基于FuzzyPID控制的火電廠再熱器溫度控制系統設計說明書

1、基于Fuzzy-PID控制的火電廠再熱器溫度控制系統設計摘 要 目前，火電廠再熱汽溫控制中，再熱蒸汽出口溫度控制要求高、可控性差，工藝上對再熱汽溫控制的質量有非常嚴格的要求。再熱汽溫的相對穩(wěn)定在火電廠安全性和經濟性運行中有著重要的作用。由于再熱器具有大慣性、非線性、時變、多變量和有自平衡能力等特點，如何提高再熱汽溫的控制效果，是熱工過程控制領域的重要研究課題。 本文對被控對象再熱器進行了特性分析，較為詳細的描述了PID控制和模糊控制的系統結構與原理。論文針對再熱器具有的諸多特點與火電廠對再熱汽溫控制的要求，提出了對火電廠再熱汽溫采用Fuzzy-PID的控制策略。其主要目的是使PID控制和模糊控

2、制的優(yōu)勢結合、互補，探索進一步提高再熱汽溫控制質量的有效途徑。 仿真結果表明，再熱汽溫Fuzzy-PID控制系統不依賴被控對象的數學模型，控制效果好于再熱汽溫常規(guī)PID控制系統，這有利于火電廠實現安全、經濟、可靠、優(yōu)化和環(huán)保的要求，具有廣闊的應用前景。關鍵詞：再熱溫度控制；PID控制；模糊控制；Fuzzy-PID控制AbstractAt present, the control of steam-gas exit temperature has high requirements and bad controllability in the process of reheated steam

3、temperature control in power plant. There are very strict requirements to the quality of reheated steam temperature control. The relatively stable ofreheated steam temperatureplays an important role in security and economy running ofpower plant. Due to the characteristics of re-heater such as large

4、inertia, nonlinear, time-varying, multivariableand self-balance,that makes how to improve the control quality of reheated steam temperature has become the significant research topic in thermalprocess control field.In this paper, it analyses the characteristic of reheater which is the controlled obje

5、ct, describesthe configuration and the theory in common use of PID control and fuzzy control system comparatively detailed.Paper puts forward Fuzzy-PID control according to the characteristicsof reheater like large inertia,nonlinear,time-varying,multivariable and the controlrequirements of reheated

6、steam temperature in power plant.Its main objective is tomake combination and complementary of advantages of PID control and fuzzy control in order to explore the effectiveapproach to improve the control quality of reheated steam temperature. The result of simulation indicates that the Fuzzy-PID reh

7、eat steam temperature control system does not rely on mathematical models of controlled objects, and that the quality of Fuzzy-PID control system is better thanconventional PID system. This control strategyis beneficial to realize safe,economic, credibly, optimized and environmental protection requi

8、rements of power plant and it will be have wide application foreground.Keywords: reheated steam temperature control; PID control; Fuzzy control; Fuzzy -PID control目錄第一章緒論11.1課題研究的背景與現狀11.2課題的目的與意義21.3課題研究容3第二章再熱汽溫系統概述42.1再熱蒸汽循環(huán)與其焓熵分析42.1.1再熱蒸汽循環(huán)42.1.2再熱蒸汽的焓熵分析52.2再熱器特點52.3再熱蒸汽的溫度調節(jié)62.4再熱器結構參數對其動態(tài)特性的

9、影響62.4.1煙氣再循環(huán)控制再熱器溫度系統對再熱器動態(tài)參數的影響72.4.2擺動燃燒器法再熱器溫度控制系統對動態(tài)參數的影響72.5再熱汽溫數學模型的建立72.5.1鍋爐運行規(guī)程參數72.5.2計算過程：8第三章模糊控制與PID控制103.1模糊控制理論103.1.1模糊控制簡介103.1.2模糊控制的基本原理103.2模糊控制器的設計113.2.1模糊化運算113.2.3模糊推理133.2.4清晰化計算143.3 PID控制理論153.3.1 PID控制概述153.3.2 PID的控制規(guī)律163.3 PID參數整定173.3.1采樣周期的選擇173.3.2 PID參數的工程整定法17第四章再

10、熱汽溫控制系統仿真研究194.1基于再熱汽溫控制的模糊控制器的設計194.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)簡介194.1.2基于再熱汽溫控制的模糊控制器的設計204.2基于Fuzzy控制再熱汽溫控制的仿真244.3基于Fuzzy-PID控制的再熱汽溫控制的仿真254.4基于PID控制的再熱汽溫控制的仿真26總結28參考文獻29辭3030 / 34第一章 緒論1.1課題研究的背景與現狀從20 世紀80 年代初開始，我國電力工業(yè)得到迅速發(fā)展，到1996 年擁有的發(fā)電設備容量約為20 億MW，火電年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的近80 %。我國火電廠的機組是以燃煤機組為主。近年來200MW3

