Y 03374s7 摘 要 本文基于模糊控制策略给出了锅炉系统新的控制方法。 工业锅炉的主要动态特性包括非线性、非最小相位系统、不 稳定性、时滞和负荷干扰。采用传统控制方法难以实施有效 控制，运用模糊控制理论对锅炉的燃烧系统、汽温、水位分 别进行了分析和控制系统设计，通过仿真和试验，所设计的 控制系统能够克服种种干扰因素，使被控对象保持稳定达到 好的控制效果。 ／ 关键字：模糊控制j非线形时滞，非最小相位系统仿真 模糊控制器。 Abstract a of boiler forwardnew steam This control paperput system control ofaboiler usingfuzzy reasoning．Themajordynamic include non-—minimumbehavior non--linearity phase instability disturbances．Traditionalmethod time andload control delay on carl．‘toffer result．Anewcontrol based satisfactory system usedtocontrol fuzzy burringsystem，temperature reasoning，is tested ofsteamwater controllerhas and fuzzylogic supply，the simulationand resulthasbeenobtained． by good control non—nlinilnum word：fuzzy Key non-linearity phase behavior simulation control fimedelay fuzzylogic 山末科技大学硬士学谴论文 第一章绪论 第一章 绪论 一、模糊控制的发展及国内外现状 一 产生 随着科学技术的发展，自动控制愈来愈显得重要，自动控制的目的 在于用机器和其它设备来代替人对一些生产过程进行控制，经过人们长 期的研究和实践形成了一套自动控制理论。古典控制理论对解决线性定 长系统的控制问题十分有效。而随着宇宙航行，导弹事业等方面的发展， 对自动控制提出了更高的要求，现代控制理论对时变系统也是行之有 效，但现代控制理论所要求的设备费用是昂贵的，并且现代控制理论用 于实际系统都有一个不可缺少的前提，既要知道整个系统的数学模型， 也要知道系统的输入量和输出量之间的某种函数关系。然而对于有些复 杂的工业过程来说这是办不到的。另一方面由于系统的非线性，时变性 以及某些客观量的难以测量使数学模型难以建立，尽管如此熟练的操作 人员或技术人员却能凭借他们的实践经验作出正确的判断，采取恰当的 措施来巧妙地驾驭一个复杂的生产过程，这一事实启发人们能否凭借经 验所采取的措施总结成一条条控制规则，进而制造一个“控制器”来代 替这些规则，从而达到利用机器代替人对复杂的工业过程进行控制。模 糊自动控制就是在这些想法的基础上逐步形成的。 美国控制专家L．A．Zadehl965年创立了模糊集合论，自他创立 以来，模糊数学及其应用发展十分析迅速，特别1974年英国科学家 E。．H。M锄dalli等人研制成功第一台模糊控制器，并把它应用于锅炉 蒸汽机的控制，得到了良好的控制效果，他们这一开拓性试验标志着模 糊控制的诞生。模糊控制模仿人脑的模糊概念和控制策略，把部分自然 语言作为算法语言，并把他引入控制程序来调动机器去完成控制任务。 因此模糊控制不需要知道被控对象的数学模型，他是一种语言控制，具 有人工智能控制的特点。模糊控制是一种与经典和现代控制理论完全不 山东科技大学硕士学位论文 第一章绪论 同的控制方式，他为自动控制开辟了一条新途径。 二 模糊控制发展概况 在模糊控制的发展过程中，可分为三个阶段，第一阶段为基本模糊 控制，第二阶段为自适应模糊控制，第三阶段为智能模糊控制。． 第一阶段基本模糊控制的理论和应用研究 自从1974年Mamdani首先把模糊控制应用于锅炉蒸汽机控制以 来，人们已取得了大量的在这方面的研究成果并付诸于实践，模糊控制 的简单易行和良好性能引起人们的高度重视掀起一阵“模糊热”，你走 Control”的电器。在应用方面走在最前 进商场会看到各种标有“Fuzzy 面的是日本。 第二阶段自适应模糊控制器研究及应用 根据模糊控制原理可知，要使模糊控制有效，关键在于条件语句 的正确完整和模糊算法的正确选择，但在复杂的过程中有时很难总结出 完整的经验，即控制规则很粗糙，不完善，这样势必影响效果。另一方 面，即使控制规则较完善，但是由于过程是不断变化的，总是按照原来 的控制规则进行运算，所得的结果可能与实际过程相差甚远，因而就使 人们去研究这样的控制器，它能在运行中自动修改完善和调整模糊控制 规则，使系统的性能不断完善直至达到预定的效果。 目前采用的适应方法主要有以下几种： 1．修改控制规则方法 2．修正查询表法 3．