基于MATLAB的鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于 MATLAB 的鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要：本文首先介紹了鍋爐控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特性，分析了鍋爐液位控制具有非時變和滯后性等特征， 采用模糊控制技術(shù)來實現(xiàn)對鍋爐液位實時跟蹤控制，試驗仿真結(jié)果表明，模糊控制系統(tǒng)能夠較好的獲取液 位控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，體現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性，為工業(yè)生產(chǎn)應用提供相應的理論。關(guān)鍵詞：模糊控制；鍋爐液位；模糊控制器；跟蹤控制；MATLAB 在工業(yè)控制過程中，鍋爐是電廠和化工廠等行業(yè)領(lǐng)域常 見的生產(chǎn)蒸汽的機械設(shè)備，在控制系統(tǒng)中作為被控對象，其 輸出參數(shù)主要為液位，液位是一個關(guān)鍵的控制技術(shù)因素，鍋 爐液位控制系統(tǒng)存在非線性，滯后，耦合等特征，不易獲

2、取 精確數(shù)學模型，因此，基于研究單變量、時不變和線性控制 系統(tǒng)的經(jīng)典控制理論方法是不能夠滿足控制系統(tǒng)要求，難以 表達和處理這類不確定性，不完全性和時變性系統(tǒng)，不能較 好地獲取液位控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。模糊控制以不清 楚控制對象，把控制對象的操作經(jīng)驗用語言表述為模仿人模 糊規(guī)則送入機器中完成對系統(tǒng)的自動控制的實現(xiàn)，讓計算機 能夠識別判斷，認識和處理及其利用，它可脫離控制系統(tǒng)的 數(shù)控模型而是依賴于各類設(shè)定的模糊規(guī)則，模糊控制技術(shù)在 非線性復雜動態(tài)控制系統(tǒng)能獲取阻尼參數(shù)性能和減少響應 過度超調(diào)，體現(xiàn)出了應用的優(yōu)越性，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)更精 細，更高效和更可靠的控制1。1.鍋爐液位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3、及工作原理1.1 鍋爐液位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 鍋爐液位控制系統(tǒng)一般由鍋爐，調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，省煤器及汽鼓等部件構(gòu)成。在生產(chǎn)蒸汽過程中，為保證鍋爐正常 運行，就需控制其液位為正常設(shè)定值。鍋爐液位過高，則易 使蒸汽帶水溢出鍋爐帶來危險；而鍋爐液位過低，則易燒干 鍋導致嚴重的機械故障，損害設(shè)備及發(fā)生事故2。當蒸汽的耗汽量與鍋爐進水量相等時，液位保持為參考 值，當鍋爐的給水量不變，蒸汽負荷突然增加或減少時，液 位也隨之發(fā)生相反的變化，從而導致鍋爐液位發(fā)生變化，不 論出現(xiàn)什么情況，鍋爐液位參考值與實際值之間存在一定的 誤差，可認為，控制器均可控制，去開大或關(guān)小給水閥門， 使液位保持恒定2。實際上誤差是隨機

4、的，不可避免。這里 我們不再考慮。因此，必須設(shè)計一個高性能的控制器來嚴格對鍋爐液位 高低的控制來保證鍋爐安全正常地運行。下圖 1 為鍋爐液位 控制系統(tǒng)的方框圖。圖 11.2鍋爐液位控制系統(tǒng)的工作原理圖 1 所示，鍋爐為被控對象，系統(tǒng)的輸出為鍋爐液位， 其中干擾參數(shù)包含給水壓力或蒸汽負荷變化等相關(guān)的內(nèi)外 擾動參數(shù)，測量反饋元件是用來測量或指示鍋爐液位，并根 據(jù)一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為一定的信號送入模糊控制器中，得出液位 偏差，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則發(fā)出相應的輸出信號作用于調(diào) 節(jié)閥使其發(fā)生規(guī)定動作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中起到執(zhí)行元件 的作用，根據(jù)控制信號對鍋爐的進水量進行調(diào)節(jié)，閥門的運 動取決于閥門特性，與輸入信

5、號呈現(xiàn)某種曲線關(guān)系變化。為 保證安全，這里的給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)閥，一旦發(fā)生斷 氣現(xiàn)象，閥門保持打開位置，保證汽鼓不被燒干損壞。液位 信號的輸出可以通過液位傳感器來獲得，從而通過鍋爐液位 轉(zhuǎn)換為電量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和 控制。1.3 鍋爐液位控制系統(tǒng)的工作原理圖 1 所示，鍋爐為被控對象，系統(tǒng)的輸出為鍋爐液位， 其中干擾參數(shù)包含給水壓力或蒸汽負荷變化等相關(guān)的內(nèi)外 擾動參數(shù)，測量反饋元件是用來測量或指示鍋爐液位，并根 據(jù)一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為一定的信號送入模糊控制器中，得出液位 偏差，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則發(fā)出相應的輸出信號作用于調(diào) 節(jié)閥使其發(fā)生規(guī)定動作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中起到執(zhí)行

