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1、500t/h CFB 锅炉床温模糊PID控制系统的设计摘 要循环流化床锅炉具有燃料适应性广、截面热强度高、污染物排放少、锅炉负荷适应性高、燃料制备系统相对简单等优点。正是由于循环流化床锅炉具有如此多的优点，从而加快了循环流化床锅炉的商业化发展。但是循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、大迟延、多变量耦合紧密的控制对象，这也就给循环流化床锅炉的运行控制提出了更高的要求。本文首先从循环流化床原理入手，简要说明了循环流化床锅炉的结构和优点，并且分析了锅炉的控制模型。针对锅炉床温控制难题，设计了基于模糊逻辑的循环流化床模糊解耦控制器，说明了控制器的优缺点，并进行仿真对比。从仿真结果来看，控制器达
2、到了比较令人满意的效果，控制器在稳定性、适应性、鲁棒性等控制特性上比常规PID控制要好。关键词： 锅炉炉膛负压； PID 控制； 模糊PID 控制； 仿真 DESIGN OF 500t/h CFB BOILER BED TEMPERATUREFUZZY PID CONTROL SYSTEMABSTRACT Circulating Fluidized Bed Boiler(CFBB or CFB Boiler)have fuel adaptability,The warmhearted intensity of section is high,The contaminant places in
3、proper order a moment.Boiler burden adaptability is good.The fuel is prepared the system distinguishing feature such as easy relatively and so on.As we know,CFBB is a control object that points of distributing parameter and nonlinear and timevariable and strong delay and coupling tightly multivariab
4、le,So the higher demand CFBB automation is proposed Here by introducing the theory of CFBB,briefly illustrates the structure and advantages of CFBB,meantime analyses the control model of CFBBFocusing on complex dynamic characteristic involved in combustion process of CFBB,proposes fuzzy logic based
5、CFB fuzzy decouple controller.The statements of the controllers advantage and disadvantage are made.The simulation is proceeded.The result shows that synthetically fuzzy controller can provide US a better control quality,robust,speediness than the general PID control systemKey words：boiler furnace p
6、ressure； pid control； fuzzy pid control； simulation目 录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 循环流化床燃烧控制的特点21.3 本课题设计的目的31.4 本课题设计的重点与难点31.4.1 重点31.4.2难点41.5 本文内容安排42 循环流化床锅炉原理52.1 循环流化床工作原理52.2 床温控制模型床温被控对象动态特性62.3 床温被控对象的动态特性分析83 锅炉床温模糊PID控制系统设计93.1 模糊控制简介93.2 模糊控制原理103.3 锅炉床温模糊控制总体设计方案103.4 模糊控制器简介123. 5 PID控制器简介
7、133. 6 PID参数对系统性能的影响143. 7 锅炉床温模糊控制器的详细设计153.7.1 模糊化设计153.7.2 模糊控制规则173.7.3 模糊逻辑推理193.7.4 确定模糊化和解模糊化204 锅炉床温模糊控制系统仿真21 4. 1 模糊控制器的仿真实现224. 2 锅炉床温模糊控制系统仿真254. 3仿真结果分析274.3.1 与常规PID控制效果的比较274.3.2 扰动性分析284.3.3 鲁棒性分析30结束语32参考文献33致谢34附录1：开题报告35附录2：外文翻译36 500t/h CFB锅炉床温模糊PID控制系统的设计1 绪论1.1 课题研究的背景和意义循环流化床锅