修正比例因子方法 第三阶段智能模糊控制 尽管自适应模糊控制能较好地解决一些问题，但是毕竟是有限的， 因为在自适应控制中，还是依照了人的意志，事先作了适当的划分，在 允许范围内进行调整而已，为了使复杂工业生产过程能进行自动控制， 就必须不断了解过程的机理，同时结合操作经验，利用模糊语义和模糊 条件语句构成原始的具有人工智能的专家系统。利用生产式学习系统软 2 山东科技大学硕士学位论文 第一章缝论 件来决定处理问题的过程，并对原有知识进行反馈修正，如此不断进行 就是智能控制。在我国模糊控制的研究正处在基本模糊控制器的应用和 自适应模糊控制的研究和应用阶段。智能模糊控制的研究成果很少。 二．锅炉的控制现状 锅炉是电力工业发电的三大设备之一，同时也是工矿企业生产的重 要热力设备，随着改革开放后国民经济的高速发展，锅炉工业得到了飞速 发展，我国现有数十万套锅炉在运行，每年还有数十万蒸吨的新造工业锅 炉投入运行。因为锅炉的燃烧是多输入多输出系统，并且各参数之间相 互影响，相互制约，并且有时滞和受负荷干扰严重的特性，因此很难用 精确的数学模型来表示，用经典控制理论难以实现有效的控制，目前在 工程设计中经常采用的方法是具体分析生产过程的特点和要求，在设计 单回路为主的基础上，考虑多变量系统的特点，加以补充修正。因各回 路之间的相互制约，控制效果也不近人意，并且设计复杂，造价高，这 样中小型用户就难以负担。因此还有相当多的锅炉特别是中小型锅炉还 在简单的启动停止的状态下运行，控制靠人工实现，这样锅炉运行好坏 完全依靠工人的经验和责任心。这一方面造成经济效益差，不安全，还 容易造成工业事故，另一方面，煤燃烧不充分也造成严重的环境污染。 目前，也有一些科研人员运用模糊控制理论来控制锅炉，但国内还 没有这方面的成熟的实际运用。 三．课题的内容 锅炉分为燃油妒和燃煤炉，燃煤炉又分为抛煤机手摇炉排炉，链 条炉，抛煤机链条炉等机种。本文针对链条炉进行研究，但所设计的控 制算法同样也适用于其它机种，只是所取的参数和执行机构不同。由于 实际情况所限课题设有全面展开，本论文侧重于利用模糊逻辑理论进行 控制算法的研究、系统执行机理及实现方法。以及输入输出系统等硬件 电路的设计和软件编程。对于具体的控制执行机构、信号的测量及前期 信号的处理、和现场参数调节等问题没有一一展开。 四．课题的意义 3 山东科技大学硕士学位论文 第一章绪论 模糊自动控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基 础的一种计算机数字控制。而且它是目前实现智能控制的一种重要而又 有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学 科的相容和，更显示出它的巨大应用潜力。因此，把模糊自动控制应用 于锅炉控制，一方面可以应用模糊控制特点解决锅炉运行因变量多、时 变性强、非线性、强耦合而难以控制的局面。设计一种比较简单易行且 价廉的控制系统以满足目前市场需要，另一方面，又可推动模糊控制在我 国的实际应用发展。 第二章 锅炉运行系统简介 第一节 锅炉系统描述 一、锅炉结构 锅炉是由“锅”与“炉”两部分组成，所谓“锅”是指锅炉设备 中的汽水系统，所谓“炉”是指锅炉设备中的风煤烟系统，锅与炉一个 吸热一个放热组成一套完整的设备。 锅炉的风煤烟系统可由图2—1概括。 锅炉的汽水系统可由图2_2概括。 二．锅炉设备的控制任务 锅炉运行中，燃料与热空气按一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成 的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后经过熟器，形成一定 温度的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管，形成压力为Pt的过热蒸汽，供 负荷设备用，与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过 热蒸汽外，还经省煤气预热锅炉给水，空气预热器预热空气，最后经引 风机送往烟囱，排入大气。如图2．3示： 锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力和温度 4 山东科技大学硬士学位论变 的蒸汽，同时使锅炉在安全及经济的条件下运行，按照这些控制要求， 锅炉设备将有如下主要的控制系统。 图2．1锅炉的风煤烟系统 1．锅炉燃烧控制系统 汽压变化反映了燃烧与负荷之间的平衡关系，如燃烧与负荷不平 衡，会造成蒸汽压力过高或过低，压力过高会给锅炉本身和外设备造成 损坏，严重者可能造成锅炉爆炸，压力过低会使工作效率低，压力一般 要求保持在额定压力的±o．5MPa范围内。所以，为了适应负荷变化，一 定要控制燃料量，而燃料的燃烧又必须在有足够的助燃空气的环境下进 行。这就要求在控制燃料量的同时还耍控制锅炉的送风量Af，以与燃 料量相互配合，达到完全燃烧，得到最高的燃烧效率。 