11、00MW已是我國主流熱力火力發(fā)電機組，600MW800MW大機組在將來一段時期新興工程的重頭項目。目前，我國鍋爐廠正加緊研制和開發(fā)單機容量為1200MW超大型單爐直流式火力發(fā)電機組。加之，大型鍋爐也參與大型電網負荷調峰，這就對溫度控制特別是再熱汽溫控制提出可更高的要求。然而再熱器溫度控制存在著以下調節(jié)的瓶頸。一、再熱器溫度控制系統存在不足（1）再熱器溫度的煙風擋板存在流量分配非線性；（2）減溫水噴水調節(jié)再熱器出口汽溫滯后；（3）再熱氣溫調節(jié)變量存在耦合。二、再熱汽溫調節(jié)存在著被調節(jié)量的非確定性再熱蒸汽溫度對象的不確定性主要來自以下干擾源：（1）負荷變化時，燃料供應量也是變化的，再熱器吸熱量是變

12、化的，主蒸汽和再熱器的流量也隨之變化；（2）負荷基本不變時，由于燃燒工況變化與制動系統切換和停啟，導致再熱器的吸熱量變化；（3）給水壓力、溫度或流量變化時，噴水減溫效果也是變化的。三、再熱器汽溫調節(jié)的工作特點：大慣性和小慣性并存，再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性慢，再熱系統動態(tài)響應階次較高1?；痣姀S再熱器溫度這種大慣性時變對象，在一定負荷下，對象存在明顯的參數時變而且干擾較多。采用PID 控制時，因PID 控制器的參數難以自動調整，達不到火電廠中對再熱汽溫實時控制的要求。智能控制(Intelligent Control，IC)是指人們應用人工智能(ArtificialIntelligent，AI

13、)的理論和技術與運籌學的優(yōu)化方法與控制理論的方法和技術相結合，在未知環(huán)境下，仿效人類的智能，實現對系統的控制。主要用來解決那些傳統控制方法難以解決的復雜系統的控制問題。當前最主要的有三種形式：模糊控制、專家規(guī)則控制與專家系統控制、人工神經網絡控制。智能控制作為一種新的控制方法，近年來已廣泛應用到了鍋爐再熱蒸汽溫度控制中2。我國使用的再熱機組已有40多年的歷史，迄今為止已有約600臺再熱機組在運行。但是嚴格的講，電廠鍋爐再熱器的設計和汽溫調控還存在一些問題，若考慮更廣泛的調峰和使用更高級的再熱器，會暴露很多問題，綜合以往的有關再熱器的實驗研究，歸納超來：一是管壁超溫爆管問題；二是溫度調節(jié)特性差、

14、調溫幅度小的問題1。盡管國許多控制專家就再熱汽溫可控性差的問題，做了很多研究，也提出了不少新的、先進的控制方案，但因工程實現存在困難，真正應用甚少，故火電廠過再汽溫實時控制問題也一直未能得到徹底的解決。1.2課題的目的與意義為了降低發(fā)電成本、響應節(jié)能減排的環(huán)保政策，提高火電廠的熱循環(huán)效率。目前，國的火電200MW以上機組大都配備了中間再熱系統。蒸汽中間再熱的目的一是提高蒸汽的干度，二是為了提高超高參數以上大容量機組的熱經濟性3。汽溫是按照材料的的許可溫度取安全上限值，當再汽溫溫度過高時，會使鍋爐受熱面與的蠕變加快，影響使用壽命，若嚴重超溫，可能導致材料強度下降發(fā)生爆炸。同時，汽溫過高還會使汽輪

15、機前幾級葉片的機械強度，降低汽輪機的使用壽命，還會引起汽輪機部過度的熱膨脹，嚴重影響生產運行的安全。當汽溫過低時，會降低機組熱循環(huán)效率，同時使通過汽輪機最后幾級葉片的濕度增加，引起葉片的磨損，影響汽輪機安全運行。若汽溫波動大，會引起汽輪機膨脹差的變化，產生劇烈振動，影響安全生產，還會引起鍋爐、汽輪機金屬疲勞損傷。因此，在機組運行和工況調整過程中，維持汽溫的相對穩(wěn)定是非常重要的。一般要求再熱汽溫的波動圍不得超過額定值-5+5。隨著科學技術的不斷進步，對工業(yè)過程控制的要求也越來越高，不僅要求控制的快速性、精確性和可靠性，而且還注重控制的實時性、容錯性、魯棒性以與對控制參數的自適應和自學習能力。另一

16、方面，一些復雜的系統一般具有如下特點：缺乏精確的數學模型、分布式參數、龐大的數據和信息量與高標準的性能要求等，火電廠再熱汽溫就屬于這類對象。模糊PID 控制器應用在火電廠再熱汽溫控制系統中，通過模糊控制和傳統PID 控制的有機結合。仿真結果表明：同常規(guī)PID 控制器相比，模糊PID 控制器可以有效實現對再熱汽溫等復雜對象的在線控制, 并將快速性、穩(wěn)定性統一起來，具有極強的魯棒性和抗干擾性4。1.3課題研究容針對再熱汽溫大慣性、時變、非線性和具有自平衡能力等特性。目前，火電廠的再熱汽溫常規(guī)PID控制系統的控制效果不理想，如果單獨使用模糊控制對再熱汽溫進行控制，也不能滿足再熱汽溫實時控制的要求。本

