1、火電廠過熱氣溫控制研究畢業設計摘 要目前，火電廠過熱汽溫控制中，過熱蒸汽出口溫度控制要求高、可控性差，工藝上對過熱汽溫控制的質量有非常嚴格的要求，在火電廠安全性和經濟性運行中有著重要的作用。由于過熱器具有大滯后、非線性、時變、多變量和有自平衡能力等特點，如何提高過熱汽溫的控制質量，是熱工過程控制領域的重要研究課題。本文對被控對象過熱器進行了特性分析，較為詳細的描述了預估控制和模糊控制的系統結構及原理。論文針對過熱器具有的諸多特點及火電廠對過熱汽溫控制的要求，提出了對火電廠過熱汽溫，采用控制的控制策略。其主要目的是使預估控制和模糊控制的優勢結合、互補，探索進一步提高過熱汽溫控制質量的有效途徑。關

2、鍵詞 過熱器，汽溫控制，模糊控制 AbstractAt present, control of steam-gas exit temperature has high requirements and bad controllability in the process of superheated steam temperature control in power plant. There are very strict requirements to the quality of superheated steam temperature control in craft work, w

3、hich plays an important role in security and economy run of power plant. Due to the characteristics of super-heater such as great lag，nonlinear, time-varying, multivariable and self-balance, that how to improve the control quality of superheated steam temperature has become the significant research

4、topic in thermal process control field.It analyzes the characteristic of super-heater which is the controlled object in the article, depicts in common use comparatively detailed, Smith predictive control and the system configuration and the theory fuzzy control. Paper puts forward Fuzzy-Smith contro

5、l strategy accord to the characteristics of super-heater like great lag, multivariable and the control requirements of superheated steam temperature in power plant. Its main objective is to make combination and complementary of advantages in order to explore the effective approach to improve the con

6、trol quality of superheated steam temperature.Key Words super-heater, the main steam temperature control, fuzzy control目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc327348454 摘 要 PAGEREF _Toc327348454 h I HYPERLINK l _Toc327348455 Abstract PAGEREF _Toc327348455 h II HYPERLINK l _Toc327348456 目 錄 PAGEREF _Toc3273

7、48456 h i HYPERLINK l _Toc327348457 引 言 PAGEREF _Toc327348457 h 1 HYPERLINK l _Toc327348458 第一章 過熱汽溫系統概述 PAGEREF _Toc327348458 h 2 HYPERLINK l _Toc327348459 1.1 過熱器的布置及其流程 PAGEREF _Toc327348459 h 2 HYPERLINK l _Toc327348460 1.2 過熱汽溫對象的特性 PAGEREF _Toc327348460 h 3 HYPERLINK l _Toc327348461 1.2.1 汽溫對象

8、的靜態特性 PAGEREF _Toc327348461 h 3 HYPERLINK l _Toc327348462 1.2.2 汽溫對象的動態特性 PAGEREF _Toc327348462 h 3 HYPERLINK l _Toc327348463 1.3 過熱汽溫對象的數學模型 PAGEREF _Toc327348463 h 4 HYPERLINK l _Toc327348464 第二章 過熱蒸汽溫度串級控制系統的分析 PAGEREF _Toc327348464 h 5 HYPERLINK l _Toc327348465 2.1 PID控制作用 PAGEREF _Toc327348465

9、h 5 HYPERLINK l _Toc327348466 2.1.1 比例（P）控制 PAGEREF _Toc327348466 h 5 HYPERLINK l _Toc327348467 2.1.2 比例積分（PI）控制 PAGEREF _Toc327348467 h 5 HYPERLINK l _Toc327348468 2.1.3 比例微分（PD）控制 PAGEREF _Toc327348468 h 6 HYPERLINK l _Toc327348469 2.1.4 比例積分微分（PID）控制 PAGEREF _Toc327348469 h 6 HYPERLINK l _Toc3273