与此同时，锅炉的引风量也要加以控制，使炉膛的负压保持在一定 的范围内。如负压太小以至有时变为正压，则炉膛内的火焰和烟气就可 由彖辩技大学硬士学位论交 第二章锅炉运行系统镝赍 能从炉墙空洞外逸，影响设备和运行人员的安全；如负压太大又会使大 量冷空气进入炉内，这将增大引风机的负荷，又增大了排烟带走的热损 失。一般负压应控制在--20Pa左右。 图2-2锅炉的汽水系统 2．锅炉汽包水位的控制 汽包水位是锅炉运行的主要参数之一，水位过高会导致蒸汽带水进 入过热器，并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重者将引起过热器 爆炸。水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而 6 山东辩技大学硬士学位论文 爆炸。尤其是大型锅炉，汽包容积较小，一旦给水停止，则会在十几秒 内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。 1．炉膛2．汽包3．减温器 4．省煤器 5．空气预热器 图2．3 工业锅炉生产流程示意图 3． 过热蒸汽温度的控制 大型锅炉的过热器是在接近过热器金属管的极限高温条件下工作 的，金属管道的强度安全系数很小，过热蒸汽温度过高会使金属管的强 度大为降低，影响设备安全；温度过低则会使锅炉的热效率显著下降。 山东科技大学硕士学位论文 薰二章锅炉运行系统简套 例如，气温每下降5。C，可使热效率下降约1％，由此而引起的燃料浪 费相当可观。此外汽温过高或过低都会影响外部设备的安全运行。所以 过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数．一般要求保持在±5。C的 范围内。由以上描述和图2．3可以看到要求控制的被调量一共有五个， 蒸汽压力Pt和汽温日是锅炉产品蒸汽的质量指标，汽包水位H和炉膛 负压P。是锅炉安全运行的指标。而过量空气系数a则是锅炉经济运行 的指标，显然为了保证锅炉安全有效地生产出合格的蒸汽，就必须控制 这些被调量。控制对象中可以做控制的手段也有五个：给水量w、喷 水量w。燃料量B、送风量AF以及引风量EG，可见锅炉本质上属于 多变量系统，并且内部各因素之间相互关联，相互影响，给自动控制设 计带来很大困难，鉴于前述模糊控制特点和锅炉实际情况，我们把模糊 逻辑理论和计算机用于锅炉控制，设计锅炉模糊控制系统。对于锅炉的 节能，稳定供汽及安全运行都有重要意义。 第二节控制系统分析 工业锅炉为多输入多输出的多变量系统，即有多个被调量和多个调 节量。其中每个被调量都同时受几个调节量的影响，而每个调节量又同 时对几个被调量拖加影响，但是对生产过程具体分析或进行动态特性实 验可以发现，调节量和被调量之间的联系不是等量的，也就是说，对一 个具体对象而言，在众多的传递函数中，对某一个被调量可能只有一个 通道对它有较重要的影响，其它通道影响相对主通道可以忽略。 在工业锅炉的五个调节量和五个被调量之间，给水流量W主要影 响水位H，对其它被调量没有影响或者是影响很小，所以可以构成给水一 水位单回路控制系统；由于喷水量w。只占总蒸汽量的很小部分，它的 变动对汽压P，的影响很小，因而可以组成喷水一汽温单回路系统。基 于同样的分析，又构成了燃料量一汽压，送风量一过量空气系数n，引 风量一炉膛负压等三个单回路系统 如图3．0所示 ，把多变量对象划 分出几个近似单变量对象，这样对于控制回路的设计将大为简化。 山东科技大学硕士学位论文 第三章锅炉燃烧控裁系统 设计控制系统，应先了解对象的动态特性。 第一节汽压调节对象的动态特性及系统分析设计 锅炉的燃烧过程是_个能量转换和传递的过程，也就是利用燃料燃 烧的热量产生蒸汽的过程，正如上章所述。主汽压力是衡量蒸汽量与外 界负荷两者是否相适应的一个标志，因此要了解燃烧过程的动态特性主 要是弄清汽压调节对象的动态特性。主蒸汽压力P，受到的主要扰动来 源有两个：其一是燃料量扰动，称为基本扰动或内部扰动；其二是外负 荷耗汽量的扰动，称为外部扰动。图3—1—0是其生产流程示意图： 设 它是由炉膛l、蒸发受热面2、汽包3和过热器4等组成。工质 水 通过炉膛吸收燃料燃烧发出的热量，不断升温，直到产生饱和蒸 汽汇集于汽包内，最后经过热器成为过热蒸汽，输送到外设做功。 一、 内扰下汽压调节对象的动态特性 由于上煤机提供煤的不均匀以及煤的质量 发热量 发生变化引起 了燃料量的变化，记作△u。．当△u。作阶跃增加后，炉膛热负荷立即增 10 山东科技大学硕士学位论文 而增大，P，的升高会使流向外设的蒸汽流量增加，最终在～个高压点 达到新平衡。当△U。减少时就会向相反的方向变化，最终在一个低压 点达到平衡。图3—1一l表示了内扰增加时汽压的动态特性： AUs 。 Pd ／／厂 、 ／／／j 厂。 为了进一步分析内扰下汽压变化的规律，可根据图3．1．