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學基礎的新型計算機控制方法。由于它不依賴于被控對象的精確數學模型，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PID控制所無法比擬的自適應能力。本文首先介紹船用鍋爐燃燒系統自動控制的主要任務，并介紹了目前船用鍋爐燃燒控制系統研究的現狀及發展，以及模糊控制系統的發展及其在制工程中的應用。然后根據船用鍋爐燃燒過程的工作原理，通過對蒸汽壓力的動態特性的分析，得到了蒸汽壓力調節對象的模型，并通過一定的假設和簡化，得到鍋爐蒸汽壓力近似數學模型。針對船用鍋爐這種具有非線性、參數不穩定、難以建立精確數學模型的控制對象，采用傳統的PID控制，效果不佳。結合模糊控制理論和PID控制，本文提出用模糊自適應PID控制器實現對船用鍋爐主蒸汽壓力的控制，空燃比的協調控制采用變偏置雙交叉限幅燃燒控制方法。本論文應用MATLABSIMULINK對模糊參數自適應PID控制器的鍋爐蒸汽壓力控制系統模型進行仿真研究。并利用MATLABSIMULINK仿真工具對模糊自適應PID控制器的性能作了初步研究。仿真結果表明，明顯優于傳統PID控制，具有超調量小、響應速度快、穩定性好、適應性強等特點，能夠達到預期的控制效果。關鍵詞：船用鍋爐；模糊控制：PID：模糊自適應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的設計5.1鍋爐燃燒控制系統概述5.2主蒸汽壓力模糊自適應PID控制系統的設計6船用鍋爐燃燒控制系統的計算機仿真研究6.1控制器Simulink仿真6.2控制器MATLAB編程7小結參考文獻,1引言,隨著科學技術的飛速發展，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，而單位產值的能耗卻為發達國家的二倍。可見，節能問題已經成為一個亟待解決的影響國家發展的問題。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，蒸汽鍋爐產生的高溫高壓蒸汽用于驅動主汽輪機運轉，以推動船舶前進，同時也為各種以蒸汽為動力的輔機和其它需要以蒸汽為熱源的設備提供不同質量的蒸汽。在柴油機動力裝置的船舶上，鍋爐產生的蒸汽主要用于加熱燃油、滑油、工作水、驅動輔機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，其蒸發量越來越大。隨著對船舶續航力要求的提高，在保證快速性的前提下，對鍋爐燃燒系統的經濟性的要求越來越高，這就對鍋爐燃燒控制系統提出了更高的要求，在保證系統響應性能的同時，還要兼顧系統的經濟性能。船用鍋爐燃燒系統是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關聯的對象，調節參數與被調節參數之間存在著許多交叉的影響，當鍋爐負荷變化時，所有的被調量都會發生變化。如何使主蒸汽壓力既具有良好的動態特性，又能使入爐燃料得以充分燃燒(即高效燃燒問題)，是燃燒優化控制的真正內涵，也是燃燒過程控制的關鍵。本論文結合船用鍋爐燃燒控制系統的兩個任務：維持主蒸汽壓力的穩定和燃燒過程的經濟性，研究并設計一個既能兼顧鍋爐燃燒控制系統的快速性，又能兼顧燃燒過程的經濟性。從而提高船用鍋爐的熱效率，節約能源。,2PID控制原理,數字PID控制在工業控制領域得到廣泛的應用。其控制原理框圖如圖1所示：,圖1PID控制系統原理圖,PID控制是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差為e(t)=（t)-c(t)。將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規律為：PID控制規律離散表述形式：式中：Kp一一比例系數d；Ti一一積分時間常數；Td一一微分時間常數。,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控制器各個校正環節的作用如下：(1)比例環節即時成比例地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)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系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，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態誤差進一步減小，直到等于零。積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數乃，Z越大，積分作用越弱，反之則越強。(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)成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。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”，它能預測誤差變化的趨勢，從而避免了被控量的嚴重超調。微分環節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，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統得動作速度，減少調節時間。