10、48470 2.2 過熱汽溫串級控制系統 PAGEREF _Toc327348470 h 6 HYPERLINK l _Toc327348471 第三章 模糊控制與控制理論 PAGEREF _Toc327348471 h 9 HYPERLINK l _Toc327348472 模糊控制理論 PAGEREF _Toc327348472 h 9 HYPERLINK l _Toc327348473 模糊控制簡介 PAGEREF _Toc327348473 h 9 HYPERLINK l _Toc327348474 3.1.2 模糊控制的基本原理 PAGEREF _Toc327348474 h 9 H

11、YPERLINK l _Toc327348475 模糊控制器的設計 PAGEREF _Toc327348475 h 10 HYPERLINK l _Toc327348476 模糊化運算 PAGEREF _Toc327348476 h 10 HYPERLINK l _Toc327348477 知識庫 PAGEREF _Toc327348477 h 11 HYPERLINK l _Toc327348478 模糊推理 PAGEREF _Toc327348478 h 11 HYPERLINK l _Toc327348479 3.3 Smith控制理論 PAGEREF _Toc327348479 h 1

12、2 HYPERLINK l _Toc327348480 第四章 過熱汽溫控制系統研究 PAGEREF _Toc327348480 h 14 HYPERLINK l _Toc327348481 基于過熱汽溫控制的模糊控制器的設計 PAGEREF _Toc327348481 h 14 HYPERLINK l _Toc327348482 4.1.1 模糊控制工具箱簡介 PAGEREF _Toc327348482 h 14 HYPERLINK l _Toc327348483 基于過熱汽溫控制的模糊控制器的設計 PAGEREF _Toc327348483 h 14 HYPERLINK l _Toc327

13、348484 4.2 過熱汽溫串級控制系統的研究 PAGEREF _Toc327348484 h 16 HYPERLINK l _Toc327348485 總 結 PAGEREF _Toc327348485 h 17 HYPERLINK l _Toc327348486 致 謝 PAGEREF _Toc327348486 h 18 HYPERLINK l _Toc327348487 參考文獻 PAGEREF _Toc327348487 h 19 HYPERLINK l _Toc327348488 附 錄 PAGEREF _Toc327348488 h 20 HYPERLINK l _Toc327

14、348489 A1.1 E、EC、U的隸屬度函數圖 PAGEREF _Toc327348489 h 20 HYPERLINK l _Toc327348490 A1.2 模糊控制規則庫 PAGEREF _Toc327348490 h 21引 言隨著社會的不斷進步，整個國民經濟對電力的需求越來越大，對電力供應的可靠性也提出了更高的要求。為保證電力供應的穩定：一方面要求發電機組的輸出能力要能及時跟上電網負荷的變化，另一方面又要保證機組的安全運行。目前，串級控制在火電廠中的過熱汽溫實時控制中占主導地位，但其控制效果還不能令人十分滿意。長期以來，針對火電廠被控對象過熱器具有大滯后、非線性、多變量和時變等

15、特點，國內外對過熱汽溫控制方法進行了很多有益探索和研究。因為國內外在過熱汽溫控制系統的技術和發展方面十分接近，所以，這里主要對當前國內過熱汽溫過程控制的方法，進行有限的闡述。PID控制算法是其中最簡便的，控制參數可依據經驗公式進行整定或解析設計。火電廠中的過熱汽溫實時控制，如果采用傳統的PID控制規律，因為參數整定困難，缺乏對過熱器動態變化的自適應能力，達不到火電廠中的過熱汽溫實時控制的要求。模糊控制是由控制理論與模糊集合理論相結合發展起來的一種新型控制技術。因它能利用熟練運行人員的操作經驗或領域專家的知識，解決復雜被控對象的控制問題，故模糊控制從一開始便立刻引起控制界的廣泛興趣，并得以迅速發