1写出锅炉 蒸发受热面的热平衡方程为 A 3-1一O Qr．Di” dt C+dPd AQ，：热负荷阶跃变化 D：蒸汽流量 Pd：汽包压力 i”：饱和蒸汽的焓 c：热容，即每升高一个单位压力蒸发受热面中能积蓄的热量 将式 3一l一1 改写为： 了AQ, …。×等讲 J 丝型苎型丝丝丝 堑型丝型塑 cd C／i”称为蒸发受热面的蓄热能力，它代表使Pd每改变一个单 位压力蒸发受热面所吞吐的蒸汽量。 上式表明如果能测出蒸汽流量和汽包压力变化速度dpjd,，那么按 一定比例配合就能得到代表热负荷Q。的信号，它能迅速地反映燃料量 变化的情况，因此仅在内扰下控制信号采用热量信号必能显著改善基本 扰动下的控制品质。 二． 外扰下汽压调节对象的动态特性 L Ug 0 $… 。 ，7 T 0 价＼ L 0 ＼＼ 、、、————～ O l＼～ 图3-1．2外扰下主气压Pt的响应曲线 外部扰动是指负荷变化的扰动，它是通过改变调汽门开度u。，使 外设进汽量D变化而施加的扰动，当△Ug阶跃增大时，外设进汽量突 P．。此时由于燃料量不变，蒸汽 然增加，致使主汽压P，跳跃地下降A 山东科技大学硕士学经论文 量的增加使汽包压力P。开始缓慢下降，主蒸汽压力PT也跟着缓侵下降， 并导致蒸汽量逐渐回降，最后回到扰动前的数值。图3．1．2为外扰下主 汽压P，的响应曲线。 在响应过程中，蒸汽量的暂时性上升是靠消耗储存在蒸发受热面、 过热器受热面和管道中的热量而获得的。由于蓄热量被消耗掉一部分， 稳定后的压力P。和P，会比扰动前的数值低。汽压响应呈现自平衡特性， 传递函数可以写为 G加卜m击， 3-1·2 由式3-l一2可以看出，在外扰开始瞬间，主汽压力会有跳跃变化， 存在迟延，因而可很快地反映外部扰动。但在基本功扰动中提到的热量 信号D+C。*dPj／dt，由于在外扰下，蒸汽变化和压力微分信号正好方向 相反，互相抵消，所以不能反映负荷的扰动。由于在锅炉运行中，内部 扰动和外部扰动是同时起作用的，所以单纯采用热量信号作为控制信号 必不能得到好的控制效果。但我们由上面的论述可以看到，在锅炉发生 内部或外部扰动时主汽压都作相应的变化，而主汽压又是衡量蒸汽量与 外负荷两者是否适应的一个标志。我们对燃烧过程进行控制的一个最重 要目的就是保持汽压稳定，以使产出蒸汽量与外界负荷相适应。所以选 择主汽压力P，作为控制信号，同时为了克服负荷的变化，引入蒸汽流 量作为前馈信号来控制燃料量。 前面提到，为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃 料量。对燃烧控制系统，送风量和燃料量的控制是相互关联的，因此我 们在设计这两个回路时既用自治原则使之简单化，又充分考虑两者之间 的协调。对于负压控制回路，由于负荷的变化与外负荷关联不大，所以 可以在优先设计燃料量、送风量控制回路前提下，跟踪送风量变化和炉 膛负压值来决定引风量的大小。由上面所述设计思想，我在设计燃烧系 统控制回路时，由主汽压变化 即蒸汽与外负荷匹配情况 作为控制信 号，控制燃料量。由燃料量和最佳燃空比作为控制信号来控制送风量， 山东科技大学硕士学位论文 由炉膛负压和送风量作为控制信号控制引风量。整个燃烧系统控制框图 如图3．1．3。 气压设 值 ————斗 图3-3燃烧系统控制框图 第二节汽压模糊控制器设计 在锅炉运行过程中，汽压是与安全经济运行关系最直接也是最重要 的参数，因此蒸汽压力的控制是锅炉控制中最重要的部分，也是我设计 本控制系统的重点 在模糊控制中，模糊控制器是整个控制系统的核心，它的硬件结构 与数字控制器相同，一般由微型计算机或单片机组成，但在软件上采用 模糊控制算法，即使其采用模糊控制方式来实现，因此模糊控制器的设 计实质上是设计模糊控制算法。由前面汽压特性可以看出，由于燃烧过 程中燃烧时间长、且受煤质影响，因此时延较大，若采用常规模糊控制 必存在大的超调量，且汽压会有大的波动。因此为了得到好的控制教果， 14 山东科技大学硕士学位论文 我把动态预测控制引入模糊控制设计，同时为了克服因负荷变化而带来 的预测模型的不精确性，在控制中以蒸汽流量作为过程变量选择不同的 预测模型，整个过程采用基于系统过程状态的变结构预测模糊控制。 预测模糊控制是应用动态DMC模型。也即应用过去N个采样时刻 的输入值和 k．1 时刻的预测误差来预测 k+d 时刻的系统输出Y k+d d -／T ，然后由Y k+d 和汽压设定值求误差e及误差变化△e， 应用模糊规则推理得出K时刻的控制量△U，也即提前预测提前纠正， 以减小因迟延而带来的超调量。变结构模糊控制是为了克服因控制规则 和参数单一而带来的控制的不精确性，在控制器设计中根据不同条件选 取相应控制规则或控制参数，变结构模糊控制分为常规变结构自校正模 糊控制和基于系统过程状态的变结构模糊控制，基于系统过程状态的变 结构模糊控制是由系统某一过程量的变化代表不同的过程状态，选取不 同的控制规则和参数。在蒸汽压力的控制系统中我采用以蒸汽流量 即 外负荷变化 作为过程变量，来选择动态预测模型和输出比例因子。