,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上的一種基于語言規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。模糊控制是根據對控制對象的粗略知識以及人們的生產技能等知識，導出自然語言的控制規則，利用模糊理論進行控制的一種控制方法。模糊控制以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則推理為理論基礎，把人的控制策略的自然語言轉化為計算機等各種各樣處理器能接受的算法語言來實現。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行差運算，得到偏差量e(t)。偏差e(t)經過A/D轉換成模糊控制器輸入量e，把輸入量e進行模糊化成模糊量，再把模糊量用相應的模糊語言表示，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則(模糊關系)根據推理合成規則進行決策，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控制理論相結合應用于步進電機控制系統，充分發揮兩種控制策略各自的優勢，提高步進電機控制系統控制性能。根據模糊控制理論及PID控制理論的控制特性，可以有兩種整合控制器設計方式：(1)調整系統控制量的模糊PID控制器。(2)模糊增益調整PID控制器。(1)調整系統控制量的模糊PID控制器。調整系統控制量的模糊PID控制器，主要是指在大偏差范圍內(|e|/e01)時，利用模糊推理的方法調整系統控制量U，而在小偏差(|e|/e01)范圍內轉換成PID控制，兩者的轉換根據事先給定的偏差范圍e0自動實現。其控制原理如圖4所示:圖4調整系統控制量的模糊PID控制器,(2)模糊增益調整PID控制器模糊增益調整PID控制器，是利用模糊規則和推理來對PID參數進行在線調整的控制方式。其中調整的參數就是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模糊臼適應整定PID控制原理圖,5船用鍋爐燃燒控制系統的設計,5.1鍋爐燃燒控制系統概述5.1.1工業鍋爐燃燒控制系統工業鍋爐是一個復雜的調節對象，有許多個調節參數和被調節參數，還存在著錯綜復雜的擾動參數。這些參數之間的關系如下圖41所示。圖6工業鍋爐輸入輸出之間的相互關系示意圖,由圖6可以看出，工業鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關聯對象，調節參數與被調節參數之間存在著許多交叉的影響，如當鍋爐負荷變化時，所有的被調量都會發生變化。而且改變任一個調節量時，也會影響到其它幾個被調量。因此，理想的鍋爐自動調節系統應該是多回路的調節系統。但這種調節系統十分復雜，其數學模型仍是半經驗性的，是經過許多假定與簡化推導得出的，無法應用到實際的控制系統中。目前實際解決鍋爐自動調節任務的方法是將鍋爐當作幾個相對獨立的調節對象所組成，相應地設置幾個相對獨立的調節系統，即鍋爐給水自動控制系統、過熱蒸汽汽溫自動調節系統，鍋爐燃燒自動控制系統等。,工業鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是既要提供適當的熱量以適應蒸汽負荷的需要，又要保證燃燒的經濟性和運行的安全性。為此，燃燒過程控制系統由三個控制任務：1、維持主汽壓以保證蒸汽的品質；2、維持最佳的空燃比以保證燃燒的經濟性；工業鍋爐燃燒系統輸入與輸出的關系圖7如下。圖7燃燒系統輸入與輸出的關系圖,5.1.2船用鍋爐燃燒控制系統船用鍋爐燃燒控制系統的基本任務是燃燒所產生的熱量能夠適應動力裝置對鍋爐負荷的需要，同時還要保證鍋爐的安全經濟運行。船用鍋爐受使用情況、系統特點等諸多因素的限制，其燃燒控制系統一般不采用電站鍋爐及工業鍋爐燃燒控制系統中經常使用的，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，其燃料熱值相對穩定，也就是說其過剩空氣系數在規定好的范圍內變化。船用鍋爐燃燒過程自動控制系統的框圖如圖8所示圖8船用鍋爐燃燒控制系統框圖,5.2主蒸汽壓力模糊自適應PID控制系統的設計目前船用鍋爐燃燒控制系統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關系，因此由主蒸汽壓力控制器直接控制燃油流量調節滑閥，從而省去了燃油流量控制器，主蒸汽壓力自動調節系統和燃油流量調節系統合為一個調節系統。主蒸汽壓力控制器是燃燒控制系統的主導控制器，它的測量機構用于檢測鍋爐主停汽閥前的蒸汽壓力值；調節機構是燃油滑閥中的調節滑閥，用于改變進入爐膛的噴油量并使其變化值足夠用于恢復汽壓的變化。這樣使系統硬件結構簡單，也可以縮短系統過渡過程時間，即提高系統的機動性能。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節滑閥，控制進入爐膛的燃油流量。由上可知鍋爐是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的相互關聯的對象，調節參數與被調節參數之間存在著許多交叉的影響，使用簡單的PID控制算法很難達到理想的控制效果。