8、炉CFBB(Circulating fluidized bed boiler)是近30年来发展起来的一种新型煤燃烧技术。它具有常规煤粉炉所没有的优点：燃烧效率高，燃料适应性广，低污染燃烧，脱硫效率高，燃烧热强度大，炉膛体积小，床内传热系数高，负荷调节性能好，灰渣可综合利用。因此在短短的30年间，流化床技术得到了飞速发展，由最初的鼓泡流化床发展到了循环流化床，其应用也由小型锅炉发展到容量与煤粉炉大体相当的大型电站锅炉。循环流化床真正得到应用始于70年代末80年代初。1979年，芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司开发的世界首台20t/h商用循环流化锅炉投入运行。此后，循环流化床锅炉技术发展很快，已
9、有许多不同的流派和形式，从技术上可以分为三家：(1)德国鲁奇(Lurgi)、法国(Stein)、美国(ABBCE)型CFBB，采用鲁奇技术。1992年德国Lurgi、Lentjes和Babcock公司三家公司联合成立了LLB公司，拥有Lurgi型和Circofluid型循环流化床锅炉。(2)芬兰奥斯龙公司的Pyroflow型循环流化床锅炉。(3)美国福斯特惠勒(Fw)公司自有型循环流化床锅炉。其中，带有外置式热交换器的循环流化床锅炉有：鲁奇循环流化床锅炉，ABBCE型循环床锅炉和福斯特惠勒循环流化床锅炉；不带外置式热交换器的循环床锅炉主要有Pyroflow循环流化床锅炉和Circofluid型
10、循环硫化床锅炉。目前，世界上发电容量为l00Mw250Mw的循环流化床电站锅炉已有数十台投入运行，其中容量最大的是采用鲁奇Lurgi技术，由法国Stein公司制造，安装在法国Gardanne电厂的250MW(700t/h)循环流化床锅炉，于1995年5月投入运行。美国ABB，CE公司，FW公司等主要循环流化床锅炉的制造商都在开发300350MW等级的产品，可以说，目前国外大型循环流化床技术正日趋成熟，逐渐达到与煤粉炉容量相当的水平。国内中小型循环流化床锅炉技术也已相当成熟，但在大型循环流化床锅炉的开发研究方面，与先进国家仍有相当大的差距。引进国外技术制造的2201/h(50Mw)和引进410t
11、/h的CFBB已投运，但从运行实绩看，在燃烧效率、锅炉可靠性、价格和能耗等指标上，与传统煤粉炉相比，仍有一定的差距1。1.2 循环流化床燃烧控制的特点由于循环流化床锅炉具有较其它类型锅炉更为优越的性能和特点，因此在电力、供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用，自动控制系统作为实现锅炉安全、经济运行的有效手段正越来越受到锅炉用户的重视。实用循环流化床锅炉的运行自动化已成为其走向商用的关键之一。循环流化床锅炉在结构和运行方式上与常规煤粉锅炉相比均有着显著的差异，因此在燃烧控制上存在有许多不同之处。循环流化床锅炉控制难度更大要求更高。除了完成普通锅炉的自动调节任务：即保证汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温
12、度和炉膛负压等在规定范围内，为维持经济燃烧，还必须保持一定的床层高度，控制床温在要求范围内。床温对流化床的稳定运行具有极其重要的作用，床温直接影响炉内各种化学反应(脱硫、降氮)的反应速率，从而影响排污指标。床温过高可能易于导致结焦，而破坏循环流化床的运行状态；床温过低则易引起炉膛灭火，造成停炉故障。床温也影响汽水系统的吸热量，从而决定主蒸汽压力和温度等各种参数。维持正常的床温和锅炉出口蒸汽参数是循环流化床锅炉稳定，经济运行的关键，在循环流化床锅炉的运行过程中，几乎所有的燃烧控制和调节都是围绕维持稳定的床温和所要求的蒸汽参数进行的。带有外置式热交换器的循环流化床锅炉在本体结构上很好地解决了蒸汽压
13、力与床温在控制回路问的紧密耦合关系。因此，这种锅炉可以采用风煤比调节主蒸汽压力，采用进入外置式换热器循环物料量的多少来调节床温，故床温自动控制系统一般为常规单回路反馈控制系统。没有外置式热交换器的循环流化床锅炉结构比较简单、紧凑、节省材料，因此得到较广泛的应用。国内普遍采用或选型的循环流化床锅炉的典型结构就是无外置式热交换器。此类锅炉给其燃烧控制系统实现自动控制带来了极大的困难，因为锅炉主汽压力和床温的控制均是通过调节给煤量和送风量来实现的，当主汽压力和床温两者中任何一个出现偏差时，无论调节给煤量还是送风量都会使另一个量发生变化，这样使得主蒸汽压力和床温成为具有紧密关系的强耦合变量。而且不论调