汽 压模糊控制框图如3-2．1示。 图3-2．1汽压模糊系统控制框图 由图3—2—1可以看出，汽压模糊控制系统设计可分为以下五步：一 山东科技大学硕士学位论文 予的求取。下面将分步进行论述： 一．动态DMC模型的建立 动态DMC模型的建立是采用工程上易于测取的对象阶跃响应作模 型，如图3．2．2示， ／／ 氏 aN一1 aN 尹P2f3 0 N．1 N 图：3．2．2 当在系统输入端加一控制增量后，在各采样时间卢T、2T、3T、…、 NT分别可在系统的输出端测得一系列采样值，它们可用动态系数al、 a2、…、aN来表示，这种用动态系数和输入量来描述各个采样时刻的 系统输出和输入关系的过程特性，就是被控对象的非参数动态DMC模 型，其中N是阶跃响应的截断点，称为模型时域长度，N的选择应使 过程响应值接近其稳态值，这样利用线性系统的比例和叠加性质，利用 这一模型可由给定的输入控制增量，预测系统未来时刻的输出。 Y。 k+1 Yo 七+1 +五1Au k Y， 七+2 Yo 1】 +2 +a2Au k Y。 七+H ，o 七+n 4-占。Au k 写成矢量形式为 ■ 七十1 ％ k+1 +TAU k y。 尼+1 一后时刻预测有△U 七 作用时未来N个时刻的预测模型输出矢量 yM 七+1 p。 七+1 、y。 _】 +2 、‘_’、Y。 七+p 】7 6 出末科技大学硬士学位论文 j，。 膏+1 一J】 时刻预测无au t 作用时未来N个时刻的预测模型输出矢量 yo 七+1 【Yo 七十1 、Yo 七十2 、……、Yo k+Ⅳ 】1 于一阶跃响应动态系数矢量 式 3-2．O 是假定△u k 不再变化而得到的预测结果。 如果所加的控制增量在未来M个采样间隔都变化，即△U k 、A U k+1 、…△u k+M．1 不相同，则未来P个时刻的预测模型输出应为。 y。 ≈+1 Yo t+1 4-alAu k 2au k +占IAu k+1 Y， k+2 Yo 蠡十2 +a ： ·-·+aP一Ⅳ+1△“ 七十，聍一1 写成矢量矩阵形式为 k k+1 YAk+1 +爿△U 七 3-2_1 式中： yo 七+1 [Yo 七+1 、yo k十2 、…、Yo 七+p 】1 7 zxu 的 【auCk 、au k+1 、-·-Au k+m一1 1 口1 ^ ^ 疗2 a1 A ● 3-2·2 a d p—m+1 p p．i…a 为动态矩阵 模型输出初值是由k时刻以前加在系统输入端的控制增量产生的， 假定从 k-r1 到 k．1 时刻加入的控制增量分别为△u k-n 、 △u k．r1．1 、…AU k．1 ， 则对于Yo k+1 、Yo k十2 、…Y。 k+p 、各个分量来说，有下列关系： ％ ㈣ h”s△u +k熟-如n +ta—N2AMu k-缸n+ ㈣1 +¨】螂一”+2 山末科投大学硕士学位论文 第三章锅妒燃烧控钢系统 Yo k+2 aⅣ△Ⅳ 七一舱 +占ⅣAu k一九+1 +aⅣ△” 七一+2 +占Ⅳ一1Au k一．II+3 +·-·+a4Au k一2 +五tzXu k一1 ； ％ 七+， 靠Au 七一胛 +aN△” 七一丹+1 +…+ aⅣAu k—ll+P +’·‘+占F一2△” 七一2 +占。_lAu k一1 将上式写成矩阵形式为 3．2—3 ： 占Ⅳ aⅣ 占Ⅳ一I a。一2 -·- a3 a2 aⅣ 舀Ⅳ aⅣ 占Ⅳ一1 ··· 五4 五3 K K+1 … i ； ； ； ! ! aHaM a峭 aⅣ；Ⅳ…am △“∞+1 Au k一Ⅳ+11 × 万。△u 七一1 3．2．3 Au k一1 将式 3-2．3 代入 3-2．1 得 3．2．4 Y,AK+1 AaU K +瓦u 五一I 这样 k+1 时刻的预测模型方程，当全部用控制量和动态系数描 述时可直接由式 3．2．4 分解后写出即： y， Jj +1 喀“ 后 ， a：■5z u k一1 + 宅一西： 甜 后一2 +…+ a。一C‘l^，_1 “ 七一竹+1 a．Au k +a2Au k—1 +… 显然预测模型的传递函数为： 3—2-6 G z。 alz。+a2z。2+…+aNz一” 由于模型误差和干扰等的影响，系统的输出预测值需要在预测模型 输出的基础上，用实际输出误差修正，即：· y。 尼+1 Y， 七十1 +^眇 t 一Y。 七 3-2—7 在k一1时刻不考虑k及以后的控制增量时由式 3-2．5 可知在 k- 1 时刻预测k时刻输出预测值为式 3．2．8 ： 山东科技大学碗士学位论文 。Au k一阼 y。【丘 2口，Au k一1 +a：挚 七一2 +9 I Au k一1 l 娟_、…、氐 PJi：。2 3—2-8 ； a．、幺、…、a。 L△A“U 后kaiyun体育官网 K一- 1j A 式中AU k-1 [△u k·1 、△u k一2 、…、u k-n ]7 绎误尊修币后 y。 七 [赢、龟、·一、a。】△u J】 一1 +h[y 七一1 一心 七一1 】 3—2—9 当系统有时延时应对阶跃响应模型 3．