，在保證快速性的前提下，對鍋爐燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高，這就對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)提出了更高的要求，在保證系統(tǒng)響應(yīng)性能的同時，還要兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。船用鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關(guān)聯(lián)的對象，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在著許多交叉的影響，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時，所有的被調(diào)量都會發(fā)生變化。如何使主蒸汽壓力既具有良好的動態(tài)特性，又能使入爐燃料得以充分燃燒(即高效燃燒問題)，是燃燒優(yōu)化控制的真正內(nèi)涵，也是燃燒過程控制的關(guān)鍵。本論文結(jié)合船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的兩個任務(wù)：維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定和燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性，研究并設(shè)計一個既能兼顧鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的快速性，又能兼顧燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。從而提高船用鍋爐的熱效率，節(jié)約能源。,2PID控制原理,數(shù)字PID控制在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其控制原理框圖如圖1所示：,圖1PID控制系統(tǒng)原理圖,PID控制是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差為e(t)=（t)-c(t)。將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：PID控制規(guī)律離散表述形式：式中：Kp一一比例系數(shù)d；Ti一一積分時間常數(shù)；Td一一微分時間常數(shù)。,T為采用周期，k為采樣序號，k=1，e(k一1)和e(k)分別為第(k一1)和k時刻所得的偏差信號。PID控制器各個校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。(2)在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)乃，Z越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。(3)在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化超前，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”、“積分”項，往往是不夠的，需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)得動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。,3模糊控制基本原理,模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個重要分支。模糊集合和模糊控制的概念是由美國加州大學(xué)教授LAZadeh在其Fuzzysets)、FuzzyAlgorithm)及ARetionnaleforFuzzyContro1)等論著中首先提出的。模糊控制是根據(jù)對控制對象的粗略知識以及人們的生產(chǎn)技能等知識，導(dǎo)出自然語言的控制規(guī)則，利用模糊理論進(jìn)行控制的一種控制方法。模糊控制以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計算機(jī)等各種各樣處理器能接受的算法語言來實現(xiàn)。其基本原理圖如圖2所示：圖2模糊控制原理圖,整個控制系統(tǒng)中，最重要的部分是模糊控制器。其控制流程如圖3所示圖3模糊控制器原理圖模糊控制的基本思想如圖2、圖3所示，處理器通過采樣獲取被控制量的精確值c(t)，然后將其與給定值進(jìn)行差運(yùn)算，得到偏差量e(t)。偏差e(t)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成模糊控制器輸入量e，把輸入量e進(jìn)行模糊化成模糊量，再把模糊量用相應(yīng)的模糊語言表示，從而得輸入量e模糊語言的一個子集，然后再由模糊子集和控制規(guī)則(模糊關(guān)系)根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策，得到模糊控制量為：u=e*R。式中u為一個模糊控制量。,4模糊PID控制基本原理,模糊控制理論與PID控制理論相結(jié)合應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩種控制策略各自的優(yōu)勢，提高步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)控制性能。根據(jù)模糊控制理論及PID控制理論的控制特性，可以有兩種整合控制器設(shè)計方式：(1)調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器。(2)模糊增益調(diào)整PID控制器。(1)調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器。調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器，主要是指在大偏差范圍內(nèi)(|e|/e01)時，利用模糊推理的方法調(diào)整系統(tǒng)控制量U，而在小偏差(|e|/e01)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍e0自動實現(xiàn)。