14、节给煤量或送风量，都同样会影响负荷，因为给煤量的大小直接与负荷密切相关；若是通过调节送风量控制床温，则会改变传热系数从而影响负荷(传热系数是与炉内气体流速、床温、悬浮段物料密度等密切相关)。给煤和送风量的改变又会影响烟气含氧量、炉膛负压和料床高度，等等。而由此造成的蒸汽量的变化又影响到汽包水位和过热蒸汽温度。这样各变量之间或强或弱都存在耦合关系，理想的控制系统应该是多回路的控制系统，当系统受到某一扰动时，所有的被调量同时协调动作，使所有的被调量都具有一定的控制精度。但是这样的调节是很艰难的，要使所有的耦合变量都得到精确的控制是不可能的。目前一般将循环流化床锅炉的自动控制系统分成几个相对独立的控
15、制系统，主要包括以下主要控制回路： （1）汽包水位控制回路； （2）过热汽温控制回路； （3）主蒸汽压力控制回路； （4）床温控制回路； （5）床层高度控制回路； （6）二级返料回料控制回路； （7）炉膛负压控制回路； （8）烟气含氧量控制回路； （9）烟气含S02量控制回路。 近年来，国内外有很多机构和学者尝试着进行循环流化床锅炉自动控制的研究，一些学者提出过一些很有应用价值的自动控制系统方案。1.3 本课题设计的目的循环流化床的床温控制系统是一个大惯性系统。滞后性在给煤调节床温时普遍存在。时滞越大,被控对象输入、输出之间的相关性越小，用常规控制已不能满足当前安全、节能、经济、低污染的需求。
16、因此人们当前通常采用控制算法简单, 性能优良, 有较强的鲁棒性的模糊控制算法进行控制。本课题的设计目的是应用模糊控制算法来控制循环流化床锅炉床温。从而提高床温控制的精度，保证系统运行的稳定性。1.4 本课题设计的重点与难点 1.4.1 重点 （1）针对控制要求，设计循环流化床锅炉床温控制系统总体方案； （2）根据床温控制要求，设计模糊控制算法； （3）利用MATLAB 建立仿真模型，研究控制算法的性能，并与常规PID 控制进行比较。 1.4.2难点 （1）循环流化床锅炉床温控制系统具有大滞后、多变量、强耦合等非线性特性,其控制系统比较复杂； （2）采用现代控制理论方法的基础是要求有描述对象特性
17、的较为精确的数学模型；（3）建立规则库是模糊控制系统设计的核心问题，也是难点所在。 1.5 本文内容安排本设计主要针对循环流化床床温模糊控制技术进行研究，利用模糊控制算法简单,性能优良, 有较强的鲁棒性等特点，从稳定性，适应性，鲁棒性和抗干扰等方面研究设计出能够适应负荷变化的床温模糊控制系统。本课题的主要工作可以大致分为以下三个方面：第一，掌握循环流化床锅炉的原理，结构，特点。第二，熟悉并掌握模糊控制原理，通过查阅模糊控制的相关文献，可知模糊控制是一种适用于多变量，强耦合，大时滞复杂的非线性系统，其特点是在偏离工作点较远的区域可明显改善控制的动态性能。第三：用模糊控制算法对循环流化床锅炉床温进
18、行控制。综合CFB 锅炉的特征及模糊控制的优点，设计模糊控制算法和仿真模型,用MATLAB 软件进行仿真。此次研究的目的在于提高床温的测量控制精度，保证床温控制的稳定性和可靠性。2 循环流化床锅炉原理2.1 循环流化床工作原理循环流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃料的燃烧技术。它的基本原理是燃料在流化状态下进行燃烧。一般粗颗粒在燃烧室下部燃烧，细颗粒在燃烧室上部燃烧。被吹出燃烧室的细颗粒采用各种分离器收集之后，送回床内循环燃烧。当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所承受的其他外力平衡时，固体颗粒层会呈现出类似于液体状态的现象，这种
19、现象称为流态化。此时，对于单个颗粒来说，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触来维持它的空问位置，相反地，在失去了以前的机械支撑后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低流化速度，成为临界流化速度。气固流化床很像沸腾的液体，它具有以下特点：在任何一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量：无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状；床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口排出；密度高于床层表而密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上；床内固体颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的
20、温度基本均匀。流态化是一个极为复杂的现象，尤其是气固流态化。其影响因素很多，主要是受气体流动速度(流化速度或空气截面速度)、固体颗粒特性(密度、粒度等)、流体特性(密度、黏度等)以及固体器壁的影响。随流化速度增加，一个垂直上行气固系统依次呈现以下几种状态：固定床，鼓泡流化床，湍动流态化，快速流态化，密相气力输送，稀相气力输送。快速流态化和密相气力输送状态的区域，既经典循环流态化的存在区域。此时，床内无气泡，无明显密相界面；存在颗粒成团与返混现象；具有较大的气固滑移速度。快速流态化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体物料被速度大于单物料的终端速度的气流所流化，以颗粒团的形式上下