6、元件 的作用，根據(jù)控制信號對鍋爐的進水量進行調(diào)節(jié)，閥門的運 動取決于閥門特性，與輸入信號呈現(xiàn)某種曲線關(guān)系變化。為 保證安全，這里的給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)閥，一旦發(fā)生斷 氣現(xiàn)象，閥門保持打開位置，保證汽鼓不被燒干損壞。液位 信號的輸出可以通過液位傳感器來獲得，從而通過鍋爐液位 轉(zhuǎn)換為電量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和 控制。2 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析基于模糊控制技術(shù)的鍋爐液位控制系統(tǒng)的核心是模糊 控制器，設(shè)計性能優(yōu)良的模糊控制器對模糊控制系統(tǒng)起到重 要作用。因此在設(shè)計模糊控制器的過程中，主要是確定模糊 控制器的結(jié)構(gòu)，選擇模糊子集、建立相應的模糊規(guī)則并選定 近似

7、推理算法，根據(jù)積累的操作經(jīng)驗和歷史測試數(shù)據(jù)，建立 模糊控制規(guī)則3。根據(jù)鍋爐液位控制系統(tǒng)的要求，采用二維 FC，它采用 雙輸入、單輸出基本控制結(jié)構(gòu)，且選取能夠反映鍋爐控制過 程中的輸出液位參數(shù)變量的動態(tài)特性，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù) 辨識。這里，選用參輸入量液位 Level 和流量 rate 作為控 制器的兩個輸入分量，選用輸出控制對象調(diào)節(jié)閥 Valve 作為 輸出分量。根據(jù)上述分析，本系統(tǒng)采用的是 Sugneo 型推理 模糊控制器。2.2 模糊控制器 FC 的設(shè)計 鍋爐液位模糊控制器的設(shè)計一般遵循以下規(guī)則：首先對鍋爐液位控制系統(tǒng)進行綜合分析，選擇確定系統(tǒng)的輸入輸出 因子，選取模糊控制器結(jié)構(gòu)，確定隸屬

8、函數(shù)，建立模糊規(guī)則， 最后進行系統(tǒng)的模擬仿真。模糊控制器的設(shè)計是模糊控制中 的重點，它由模糊化模塊、近似推理模塊以及模糊判決三個 核心部分組成。其中模糊化接口模塊主要將測量參考量和鍋 爐液位控制系統(tǒng)的輸出變量液位，并將它們映射到一個合適 的響應論域的量程，然后，精確的標準化輸入數(shù)據(jù)被變換為 適當?shù)哪：系臉俗R符；近似推理模塊為模糊控制系統(tǒng)的 核心，根據(jù)輸入和輸出模糊規(guī)則，推理出相應的模糊關(guān)系方 程，獲取模糊信號輸出；模糊判決起到模糊控制的推斷作用， 并形成一個非模糊的或精確的控制作用。下圖 2 為模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)4，6。圖 2精確量的模糊化過程模塊實現(xiàn)的實質(zhì)是把操作者的經(jīng)驗加以總結(jié)，并將

9、在控制過程中由經(jīng)根據(jù)本控制系統(tǒng)的實際需，對輸入量液位 Level、流量 rate 和輸出控制對象閥 Valve 的模糊語言描述（模糊集） 定義如下：描述輸入量 Level、rate 和輸出控制量 Valve 的 語言值模糊子集均選為 NB（負大），NM（負中），NS（負小）， Z（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大），量化論域均 取為 -3，-2，-1，0，1 ，2 ，3 。 根據(jù)實際情況和實踐經(jīng)驗來選取相應模糊集的隸屬函 數(shù)，本系統(tǒng)選擇輸入量和輸出量各檔的隸屬函數(shù)均為三角形 分布。通過上述就可實現(xiàn)了精確量的模糊化過程。2.2.1模糊控制算法模塊實現(xiàn) 模糊控制的核心是模糊控制規(guī)則的建