其控制原理如圖4所示:圖4調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器,(2)模糊增益調(diào)整PID控制器模糊增益調(diào)整PID控制器，是利用模糊規(guī)則和推理來對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整的控制方式。其中調(diào)整的參數(shù)就是KP，Ki，KD，分別為PID控制中的比例增益、積分增益和微分增益。其控制原理圖如圖5所示:圖5模糊臼適應(yīng)整定PID控制原理圖,5船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計,5.1鍋爐燃燒控制系統(tǒng)概述5.1.1工業(yè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)工業(yè)鍋爐是一個復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，有許多個調(diào)節(jié)參數(shù)和被調(diào)節(jié)參數(shù)，還存在著錯綜復(fù)雜的擾動參數(shù)。這些參數(shù)之間的關(guān)系如下圖41所示。圖6工業(yè)鍋爐輸入輸出之間的相互關(guān)系示意圖,由圖6可以看出，工業(yè)鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關(guān)聯(lián)對象，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在著許多交叉的影響，如當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時，所有的被調(diào)量都會發(fā)生變化。而且改變?nèi)我粋€調(diào)節(jié)量時，也會影響到其它幾個被調(diào)量。因此，理想的鍋爐自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該是多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)十分復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型仍是半經(jīng)驗性的，是經(jīng)過許多假定與簡化推導(dǎo)得出的，無法應(yīng)用到實際的控制系統(tǒng)中。目前實際解決鍋爐自動調(diào)節(jié)任務(wù)的方法是將鍋爐當(dāng)作幾個相對獨立的調(diào)節(jié)對象所組成，相應(yīng)地設(shè)置幾個相對獨立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即鍋爐給水自動控制系統(tǒng)、過熱蒸汽汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)等。,工業(yè)鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務(wù)是既要提供適當(dāng)?shù)臒崃恳赃m應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，又要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的安全性。為此，燃燒過程控制系統(tǒng)由三個控制任務(wù)：1、維持主汽壓以保證蒸汽的品質(zhì)；2、維持最佳的空燃比以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性；工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系圖7如下。圖7燃燒系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系圖,5.1.2船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是燃燒所產(chǎn)生的熱量能夠適應(yīng)動力裝置對鍋爐負(fù)荷的需要，同時還要保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。船用鍋爐受使用情況、系統(tǒng)特點等諸多因素的限制，其燃燒控制系統(tǒng)一般不采用電站鍋爐及工業(yè)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的，以鍋爐排煙中的煙氣含氧量作為控制或修正信號，來實現(xiàn)燃料量與空氣量的配比控制。船用鍋爐一般燃用重油或輕柴油，其燃料熱值相對穩(wěn)定，也就是說其過?？諝庀禂?shù)在規(guī)定好的范圍內(nèi)變化。船用鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)的框圖如圖8所示圖8船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖,5.2主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計目前船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中采用了主蒸汽壓力和空氣壓力兩個控制器，由于主蒸汽壓力主控制器的控制輸出信號與燃油流量有一一對應(yīng)關(guān)系，因此由主蒸汽壓力控制器直接控制燃油流量調(diào)節(jié)滑閥，從而省去了燃油流量控制器，主蒸汽壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和燃油流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)合為一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主蒸汽壓力控制器是燃燒控制系統(tǒng)的主導(dǎo)控制器，它的測量機(jī)構(gòu)用于檢測鍋爐主停汽閥前的蒸汽壓力值；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是燃油滑閥中的調(diào)節(jié)滑閥，用于改變進(jìn)入爐膛的噴油量并使其變化值足夠用于恢復(fù)汽壓的變化。