17、文針對再熱汽溫提出了Fuzzy-PID控制的方案。具體做了以下容:1） 查閱相關資料，了解再熱器相關知識，熟悉再熱器溫度控制的特性；2）建立再熱汽溫控制系統的數學模型；3） 熟悉模糊控制基本原理、模糊控制工具箱，掌握模糊控制器的設計方法；4） 設計Fuzzy-PID控制器；5）在MATLAB/SIMULINK下，對采用Fuzzy控制、Fuzzy-PID控制和PID控制三種控制分別對系統進行仿真；6）對系統進行動態(tài)性能指標和控制性能進行分析。第二章 再熱汽溫系統概述本章主要從再熱蒸汽的焓熵分析、再熱器特點、再熱器調溫方式和再熱器不同調溫結構下其動態(tài)特性對再熱器進行了詳細的介紹，建立再熱汽溫控制數

18、學模型。2.1再熱蒸汽循環(huán)與其焓熵分析2.1.1再熱蒸汽循環(huán)再熱也稱為中間再熱或二次過熱，其設備包括再熱器和溫度調節(jié)裝置。它的作用是把汽輪機作過部分功的蒸汽（高壓缸）再次加熱，達到一定的過熱溫度，稱為再熱蒸汽，然后這些蒸汽又引返汽輪機的下一級（中壓缸或低壓缸）繼續(xù)作功。蒸汽循環(huán)(一級再熱)如圖2-1所示。低壓缸中壓缸凝汽器高壓排氣低壓排氣鍋爐高壓缸中壓缸排氣新汽再熱汽給水泵冷卻水圖2-1 蒸汽循環(huán)圖如果不采用中間再熱方式，在提高蒸汽初壓的情況下，要保證汽輪機末級蒸汽干度在允許圍，就必要大大題提高蒸汽初溫。但是這樣處理會受到冶金技術水平和技術經濟條件的限制。因此，只好采用中間再熱來解決這一矛盾。

19、采用中間在過熱，為進一步提高蒸汽初壓創(chuàng)造了條件，此時不必擔心汽輪機末級干度低于允許值。如果再熱溫度和壓力選擇得當，將使循環(huán)熱效率提高，同時對汽輪機相對效率也產生有利的影響。在現代超高壓機組中，采用中間再熱，可使電站效率相對提高6%8%。再熱一般采用一次再熱，再熱溫度與初溫相近（在我國的現有產品設計中，都取再熱溫度與初溫相等），再熱壓力為初壓的20%左右。再熱器的壓降應盡量低些，通常在2Kg/cm2左右5。2.1.2再熱蒸汽的焓熵分析蒸汽經過再熱，提高了溫度，增加了焓值。從圖2-2上可以看出，當汽輪機背壓P2為一定時，原來每公斤的蒸汽的作功能力相當于線長ae；在再熱方式下，蒸汽從b點再熱到c點，

20、則從蒸汽始點a算起，其作功能力是ab與cd之和；由于等壓線的分布特性是向右擴的，cd的長度必然大于be；所以，再熱蒸汽總的作功能力增加了。edS(熵)XeXdP2T0T1P1P0cbai（焓）X=1圖2-2 中間再熱方式的焓熵示意圖但采用再熱方式的目的首先在于提高汽輪機末端的干度。從圖2-2可見，隨著蒸汽初（壓力和溫度）的提高，在一定的背壓P2下，蒸汽終態(tài)的干度越來越低，這時蒸汽中含水量會造成汽輪機末級葉片的嚴重侵蝕。所以高壓機組普遍采用中間再熱，以保證汽輪機末級蒸汽濕度在許可圍（從圖2-2中由于干度XdXe，所以d點干度提高）。一般要求汽輪機末級蒸汽的干度不低于88%90%5。2.2再熱器特

21、點再熱器中流動的介質是中低壓蒸汽，與壓力比較高的過熱蒸汽相比，由于蒸氣密度低，因而傳熱特性也比較差，由于其比熱較小，因而同一熱偏差汽溫偏差也比較大。另外，再熱器的允許阻力較小，質量很低，對爐的煙溫和管的流量偏差也比較敏感。這就是通常的再熱器超溫管爆的主要原因。歸納起來，有以下特點：一、再熱器的工作條件比過熱器差再熱蒸汽壓力低，在一樣的蒸汽流速下，管子對蒸汽的放熱系數比過熱蒸汽的多，在一樣的煙溫偏差下，或者說在受熱面負荷一樣的條件下，管壁與蒸汽之間溫度差比過熱器大。二、再熱器對汽溫偏差敏感再熱蒸汽比容Cp較過熱蒸汽比容Cp小，在一樣的熱偏差下，引起的汽溫偏差比過熱器大。若要改善熱偏差，則應在再熱