10、立，模糊控制規(guī)則驗得來的相應措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則。根據(jù)鍋爐液位控 制系統(tǒng)保持液位恒定的下列幾條操作規(guī)律：（1）如果鍋爐 液位偏低，則增加調(diào)節(jié)閥門打開度；用符號型表述為“（level = low）=> valve = open fast”。（2）如果鍋爐液位偏 高，則減少調(diào)節(jié)閥門打開度；用符號型表述為“（level = high）=> valve = close fast”。（3）如果鍋爐液位正 好，則保持調(diào)節(jié)閥門開度恒定；用符號型表述為“（level = right）=> valve = no change”。（4）如果鍋爐液位正 好而進液流速慢，則增大調(diào)節(jié)閥門打開度；用

11、符號型表述為 “（level = right）& (rate = negative)=> (valve = open slow)”。（5）如果鍋爐液位正好而進液流速快，則減少調(diào)節(jié)閥門打開度；符號型表述為“（level = right）& (rate = positive)=> (valve=close slow)”。以上所有的模糊條件推理語句就構(gòu)成了一個完成的控制策略，為鍋爐控制系統(tǒng)清晰化模塊奠定了基礎(chǔ)。2.2.2 模糊判決或清晰化模塊的實現(xiàn)經(jīng)過模糊控制算法模塊以后，輸出的都是模糊集合，它由多條模糊控制規(guī)則說得的綜合，其隸屬函數(shù)多數(shù)是分段、不規(guī)則的形狀，清晰化的目的

12、就是把它們等效成一個個清晰值，即映射到某些特定值上。3 鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)3.1 模糊控制系統(tǒng)仿真分析3.2 根據(jù)鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)的兩個輸入?yún)⒘恳何换谏鲜鰧刂葡到y(tǒng)的理論分析，這里采用 MATLAT7.0 level 和流速 rate 建成的五條規(guī)則在 MATLAB 中構(gòu)成的結(jié)構(gòu)環(huán)境下進行模擬仿真，驗證模糊控制器在鍋爐液位控制系統(tǒng) 如圖 4 所示。中的使用效果，同時在系統(tǒng)仿真過程中不斷地調(diào)整模糊控制器的相關(guān)控制規(guī)則和各項參數(shù)。采用 MATLAB/Simulink 下構(gòu)建模糊鍋爐液位控制系統(tǒng)仿真模型。首先在模糊推理系統(tǒng)中圖形用戶界面（GUI）下建立模糊控制器，然后在 SIMUL

13、INK環(huán)境下，選擇所需的模塊，建立系統(tǒng)仿真模型進行仿真。這里注重介紹模糊控制器的圖形化編程過程，然后給出仿真結(jié)果。3.3 模糊控制器的 MATLAB 建模首先，本文主要利用 MATLAB 給出控制器的主要建模模塊，相關(guān)模塊的建模過程相類似，需注意的是在對其他相關(guān)模塊建模時要主要對屬性參數(shù)的修改。這里給出了 FIS 中輸入?yún)?shù) e 編輯過程如圖 3 所示，各項參數(shù)已選定，這里不再一一詳述。另外兩個輸入?yún)?shù) ec 和控制量 u 的編輯做修改即可7。圖 3圖 4圖 5從仿真結(jié)果圖 5 鍋爐液位模糊控制方波及其響應曲線中可以看出，幅度上還存在一定的差異，但通過系統(tǒng)不斷修正后，基本上接近目標值，總體而言

14、，系統(tǒng)可以實時跟蹤目標變量數(shù)即實際測量值從時間上跟蹤追隨參考量值較好，體現(xiàn)了基于模糊控制技術(shù)的控制系統(tǒng)在一定程度上的優(yōu)越性。為實際工業(yè)生產(chǎn)應用提供了一定的理論基礎(chǔ)4小結(jié)用 MATLAB 仿真軟件對模糊控制器進行圖形化仿真是一種直觀且簡潔的方法，它可以有效縮短模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計時間。鍋爐液位控制屬于恒值控制，精度相對要求低一些，采用模糊控制技術(shù)能夠使鍋爐控制系統(tǒng)自動地工作于最優(yōu)或接近最優(yōu)動態(tài)運行狀態(tài)，體現(xiàn)出了較高品質(zhì)的控制性能5。在現(xiàn)實工業(yè)控制領(lǐng)域中，還需要根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)需求和動態(tài)變化情況對不斷修正模糊規(guī)則表，以獲取良好的控制效果。參考文獻1 劉豹. 現(xiàn)代控制理論M. 第 2 版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.2 胡壽松. 自動控制原理M. 第 4 版. 北京: 科學出版社, 2002.3 石辛民, 郝整清. 模糊控制及其MATLAB仿真M.