16、展。模糊控制的發展歷史不長，模糊控制本身還存在一定的缺陷等原因。如果單獨使用模糊控制對過熱汽溫進行過程控制，也不能滿足過熱汽溫實時控制的要求。盡管國內許多控制專家就過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，故火電廠過熱汽溫控制問題也一直未能得到徹底的解決。 第一章 過熱汽溫系統概述1.1 過熱器的布置及其流程1-汽包；2-頂棚過熱器；3-級減溫器；4-低溫段對流過熱器；5-屏式過熱器；6-二級減溫器；7-高溫段對流過熱器；8-過熱蒸汽；9-燃燒器；10-爐膛；11-煙道過熱器；12-煙道圖1.1 過熱器布置及流程簡圖其中頂棚過熱

17、器：布置在爐膛、水平煙道及轉向室的頂部，用于吸收爐膛輻射熱，屬于輻射式過熱器。低溫段對流過熱器：布置在豎井煙道上部，其傳熱方式為對流熱，屬于對流式過熱器。屏式過熱器：布置在靠近爐膛前墻的頂部，吸收爐膛的輻射熱，屬于輻射式過熱器。高溫段對流過熱器：布置在爐膛出口折焰角的上方，吸收爐膛部分輻射熱和大部分對流熱，由于傳熱方式以對流為主，故稱對流過熱器。由于過熱器受熱面積大，所以將其一部分布置在爐膛內及爐膛出口處，用以吸收部分爐膛內的輻射熱量，滿足蒸汽吸熱的需要。為了減小熱偏差，改善管子的工作條件，應控制過熱器管壁溫度不超過所用材料的最高允許溫度，并使過熱器具有良好的溫度特性。該過熱器系統采用了部分輻

18、射式過熱器和部分對流式過熱器，系統進行了七次混合，一次左右交叉，這有利于消除過熱器的熱偏差，防止超溫，確保過熱器的安全工作。由以上過熱器在鍋爐中的位置分布可知，它由多段組成，過熱器不僅以對流方式吸收爐膛中的熱量，還以輻射的方式吸收爐膛中的熱量。過熱器用多段噴水方式進行減溫以控制出口汽溫，隨著機組容量的增大，蒸汽過熱段吸收的熱量相對提高，使過熱器的受熱面積加大，管段加長，減溫器數量增多，一般200300MW機組的鍋爐過熱器采用兩段噴水，更大容量機組的鍋爐采用三段甚至四段噴水減溫，穩定各段汽溫以保證出口汽溫的穩定。1.2 過熱汽溫對象的特性1.2.1 汽溫對象的靜態特性過熱汽溫調節對象的靜態特性是

19、指汽溫隨鍋爐負荷變化的靜態關系。從圖1.2所示的靜態特性可以看出，對流式過熱器和輻射式過熱器的過熱汽溫的靜態特性完全相反。對于對流式過熱器，當負荷增加時，通過其煙氣的溫度和流速都增加，因而使過熱汽溫升高，所以對流式過熱器的出口汽溫隨負荷增加而升高；對于輻射式過熱器，由于負荷增加時爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負荷增大所需要的吸熱量，因此輻射式過熱器的出口汽溫隨負荷增加而降低。現代大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器的受熱面積大于輻射式過熱器受熱面積，因而總的汽溫將隨負荷增加而升高。 10080602040圖1.2 過熱汽溫的靜態特性1.2.2 汽溫對象的動態特性蒸汽從汽包出

20、來以后，通過過熱器的低溫段至減溫器，然后再到過熱器的高溫段，最后至汽輪機。過熱汽溫噴水減溫系統示意圖見圖1.3，是過熱汽溫，它是控制系統的被調量，是噴水減溫器后的過熱溫度，D是蒸汽流量，W是噴水量，它是系統的調節量。火電廠鍋爐所產生的過熱汽溫并不是固定不變的，它要受到設計、運行、安裝等多種因素的影響。鍋爐運行中要控制好過熱汽溫，必須對影響過熱汽溫的因素進行分析。鍋爐運行中影響過熱汽溫的因素有很多。如蒸汽負荷、煙氣溫度和流速、給水溫度、爐膛熱負荷、送風量、給水母管壓力、燃燒器火焰噴嘴方向和減溫水量等。歸納起來，主要為蒸汽流量，煙氣傳熱量和減溫水三個方面的擾動。對被控對象過熱器的特性分析，是探索改