21、运动，产生高度的返混。颗粒团向各个方向运动，而且不断形成和解体。在这种流体状态下，气体还可以携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度远大于截面平均速度。这种气固运动方式中存在较大的气固两相速度差，即相对速度。在一个循环流化床的提升管(燃烧室)和下行管(一般指外部低速流化床)内安装必要的受热面，应用于煤燃烧的过程，就称为循环流化床锅炉2。循环流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由炉膛(快速流化床)、气固物料分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器(有些循环流化床锅炉没有该设备)等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅
22、炉相近。2.2 床温控制模型床温被控对象动态特性床温是影响Ca/S NOX以及CO排放量的最主要的因素，床温过低不但使锅炉效率下降，而且使锅炉运行不稳定，容易灭火；床温过高会使脱硫效率下降，使SO2和NOX的排放量增加，同时使锅炉结焦，无法正常循环流化燃烧，因此床温控制对循环流化床锅炉是至关重要的。（1）床温被控对象的动态特性的求取循环流化床内主要能量来源于给煤中挥发份燃烧及残碳燃烧放出的能量，则对于床体内动态能量平衡方程为：床体内能量的时间变化率=由给煤带入的物理焓+由一次风带入的物理焓+由循环物料量带入的物理焓+给煤中的碳燃烧反应放出的热量+给煤中的挥发份燃烧反应放出的热量-由排渣带走的物
23、理焓-离开床体的烟气、床料分别带走的物理焓写成具体的能量平衡表示式为： (2-1)等式左边为床体内能量的变化，导数项表示了流化床内大量床料存在导致的热惯性。它由诸多因素引起，由一次风、燃料以及循环物料送入炉膛带入一部分能量，同时，从床体进入悬浮段的床料和烟气带走一部分能量，锅炉排渣也将带走一部分能量。另外床体内的碳和挥发份的燃烧产生大量能量；其中Fg1(m3/s)为离开流化床床体进入悬浮段的烟气流量，CPA(kJ/m3)为空气的比热，TB()为床体中的温度，CPc(kJ/kg)为煤的比热，Cpg(kJ/m3)为烟气的比热，Cpu(kJ/kg)为床料的比热，Hc(kJ/kg)为碳的热值，Hu(k
24、J/kg)J煤中挥发物的热值，Tcci()为循环灰的温度，Tcii()为进入炉膛的煤的温度，TAii()为进入炉膛的空气的温度。床体能量平衡分析如图2.2所示表示了流化床内蓄热量的变化量和进出循环床燃烧系统能量的平衡。 图2.2 床体的平衡示意图由于控制模型是针对循环流化床燃烧的工作状态建造的，而正常运行要求床温在一个最佳范围，基本上保持不变。因此我们将床体动态能量平衡方程式中的状态变量用实际床温TB和没定工作点TB0的偏差代替。即： T=TB-TB0 （2-2） 由于FsgCpg远远小于mbCPU，所以推导时可以将前者省略。从而床体动态能量平衡变为： （2-3）将锅炉的结构参数、煤的特性及经
25、验数据及参数及系数代入线性化后的平衡方程式。（2） 给煤量扰动下床温被控对象的动态过程模型： （2-4） 式中，静态增益KM、惯性时间常数TM都是随运行工况的不同而变化的参数。当锅炉额定负荷时，KM基本保持在28左右，TM基本保持在550s左右。即： （2-5） （3） 一次风量扰动下床温被控对象的动态过程模型： （2-6） 式中，锅炉额定负荷时，KV基本保持在35左右，T1、T2、T3分别基本保持在450s、15s、90s 即14： （2-7） 2.3 床温被控对象的动态特性分析 给煤量扰动对床温有较大影响，其它条件不变时，给煤量增大或减少都会造成床温相应升高或降低，但由于燃煤占床料的比例很
26、小，床料热容量很大，因此在理论上，给煤量扰动下的床温变化理论上应该有个滞后的过程。在上述建模中，我们忽略了煤粒进入流化床中后发生的加热干燥、破碎磨损等若干相关的物理过程，我们考虑的仅仅是碳和挥发份的燃烧这个化学反应。因此所得到的给煤量扰动下床温模型体现的只有大惯性、而没有体现迟延的部分。我们把忽略的部分用一个纯迟延环节代替，参考文献6我们取为16s左右，所以给煤量扰动下床温被控对象的动态过程模型修正如下： （2-8） 3 锅炉床温模糊PID控制系统设计 3.1 模糊控制简介自从1965 年美国加州大学L. A. ZADEH 教授创建模糊集理论和1974 年英国的E.H. Mamdani 教授成