2．9 作一修改为： 3-2一10 由式 3．2．10 我们就可以用过去N个采样时刻的输入 值和 k．1 时刻的预测误差来预测 k+d 时刻的系统输出。其中动态 系数a。、a2、…、aN是对系统加～控制增量后，在各采样时间t T、2T、…、 NT由系统输出端测得的，修正系数h可由系统仿真整定。 二． 动态DK模型选择 在锅炉运行中，外负荷是在不断变化的，这样蒸汽压力随燃料量变化 的阶跃响应就会不同，如果用单一的预测模型必然会产生很大的误差， 为了预测的精确性，预先通过实验建立不同蒸汽流量下的模型，以蒸汽 流量作为过程变量来选择不同的预测模型。 以蒸汽流量为输八量，以K为输出量，运用单输入模糊关系求K， 由K值来选择模型 1．输入量的模糊化 蒸汽流量D的语言变量为D。，其相应模糊子集为D。 L 1，2，3 ， 划分为五个等级卜2，一1，0，1，2 ，模糊子集DL的三个语言取值为【B， M，s ，给出相应隶属度值如表3．2．0 19 山东科技大学硕士学位论文 论域 隶属度 ．2 ．1 O 1 2 O 0 O．2 0．6 I．0 模 B 糊 M O．7 O．6 1．0 0．6 O．2 量 S 1．O O．6 O-2 0 0 在计算中设额定蒸汽流量为D，物理论域为[DL，D。]，把物理论域 转化为整数论域卜n，一n+1．…，n一1．i3 ，则量化因子 兰 ： 口：口 叫 ‘ ! 3-2-11 DⅣ一D￡ DN—D。 当在实测蒸汽流量为矿时，对应整数论域中的值 啦卯‘～半， 去 D．一半 3-2-12， 若为小数则四舍五入取整。当D+ DH时取+2，当D+ D。时取一2。这样就 把实测蒸汽流量D转化为论域中的整数。 2．输出量的模糊化 3．输出K的语言变量为KU，其相应模糊子集为K． l，2，3 ，划 分为五个等级 一2，一1，0，1，2 ，模糊子集K．的三个语言取值为 B， M，S ，给出相应隶属度值如表3-2—1示： 论域 隶属度 -2 一l O 】 2 B 0 O．2 1I 模 O O．6 O 糊 M O．2 O．6 1．O O．6 O．2 量 S 1．0 0．6 0．2 0 O 3．控制规则 因为是单输入、单输出系统，比较简单，得三条控制规则 ifD isB then is B Ko m表科技大学硬士学位论文 D 1f isM then iSM Ko ifD iS S then iS S Ko 4．由Mamdani方法，求模糊关系R 由上面三条控制规则，可得下面三条模糊关系： R12D1xKlR2 D2xKzR3 D3xK3 其中D， 1．012 + 0．6／1 + o．2／0 + 0／-1 + 0／-2 KI 1．0／2 + 0．6／i + O．2／0 + o／一1 + 0／一2 D2 0．2／2 + O．6／1 + 1．0f0 + 0．6／一1 + O．2／一2 K2 0．2／2 + 0．6／1 + 1．o／o + O．6／-i + 0．2／-2 D3 0／2 + 011 + 0．2／0 + O．6／一1 + 1．0／一2 Ka 0／2 + 0／1 + 0．2／0 + 0．6／-1 + 1．0／-2 Ri I l，2，3 ，从而有总的模糊关系关 3 R U丑 tsI 4．求模糊查询表 对于实际的蒸汽流量D’经过量化四舍五入后总可以对应论域D中 的某个元素，故D’在量化后为下列任意模糊量D。 I 1、2、…、5 Dtl 1／2 + O，1 + o，O + o／一1 + 0，-2 D2 0／2 + 1／1 + 0／O + 0，．1 + O／-2 D32 0，2 + O，1 + 110 + ot-1 + O，一2 D4 0／2 + 0／1 + 0／0 + 一1／一1 + 0／-2 DW 0／2 + 0／1 + 0／0 + 0／·1 + 1／·2 这样利用公式K。 D．。R在求取K。；之后以最大隶属度法进行精确 化把D；的所有可能一一对应做为输入，按步求出输出精确值，就可以 得到一组查询表如3-2．2示： 山东科技大学硕士学位论文 在实时控制中按测得的蒸汽流量经量化后查询控制表求出对应K值 选择不同的预测模型。 三． 输入输出控制变量的确定及模糊化 在对汽压进行调节的模糊控制器中，取预测值与设定值的偏差e及 偏差变化Ae作为输入量，以控制量的变化△u作为输出量。 1．输入量的模糊化 对于输入量偏差e论域中取 …76、-5、一4、-3、一2、 MS、PS七个模糊量。E的模糊量隶属函数如图3-2-3示： 图 3．2-3 对于另一个输入量Ae论域中取 一5、一4、一3、·2、-l、0、1、2、3、 4、5 11个元素，取NB、NS、zE、Ps、PB五个模糊量。 Ae的模糊量隶属函数如图3·2-4示 e是按下面公式求取的， 在实际运行中，偏差e和偏差变化率A E 七 [尸m k+d 一R】×q1 3_2-13 2 3_2—14 AE 的 【e t 一e k一1 】×q 22 山东科技大学硕士学位论文 式中K为采样系数 R是汽压设定值 P。 