這樣使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，也可以縮短系統(tǒng)過渡過程時間，即提高系統(tǒng)的機(jī)動性能。主蒸汽壓力控制器目前采用的是PID控制器，主蒸汽壓力控制器直接控制燃油流量調(diào)節(jié)滑閥，控制進(jìn)入爐膛的燃油流量。由上可知鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關(guān)聯(lián)的對象，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間存在著許多交叉的影響，使用簡單的PID控制算法很難達(dá)到理想的控制效果。而且參數(shù)固定的PID控制，一方面參數(shù)的整定本身就較麻煩，另一方面不能滿足在不同偏差和偏差的變化率下，系統(tǒng)對PID參數(shù)的自整定要求，整個系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性將下降。模糊自適應(yīng)PID控制器能夠?qū)崿F(xiàn)PID參數(shù)的模糊自整定，即控制器根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差的變化率，通過一定的模糊推理來自行調(diào)整PID參數(shù)。此種方法易于實現(xiàn)參數(shù)的自整定，可使PID控制器的適應(yīng)性提高，從而增強(qiáng)整個系統(tǒng)的魯棒性。本論文主蒸汽壓力控制器采用模糊自適應(yīng)PID控制器，下面介紹模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計。,5.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)根據(jù)輸入變量和輸出變量的個數(shù)，模糊控制系統(tǒng)分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。在單變量模糊控制器中，將輸入變量的個數(shù)定義為模糊控制器的維數(shù)，一維模糊控制器由于僅僅采用偏差E，很難反映受控過程的動態(tài)特性品質(zhì)，因此所獲得的系統(tǒng)動態(tài)特性是不能令人滿意的。二維模糊控制器輸入變量基本上都選用了受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC，能夠嚴(yán)格的反映過程中輸出變量的動態(tài)特性。從理論上講，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度越高。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過于復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機(jī)實現(xiàn)，也就更困難。因此本論文選用二維模糊控制器，即輸入變量為受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC.,5.2.2輸入變量輸出變量的模糊化模糊控制用模糊變量子集來描述論域上的變量，當(dāng)用語言變量值表示一個語言變量時，一般將其分為510檔。如果檔數(shù)過少，語言變量值會過于粗糙，影響控制效果：如果控制檔數(shù)過多，則會帶來關(guān)系矩陣的運(yùn)算復(fù)雜等問題。一般選誤差論域6，誤差變化率論域小6，控制量論域，6。我們這里取刀=朋=，=6。則系統(tǒng)輸入輸出的模糊變量子集為：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正，J、，正中，正大)且pNB，NM，NS，O，PS，PM，PB。模糊語言變量隸屬度函數(shù)的確定，就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)曲線形狀，將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點的隸屬度。模糊隸屬函數(shù)的確定基于以下原則。隸屬函數(shù)是精確量與模糊量轉(zhuǎn)化的橋梁，它的作用十分重要，研究隸屬函數(shù)對控制性能的影響，恰當(dāng)?shù)剡x擇隸屬函數(shù)是很有意義的。模糊子集的隸屬函數(shù)對論域覆蓋面的大小直接影響控制器的輸出。三角形隸屬函數(shù)具有簡化計算，易于實現(xiàn)，本文選用三角形隸屬函數(shù)。量化因子與比例因子的確定。在“模糊化”過程中，將精確量轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的模糊論域，需要對精確量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。量化因子疋、誤差變化率量化因子如及控制量量化因子K，分別由以下各式確定。量化因子疋及如的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。當(dāng)K選得較大時，系統(tǒng)的超調(diào)也較大，過渡時間較長；如對超調(diào)的抑制作用十分明顯，當(dāng)如選擇較大時，超調(diào)量減小，如越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)時間變長。K反映了對控制器輸出幅度上的調(diào)整，邑過大，則增大控制信號的幅度，使響應(yīng)時間縮短，但是容易導(dǎo)致振蕩；K過小，則系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間變長。基于以上原則本論文選用本系統(tǒng)中的量化因子和比例因子由等級劃分初步確定后，在系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場調(diào)試中根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。,5.2.3建立模糊控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略，而手動控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、試驗以及長期經(jīng)驗積累而逐漸形成的，存貯在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識集合。