22、器中增加混合和交叉數目，但是，又會受到流動阻力的限制。三、工況變化對再熱汽溫影響大當運行的工況變化時，會造成受熱面的吸熱量和蒸汽焓增的發(fā)生相應變化，這一特性便于煙氣調溫。此外，由于再熱器隨著高參數，分級分布發(fā)展趨勢，工質溫度分布在沿程變化比較大；由于管道、受熱面布置在空間和結構變化較大、時滯性大、其動態(tài)響應較慢。2.3再熱蒸汽的溫度調節(jié)調節(jié)再熱汽溫的主要方法有：煙氣再循環(huán)、煙氣分配擋板、擺動式噴燃器、蒸汽旁通和汽-汽熱交換器等。再熱器的溫度調節(jié)原則上和過熱器類似，調節(jié)方法也大致一樣，但由于再熱器工作的特殊性，再熱汽溫調節(jié)有一定的特點和要求。在汽輪機負荷下降時，再熱器的進口汽溫也隨著降低。當從額

23、定負荷至70%負荷時，一般再熱器的進口溫度要降低2030。另外，當運行工況變化時如煤種水分變化、過量空氣系數增加、爐結渣等，也會影響再熱蒸汽的溫度。在過熱設備中，噴水減溫是調節(jié)過熱汽溫的重要手段，但在再熱汽溫調節(jié)中，噴水減溫僅作細調和緊急處理之用。這是因為在再熱設備中應用噴水減溫會增加再熱蒸汽流量，使汽輪機的中、低壓部分功率比例增大，從而降低了熱力循環(huán)的效率。在超過高壓機組上每向再熱蒸汽噴入相當于鍋爐蒸發(fā)量的1%的水量時，就會降低循環(huán)效率0.1%0.25%。2.4再熱器結構參數對其動態(tài)特性的影響目前，再熱器的調溫結構通常采用平行煙道擋板、煙氣再循環(huán)、擺動燃燒器、汽汽交換器等，調溫結構方式實現再

24、熱器調溫。以下就煙氣再循環(huán)、擺動燃燒器這兩種調溫結構方式的動態(tài)方式對再熱器動態(tài)特性的影響。2.4.1煙氣再循環(huán)控制再熱器溫度系統對再熱器動態(tài)參數的影響煙氣再循環(huán)調節(jié)再熱器的汽溫，其原理是利用尾部低汽溫煙氣重返爐膛，從而降低了爐膛溫度，增加了低溫煙氣對流受熱擾動，加強了對流受熱面的換熱能力，繼而改變了爐膛各部分的吸熱量分配。其動態(tài)特性可視為吸熱量對出口焓值的擾動。因此其動態(tài)特性按 （2-1）來計算，且動態(tài)特性不會超過2階。加上熱電偶在，總動態(tài)特性特不會超過3階。通常取熱電偶傳遞函數： (2-2)綜上所述，對于煙氣再循環(huán)再熱器調溫自動控制系統，調溫系統結構對動態(tài)特性的影響取為熱量q1(s)對出口焓

25、i2(s)擾動型的傳遞函數。表達式如式(2-3)： (2-3)2.4.2擺動燃燒器法再熱器溫度控制系統對動態(tài)參數的影響通過擺動燃燒器的傾角來改變爐膛火焰中心的位置和爐膛出口溫度，從而改變爐膛受熱面的負荷分布，且使得相應吸熱比例發(fā)生變化，達到調溫的目的。其動態(tài)特性可視為吸熱量對出口焓值的擾動。因此，其動態(tài)特性也可按式(2-1)來計算，且其動態(tài)特性不會超過2階，加上熱電偶在，總動態(tài)特性也不會超過3階。綜上所述，對于擺動燃燒器再熱器調溫自動控制系統，調溫系統結構對動態(tài)特性的影響取為熱量q1(s)對出口焓i2(s)擾動型的傳遞函數，其表達式如式(2-3)。2.5再熱汽溫數學模型的建立現在以華能電廠3#

26、和4#爐額定蒸發(fā)量均為1165t/h，單爐膛、單鼓、一次再熱、自然循環(huán)燃煤鍋爐為例。2.5.1鍋爐運行規(guī)程參數末級過參數：出口蒸汽流量1162.672t/h；出口壓力/溫度17.22MPa/541。再熱器參數：出口蒸汽流量969.247t/h；出口壓力/溫度3.945MPa/ 541。再熱器結構：再熱器為一級，分為低溫段和高溫段，兩段之間無聯箱，其低溫段位于豎井煙道一級過熱器的下部，高溫段為混合式懸掛于水平煙道中。再熱器入口設有事故噴水減溫器調溫方式：正常汽溫調節(jié)使用煙氣再循環(huán)控制，在循環(huán)煙氣來自引風機出口至冷灰斗底部；當汽溫偏高時，輔以事故噴水減溫。表2-1為華能電廠二期鍋爐運行規(guī)程鍋爐數據

27、一覽表。表2-1 華能電廠二期鍋爐運行規(guī)程鍋爐數據一覽表名稱外徑（mm）厚度（mm）數目（根）材料平均煙速再熱器入口聯箱736/1D301BS3602 500N-再熱器入口聯箱726/1D381ASTMA335M P91-再熱器低溫管排63.55.0BS3059 44010.7m/s再熱器垂直管57.04.5BS3059 4408.7 m/s再熱器末級入口段51.04.5BS3059 4409.2 m/s再熱器末級前段51.04.5RS3059 622 4909.2 m/s再熱器末級倒數第二段51.04.5ASTM A213M P919.1 m/s再熱器末級出口段51.04.5ASTM A21