27、功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制已逐渐得到了广泛的发展并在现实中得到成功的应用。一般而言，模糊控制器的设计一般大致可分为三部分，首先将精确的输入量模糊化，通过隶属函数的建立，完成精确的数学量到模糊的语言变量的的转换，隶属函数通常采用三角函数，正态分布函数等，以符合人的思维方式。第二部是进行模糊推理，由于推理规则库主要是按现场的操作经验与知识而建立的，因此模糊控制具有一定的模拟人的思维的特点。第三部是解模糊过程，将推理得到的模糊语言控制量转化为精确的数学变量，去驱动控制机械装置。与传统经典控制方法比起来，模糊控制的特点为：(1) 在设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模
28、型，但要对受控对象的特性有充分了解，是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型；(2) 用语言变量代替常规的数学变量，或两者结合运用，来构造形成专家的知识库；(3) 控制系统的鲁棒性强，适应于常规控制难以解决的非线性，时变性，多层次，多干挠的滞后系统。由于循环流他床锅炉的床温控制具有大滞后、多变量和强耦合等非线性特性，非常适合采用模糊控制原理。引起床温变化的因素很多，如燃料量、石灰石量、一次风量和物料循环量等，笔者仅考虑燃料量(即给煤量)改变下床温的变化。通过采样获取被控制量的精确值，然后将该量与给定值比较得到床温误差e。床温误差e和床温误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，
29、模糊控制器的输出变量u控制给煤机转速，Y是过程输出，即输出变量的采样值。模糊控制器的基本结构系统控制框图如图3.1所示。3.2 模糊控制原理模糊控制是以集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为裁础的一种计算机控制方法。从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴，智能控制是人工智能、控制理论和管理科学相结合的产物。它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。具体地说，其研究对象具备一些智能控制对象的特点：模型不确定性、非线性和复杂的任务要求等。由于循环流他床锅炉的床温控制具有大滞后、多变量和强耦合等非线性特性，非常适合采用模糊控制原理。引起床温变化的因素很多，如燃料量、石灰石量
30、、一次风量和物料循环量等，笔者仅考虑燃料量(即给煤量)改变下床温的变化。通过采样获取被控制量的精确值，然后将该量与给定值比较得到床温误差e。床温误差e和床温误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量u控制给煤机转速，Y是过程输出，即输出变量的采样值。模糊控制器的基本结构系统控制框图如图3.1所示。 图3.1 模糊控制器基本结构图3.3 锅炉床温模糊控制总体设计方案本次设计主要是对500t/hCFB 锅炉床温的控制。由于循环流化床锅炉控制非常复杂，特别是床温控制过程是一个具有大惯性、大延迟、非线性、时变等特点。此时用常规控制理论解决这些问题就出现了困难，因此本设计采用控制算法简
31、单，性能优良，有较强鲁棒性的模糊控制算法进行控制。循环流化床锅炉的运行床温必须保持在其设计的范围内，通常约为850920之间，在此范围内运行可以保证正常的流化燃烧工况，最佳的脱硫效率，较低的NOx 生成量和较高的燃烧效率。影响锅炉床温的内在可调节因素包括给煤量，一、二次风量和总风量，床层的高度或床料存量，炉膛底渣排放量，返料装置下的放灰量等。在以上的因素中，给煤量和风量的配合调节是最重要的，保持合适的风煤比是维持床温的主要手段。当床温发生变化时，首先要根据变化的趋势相应调节给煤量，然后就是调节送风量，但由于送风系统频繁调节不利于整个系统的稳定，所以要考虑通过给煤调节来实现对床温的控制。通过分析
32、在给煤量阶跃扰动下的床温动态模型，得出传递函数，再设计模糊控制算法并进行系统仿真，设计模糊控制器。 图3.2 模糊控制原理框图模糊控制原理框图的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。控制过程是先由热电偶实行数据采集，将采集到的温度值转变为420 毫安的电流值与床温给定值相比较，然后经过模数转换将数据送进模糊控制器进行处理，控制器的输出控制量经数模转换后控制给煤机，进而实现对给煤量的调节，最终达到对床温的控制。控制对象的动态特性是确定系统结构、调节器的控制规律、设置调节器参数的依据，因此根据对象的动态特性和生产过程对控制质量的要求，确定调节参数的数值是控制系统投入之前要做