利用模糊集合理論和語言變量的攝念，可以把利用語言歸納的手動控制策略上升為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用微計算機(jī)完成這個任務(wù)以代替人的手動控制，實現(xiàn)所謂的模糊自動控制。比例環(huán)節(jié)作用是成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號e。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；如果K。取值過大，會引起系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)動態(tài)性能。因此當(dāng)偏差leI較大時，為提高響應(yīng)速度，K。取大值；在偏差較小時，防止超調(diào)過大產(chǎn)生振蕩，K。應(yīng)減小；當(dāng)偏差很小時，為使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，則其應(yīng)繼續(xù)減小。同時也要考慮ec的因素，當(dāng)ec和e同號時，輸出向偏離穩(wěn)定值的方向變化，適當(dāng)增大K。；反之，適當(dāng)減小。從。的控制規(guī)則見表5.1,表51p的控制規(guī)則表,積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。它對誤差進(jìn)行積分，對系統(tǒng)控制有一定的滯后作用，積分作用過強(qiáng)，會造成系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至引起振蕩。在常規(guī)PID控制中，偏差過大時，為防止積分飽和，常將積分環(huán)節(jié)分離出來，當(dāng)偏差減小至一定范圍時，才加入積分環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)偏差eI大或較大時，為避免系統(tǒng)超調(diào)，K取零值；當(dāng)Iel較小時，積分環(huán)節(jié)有效，隨Iel的減小而增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。叢j的控制規(guī)則見表52所示表52戰(zhàn)的控制規(guī)則表,微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前加入一個修正信號，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少超調(diào)時間，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它對干擾信號同樣敏感，會使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在控制過初期，當(dāng)偏差leI較大時，為避免誤差瞬時變大，造成微分溢出，髟取小些；在偏差較小時，綜合考慮系統(tǒng)的抗擾動能力和系統(tǒng)響應(yīng)速度，髟應(yīng)適當(dāng)取值。其原則是：當(dāng)lecl值較小時，髟取大一些；當(dāng)fecl值較大時，局取較小的數(shù)值，通常為中等大小。島控制規(guī)則見表53所示。,表53戰(zhàn)控制規(guī)則表,5.2.4輸出變量的去模糊化模糊自適應(yīng)PID中三個修正參數(shù)脒P、馘、戰(zhàn)的模糊量需要去模糊化，即取得精確量進(jìn)行計算機(jī)控制。清晰化有兒種方法，在第三章中我們有所介紹。在本控制器中我們采用加權(quán)平均法求取輸出量的精確值：從而得出模糊判決后的清晰量即為自整定之后的修正參數(shù)。最終輸入至!UPID控制器的參數(shù)由下式計算得出：,5.2.5PID控制器參數(shù)的初整定主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差的變化率，通過一定的模糊推理來自行調(diào)整PID參數(shù)。此種方法易于實現(xiàn)參數(shù)的自整定，可使PID控制器的適應(yīng)性提高，從而增強(qiáng)整個系統(tǒng)的魯棒性。在主蒸汽壓力模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)投入運(yùn)行之前，要對PID控制器中的三個參數(shù)進(jìn)行初整定。下面介紹幾種常見的PID控制器參數(shù)整定的辦法。,1、ZieglerNichols法從對象的開環(huán)響應(yīng)曲線來看，大多數(shù)工業(yè)過程都能有一階慣性加純滯后模型來近似描述，其傳遞函數(shù)為：其中，K、下、T分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)。ZN法是由Ziegler(齊格勒)和Nichols(尼科爾斯)于1942年首先提出來的，在理論基礎(chǔ)之上通過實踐總結(jié)出來的，其PID控制器整定參數(shù)公式如表54所示。表54ZN法PID控制器參數(shù)整定公式,2、Cohen-Coon法經(jīng)過不少改進(jìn)，Cohen(柯恩)-Coon(庫恩)總結(jié)出了計算PID控制器參數(shù)的整定公式，它是通過配置系統(tǒng)的主導(dǎo)極點使對象的過渡曲線按4：1衰減率衰減，系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)特性的單項性能指標(biāo)，如衰減比、最大動態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時間或振蕩周期等和基于從起始時間點至穩(wěn)定時間為止的整個響應(yīng)曲線形態(tài)的誤差性能指標(biāo)。單項性能指標(biāo)直觀、簡單并且意義明確，但是難以準(zhǔn)確衡量；誤差性能指標(biāo)比較精確，但相比之下使用起來又比較麻煩。