28、3M P919.1 m/s2.5.2計算過程：再熱器系統的金屬總重量 Gm=17317+26400+58630+245410+347757Kg管子換熱的表面積 H2=7206+1652=858m2金屬比熱 Cm=0.724J/Kg.管子壁對工質的放熱系數 =1.203J/m2.s.工質定壓比熱容 Cp=2.853J/m2.s.金屬蓄熱時間常數動態(tài)參數 ；若取，則則再熱器系統總的傳遞函數：(2-4)第三章 模糊控制與PID控制 模糊控制是一類應用模糊集合理論的控制方法。一方面，模糊控制提出一種新的機制用于實現基于知識甚至語義描述的控制規(guī)律；另一方面，模糊控制為非線性控制器提出一個比較容易的設計方

29、法，尤其是當受控裝置含有不確定性而且很難用常規(guī)非線性控制理論處理時，更為有效。PID控制具有原理簡單、易于實現、參數整定方便、結構改變靈活、實用性強等優(yōu)點，在連續(xù)系統中獲得很廣泛的應用。本章將首先簡述模糊控制系統的組成，然后講述模糊控制的原理，其次講述模糊控制器的基本設計和PID控制。3.1模糊控制理論3.1.1模糊控制簡介1965年扎德（L.A.Zadeh）引入的模糊邏輯成為處理現實世界各類物體的方法，此后，對模糊集合和模糊控制的理論研究和實際應用獲得廣泛開展，在過去的20年中，模糊控制也是智能控制中一個十分活躍的研究與應用領域。一般的模糊控制是一種基于模糊控制規(guī)則的控制。被控對象的非線性、

30、時變性與隨機干擾等因素，或多或少地造成了模糊控制的不適合和不完整，這必然會影響控制效果。另外，模糊控制系統的穩(wěn)定性也得不到保證。對模糊控制系統進行分析，有利于了解模糊控制系統的優(yōu)勢和不足，有利于為再熱汽溫模糊控制系統的設計提供相關的重要理論依據，有利于在模糊控制器設計的過程中，揚長避短，最大限度地發(fā)揮模糊控制的優(yōu)勢，克服模糊控制自身的不足。3.1.2模糊控制的基本原理 模糊控制系統是以模糊數學、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，采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結構的數字控制系統。在用模糊控制方法解決控制問題時，只需對控制中所可能出現的各種情形加以分析，依據控制

31、者的經驗和知識，尋求解決的一般方法，然后用模糊控制規(guī)則集的形式加以體現，模糊控制的精度依賴于模糊控制規(guī)則集制定的是否完整和詳細。 模糊控制屬于計算機數字控制的一種形式，因此，模糊控制系統的組成類似于一般的數字控制系統。如圖3-1所示。圖3-1 模糊控制系統框圖模糊控制器的基本結構如圖3-1虛線框中所示。它由模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化四個基本單元組成。它們的作用說明如下：（1）模糊化。測量輸入變量和受控系統的輸出變量，并把它們映射到一個合適的響應論域的量程，然后，精確的輸入數據被變換為適當的語言值或模糊集合的標識符。本單元可視為模糊集合的標記。（2）知識庫。涉與應用領域和控制目標的相關知識

32、，它由數據庫和語言控制規(guī)則庫組成。數據庫為語言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數提供必要的定義。語言控制規(guī)則標記控制目標和領域專家的控制策略。（3）模糊推理。這是模糊控制的核心，以模糊概念為基礎，模糊控制信息可通過模糊蘊涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取，并可實現擬人決策過程。根據模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關系方程，獲得模糊輸出。（4）清晰化。起到模糊控制的推斷作用，并產生一個精確的或非模糊的控制規(guī)則。此精確控制作用必須進行輸出定標，這一作用是在對受控過程進行控制之前通過變量交換實現的6。3.2模糊控制器的設計 模糊控制可以被認為是在總結采用人類自然語言概念操作經驗的基礎上升華而發(fā)展起來的

33、模仿人類智能的一類控制方法，這類控制的核心是模糊控制器。 模糊控制器的作用過程，是將控制偏差等精確量模糊數學化為模糊量，然后，根據基于語言控制規(guī)則或操作經驗提取的模糊控制規(guī)則，經推理得到控制作用的模糊量，最后，采用一定的清晰化算法，將模糊控制量換算為精確控制量輸入給執(zhí)行機構，從而完成系統的模糊作用過程。3.2.1模糊化運算模糊化運算是將輸入空間的觀測量映射為輸入論域上的模糊集合。模糊化在處理不確定信息方面具有重要的作用。對輸入數據進行模糊化是必不可少的。在模糊控制器中，一般可以將誤差、誤差變化率作為模糊控制的輸入量。在模糊控制系統中，誤差E和誤差變化率EC的變化圍必須被變換成相應的語言變量E與