而且參數固定的PID控制，一方面參數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，系統對PID參數的自整定要求，整個系統的適應性和魯棒性將下降。模糊自適應PID控制器能夠實現PID參數的模糊自整定，即控制器根據系統偏差和偏差的變化率，通過一定的模糊推理來自行調整PID參數。此種方法易于實現參數的自整定，可使PID控制器的適應性提高，從而增強整個系統的魯棒性。本論文主蒸汽壓力控制器采用模糊自適應PID控制器，下面介紹模糊自適應PID控制器的設計。,5.2.1模糊控制器的結構根據輸入變量和輸出變量的個數，模糊控制系統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，將輸入變量的個數定義為模糊控制器的維數，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特性品質，因此所獲得的系統動態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，能夠嚴格的反映過程中輸出變量的動態特性。從理論上講，模糊控制系統所選用的模糊控制器維數越高，系統的控制精度越高。但是維數選擇太高，模糊控制規律就過于復雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機實現，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。如果檔數過少，語言變量值會過于粗糙，影響控制效果：如果控制檔數過多，則會帶來關系矩陣的運算復雜等問題。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。則系統輸入輸出的模糊變量子集為：負大，負中，負小，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的確定，就是要確定模糊子集的隸屬函數曲線形狀，將確定的隸屬函數曲線離散化，就得到了有限個點的隸屬度。模糊隸屬函數的確定基于以下原則。隸屬函數是精確量與模糊量轉化的橋梁，它的作用十分重要，研究隸屬函數對控制性能的影響，恰當地選擇隸屬函數是很有意義的。模糊子集的隸屬函數對論域覆蓋面的大小直接影響控制器的輸出。三角形隸屬函數具有簡化計算，易于實現，本文選用三角形隸屬函數。量化因子與比例因子的確定。在“模糊化”過程中，將精確量轉化到相應的模糊論域，需要對精確量進行轉化。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的動態性能影響很大。當K選得較大時，系統的超調也較大，過渡時間較長；如對超調的抑制作用十分明顯，當如選擇較大時，超調量減小，如越大，系統超調量越小，但系統的響應時間變長。K反映了對控制器輸出幅度上的調整，邑過大，則增大控制信號的幅度，使響應時間縮短，但是容易導致振蕩；K過小，則系統響應速度慢，系統動態響應時間變長。基于以上原則本論文選用本系統中的量化因子和比例因子由等級劃分初步確定后，在系統仿真和現場調試中根據具體情況進行優化調整。,5.2.3建立模糊控制規則模糊控制器的控制規則是基于手動控制策略，而手動控制策略又是人們通過學習、試驗以及長期經驗積累而逐漸形成的，存貯在操作者頭腦中的一種技術知識集合。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值運算，于是可以采用微計算機完成這個任務以代替人的手動控制，實現所謂的模糊自動控制。比例環節作用是成比例的反映控制系統的偏差信號e。偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；如果K。取值過大，會引起系統振蕩，破壞系統動態性能。因此當偏差leI較大時，為提高響應速度，K。取大值；在偏差較小時，防止超調過大產生振蕩，K。應減小；當偏差很小時，為使系統盡快穩定，則其應繼續減小。同時也要考慮ec的因素，當ec和e同號時，輸出向偏離穩定值的方向變化，適當增大K。；反之，適當減小。從。的控制規則見表5.1,表51p的控制規則表,積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。它對誤差進行積分，對系統控制有一定的滯后作用，積分作用過強，會造成系統超調增大，甚至引起振蕩。在常規PID控制中，偏差過大時，為防止積分飽和，常將積分環節分離出來，當偏差減小至一定范圍時，才加入積分環節。因此，當偏差eI大或較大時，為避免系統超調，K取零值；當Iel較小時，積分環節有效，隨Iel的減小而增大，以消除系統的穩態誤差，提高控制精度。叢j的控制規則見表52所示表52戰的控制規則表,微分環節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，加快系統的響應速度，減少超調時間，增強系統的穩定性，但它對干擾信號同樣敏感，會使系統抑制干擾的能力下降。因此，在控制過初期，當偏差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，綜合考慮系統的抗擾動能力和系統響應速度，髟應適當取值。其原則是：當lecl值較小時，髟取大一些；當fecl值較大時，局取較小的數值，通常為中等大小。島控制規則見表53所示。,表53戰控制規則表,5.2.4輸出變量的去模糊化模糊自適應PID中三個修正參數脒P、馘、戰的模糊量需要去模糊化，即取得精確量進行計算機控制。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。