33、的一项重要工作。 图3.3 模糊控制器基本的组成3.4 模糊控制器简介模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器(Fuzzy Controller-FC) 也称为模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller-FLC),由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的， 因此模糊控制器是一种语言型控制器， 故也称为模糊语言控制器(FuzzyLanguageControlle-FLC)。模糊控制器的各部件组成如图3.2 所示。（1）模糊化接口(Fuzzy i
34、nterface)模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。（2）知识库(Knowledge Base-KB)由数据库和规则库两部分构成。数据库(Data Base-DB)数据库所存放的是所有输人、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等离散化以后对应值的集合)，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。 规则库(Rule Base-RB)模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。推
35、理与解模糊接口(Inference and Defuzzy-interface)推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。综上所述，模糊控制器实际上就是依靠微机（或单片机）来构成的。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。3.5 PID控制器简介在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模 型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和
36、参数必须依靠经验和现场 调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。实际中也有PI和ro控制。PID控制器 就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制器由 比例单元（P)、积分单元（I)和微分单元（D)组成。它的传递函数为： (3-1) 其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制 系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了
37、消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的 积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的 增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比 例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关 系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存 在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是 落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零 时
38、，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够 的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误 差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等 于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对 象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.6 PID参数对系统性能的影响PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。 为了能够在动态过程中通过模糊推理改变PID控制的各个参数，使得参数的改变建立在 扎实的理论和实践经验的基础上。下面对P