34、EC的實際變化圍，E與EC的實際變化圍被稱為誤差與其變化率語言變量的基本論域。在模糊控制系統設計過程中，由于必須將模糊控制器輸入量誤差e的任何實際數值，變換成其論域中相應的元素，二者的差異很大，因而需要通過量化因子進行論域變換。設誤差的實際變化圍為，其模糊論域為，故誤差的量化因子為 （3-1）同理，可得誤差變化率的量化因子同上式所示。 與量化因子進行論域變換相對應，需要通過比例因子才能將經過模糊控制器運算后的結果，變換成輸出量，。輸出量u的比例因子為（3-2）3.2.2知識庫一、數據庫模糊控制器中的知識庫由兩部分組成:數據庫和模糊控制規(guī)則庫。首先討論數據庫。數據庫中包含了與模糊控制規(guī)則與模糊數

35、據處理有關的各種參數，其中包括模糊空間分割和隸屬度函數的選擇等。 1、I/O空間的模糊劃分 I/O空間的模糊劃分是指輸入輸出語言變量的論域上定義了多少個基本模糊子集，換言之，即每個語言變量的辭集定義多少個語言值。對于一般的工業(yè)生產過程控制，I/O論域多劃分為7個左右等級，如正大(PB)、正中(PM)、正小(PS) ,零(ZO)、負小(NS)、負中(NM)、負大(NB)。 論域上定義的基本模糊子集可以在論域上均勻地分布，也就是每一基本模糊子集的支集都覆蓋了論域上等寬度的一個區(qū)段。也可以定義不均勻的或不對稱的模糊劃分。不均勻和不對稱的模糊劃分，使得模糊控制器有更靈活的非線性特性，以適應對象的各種特

36、性。模糊分割的個數決定了最大可能的模糊規(guī)則的個數。例如，對于雙輸入/單輸出的模糊系統，x和y的模糊分割數分別為5和7，則最大可能的規(guī)則數為57=35。顯然，模糊分割數越多，控制規(guī)則數也越多，控制就比較精細和靈活。但模糊分割不可太細，否則，需要確定太多的控制規(guī)則，除了工作量相當大外，還容易出現控制規(guī)則彼此矛盾、很難糾正和影響過程控制效果的情況。當然，模糊分割數太少將導致控制太粗略，難以對控制性能進行有效的調整，同樣也會影響過程控制的效果。目前，尚沒有一個確定模糊分割數的指導性的方法和步驟，主要依靠經驗和試湊來確定7?？傊谶x取語言變量值時，既要考慮到控制規(guī)則的精細、靈活和彼此不矛盾，又要兼顧簡

37、單、有效和容易實現。2、 基本模糊子集的錄屬函數定義根據論域為離散和連續(xù)的不同情況，隸屬度函數的描述也有如下兩種方法。（1）數值描述方法 當論域為離散，且元素個數為有限時，模糊集合的隸屬度函數可以用向量或表格的形式來表示。（2）函數描述方法對于論域為連續(xù)的情況，隸屬度常采用函數的形式來描述，最常見的有鈴形函數、三角形函數、梯形函數等。隸屬度函數的形狀對模糊控制器的性能有很大影響。當隸屬度函數比較窄瘦時，控制較靈敏；反之，控制較粗略和平穩(wěn)。通常，當誤差較小時，隸屬度函數可取得較為窄瘦；誤差較大時，隸屬度函數可取得寬胖些。二、規(guī)則庫 模糊控制規(guī)則庫由一系列“IF-THEN”型的模糊條件句構成。條件

38、句的前件為輸入變量，后件為控制變量。模糊控制規(guī)則的建立是非常重要的，規(guī)則是否正確地反映操作人員和有關專家的經驗和知識，是否能適應被控對象的特性，直接關系到整個控制器的性能和控制效果。 控制規(guī)則的生成方法有以下幾種:1）根據專家經驗或過程知識生成控制規(guī)則；2）根據過程模型生成控制規(guī)則；3）從輸入輸出信息中得出控制規(guī)則。初步建立的模糊控制規(guī)則不一定是完美無缺的，也往往需要進一步調整。沒有一套很完善規(guī)的調整辦法，往往需要試湊，經過實驗檢驗效果。 3.2.3模糊推理對建立的模糊控制規(guī)則要經過模糊推理才能決策出控制變量的一個模糊子集,因而模糊推理在模糊控制過程中也是很重要的一個組成部分。下面僅介紹一下本

39、論文模糊控制器中所使用的Mamdani模糊推理方法：Mamdani模糊推理法采用取小運算規(guī)則定義模糊蘊涵表達的模糊關系。記為Rc?？紤]以下模糊推理形式：規(guī)則1：規(guī)則2：規(guī)則n：前提：由前提“”和各模糊規(guī)則“（i=1，2，n）可以得到推理結果為 （3-3）其中表示min。最終結論是由綜合推理結果，得到的，即 （3-4）其中表示max。3.2.4清晰化計算以上通過模糊推理得到的是模糊量，表示可能的控制行為的分布。而對于實際的控制則必須為清晰量，因此需要將模糊量轉換成清晰量，這就是清晰化計算所要完成的任務。在實際應用中，清晰化常用的方法有三種，即重心法、最大隸屬度法和系數加權平均法。本論文中采用的是