21、善過熱汽溫的過程控制，尋求設計控制系統結構和控制規律要解決的第一個主要問題。圖1.3 過熱汽溫噴水減溫系統示意圖綜上所述，過熱汽溫被控對象在各種擾動下都有延遲，有慣性，有自平衡能力。需要指出的是，在噴水減溫控制系統中，因減溫水量的擾動強烈，對此段的溫度要求比對高溫段出口要求低，故常將減溫水量作為串級控制系統的副參數。正常運行中，過熱汽溫控制的基本原則是：正常運行時使用減溫水控制，在低負荷運行，汽溫達不到額定數值時，則可根據不同的負荷，由運行人員采用不同的汽溫定值進行控制。若采用關閉減溫水和提高火焰中心的方法還維持不了汽溫數值時，也可適當采用提高過剩空氣系數的方法進行控制。1.3 過熱汽溫對象的

22、數學模型根據汽溫的階躍響應曲線，利用面積法、切線法、半對數法等，可以求出過熱汽溫控制對象的傳遞函數為（1-1）： （1-1）式中：K整個汽溫的放大系數；T、n分別為整個汽溫對象的時間常數和階數。 現以某電廠一機組過熱器為例，通過以上分析可知，在90%負荷的穩定運行狀態下，通過施加減溫水的階躍擾動，測得汽溫對象的階躍響應特性,過熱汽溫對象的傳遞函數為： (1-2)可見該對象具有明顯的滯后特征，一般認為純遲延時間與過程的時間常數T之比大于0.3，則說明該過程是具有大遲延的工藝過程。另外當對象特性變化較大和外界擾動較大時，常規的PID算法就很難達到預期的控制效果。因此我們考慮采用以常規的串級控制為基

23、礎。利用預估器對模糊控制進行有效的補償，既可以很好的解決火電廠過熱汽溫所具有的大慣性，大遲延的特性，進而對過熱汽溫進行有效的控制。其中模糊控制原理和預估補償原理將在第二章中詳細介紹。第二章 過熱蒸汽溫度串級控制系統的分析2.1 PID控制作用PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，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控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為 （2-1）式中積分的上下限分別是0和t。因此傳遞函數為：

24、 （）其中為比例系數；為積分時間常數；為微分時間常數。2.1.1 比例（P）控制控制作用u與偏差e成比例關系。單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大輸出越大。實際應用中，比例度的大小應視具體情況而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系統克服擾動，余差太大，控制質量差，也沒有什么控制作用；比例度太大，控制作用太強，容易導致系統的穩定性變差，引發振蕩。對于反應靈敏、放大能力強的被控對象，為提高系統的穩定性，應當使比例度稍小些；而對于反應遲鈍，放大能力又較弱的被控對象，比例度可選大一些，以提高整個系統的靈敏度，也可以相應減小余差。單純的比例控制適用于擾動不大

25、，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合，工業生產中比例控制規律使用較為普遍。2.1.2 比例積分（PI）控制比例控制規律是基本控制規律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優點就是控制及時、迅速。只要有偏差產生，控制器立即產生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點限制了單獨使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎上加上積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這里的“積分”指的“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越小），一直到偏差為零，累積才會停止。所以，積分

26、控制可以消除余差。積分控制規律又稱無差控制規律。積分時間的大小表征了積分控制作用的強弱。積分時間越小，積分作用越強；反之，積分作用越弱。積分控制雖然能消除余差，但存在著控制不及時的缺點。因為積分輸出的累積是漸進的，其產生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，難以使控制系統穩定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結合起來，構成比例積分控制。這樣取二者之長，互相彌補，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現較為理想的過程控制。2.1.3 比例微分（PD）控制比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。

27、所謂“時間滯后”指的是：當被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發生變化，而是有一個時間上的延遲，比如容量滯后，此時比例積分控制顯得遲鈍、不及時。為此，人們設想：能否根據偏差的變化趨勢來做出相應的控制動作呢？猶如有經驗的操作人員，即可根據偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據偏差變化的速度大小來預計將要出現的情況，提前進行過量控制。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。微分輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差的大小以及偏差是否存在與否無關。如果偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒有任何控制作用。微分時

28、間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強；反之則越弱。當微分時間為0時，就沒有微分控制作用了。同理，微分時間的選取，也是需要根據實際情況來確定的。微分控制作用的特點是：動作迅速，具有超前調節功能，可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質；但是不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時，根本就沒有控制作用。因此，不能單獨使用微分控制規律。比例和微分作用結合，比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后大的對象，可以減小動偏差的幅度，節省控制時間，顯著改善控制質量。2.1.4 比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規律。集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的

29、消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。當偏差階躍出現時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規律，因此可使系統比較穩定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數選擇得當，便可充分發揮三種控制規律的優點，得到較為理想的控制效果。2.2 過熱汽溫串級控制系統目前，火電廠對于具有大滯后、非線性、時變、多變量和有自平衡能力等特點的被控對象過熱器，大多采用串級控制。串級控制系統的基本組成如圖2.1所示。串級控制系統能改善過熱汽溫控制品質，主要是因為有一個快速動作的副控制回路存在的緣故。由圖2.1可以看出，引

30、入負反饋而構成的副回路起到了穩定 (或)的作用，從而使過熱汽溫保持基本不變。副回路起著粗調主汽溫的作用。而過熱汽溫的規定值，主要由主控制器Pl(或PID)來保證。只要不等于規定值，主控制器就會不斷地改變其輸出信號，并通過副控制器去不斷改變減溫水流量，直到恢復到等于規定值為止。由圖2.1還可以看出，主控制器的輸出信號相當于副控制器的可變給定值。穩定時，過熱汽溫等于規定值。可以把整個副回路當成一個等效環節，串聯在主回路的前向通道上，這就是串級控制名稱的由來。圖2.1 串級控制系統的基本組成為了更好的分析串級調節系統的特點，根據圖得出系統的串級調節系統的方框圖，如圖2.2所示。圖2.2 串級控制系統

31、的方框圖從方框圖可以看出，串級調節系統有兩個閉合的調節回路：（1）由副控制器、調節閥、副對象、副溫度變送器和執行器組成的副調節回路；（2）由主對象、主汽溫變送器、主調節器以及副調節回路組成的主回路。串級調節系統之所以能改善系統的調節品質，主要是由于有一個快速動作的副調節回路存在。為了保證快速性，副調節回路的副控制器采用比例(P)或比例微分(PD)調節器，使過熱汽溫基本保持不變，起到了粗調的作用：為了保證調節的準確性，主調節回路的主控制器采用比例積分(PI)或比例積分微分(PID)調節器，使過熱汽溫與設定值相等，起到了細調的作用。對于串級汽溫調節系統，無論擾動發生在副調節回路還是發生在主調節回路

32、，都能迅速的作出反應，快速消除過熱汽溫的變化。串級控制雖然有兩個控制器，兩個變送器和兩個測量參數，但仍然是一個單輸入單輸出系統，系統只有一個需要人為設定的給定值，只有一個控制變量(即副控制器輸出)，只有一個執行機構，只有一個被控變量，這一點和單回路控制系統極其相似。由于串級控制的主控制器和整個副控制回路串聯在主回路中，主控制器的輸出是副控制器的給定值，主控制器接受設定的給定值。因而整個串級控制系統是一個定值控制系統。副控制器的給定值是主控制器的輸出，因這個輸出要隨著擾動而變化，故副回路是一個隨動系統。過程控制中還會經常遇到具有兩個回路的控制系統，只要不符合以上兩個特征，就不是串級控制系統。第三

33、章 模糊控制與控制理論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法，尤其是當受控裝置含有不確定性而且很難用常規非線性控制理論處理時，更是有效。針對過熱汽溫系統具有大延遲特性，模糊控制又不能解決大延遲特性，而Smith預估控制是解決具有大延時特性的最有效的方法之一，因而采用Smith預估控制有利于改善控制系統的控制品質。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，最后講述預估控制原理。1965年扎德（Zadeh）提出的模糊集理

34、論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。影響控制效果。另外，模糊控制系統的穩定性也得不到保證。對模糊控制系統進行分析，有利于了解模糊控制系統的優勢和不足，有利于為過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，最大限度地發揮模糊控制的優勢，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結構的數字控

35、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，依據控制者的經驗和知識，尋求解決的一般方法。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。涉及應用領域和控制目標的相關知識，

36、它由數據庫和語言控制規則庫組成。數據庫為語言控制規則的論域離散化和隸屬函數提供必要的定義。語言控制規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。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展起來的模仿人類智能的一類控制方法，

37、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則或操作經驗提取的模糊控制規則，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行機構，從而完成系統的模糊作用過程。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的變化范圍必須被變換成相應的語言變量E及EC的實際變化范圍，E及EC的實際變化范圍被稱為

38、誤差及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。設誤差的實際變化范圍為，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的比例因子如（3-2） （3-2）（1）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則庫。首先討論數據庫，數據庫中包含了與模糊控制規則及模糊數據處理有關的各種參數，其中包括模糊空間分割和隸

39、屬度函數的選擇等。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)。在選取語言變量值時，既要考慮到控制規則的精細、靈活和彼此不矛盾，又要兼顧簡單、有效和容易實現。（2）規則庫模糊控制規則庫由一系列“IF-THEN”型的模糊條件句構成。條件句的前件為輸入變量，后件為控制變量。模糊控制規則的建立是非常重要的，規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

40、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則；（2）根據過程模型生成控制規則；（3）從輸入輸出信息中得出控制規則；初步建立的模糊控制規則不一定是完美無缺的，也往往需要進一步調整。沒有一套很完善規范的調整辦法，往往需要試湊，經過實驗檢驗效果。 對建立的模糊控制規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。下面僅介紹一下本論文模糊控制器中所使用的模糊推理方法，即Mamdani推理法。Mamdani模糊推理法采用取小運算規則定義模糊蘊涵表達的模糊關系。記為。考慮以下

41、模糊推理形式：規則1：規則2：規則n：前提： 由前提“”和各模糊規則“（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。3.3 Smith控制理論Smith控制的工作原理是將被控對象在基本擾動作用下的動態特性，簡化為一個純遲延與一個一階慣性環節相串聯的數學模型，預估器根據這個輸入的數學模型，預先估計出所采用的控制作用對被控量的可能的影響，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制動作，這有利于改善控制系統的動態性能。當采用單回路控制系統時，如圖3.3所示，控制器的傳遞函數為圖3.3 單回路控制系統當被控對象的傳

42、遞函數為時，從設定值作用至被控變量的閉環傳遞函數是 （3-5）擾動作用至被控變量的閉環傳遞函數是 （3-6）如果以上兩式特征方程中的項可以消除，則遲延對閉環極點的不利影響將不復存在。Smith預估補償方案主體思想就是消去特征方程中的項。實現的方法是把被控對象的數學模型引入到控制回路之內，設法取得更為及時的反饋信息，以改進控制品質。Smith預估補償控制系統如圖3.4所示。 圖3.4 Smith預估補償控制系統是被控對象除去純遲延環節后的傳遞函數，是Smith預估補償器的傳遞函數。從圖3.4中可知，Smith預估補償器由兩部分組成，即一個是被控對象除去純遲延后傳遞函數為的環節，另一個遲延時間等于

43、的純遲延環節。這就是Smith預估補償器，他將消除大遲延對系統控制過程的不利影響，控制系統品質與被控過程無純遲延時，完全相同。第四章 過熱汽溫控制系統研究4.1.1 模糊控制工具箱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。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，包括定義語言變量及其隸屬度函數、輸入模糊推理規則、對整個模糊推理系統的管理以及交互式地觀察模糊推理的過程和輸出結果。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

44、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。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、范圍，以及論域大小等。在過熱汽溫模糊控制系統設計過程中，取E、EC、U的論域均為(-6 6)，其中E為溫度偏差、EC為溫度偏差變化率、U為閥門開度。對變量采用正、負兩個方向和零狀態的描述方法，即采用(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB) 7個狀態來描述。 在MATLAB窗口中鍵入命令FUZZY，進入模糊邏輯編輯窗口FIS Editor。

45、建立E、EC、U的隸屬函數，有三角形、高斯型、梯形等11種可供選擇，在此選常用的三角形（trimf）隸屬度函數。圖4.1為E的隸屬度函數，EC和U的隸屬度函數圖形與E的隸屬度函數圖形相同。見附錄A1.1。圖4.1 E的隸屬度函數控制規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條控制規則如表4-1所示。表4-1 模糊控制規則表UENBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNMNSNSNMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPMZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPMPMNSZOPSPSPMPMPMPBPSPSPMPMPMPB

46、PB現在就可以進入規則編輯器中按照規則表4-1中定義形式，在 Rule Editer 內，使用 Add rule將相對應的規則加入到其中。在模糊推理過程瀏覽器中，可觀測到規則的變化過程，如圖4.2所示。模糊決策采用Mamdani模糊推理法，解模糊有重心法、最大隸屬度法、系數加權平均法，在此采用重心法。顯然模糊控制是一種非線性控制。圖 4.2 模糊規則的圖形化顯示4.2 過熱汽溫串級控制系統的研究對過熱蒸汽串級控制系統的主、副控制器參數整定采取的方法是先整定副控制器，然后整定主控制器，最后進行反復微調直到達到要求效果的方法。調節時先調節副控制器，先將主控制器的參數Kp設置為1，Ki設置為0，在對

47、副控制器參數進行適當調節，取副控制器參數Kp為接下來調節主控制器，Ki，Kd仍然為0，此時逐漸增大比例系數Kp，直到系統出現等幅振蕩（即臨界穩定），記錄此時的臨界振蕩增益KuTu=90。利用表4-2的公式進行換算Kp=2.7846，Ti=76.5，Ki=Kp/Ti=0.0364得到初步的圖形。表4-2 臨界比例度法整定PID參數控制器類型KpTiTdP0PI0PID得到的初步圖形存在震蕩，超調過大，以及調節時間過長的問題，無法滿足要求，因此，在初步圖形的基礎上，利用PID的調節特性對參數進行反復的微調，直到達到需要的效果。總 結由于被控對象過熱器具有大延遲、大慣性、時變、非線性和具有自平衡能力

48、等特性，目前火電廠的過熱汽溫常規PID控制系統的控制過程不理想，本文針對過熱汽溫提出了Fuzzy-Smith控制的方案。實驗表明，在過熱汽溫Fuzzy-Smith控制系統中，即克服了常規PID控制系統必須基于對象的精確數學模型，又解決了僅采用模糊控制器時，隨著對象特性的不確定變化，外界干擾，無法使模糊控制器的規則和參數實時修改的不足之處。采用Fuzzy-Smith控制可以得到優于常規PID控制方案的控制效果。由于客觀條件和自身能力的限制，論文中還存在一些不足和需要進一步完善的地方，主要包括以下兩點：(1)實驗使用的被控對象的模型較為簡單，系統的給定和干擾也只是采用了階躍信號，在今后的研究工作中有必要進一步改進。(2)目前，模糊控制大多處于理論階段，本文的后續工作也只是處在理論階段，如何能夠將其應用到現場還需要做更多的工作。致 謝首先，衷心感謝我的指導老師梁老師對我的幫助和支持。在我完成論文期間，當遇到我所不能解決的問題時，他能夠非常細心的指導我，解除我的疑惑，指出我的錯誤。正是因為他的這些珍貴的鼓勵和教導，給了我許多新的啟發，讓我能夠順利完成這次畢業設計。其次，我要感謝大學里所有的任課老師，正是因為他們孜孜不倦的