39、ID控制规律和参数变化对系统性能的影响进 行分析。(1) Kp的比例控制能迅速产生与误差成正比的调节作用，从而减少稳态误差。但是, 比例控制不能消除稳态误差。Kp的加大会引起系统的不稳定，容易产生振荡，使得调节 时间延长。相反，若Kp太小会使系统动作缓慢，灵敏度降低。在系统稳定的情况下，如 果加大Kp，可提高控制精度，减小误差。(2) Ti的影响积分控制主要用于消除静差。Ti太小，积分作用强，系统将不稳定； Ti偏小，振荡次数较多，超调量较大；Ti太大，积分作用弱，对系统性能的影响减小； Ti合适时过渡过程特性比较理想。在系统稳定的情况下，Ti太大时，消除静差太慢；Ti 太小，系统不稳定。 (
40、3)Td的影响微分控制可以根据误差变化的速度提前给出较大的调节作用。微分部 分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特 点。Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善。但是Td太大时，会引起过大的超调， 系统不稳定；Td太小，调节质量改善不大。另外，在选取采样周期时Ts时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间和上升 时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，Ts越小越好。但是Ts太小会增加CPU的运 算工作量，3.7 锅炉床温模糊控制器的详细设计1965年LAZadeh提出了模糊集合论，这就是模糊控制的产生基础。1974年英国马丹尼(Mamdani)首先将模糊控
41、制用于锅炉和蒸汽机的控制，实用效果良好。所谓模糊控制，只是在控制方法上应用了模糊数学知识，其基本原理仍和经典控制、现代控制理论一样没有改变，模糊控制的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法，但它的控制输出确是确定的。设计模糊控制器必须解决以下三个问题15：a.输入、输出量的模糊化；b模糊控制规则或模糊控制表的建立(模糊算法)；c输出信息的模糊判决。模糊控制系统的基本组成框图如图3.4。 图3.4 模糊控制系统组成框图由上图我们看出，模糊控制算法的实现过程可概括为以下三个步骤：a.将采集到的输入变量的精确值模糊化，转化为模糊量；b.根据经验建立模
42、糊控制规则，并确定推理法则，也就是模糊决策，模糊决策后还必须经过模糊判决以便得到一个确切的控制量；c.由上述得到的控制量清晰化，从而计算出精确的控制量。 3.7.1 模糊化设计由模糊控制的机理可知，在进行模糊推理之前，首先要对输入变量进行模糊化，模糊化方法如下：将设定温度和实际温度之间的误差值e 模糊化，选择语言集为负大(NB) ,负中(NM )，负小(NS )，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，模糊论域可选择为n n-2-2 0 2n-2 n，最大温度偏差范围为-q q，则量化因子为： Ke=n/q (3-2) 对于锅炉床温温度偏差变化率ec，选择合适的模糊论域和偏差变化
43、率范围，按照上式可以计算出相应的模糊量化因子Kec，在这里为了方便起见，本文选择偏差e、偏差变化率ec 具有相同模糊论域。对于输出量u，调节范围为- R R，语言集为负大(NB)，负中(NM ) ， 负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB )，模糊论域可选择为-m m-2-2 0 2m-2 m，输出比例因子为： Ku=R/m (3-3)由上述可得，它们的语言变量，基本论域，模糊子集，模糊论域及量化因子如表3.1所示。3-1 语言变量，基本论域，模糊子集，模糊论域和量化因子变量e ecU 语言变量 E EcU 基本论域 【-30C，+30C】 【-3，+3】 【-6，+
44、6】 模糊子集NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB 模糊论域【-6，+6】 【-6，+6】 【-6，+6】 量化因子6/30=0.2 6/3=2 6/6=1 在设计过程中，选取这些变量的模糊论域均为-6 -4 -2 0 2 4 6，选取相同的三角形隶属函数如图3.3所示。E隶属函数分布图 U 隶属函数分布图图3.6 隶属度分布图 3.7.2 模糊控制规则模糊控制器的控制规则的制定是根据现场操作人员的经验和专家的知识的综合以后得到的，模糊控制规则是模糊控制器的核心组成部分。考虑误差为负的情况，当误差为负大时，若当误差变化率为负，误差有继续增大的趋势，为尽快消除误差，应使控制量增加较快，所以控制量的变化取正大；而当误差变化率为正时，误差有减少的趋势，所以可取较小的控制量，即误差变化率为正小(PS)，输出为正中(PM)，误差变化率为正中(PM)或正大(PB)时，可不增加控制量，所以这时控制量变化取零值。当误差为负中时，考虑的原则仍然是尽快消除误差，其控制量的变化取值同误差为负大时。当误差为负小时，系统接近稳态，若误差变化为负时，选取控制量变化为正中，以抑制误差向负方向变化，若误差变化为正小(PS)，系统正朝消除误差方向变化，选取控制量变化为零，