40、重心法來進行清晰化計算8。1、重心法也稱為質心法或面積中心法，是最為常用的方法，該方法有最小的均方誤差。重心法示意圖如圖3-2所示。 圖3-2 重心法示意圖重心法的數學表達式是 （3-5）式(3-5)中，表示輸出模糊子集中所有元素的隸屬度值在連續(xù)論域x上的代數積分，而u的取值是表示其左、右兩邊的面積為相等。2、最大隸屬度法這種方法最簡單，只要在推理結構的模糊集合里取隸屬度最大的那個元素作為輸出即可。不過，要求這種情況下其隸屬函數曲線一定是正規(guī)凸模糊集合。如果該曲線是梯形平頂的，那么具有最大隸屬度的元素可能不止一個，這時就要對所有取最大隸屬度的元素求其平均值。3、系數加權平均法系數加權平均法的輸

41、出執(zhí)行量由下式決定： （3-6）式(3-6)中：系數的選擇要根據實際情況，不同的系統就決定系統有不同的響應特性。當該系數選擇時，即取其隸屬函數時，就是重心法。在模糊控制中，可以通過選擇和調整該系數來改善系統的響應特性。因而這種方法具有靈活性。3.3 PID控制理論3.3.1 PID控制概述在工業(yè)自動化設備中，常采用由比例（Proportional）、積分(Integral)、微分(Differential)控制策略形成的校正裝置作為系統的控制器。 自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬計算機調節(jié)器組成計算機控制系統，不僅可以用軟件實現PID控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使P

42、ID控制更加靈活。數字PID控制在生產過程中是一種最為普遍的控制方法，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節(jié)控制系統的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統。PID控制作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。PID控制由比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)（I）

43、和微分環(huán)節(jié)（D）組成。其輸入e(t)與輸出u (t)的關系為(3-7)因此它的傳遞函數為：(3-8)它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。但仍不可否認PID也有其固有的缺點：PID在控制非線性、時變、耦合與參數和結構不確定的復雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數都沒用。3.3.2 PID的控制規(guī)律PID控制就是對偏差信號 進行比例、積分、微分運算后，通過線性組合形成的一種控制規(guī)律。在模擬控制系統中,

44、控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。模擬PID控制系統原理框圖如圖3-3所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。圖3-3模擬PID控制系統原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構成控制偏差 e(t)=rin(t)-yout(t)(3-9)PID的控制規(guī)律為：(3-10)也可以寫成傳遞函數的形式(3-11)其中，kp比例系數，Ti積分時間常數，Td微分時間常數。 簡單的說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1）比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，

45、提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti ，Ti 越大，積分作用越弱，反之越強。3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變的太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節(jié)時間。3.3PID參數整定數字PID控制器參數整定的任務是確定kp、Ti、Td和采樣周期。3.3.1采樣周期的選擇由香農（Shannon）采樣定理可知，只有當采樣頻率達到系統信號最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號不失真地復現原來的信號。選擇采樣周期T，一般考慮以下因素：1）采樣周期應比對象的時間常數小得多；2）采樣周期應遠小于對象擾動信號的周期；3）當

46、系統純滯后占主導地位時，應按純滯后大小選擇T；4）考慮執(zhí)行器的響應速度，T應大于執(zhí)行器的響應速度；5）采樣周期的下限是完成采樣、運算和輸出所需要的時間。3.3.2PID參數的工程整定法（1）擴充臨界比例度法1）選擇合適的采樣周期。2）投入純比例控制，逐漸增大比例系數 kp，使控制系統出現臨界振蕩。3）選擇控制度。控制度定義為：數字控制系統與對應的模擬控制系統誤差平方的積分之比，即控制度 （3-12）控制度表示數字控制相對模擬控制效果，當控制度為1.05時，數字控制與模擬控制效果一樣；當控制度為2時，數字控制比模擬控制的質量差一倍。4）按擴充臨界比例度法參數整定計算公式求取采樣周期T、比例系數k

47、p、積分時間常數Ti和微分時間常數 Td。(2)歸一參數整定法Roberts PD在1974年提出一種簡化擴充臨界比例度整定法。該方法只需整定一個參數即可，故稱其為歸一參數整定法。增量型PID控制的公式為： (3-13)如令， 。式中 為純比例作用下的臨界振蕩周期，則（3-14）這樣，整個問題就簡化為只要整定一個參數kp。改變其值，觀察控制效果，直到滿意為止。（3）湊試法整定PID參數在PID參數整定方法中，最基本和最簡單的方法為湊試法，即對參數實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。1）首先只整定比例部分。將比例系數由小變大，并觀測響應的系統響應，直到反應快，超調小的響應曲線。如果系統已滿足系

48、統性能指標要求，那么只需用比例調節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數由此確定。2）如果在比例調節(jié)的基礎上系統的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時，先置積分時間常數Ti為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數略為減小，然后減小積分時間常數，使在保持系統良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。經過反復改變比例系數與積分時間常數，以期得到滿意的控制過程與整定參數。3）若此時系統動態(tài)過程仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構成PID調節(jié)器。整定時，先置微分時間常數Td為零。在第二步整定的基礎上，增大Td，同時響應地改變比例系數和積分時間常數，逐步試湊，以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數10。第四章 再熱汽溫控制系統仿