常見的基于誤差的性能指標(biāo)有：(1)絕對誤差積分(IAE)性能指標(biāo)(2)平方誤差積分(ISE)性能指標(biāo)(3)時間與絕對誤差乘積積分(ITAE)性能指標(biāo)(4)時間與誤差平方乘積積分(ISTE)性能指標(biāo)按照以上不同的誤差性能指標(biāo)進(jìn)行PID控制器參數(shù)整定時，所得到的系統(tǒng)閉環(huán)控制效果是不一樣的。基于IAE的性能指標(biāo)對小偏差的抑制能力比較強(qiáng)；基于ISE的性能著重于抑制過渡過程中的大偏差的出現(xiàn)；基于1ATE的性能指標(biāo)則可使調(diào)節(jié)時間較短；基于ISTE的性能指標(biāo)在控制大偏差的同時還可縮短調(diào)節(jié)時間。ISTE指標(biāo)同其他性能指標(biāo)相比，基于ISTE性能指標(biāo)整定得至IJPID控制器參數(shù)往往能帶來更優(yōu)的閉環(huán)響應(yīng)。特別是隨看被控對象純滯后時間T和時間常數(shù)T的比值即可控率的增加，更能顯示出ISTE指標(biāo)的優(yōu)越性。基于ISTE性能指標(biāo)整定PID控制器參數(shù)的公式由莊敏霞和DPAthenon提出的，其整定公式為：其中，al、b2、a2b2、a3、b3的取值在不同范圍的可控率下如表55所示。表55ISTE最優(yōu)整定法PID控制器參數(shù)的整定公式,其中，al、b2、a2b2、a3、b3的取值在不同范圍的可控率下如表55所示。表55ISTE最優(yōu)整定法PID控制器參數(shù)的整定公式,6船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真研究,6.1控制器Simulink仿真由于計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，可以借助計算機(jī)完成獲得系統(tǒng)時間響應(yīng)的任務(wù)，這就是數(shù)字仿真。數(shù)字仿真實質(zhì)上是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的模型，利用計算機(jī)進(jìn)行實驗研究的一種方法。本章所進(jìn)行的仿真主要是計算機(jī)仿真。仿真的主要過程是：建立模型、仿真運(yùn)行和分析研究結(jié)果。仿真運(yùn)行就是借助一定的算法，獲得系統(tǒng)的有關(guān)信息，特別是系統(tǒng)輸入和輸出響應(yīng)的變化情況。由于連續(xù)時間系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同，仿真算法也不同：對于連續(xù)時間系統(tǒng)，有不同求解微分方程的數(shù)值計算方法,6.1.1船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真研究在本論文所研究的是在負(fù)荷變化時的汽壓被控對象，由鍋爐燃燒過程理論模型分析可知，主蒸汽壓力控制對象可簡化為一階慣性加純滯后模型，其傳遞函數(shù)為：我們分別用常規(guī)PID和模糊自適應(yīng)PID兩種控制算法，在系統(tǒng)參數(shù)變化和系統(tǒng)出現(xiàn)的隨機(jī)干擾的情況下，得出主蒸汽壓力設(shè)定值為定值的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，并對響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，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最優(yōu)性能指標(biāo)整定得到PID控制器參數(shù)往往能帶來更優(yōu)的閉環(huán)響應(yīng)，因此采用基于ISTE最優(yōu)性能指標(biāo)整定得出PID三個參數(shù)值。,=23.0145,=194,=4.1092,算法下，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖。在鍋爐燃燒控制過程中，影響主蒸汽壓力的因素有很多，系統(tǒng)內(nèi)部和外部的隨機(jī)擾動會隨時出現(xiàn)，設(shè)計控制系統(tǒng)時要將這一因素考慮進(jìn)去，對系統(tǒng)出現(xiàn)的隨機(jī)干擾要能夠快速的消除。在仿真過程中，我們在t=lS0s時加入幅值為系統(tǒng)設(shè)定值10的干擾，其系統(tǒng)響應(yīng)曲線如,圖(a)為ISTE最優(yōu)整定PID控制算法的系統(tǒng)響應(yīng)圖(b)幅值為系統(tǒng)設(shè)定值10的干擾下系統(tǒng)的響應(yīng)圖圖(c)系統(tǒng)設(shè)定值15的干擾下系統(tǒng)的響應(yīng)圖圖(d)模糊自適應(yīng)PID控制算法的系統(tǒng)響應(yīng)圖,6.2控制器MATLAB編程MATLABFunction在控制器仿真框圖的任務(wù)是完成模糊PID控制中的PID控制部分，包括將歸一化的參數(shù)轉(zhuǎn)換為實際PID參數(shù)及對偏差e的PID算法編程。程序流程如圖11所示：圖11MATLABFunction程序流程圖,7、小結(jié),本章簡要介紹了計算機(jī)仿真軟件MATLABSIMULINK。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用計算機(jī)仿真軟件MATLABSIMULINK對主蒸汽壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行了計算機(jī)仿真，給出了仿真曲線，通過比較得出了結(jié)論。本文主要是將模糊控制理論運(yùn)用于船用鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)的介紹了船用鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)，分析了其自動控制系統(tǒng)的特點，并依據(jù)燃燒控制的主要任務(wù)設(shè)計了燃燒控制方案，實現(xiàn)了燃燒控制系統(tǒng)動態(tài)過程中響應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性的良好兼顧，主要得出了以下結(jié)論：1、船用鍋爐燃燒過程對象是一個多輸入、多輸出的復(fù)雜調(diào)節(jié)對象。在分析其機(jī)理的基礎(chǔ)上，得出了理論模型。在燃料量