最終輸入至!UPID控制器的參數由下式計算得出：,5.2.5PID控制器參數的初整定主蒸汽壓力模糊自適應PID控制系統是根據系統偏差和偏差的變化率，通過一定的模糊推理來自行調整PID參數。此種方法易于實現參數的自整定，可使PID控制器的適應性提高，從而增強整個系統的魯棒性。在主蒸汽壓力模糊自適應PID控制系統投入運行之前，要對PID控制器中的三個參數進行初整定。下面介紹幾種常見的PID控制器參數整定的辦法。,1、ZieglerNichols法從對象的開環響應曲線來看，大多數工業過程都能有一階慣性加純滯后模型來近似描述，其傳遞函數為：其中，K、下、T分別為對象模型的開環增益、純滯后時間常數和慣性時間常數。ZN法是由Ziegler(齊格勒)和Nichols(尼科爾斯)于1942年首先提出來的，在理論基礎之上通過實踐總結出來的，其PID控制器整定參數公式如表54所示。表54ZN法PID控制器參數整定公式,2、Cohen-Coon法經過不少改進，Cohen(柯恩)-Coon(庫恩)總結出了計算PID控制器參數的整定公式，它是通過配置系統的主導極點使對象的過渡曲線按4：1衰減率衰減，系統閉環響應特性的單項性能指標，如衰減比、最大動態偏差、調節時間或振蕩周期等和基于從起始時間點至穩定時間為止的整個響應曲線形態的誤差性能指標。單項性能指標直觀、簡單并且意義明確，但是難以準確衡量；誤差性能指標比較精確，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有：(1)絕對誤差積分(IAE)性能指標(2)平方誤差積分(ISE)性能指標(3)時間與絕對誤差乘積積分(ITAE)性能指標(4)時間與誤差平方乘積積分(ISTE)性能指標按照以上不同的誤差性能指標進行PID控制器參數整定時，所得到的系統閉環控制效果是不一樣的。基于IAE的性能指標對小偏差的抑制能力比較強；基于ISE的性能著重于抑制過渡過程中的大偏差的出現；基于1ATE的性能指標則可使調節時間較短；基于ISTE的性能指標在控制大偏差的同時還可縮短調節時間。ISTE指標同其他性能指標相比，基于ISTE性能指標整定得至IJPID控制器參數往往能帶來更優的閉環響應。特別是隨看被控對象純滯后時間T和時間常數T的比值即可控率的增加，更能顯示出ISTE指標的優越性。基于ISTE性能指標整定PID控制器參數的公式由莊敏霞和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最優整定法PID控制器參數的整定公式,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最優整定法PID控制器參數的整定公式,6船用鍋爐燃燒控制系統的計算機仿真研究,6.1控制器Simulink仿真由于計算機技術的高速發展，可以借助計算機完成獲得系統時間響應的任務，這就是數字仿真。數字仿真實質上是根據被研究的真實系統的模型，利用計算機進行實驗研究的一種方法。本章所進行的仿真主要是計算機仿真。仿真的主要過程是：建立模型、仿真運行和分析研究結果。仿真運行就是借助一定的算法，獲得系統的有關信息，特別是系統輸入和輸出響應的變化情況。由于連續時間系統和離散系統的數學模型不同，仿真算法也不同：對于連續時間系統，有不同求解微分方程的數值計算方法,6.1.1船用鍋爐燃燒控制系統的計算機仿真研究在本論文所研究的是在負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，其傳遞函數為：我們分別用常規PID和模糊自適應PID兩種控制算法，在系統參數變化和系統出現的隨機干擾的情況下，得出主蒸汽壓力設定值為定值的系統響應曲線，并對響應曲線進行比較，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最優性能指標整定得到PID控制器參數往往能帶來更優的閉環響應，因此采用基于ISTE最優性能指標整定得出PID三個參數值。,=23.0145,=194,=4.1092,算法下，系統的響應曲線如圖。在鍋爐燃燒控制過程中，影響主蒸汽壓力的因素有很多，系統內部和外部的隨機擾動會隨時出現，設計控制系統時要將這一因素考慮進去，對系統出現的隨機干擾要能夠快速的消除。在仿真過程中，我們在t=lS0s時加入幅值為系統設定值10的干擾，其系統響應曲線如,圖(a)為ISTE最優整定PID控制算法的系統響應圖(b)幅值為系統設定值10的干擾下系統的響應圖圖(c)系統設定值15的干擾下系統的響應圖圖(d)模糊自適應PID控制算法的系統響應圖,6.2控制器MATLAB編程MATLABFunction在控制器仿真框圖的任務是完成模糊PID控制中的PID控制部分，包括將歸一化的參數轉換為實際PID參數及對偏差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,本章簡要介紹了計算機仿真軟件MATLABSIMULINK。在此基礎上，運用計算機仿真軟件MATLABSIMULINK對主蒸汽壓力控制系統進行了計算機仿真，給出了仿真曲線，通過比較得出了結論。本文主要是將模糊控制理論運用于船用鍋爐燃燒控制系統的研究。系統的介紹了船用鍋爐的燃燒控制系統，分析了其自動控制系統的特點，并依據燃燒控制的主要任務設計了燃燒控制方案，實現了燃燒控制系統動態過程中響應性和經濟性的良好兼顧，主要得出了以下結論：1、船用鍋爐燃燒過程對象是一個多輸入、多輸出的復雜調節對象。在分析其機理的基礎上，得出了理論模型。在燃料量