49、真研究本章主要論述如何對對象在MATLAB/SIMULINK下進行仿真和以與對仿真結果的分析。首先簡要的介紹了模糊控制工具箱的相關知識，并設計基于再熱汽溫控制的模糊控制器；其次設計模糊控制方案并建立了控制方案圖，然后在SIMULINK環(huán)境下對再熱汽溫控制系統并進行仿真分析；再次，設計Fuzzy-PID控制方案并建立控制方案圖，在SIMULINK環(huán)境下根據控制方案圖建立了再熱汽溫Fuzzy-PID控制系統仿真框圖并進行仿真分析；最后對被控對象進行了常規(guī)PID控制與在Fuzzy-PID控制系統中改變被控對象參數的情況下分別進行了仿真，并對仿真結果進行了詳細的分析與研究。4.1基于再熱汽溫控制的模糊

50、控制器的設計4.1.1 模糊控制工具箱（FUZZY LOGIC)簡介 針對模糊邏輯尤其是模糊控制的迅速推廣和應用，Mathworks公司在其Matlab軟件中添加了Fuzzy Logic工具箱。該工具箱由澳大利亞Queensland大學的A.Lot教授編寫，以其功能強大和方便易用的特點得到了用戶的廣泛歡迎。 模糊邏輯工具箱提供了建立和測試模糊邏輯系統的一整套功能函數，包括定義語言變量與其隸屬度函數、輸入模糊推理規(guī)則、對整個模糊推理系統的管理以與交互式地觀察模糊推理的過程和輸出結果。同時，模糊邏輯工具箱中還包含了五個圖形用戶界面(GUI)工具，用于建立、編輯和觀察模糊推理系統(FIS)，它們分別

51、是： 1）模糊推理系統編輯器(FIS Editor)。該編輯器用于建立模糊邏輯系統的整體框架，包括輸入與輸出數目、解模糊化方法等；其中模糊推理系統可以采用Mamdani或Sugeno兩種類型，解模糊方法有最大隸屬度法、中位數法、加權平均法等幾種。 2）隸屬度函數編輯器(Membership Function Editor)。用于通過可視化手段建立語言變量的隸屬度函數；如隸屬函數的形狀、圍，以與論域大小等。系統提供的隸屬函數有三角形、梯形、高斯形、鐘形等，也可由用戶自行定義。 3）模糊規(guī)則編輯器(Rule Editor)。通過編輯器來設計和修改“IfThen”形式的模糊控制規(guī)則。由該編輯器進行模

52、糊控制規(guī)則的設計非常方便，它將輸入量的各語言變量自動匹配，設計者只需通過交互式的圖形環(huán)境選擇相應的輸出語言變量。規(guī)則編輯器還可以為每條規(guī)則選擇權重，以便進行規(guī)則的優(yōu)化。 4）模糊規(guī)則觀察器(Rule Viewer)。用于顯示各種模糊控制規(guī)則輸入量和輸出量的隸屬函數。通過指定輸入量，可以直觀地顯示所采用的控制規(guī)則，以與通過模糊推理得到相應輸出量的過程，以便對模糊規(guī)則進行修改和優(yōu)化。 5）輸出曲面觀察器(Surface Viewer)。用于顯示輸入、輸出量對應的表面空間，并可改變各軸對應的變量與觀察的視角，便于用戶對設計的模糊推理進行修改和優(yōu)化。這些圖形化工具之間是動態(tài)的，在使用中，對任意一個GU

53、I的參數或性質被用戶修改，其他打開的任何GUI中相應的參數或性質都自動地被改變，這一點極方便了用戶對自己的模糊推理系統進行調試 11。4.1.2基于再熱汽溫控制的模糊控制器的設計在MATLAB命令窗口中鍵入fuzzy，回車，進入模糊邏輯編輯窗口(FIS Editor)。如圖4-1所示。圖4-1 模糊邏輯編輯窗口模糊決策采用Mamdani模糊推理法，解模糊數采用重心法。在Edit菜單下，選擇Add Variable/Input添加輸入，并將兩個輸入分別命名為E、EC，將輸出命名為U，其中E為偏差、EC為偏差變化率、U為閥門開度。在再熱汽溫模糊控制系統設計過程中，取E、EC、U的論域均為-5 5。

54、 圖4-2為變量編輯窗口。圖4-2 變量編輯窗口對變量采用正、負兩個方向和零狀態(tài)的描述方法，即采用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB7個狀態(tài)來描述。E、EC、U的隸屬函數選常用的三角形（trimf）隸屬度函數。圖4-3為E的隸屬度函數，EC和U的隸屬度函數與E的隸屬度函數一樣。圖4-3 E的隸屬度函數控制規(guī)則是對專家的理論知識與實踐經驗的總結。由第二章中所述本文共有49條控制規(guī)則如表4-1所示。表4-1 模糊控制規(guī)則表UENBNMNSZOPSPMPBECNBNBNBNMNMNMNSNSNMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPMZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPMPMNSZOPSP