目錄HYPERLINK摘要 ⅠHYPERLINKABSTRACT ⅡHYPERLINK1引言 1HYPERLINK1.1課題背景 1HYPERLINK1.2國內發展概況 2HYPERLINK2鍋爐汽包水位對象的特點和分析 3HYPERLINK2.1鍋爐的工作過程 3HYPERLINK2.2“虛假水位”現象 3HYPERLINK3鍋爐汽包水位控制系統的設計 5HYPERLINK3.1確定控制目標 5HYPERLINK3.1.1鍋爐汽包水位控制系統中被控變量的選擇 5HYPERLINK3.1.2鍋爐汽包水位控制系統中的控制變量（操縱量）的選擇 5HYPERLINK3.1.3鍋爐汽包水位控制系統中的擾動 5HYPERLINK3.2確定控制方案 6HYPERLINK3.3設計模型的構造 7HYPERLINK3.3.1對象模型的構造 7HYPERLINK3.3.2汽包水位仿真系統的構造 10HYPERLINK4控制系統的介紹與設計 12HYPERLINK4.1串級控制系統 12HYPERLINK4.1.1串級控制系統的組成 12HYPERLINK4.1.2串級控制系統的特點 13HYPERLINK4.1.3串級控制系統的設計 13HYPERLINK4.2前饋控制系統 15HYPERLINK4.2.1前饋控制系統的特點 15HYPERLINK4.2.2前饋控制系統的結構 15HYPERLINK4.2.3前饋控制系統的設計 18HYPERLINK5串級三沖量給水控制系統 20HYPERLINK5.1串級三沖量調節系統的分析 20HYPERLINK5.2汽包水位串級三沖量PID控制系統 22HYPERLINK5.3鍋爐汽包水位的串級三沖量PID控制系統MATLAB仿真 24HYPERLINK6.鍋爐汽包水位的模糊控制 26HYPERLINK6.1模糊控制系統的組成 26HYPERLINK6.1.1模糊控制器的工作原理 27HYPERLINK6.1.2模糊PID控制器的設計 28HYPERLINK6.2模糊控制系統的建模及仿真 34HYPERLINK結束語 40HYPERLINK致謝 41HYPERLINK參考文獻 42基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統設計PAGE30基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統設計摘要鍋爐是一種復雜的熱工系統，它廣泛應用在化工業、發電、造紙業、石油業，是工業生產的重要動力設備。為了保證蒸汽的品質及鍋爐本體及人身的安全，汽包水位是一個重要的參數。在鍋爐中，汽包水位是鍋爐運行的重要指標，保持水位在一定范圍內是保證鍋爐安全運行的首要條件，水位過低，嚴重時會引起鍋爐爆炸，水位過高，會降低蒸汽質量，損壞汽輪機葉片，所以必須對汽包水位進行嚴格控制。汽包的作用是進行汽，水分離，汽包的出口為飽和蒸汽。隨著鍋爐的蒸發量及參數的日益提高，汽包相對蒸發量的尺寸越來越小;在負荷變化較為頻繁的場合，汽包水位受到的擾動也非常劇烈；另外由于汽包中汽，液兩相共存，大量的氣泡存在于汽包的水中，導致了汽包水位的一個特殊現象“虛假水位”，這種“虛假水位”的現象給控制造成了許多困難。關鍵詞汽包水位/PID控制/虛假水位基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統設計BasedonIntelligentPIDboilerdrumwaterlevelcontrolsystemdesignABSTRACTTheboilerisatypicalproductionprocessmeans,hasawiderangeofapplicationsinvariousfieldsofelectricpower,chemical,metallurgy,buildingmaterials,civil.Itgeneratessteamcannotonlyprovideheatforindustrialproductionprocess,suchasdistillation,drying,evaporation,etc,alsoprovideapowersourceofcompressor,turbine,etc.Inordertoensurethequalityofthesteamboilerbodyandpersonalsafety,thedrumlevelisanimportantparameter.Intheboiler,drumwaterlevelisanimportantindicatoroftheboileroperation.keepthewaterlevelwithinacertainrangeistoensurethatthefirstconditionforsafeoperationofboilers,thewaterlevelistoolowcancausesevereboilerexplosion;thewaterlevelistoohighwillreducethequalityofsteam,damagetotheturbineblades,somuststrictlycontrolthedrumlevel.Theroleofthedrumissteam-waterseparatordrumexportsaturatedsteam.Withthetheboilerevaporationandparametersincreasing,gettingsmallerandsmallerthesizeofthedrumrelativeevaporation;theloadchangesmorefrequentoccasions;drumwaterlevelarealsoveryintensedisturbance;Inaddition,asthesteamdrumofgasolineandliquidtwo-phasecoexistence,alargenumberofbubblesexistinthedrumofwater,ledtoaspecialphenomenonofDrumLevel"falsewaterlevel","Falsewaterlevel"phenomenoncausedmanydifficultiestothecontrol.Keywords:Drumlevel,PIDcontrol,falsewaterlevel基于智能PID的鍋爐汽包水位控制系統設計1引言鍋爐是工業過程中不可缺少的動力設備，其作用就是有效的把燃料中的化學能轉換為熱能，或再通過相應設備將熱能轉化為其它生產和生活中所需要的能量形式。而汽包水位是鍋爐運行的重要指標，汽包的作用是進行汽、水分離，汽包的出口為飽和蒸汽，若要是對汽包水位進行控制則要克服“虛假水位”這一現象，采用以給水流量、蒸汽流量、汽包水位作為調節信號的串級三沖量控制，以克服“虛假水位”的影響以及各種干擾對水位的影響。本控制采用前饋串級控制，主副調節器配合進行控制，主副調節器均采用PID控制，主調節器采用PI調節規律，副調節器采用P調節規律。1.1課題背景鍋爐控制中的重中之重就是對鍋爐汽包水位的控制，汽包在鍋爐中的作用是非常顯著的，可以進行汽、水分離，輸出飽和蒸汽。汽包水位是工業蒸汽鍋爐安全穩定運行的的重要指標，水位過高將會導致蒸汽帶水進入過熱器并在過熱管內結垢，影響傳熱效率，甚至引起過熱器爆管；水位過低會破壞部分水冷壁的水循環，引起水冷壁局部過熱而爆管。高性能的鍋爐產生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對來說較小，液位的時間常數也很小，大容量鍋爐若給水不及時，數十秒之內就可能達到危險水位，所以鍋爐水位控制顯得非常重要。本課題采用的是利用智能PID對鍋爐汽包水位進行控制，對于汽包水位的控制也經歷了好幾個階段的發展，首先是汽包水位經典控制階段，經典汽包水位控制包括單沖量、雙沖量和三沖量控制，由于單沖量、雙沖量及單級三沖量控制比較簡單，并且難以適應現代各種復雜鍋爐的控制要求，目前鍋爐汽包水位大多數采用三沖量水位控制。第二個階段是先進控制。第三個階段是智能控制，智能控能高效的對汽包水位進行控制，本設計我采用的是串級前饋控制。1.2國內發展概況鍋爐微機控制是近幾年來開發的新技術，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節能等幾項技術緊密結合的產物。而作為鍋爐的控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。最近幾年鍋爐工業的發展非常快，雖然我們落后與國外的先進鍋爐控制水平，但是通過科研人員的努力，我國在鍋爐工業特別是控制方面的提高非常顯著，鍋爐的汽包水位是鍋爐控制的關鍵，早些時候我們只用傳統的PID對鍋爐汽包水位進行控制，導致控制的效果不好，近些年來，智能控制已經在我國迅速發展，通過智能PID中的模糊控制、神經元網絡控制、專家PID控制等一些智能控制，我們能夠對汽包水位進行準確的控制。2鍋爐汽包水位對象的特點和分析2.1鍋爐的工作過程典型的鍋爐給水系統如圖2-1所示。其中，W為給水，能量較低的冷水或循環水由此進入鍋爐，通常，給水量可以通過改變給水調節閥門開度或通過改變給水泵的轉速進行調節；D為飽和蒸汽輸出。為了提高鍋爐整體的熱效率，飽和蒸汽經布置在煙道中的過熱器加熱為過熱蒸汽后送往下道工序做功。通常蒸汽流量的大小由負荷決定；Q為送入爐膛中的燃料。給水通過水冷壁吸收爐膛中燃料燃燒產生的熱量；H為汽包水位，加熱后的熱水上升至汽包，飽和水在此完成汽，水分離，產生飽和蒸汽。圖2-1汽包鍋爐工作示意圖2.2“虛假水位”現象在該系統中，穩定的工作狀況應當是給水量（W）與輸出蒸汽量（D）相等，即W=D。在該條件下，水位處于一種動態的平衡。這種平衡一旦被打破，汽包水位將發生變化。從物料平衡的角度看，當W>D時，流入的水大于流出的蒸汽，水位必將上升；W<D時，流入的水小于流出的蒸汽，水位將下降。但實驗發現，當汽包已經處于正常工作狀態是（進入飽和水，輸出飽和汽，可完成汽，水分離），實際情況并不完全如此。在給水（W），蒸汽（D）分別擾動下，水位的變化的情況，如圖2-2所示ttDtOtOHtH(a)給水擾動（b）負荷擾動HOWO圖2-2給水擾動和負荷擾動下的汽包水位變化過程在給水擾動下，汽包水位并沒有表現出立即上升，而是表現出滯后一段后上升的過程；在負荷擾動的情況下，水位也沒有表現出立即下降的現象，而是表現出先上升后下降的過程。這種現象稱“虛假水位”現象。其原因是由于汽包中是汽液兩相共存，下半部是飽和水，上半部是飽和氣，當給水增加時，大量低于飽和水溫度的低溫水進入，吸收了汽包中飽和水的能量，汽包汽水溫度下降，飽和水中大量氣泡破裂，汽水體積減小，水位下降。而負荷增加時，汽包壓力瞬時下降，飽和水中大量汽包產生，體積增加，導致水位升高。3鍋爐汽包水位控制系統的設計3.1確定控制目標3.1.1鍋爐汽包水位控制系統中被控變量的選擇在鍋爐給水系統中，輸出蒸汽的品質及安全是兩個關鍵的要素，汽包水位過高，會導致出口的蒸汽帶水，無法保證出口為飽和汽；汽包水位過低，可能會導致水冷壁缺水，水冷壁缺水后溫度會急劇上升，造成水冷壁爆管的嚴重事故。因此，正常的汽包水位是鍋爐安全，可靠工作的關鍵，據此，該系統選汽包水位為被控變量。3.1.2鍋爐汽包水位控制系統中的控制變量（操縱量）的選擇在該系統中，可以影響汽包水位的變量很多，輸出蒸汽量（D）的變化，燃燒情況的變化，給水量（W）的變化都可以影響汽包的水位，但輸出蒸汽量（D）的變化由負荷決定，燃燒系統要確保系統的能量和效率，這兩個變量都無法作為正常情況下的控制參數，而給水量W不僅與被調變量直接相關，且以此控制汽包水位有足夠的靈敏度，通常，該系統都選給水量W最為控制變量。3.1.3鍋爐汽包水位控制系統中的擾動被控變量及控制變量確定，調節通道就被唯一確定，其他所有可以影響對象被控變量—汽包水位的參數均可視為擾動。這里，主要擾動有蒸汽負荷（D）的變化，燃燒情況的變化，給水壓力的變化等均是系統的主要擾動。3.2確定控制方案根據以上分析，給水系統的主要目的就是穩定汽包水位，因此汽包水位是該系統的主被控變量；對該系統，從機理上看進出物料的平衡是保證液位的關鍵，汽包水位的變化是由于進出物料不平衡引起的，因此可以通過調整給水流量來滿足物料的平衡，進而保證汽包的液位，通過這樣的分析我們可以建立單回路控制系統。但在實際系統中，首先，給水流量不僅受給水閥開度的影響，還要受到給水壓力變化的影響，給水壓力又要受到給水泵轉速、汽包壓力、燃燒情況，以及給水系統中其他負荷的變化等諸多因素的影響；其次，汽包水位對象的時間常數也會對系統的調節時間及穩定性造成影響。因此，單回路給水系統的實際運行效果并不理想，為了克服各種引起給水流量變化的因素，通常引入給水流量作為副被控變量，構成流量-液位串級控制系統，實際運行表明，該系統可以及時克服對水流量的各類擾動。這樣的串級控制系統當發生負荷（主蒸汽）變化時，由于虛假水位的現象，導致反饋控制系統被虛假水位的現象蒙蔽，做出完全相反的調節動作。例如，蒸汽增加時，汽包液位首先升高，據此，主調節器做出降低給水流量的調節動作，副調節器根據主調節器的指令，快速將給水流量降低，這種調節結果加劇了進出物料的不平衡，是系統的調節質量無法滿足要求。因此，根據進出物料的不平衡是系統液位變化的內在原因，將表征負荷變化的蒸汽流量作為前饋信號引入，確保負荷變化時給水流量可以及時隨之變化，這樣，構成如圖3-1所示前饋-串級控制系統。HHHD圖3-1前饋—串級給水控制系統3.3設計模型的構造3.3.1對象模型的構造準確的給水對象模型是給水控制系統仿真的基礎，由對象的給水流量-液位及負荷液位的階躍響應曲線可看出，構造給水系統的模型的關鍵是如何構造“虛假水位”的部分。我們可以設想汽包水位的變化由兩部分組成，一部分直接反映進出流量的不平衡，對于汽包，進出流量不平衡時，液位將持續升高或降低，這部分可以由一個積分環節描述；另一部分描述飽和水的體積，汽包壓力變化、冷流體進入量的變化都將引起汽包水中汽包的數量的變化，引起汽水體積的變化，最終導致汽包水位的變化，氣泡的產生或破裂最終會在新的狀態下平衡下來，因此可以用一個慣性環節來描述。圖示3-2和圖示3-3表示了這個分解的過程。由于引起汽包產生或破裂的機理不同，這兩個慣性環節H的時間，一般，表征負荷擾動的慣性環節時間常數要小一些，增益要大一些。OOWtOtDOHtOHt圖3-2給水擾動響應的分解圖3-3負荷擾動響應的分解由圖3-2可以得到（3-1）式（1-1）表示給水擾動下的對象特性可以由一個積分環節和一個慣性環節并聯或串聯表示，如圖3-4所示。WWHWH（a）并聯（b）串聯圖3-4調節通道模型由于，給水擾動引起的虛假水位不太明顯。主要表現為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時用慣性加純遲延描述這一特性，即(S)=（3-2）式中,稱飛升速度，表示進出物料不平衡時水位變化的速度。式（1-2）可以由如圖7所示純滯后環節和積分環節串聯構成。由圖7可以看出，負荷變化引起的虛假水位現象十分嚴重，通常，用一個積分環節加一個反方向的，時間常數較小的慣性環節描述負荷與汽包水位的關系，即（3-3）式（1-3）可以由如圖3-6所示慣性環節和積分環節并聯構成DDHWH圖3-5調節通道模型圖3-6負荷擾動通道模型相對于其他環節，閥門的特性可以認為是一個比例環節。（3-4）副對象可以看做是一個時間常數很小的慣性環節（3-5）綜合以上各部分，可以得出對象模型如圖3-7所示uuqDH_圖3-7汽包對象仿真模型針對一個蒸發量數百噸的鍋爐，相應時間大約為30s（飛升速度0.0331/s），滯后時間與鍋爐形式有關，在幾秒到數百秒之間。大約在10—20s之間。結合仿真中時間比例尺的概念，可以取=1，，進行仿真。3.3.2汽包水位仿真系統的構造在構成前饋-串級給水控制系統時，通常取汽包液位為主變量，給水流量為副變量，主蒸汽流量為前饋變量，在此基礎上構成的給水控制系統框圖如圖所示。其中：主對象（3-6）廣義副對象（3-7）負荷干擾通道（3-8）圖3-8前饋圖3-8前饋—串級給水控制系統框圖4控制系統的介紹與設計4.1串級控制系統隨著工業的發展，新工藝不斷出現，生產過程日趨強化，對產品質量要求越來越高，簡單控制系統已不能滿足工藝要求，串級控制系統應運而生。4.1.1串級控制系統的組成串級控制系統的標準框圖如圖4-1所示主控制器主控制器副控制器調節閥副對象主對象副測量變送器主測量變送器設定值二次干擾一次干擾圖4-1串級控制系統框圖4.1.2串級控制系統的特點對二次干擾有很強的克服能力。改善了對象的動態特性，提高了系統的工作頻率。對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。4.1.3串級控制系統的設計首先是主、副回路的選擇，串級控制系統的主回路是一個定值控制系統，它的選擇與簡單控制系統類似。串級控制系統的種種特點都是因為增加了副回路的緣故。可以說，副回路的設計質量是保證發揮串級控制系統優點的關鍵所在。從結構上看，副回路也是一個簡單控制系統，問題的實質在于如何從整個對象中選取一部分作為副對象，然后組成一個副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副控變量（副變量）。以下是關于副回路設計的幾個原則。副被控變量（副變量）的選擇應使副回路的時間常數小，調節通道短，并且反應靈敏。副回路應包含被控對象所受到的主要干擾。應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟性。然后是主、副控制器調節規律的選擇。從串級控制系統的結構上看，主回路是一個定值控制系統，因此主控制器調節規律的選擇與簡單控制系統類似。但凡是需要采用串級控制的場合，工藝上對控制品質的要求總是很高的，不允許主被控變量（主變量）存在偏差，因此，主控制器都必須具有積分作用，一般都采用PI控制器。如果副回路外面的容積數目較多，同時有主要擾動落在副回路外面，就可以考慮采用PID控制器。主控制器的任務是準確保持主被控變量（主變量）符合生產要求。副回路既是隨動控制系統又是定值控制系統。而副變量則是為了穩定主變量而引入的輔助變量，一般無嚴格的指標要求，即副變量并不要求無差，所以副控制器一般都選用P控制器，也可以采用PD控制器，但是這增加了系統的復雜性，并且沒有很大的效果。在一般情況下，采用P控制器就足夠了。如果主、副回路的頻率相差很大，也可以考慮采用PI控制器。副控制器的任務是要快動作以迅速抵消落在副回路內的二次擾動。最后是主、副控制器正、反作用的選擇。與簡單控制系統一樣，一個串級控制系統要實現正常運行，其主、副回路都必須構成負反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。副控制器作用方式的選擇，是根據工藝安全等要求，在選定調節閥的氣開、氣關形式后，按照使副回路構成負反饋系統的原則來確定的。因此，副控制器的作用方式與副對象特性及調節閥的氣開、氣關形式有關，其選擇方法與簡單控制系統中控制器正、反作用方式的選擇方法相同。這時可不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作為副控制器的設定值即可。在假定副測量變送器的增益為正的情況下，副控制器正、反作用選擇的判別式為（副控制器）（調節閥）（副對象）=（—）其中，調節閥的“”取決于它的“氣開”還是“氣關”作用方式，“氣開”為“+”，“氣關”為“—”；而副對象的“”取決于控制變量和副被控變量的關系，控制變量增大，副被控變量也增大時稱其為“+”，否則稱其為“—”。主控制器的作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而與調節閥的氣開、氣關形式及副控制器的作用方式完全無關，即只需根據主對象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。在選擇主控制器的作用方式時，首先把整個副回路簡化為一個環節。由于副回路是一個隨動控制系統，其副回路的輸入信號與輸出信號之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個副回路可看成為一個增益為正的環節。這樣，在假定主測量變送器的增益為正的情況下，主控制器正、反作用的選擇實際上只取決于主對象的增益符號。主控制器正、反作用方式選擇的判別式為（主控制器）（主對象）=(—)由這個判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對象的特性相反，即當主對象的增益為正時，主控制器選反作用；而當主對象的增益為負時，主控制器選正作用。4.2前饋控制系統4.2.1前饋控制系統的特點a．前饋控制是一種開環控制。前饋控制有利于對系統中的主要干擾進行及時控制。b．前饋控制是一種按擾動大小進行補償的控制。在理論上，前饋控制可以把偏差完全消除。c．一種前饋控制器只能克服一種擾動。由于前饋控制作用是按擾動進行工作的，而且整個系統也是開環的。因此根據一種擾動設計的前饋控制器只能克服這一擾動，而對于其他擾動，前饋控制器無法檢測到。d.前饋控制只能抑制可測不可控擾動對被控變量的影響。如果擾動不可測，就無法采用前饋控制；而如果擾動可測又可控，則只要涉及一個簡單的定值控制系統，而無需采用前饋控制。e.前饋控制使用的是視對象特性而定的專用控制器。一般的反饋控制系統中的控制器可采用通用類型的PID控制器；而前饋控制器的控制規律與被控對象控制通道和干擾通道的特性有關。4.2.2前饋控制系統的結構常用的前饋控制系統又單純前饋控制系統、前饋-反饋控制系統和前饋-串級控制系統三種結構形式。首先是單純前饋控制系統，單純前饋控制系統時開環控制系統，一般單純前饋控制系統的框圖如圖4-2所示。圖中，D（s）和Y（s）分別為擾動量和被控變量的拉氏變換，為干擾通道的傳遞函數，為控制通道的傳遞函數，為前饋控制器的傳遞函數。確定前饋控制器的控制規律是實現對單純前饋控制系統干擾完全補償的關鍵。Y(s)Y(s)D（s）圖4-2單純前饋控制系統框圖由圖4-2可知，在擾動量D（s）作用下，系統的輸出Y（s）為或者寫為+系統對于擾動量D（s）實現完全補償的條件是D（s）≠0，而Y（s）=0，即=0于是，可得前饋控制器的傳遞函數為（4-1）由式（4-1）可知，不論擾動量D（s）為何值，總有被控變量Y（s）=0，即擾動量D（s）對于被控變量Y（s）的影響將為零，從而實現了完全補償，這就是“不變性”原理。可以看出，要實現對擾動量的完全補償，必須保證等環節的傳遞函數是精確的；否則，就不能保證Y（s）等于零，于是，被控變量與設定值之間就會出現偏差。前饋控制分為靜態前饋控制和動態前饋控制。所謂靜態前饋控制，就是指前饋控制器的控制規律為比例特性，即（4-2）式中，稱為靜態前饋系數。在實際的過程控制系統中，被控對象的控制通道和干擾通道的傳遞函數往往都是時間的函數。所以采用靜態前饋控制方案，就不能很好補償動態誤差，特別是在對動態誤差控制精度要求很高的場合，必須考慮采用動態前饋控制方式。動態前饋控制的設計思想是，通過選擇適當的前饋控制器，使干擾信號經過前饋控制器至被控變量通道的動態特性完全復制對象干擾通道的動態特性，并使它們的符號相反，從而實現對干擾信號進行完全補償的目標。其傳遞函數一般可表示為（4-3）若實際系統的，則動態前饋控制器為（4-4）由于單純的前饋控制是一種開環控制，它在控制過程中完全不測取被控變量的信息，因此，它只能對指定的擾動量進行補償控制，而對其他的擾動量無任何補償作用。因此，在實際應用中，通常采用前饋控制與反饋控制相結合的復合控制方式。前饋控制器用來消除可測擾動量對被控變量的影響，而反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其他不可測干擾所產生的影響，典型的前饋—反饋控制系統結構如圖4-3所示。Y(s)Y(s)D（s）H（s）圖4-3前饋—反饋控制系統框圖根據圖4-3可得，擾動量D（s）對被控變量Y（s）的閉環傳遞函數為在擾動量D（s）作用下，對被控變量Y（s）完全補償的條件是D（s）≠0，Y（s）=0，因此有（4-5）由式（4—5）可知，從實現對系統主要擾動量完全補償的條件看，無論是采用單純的前饋控制或是采用前饋—反饋控制，其前饋控制器的特性不會因為增加了反饋回路而改變。4.2.3前饋控制系統的設計（1）擾動量的選擇。前饋控制器的輸入變量時擾動，擾動量選擇的依據如下。a．擾動量可測但不可控，例如換熱器進料量和供汽鍋爐的負荷變化等。b.擾動量應是主要擾動，變化頻繁且幅度較大。c.擾動量對被控變量影響大，用反饋控制較難實現所需控制要求。d.擾動量雖然可控，但工藝要經常改變其數值，進而影響被控變量。（2）系統引入前饋控制的原則。一般來說，在系統中引入前饋必須遵循以下幾個原則。a.系統中的擾動量是可測不可控的。如果前饋控制所需的擾動量不可測，前控制也就無法實現。如果擾動量可控，則可設置獨立的控制系統予以克服，也就無須設計較為復雜的前饋控制系統。b．系統中的擾動量的變化幅值大、頻率高。擾動量幅值變化越大，對被控變量的影響也就越大，偏差也越大，因此，按擾動變化設計的前饋控制要比反饋控制更有利。高頻干擾對被控對象的影響非常明顯，特別是對純延遲時間小的流量控制對象，容易導致系統產生持續震蕩。采用前饋控制，可以對擾動量進行同步補償控制，從而獲得較好的控制品質。c.控制通道的純遲延時間較大或干擾通道的時間常數較小。當系統控制通道的純遲延時間較大，采用反饋控制難以滿足工藝要求，這時可以采用前饋控制，把主要擾動引入前饋，構成前饋-反饋控制系統。d．當工藝上要求實現變量間的某種特殊關系，需要通過建立數學模型來實現控制時，可選用前饋控制。這實質上是把擾動量代入已建立的數學模型中去，從模型中求解控制變量，從而消除擾動對被控變量的影響。（3）前饋控制系統的選用原則。當決定選用前饋控制方案后，還需要確定前饋控制系統的結構，其結構的選擇要遵循以下原則。a.優先性原則。采用前饋控制的優先性次序為靜態前饋控制、動態前饋控制、前饋-反饋控制和前饋-串級控制。b.經濟性原則。由于動態前饋的設備投資高于靜態前饋，而且整定也比較復雜，因此,當靜態前饋能滿足工藝要求時，不必選用動態前饋。c.控制系統精確辨識原則，在采用單純前饋控制系統中，要求構成系統的任何一個環節都應盡可能精確辨識，因為開環控制系統中的任一環節對系統的控制精度有一定的影響。5串級三沖量給水控制系統5.1串級三沖量調節系統的分析串級三沖量給水控制系統的結構圖如圖5-1所示。這個系統包含三個回路分別為主回路、副回路和前饋通道回路。為了保證被控制的變量沒有靜態誤差，主調節器采用PI控制規律，副調節器采用PI或P控制規律，副調節器接受三個輸入信號，但系統的靜態特性由主調節器決定，所以蒸汽流量的信號并不一定和給水流量的信號一樣。副回路的主要作用是消除內擾，主回路主要作用是糾正水位的誤差，而前饋通路回路則用于補償外擾，并且克服虛假水位現象。圖5-1串級三沖量給水控制系統結構圖串級三沖量給水控制系統原理框圖如圖5-2所示。從方框圖中可以看出，這個系統有兩個閉合回路：（1）是由給水流量W，給水分流器，調節器，調節閥組成的內回路。（2）由水位調節對象G（o1）和內回路構成主回路。蒸汽流量D、分流器，對象G（o2）均在閉合回路之外，它的引入可以改善調節質量，但不影響閉合回路工作的穩定性。K2K2DHH0圖5-2串級三沖量水位調節系統原理圖5.2汽包水位串級三沖量PID控制系統根據汽包水位控制系統的運行情況，介紹消除三沖量調節系統消除水位控制偏差的兩個方法：輔助信號自消的方法。自消就是輔助信號X（t）經一個不完全微分環節得到信號再加至控制器。輔助信號對消的的方法。所謂對消就是輔助信號滿足對消條件，設有兩輔助信號和。汽包水位控制系統采用三沖量PID串級控制系統如圖5-3所示。與一般串級系統不同的是引入了蒸汽流量作為靜態前饋信號，是一個帶有靜態前饋的串級控制系統。串級系統比三沖量系統多用了一個調節器，但它對信號的靜態配合要求不嚴格，這是因為主調節器能自動校正信號不準所引起的誤差。水位偏差控制采用蒸汽流量與給水流量對消的方式來消除偏差，即取DDWH圖5-3串級三沖量PID控制系統框圖5.3鍋爐汽包水位的串級三沖量PID控制系統MATLAB仿真通過對實際系統的分析，采用三沖量控制系統有利于消除系統的時滯現象和“虛假水位”。同時通過實際的測量建立系統模型，試驗得到系統傳遞函數。（1）水流量的傳遞函數（5-1）（2）汽流量的傳遞函數（5-2）（3）變送器的比例系數水位變化范圍為50mm。水位變送器的電流變化為0-10mA，所以水位變送器的比例系數為：。水流量和汽流量變送器的比例系數為。通過估算及仿真實驗得到：根據，給水流量信號和氣流量信號的分流系數為：0.21。PID控制器的參數采用逐步逼近法，通過仿真實驗得到：主控制器的PID參數為：副控制器的PID參數為：3汽包水位串級三沖量PID控制系統圖圖5-4汽包水位串級三沖量PID控制系統圖圖5-5500s加入給水流量擾動時的仿真結果6.鍋爐汽包水位的模糊控制6.1模糊控制系統的組成模糊控制是一種新興的控制手段，自問世以來，得到了迅速的發展，在很多領域都有了成功的應用。以模糊集合理論為基礎的，它是模糊技術與自動控制技術與模糊系統理論相結合的產物。模糊控制利用模糊集合理論，把人的語言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，一些無法構造數學模型的被控對象模擬人的思維方式控制。模糊控制的控制規律是語言規則，基本形式是“如果…”，“則”…，是一個邏輯推理過程，前半部分語句是條件，后半部分語句是結果。模糊控制的語言規則的所有部分都是對事物的一種模糊描述。例如“衣服很臟則要多洗一會”這個規則描述中，“衣服很臟”和“多洗一會”都是一種模糊語言描述。只有將傳統數學與模糊描述良好的搭配起來使用，構成一條新的數學分支—模糊數學，計算機才能自動實現控制規則。A/DA/D計算控制變量模糊量化處理模糊控制規則模糊決策逆模糊化處理D/A執行機構被控對象傳感器圖6-1模糊控制系統的原理圖如圖6-1所示，它的核心部分為模糊控制器，模糊控制器由計算機語言實現。執行機構一般由各種調節閥組成，一般控制作用比如使角度、位置、電壓等發生變化。檢測裝置一般由傳感器和變送裝置組成，對溫度、壓力、轉速等變化放大為標準的電信號，包括模擬信號和數字信號。被控對象是一種設備或裝置或若干個組成的對象，工作在一定的約束條件下，實現人們的某種目的。6.1.1模糊控制器的工作原理模糊控制器是一種仿人控制規則中的條件。一般為描述偏差，其本質是反饋控制。是一種用模糊控制算法的控制器。模糊控制系統的核心是模糊控制器。它的工作過程如下：用模糊條件語句來表示人的經驗，用模糊理論對語言變量進行量化，然后利用模糊推理對控制系統的實時輸入狀態進行處理，根據分析處理結果做出相應的控制決策。模糊推理、模糊化、反模糊化構成模糊控制器。反模糊化模糊化模糊推理反模糊化模糊化模糊推理圖6-2模糊控制器的組成（1）模糊化模糊化的作用就是將測量到的清晰數轉化為模糊量。如果對某個模糊變量的隸屬度為0，則這個模糊變量為前提條件的規則在控制中不起作用。論域上定義若干個語言變量，作為規則的條件或者結果。模糊化的首先就是進行論域變換，然后是講求得的輸入對應于語言變量的隸屬度。語言變量的隸屬函數有兩種表示方法，連續方式和離散方式。（2）模糊推理模糊控制算法多用語言規則表達，因此控制作用的產生是推理的結果。模糊規則的基本形式是“如果則”，模糊規則的數學表示即模糊關系有多種形式，使用較多的是轉移關系和合成關系。（3）解模糊將模糊集合變成清晰值的過程稱為解模糊。解模糊的算法有兩種：最大隸屬度法和區域重心法。6.1.2模糊PID控制器的設計模糊控制器的設計內容一般包括一下幾個方面：首先確定模糊控制器的結構，其次設計控制器的控制規則，確定輸入、輸出變量的論域以及隸屬度等這些模糊控制器參數，解模糊化以及模糊化的方法。（1）模糊控制器輸入與輸出變量也就是汽包實際水位與給定水位值之差e以及汽包水位偏差變化ec作為輸入變量。輸出變量為給水閥門控制量u。，u（k）直接影響水位變化，輸出控制量u(k)對應閥門開度變化，當閥門開大時為“正”，即給水流量增加，反之，則閥門關閉為“負”。（2）對輸入與輸出變量進行模糊化處理水位誤差e、誤差變化量ec、給水閥門控制量u都是清晰量，不能進行模糊運算，將水位誤差e、誤差變化量ec、給水閥門控制量這些清晰量，變化成對應的模糊量E、EC、U。(6-1)(6-2)(6-3)論域設置{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}為模糊控制器各模糊控制器語言變量E、EC、U。{正大、正中、正小、零、負小、負中、負大}為模糊子集。分別對應為{PB,PM,PS,0，NS,NM,NB}。（3）模糊變量的模糊子集的制定在選擇描述模糊變量的各個模糊子集時，應使它們較好地覆蓋整個論域。水位偏差的變化范圍是[-50，+50]。將水位偏差和水位誤差率模糊語言變量量化到整數論域均為：｛-3、+3｝。輸出變量的整數論域為：{-33｝。各變量隸屬函數曲線采用曲線型，水位誤差、誤差變化率的隸屬度曲線，輸出控制量的隸屬度曲線如圖6-3所示圖6-3模糊規則的建立量化因子的選擇：誤差的量化因子，誤差變化率的量化因子輸出控制量的比例因子，其中為水位誤差值，為水位誤差變化率，為輸出控制量n、m、l為論域值。對系統的影響：越大，調節死區越小，上升速率變大，過大系統變會產生較大的超調量，調節時間t增大，使系統不能穩定工作。越大，反應時間比較慢。過小引起大的超調，使調節時間長，嚴重時系統不能工作。當于常規的比例增益，大，上升速度較快，過大將產生較大超調，影響穩態工作，不影響系統的穩態誤差。（4）模糊控制規則的語言描述控制規則一般由模糊條件語句來表達：IFE=NBandEC=NB,thenU=NBIFE=NMandEC=NB,thenU=NBIFE=NSandEC=NB,thenU=NBIFE=ZEandEC=NB,thenU=NBIFE=PSandEC=NB,thenU=NMIFE=PMandEC=NB,thenU=NSIFE=PBandEC=NB,thenU=ZEIFE=NBandEC=NM,thenU=NBIFE=NMandEC=NM,thenU=NBIFE=NBandEC=NM,thenU=NMIFE=NMandEC=NM,thenU=NMIFE=NSandEC=NM,thenU=NSIFE=ZEandEC=NM,thenU=ZEIFE=PSandEC=NM,thenU=PS當考慮模糊控制規則時，選取控制量變化的原則是：當控制系統誤差大的時候，控制量的作用是消除誤差；當控制系統誤差較小時，選擇控制量要以防止為主，最根本的是使保證系統穩定性。因此，當EC為負值時，水位有上升的趨勢，如果此時水位過高，則應關閉給水水閥以減少入水量，使水位下降；反之，應開大水閥。據此，得到如表所示的四十九條規則。由規則知，模糊規則表如下圖。Kp表6-2的控制規則表KpeceNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表6-3的控制規則表KIKIeNBNMNSZOPSPMPBNBNBZONMNMNSZOZONMNBZONMNSNSZOZONSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBPAGE42表6-4的控制規則表KDKDeNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPMPSPB上表由模糊條件語句表示的四十九條控制規則，組成的這四十九條控制規則就是汽包水位控制時用的模糊控制算法，實際是用分段條件語句，一個離散式的模糊控制模型，取代了傳統的動態數學模型，可應用于復雜控制系統的模糊控制中。（5）模糊推理模糊控制系統中，采取正向推理，易于實現的數據驅動，采用max-min推理算法。（6）輸出量的去模糊化將汽包水位偏差e和汽包水位偏差變化ec量化為論域中的某個等級。經過相關的合成算法，計算控制量的模糊子集。然后按照最大隸屬度法得到模糊控制表。上面的求解過程就是max-min推理合成法。推理合成法易于實現，實用有效，簡單快捷，大多數模糊控制都用推理合成法。在汽包水位控制，汽包水位偏差和汽包水位偏差變化量通過查找模糊控制規則表得到校正量，然后乘以比例因子得到，，。整定的瞬態PID參數由，，分別加上PID基準值得到。6.2模糊控制系統的建模及仿真（1）雙擊MATLAB圖標，進入MATLAB編程環境，輸入fuzzy,出現FIS編輯器。對有關輸入輸出，變量名稱進行編輯。如圖6-4所示。圖6-4FIS編輯器（2）語言變量隸屬度的定義雙擊FIS編輯器輸出變量與輸入變量的方框，進入隸屬函數編輯器，對模糊變量的隸屬函數進行編輯。定義變量的論域，模糊集，隸屬函數的類型。如圖6-5所示。圖6-5隸屬度函數編輯器（3）模糊控制規則的定義FIS編輯器的View菜單下的編輯規則子菜單，即可進入模糊規則輸入。當模糊規則編輯好以后，文件后綴加入為.fis。如圖6-6所示。圖6-6模糊控制規則的編輯（1）輸出預覽選擇FIS編輯器主菜單的Viewsurface