k+d 为预测模型输出值 q，偏差e的量化因子 g：偏差变化率△e的量化因子 在锅炉运行中，汽压要求保持在额定汽压±0．5MP范围内，则汽压偏 6、…… 差e的基本论域为【一0．5、+0．5】把基本论域转换为模糊论域f…7 +6、+7 则量化因子： q． 7／0．5 14。 对Ae基本论域由现场整定为[一0．1、0．1】把△e基本论域转换为模糊 论域 -5、．4、…4、5 N量化因子： q2 5／0．1 50 2．输出量的模糊化 对于输出量△U，论域取f…76、．5、．4、．3、．2、．1、0、1、2、 △u的模糊量隶属函数如图 3-2—5 3．控制规则 由现场数据和工人操作经验应用MATLAB软件仿真修正得出一下 控制规则，用规则基形式表示如表3．2．3示： U E NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PB PM PS ZE NS NS PB PB PM PS ZE NS NM ZE PB PM PS ZE NS NMNB △E PS PM PS ZE NS NMNMNB PB PS ZE NS NMNB NBNB 山东科技大学硕士学位论文 四． 控制算法的执行机理 要执行模糊控制，在计算机中就必须以一定的方法实现，就是从输入 的连续精确量中，通过模糊推理算法，求出相应控制值来。在这些推理方 法中有CRI法，有Mamdani推理方法，有模糊推理的TvR法，有模糊推理 的直接法，其中Mamdani推理法是一种在模糊控制中普遍应用的方法，也 是一种有效的方法，因此我选用Mamdani推理法。 一 Mamdani推理方法 Mamdani把模糊蕴含关系A—B用A和B的直积表 示，既有A—B A×B，故而有R u，v A u AB v AandBThen 对于两输入一输出，例if C的推理，这种蕴含关系为fA ^B 一C其关系R为 R A×B×C或R u，vw A u AB v Ac w 3—2-15 当已知输入为一’，B。时，则输出C‘用下式求出 C‘ A’×B‘ 。R 若已知 』 1／al+0．4／a2+O／a3 B 0．1／ba+0．6tb2+1／b3 则 C O．3／cl+O／c2+1／c3 1^0．1 1^0．61^1 0．1 0．6 1 l l 1 l 0．4Ao．10．4^0．6 o．1 0．4 RI A×B l 0．4A1I-I 0．4I 0^0．3 0^1 0 0 0 1 0A0,6 l l l 山东科技大学硕士学位论文 薰三章锅炉燃烧控翻系统 0．1^0 l O．1^0．3 0．1^1 l O 0．6^0 0 6 0．6^0．3 0．6／N1 3 1^0 O l^0-3 l^l 3 0．1^0．30．1^00．1^l 1 0 1 R，T R R。XC 0．4A0．30．4A00．4^1 3 O 4 0．3 0．4^00．4^1 3 O 4 0．4／X ． ． 叭％。叭¨¨o O^O．3O^OO^1 ¨∞∞叭吣∞o O 叭％。叭¨¨o ● o 0^0．30^00^l o O o ． o 0^0．30A00^1 o O o 令R C’ A+XB‘ oR 2 A’×B’ 0 0 0 1 l 5 2写成行向量Rj R2 0．4。j5。004 ． 7 Ol4把R 0 0 0 0．4 0．5 0 o．4 o．7 o R； o 1 O 3 O 3 0 1 0 0 00．40．500．4O．7 3 0 0 C‘ [0 0】。 0．30．4 3 O l ¨吣吣¨∞∞o O ¨％，叭¨¨o ● o O o ● o 0 o 痢经解模糊卣最大隶属度法得c‘ c 则c‘ o．3／cI+O／c2+o．41c3 3 二．应用Mamdani推理法求取模糊关系，由控制规则表3-2·2经 规则合并得以下29条模糊关系 R 日 蚯， × U R2 E1xAE4×U6 ，UⅢ 一一 XU X乩 心 已 屿 R3 E1×AE5 ：U一 山东科技大学硕士学谴论文 R5 E2x蝎XU6 R6 E2 X蚯4×U5 R7 E2×舡5×U4 R8 E3×蛆4×U R E3X屿×U6 X△E R】0 E33×U57 R11 El×AF．4×Ud R】2 E3×fi,E5×U4 R】4 E4 XU6 X蚯2×U5 Rt3 E4×血l R15 E4×业3×U4 R】6 E4×蛆×U3 R】8 E5 x业5×U2 X△EXU5 置7 E4 R20 Es R19 E5×蝇XU4 x舡3×U， R22 E5×lkE3×Ul R21 E5×AE4×U2 XU4 R24 E6×AE2×U5 R2， E6×血l 4 R：， 瓯× U血， ×u： R26 E5×血5×UI j 3 R28 E7 R27 E7×AEI×U3 x血2×％ R” E，× U屿 ×U 瑚 R2BuR29 ÷总模糊关系R RlUR2U……u 若某时刻的偏差与偏差变化的模糊值为etec*，则可根据模糊关系 R进行合成推理运算，得到相应的输出控制量模糊值。 · △“ e+xec oR 由上式所得到的是一个输出量的模糊矢量，而被控对象只能接受 一个确切的控制量。为此必须经过解模糊接口，将该模糊矢量清晰化， 得到一个确切的控制量输出。若按最大隶属度进行模糊决策，△U A u…。这里△u。。是指该输出量模糊子集隶属度值最大所对应的那个控 制量元素。 三 ．计算求取模糊控制表 在实时控制中，若按上面方法计算输出量△U必将占用大量的时 间，并且模糊关系矩阵R是大型稀疏矩阵将占用大量内存，为此离线计 算出模糊关系R，根据语言变量E，△E的论域量化等级把所有E，△E 丝堑!塑塑堂鲎苎塞兰至型塑墅妻鱼!墨竺 的输入情况，Ai0 1，2…15 Bj j 1，2--,11 ～一对应，通过关系R可 得输出控制量C。 i-1，2…15 C，， ^XB， 。R j l，2…11 求取C．．后按最大隶属度法进行解模糊，可求得精确量 cij’把AjBj所有可能一一对应作为输入，求出全部相应的输出精确值， 就可得一组组数据： A1．BlU2 C／maxUc¨ C A1．B2U C／maxUcl2 C A15．B11U C／maxUcmll C 其中 C／maXuu c 表示对模糊量Cij求最大隶属元素 由上面原理在离线计算时应用MATLAB软件计算出下表 3．2．5 1 忒-5 ．4 ．3 ．2 —1 0 l 2 3 4 5 ．7 7 7 7 7 7 7 6 5 4 3 2 ．6 7 7 6 6 6 6 6 4 3 2 2 ．5 7 6 6 5 5 5 4 3 2 1 0 ．4 7 6 5 5 4 4 4 2 2 0 0 ．3 7 6 4 4 4 3 2 2 1 1 0 ．2 7 6 5 d 3 2 2 l O ．1 ．2 ．I 6 5 4 3 2 1 D ．1 ．i ．2 ．3 O 5 4 3 2 1 0 ．1 ．2 ．3 —3 —4 1 4 3 2 1 0 —1 —2 ．3 ．d ．正 ．5 2 2 2 1 0 ．1 ．2 ．3 ．4 ．4 ．5 ．6 3 l l O ．1 ．2 —3 —3 ．4 · ．5 —6 山东科技大学硬士学位论文 4 O ．1 ．1 ．2 ．3 —4 —4 ．4 ．5 —6 ．6 5 ．1 ．2 ．2 —3 ．4 ．4 · ．5 ．6 —6 ．7 6 ．3 —3 ．4 ．5 ．5 —5 —6 ．6 —6 ．7 —7 7 —3 ．3 ．d 一5 ．6 ．7 ．7 ．7 ．7 ．7 ．7 由上面控制表，在实时控制时按计算得出的e，△e的值，经量化为 E，△E的量化等级，查询此表便可得出控制输出△u的量化等级。 五．输出比例引子Ku的选取 由第四步查表得出的△U的精确值是对应的整数论域中的值，要想 转化成对应的物理论域，还应乘以比例因子，因为所需燃煤量的多少和负 荷是有直接关系的，因此我以蒸汽流量作为过程变量，以蒸汽流量为输入 量以Ku为数储量运用常规单输入单输出模糊关系求Ku．利用前面查询 表 3．2．3 在控制中按测得的蒸汽流量经量化后查控制表求出对应的Ku 值，作为输出△U的比例因子。 第三节送风量的自寻优模糊控制器 一． 控制方案比较选择 前面提到，为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃 料量，恰能满足完全燃烧所需的空气量只决定于燃料的元素分析，称为 理论空气量，一般实际送风量都比理论空气量大一些，用过量空气系数 a来衡量。有时称为燃空比，送风控制系统的最终任务是达到最高的锅 炉热效率。对于火床炉当燃料为烟煤贫煤时a 1．5—1．6，当为烟煤褐 煤时Q 1-3—1．4时热效率最高。但热效率不能直接测量，因此通常采 用间接方法达到目的。根据不同的测量方法可以构成不同的系统。通常 采用的有以下几种方案： 第一为燃料量一空气系统，此系统实现简单，且无论发生负荷变化 还是燃料侧的扰动，都能满足空气量和燃料量之比值要求，但因为给煤 量难以测准，往往需要采取其它措施才能实现。 由东科技大学硕士学位论文 褐煤时Ⅱ’．_1．35。 由气压控制回路计算空气量 AF‘ M×Vk 3-3—4 其中M为燃料量 由以上计算可得K时刻的送风量应为AF‘与AAF之和即 AF AF’+AAF 3-3—5 第四节 负压控制系统 如前所述，负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度以改 变引风量，维持炉瞠负压一定。锅炉烟道对象惯性很小，调节通道和扰 动通道的特性都可以认为是一比例环节。因此负压的控制相对容易，用 常规控制方法就可实现。但炉瞠负压又是一类特殊的被控对象，简单的 单回路控制系统并不能保证被控质量，因为被调量的反应太灵敏以致会 激烈跳动。考虑到该系统的被调量 炉瞠负压 反映了引风量与送风量 之间的平衡关系，明显的改进措施是辅以前馈控制，即送风量改变的同 时也改变引风量。图3-4。0是炉瞠负压控制系统方框图。 图3-4—0 综上所述，燃烧控制系统是由燃料量，送风量和负压三个相互匹密 切联系的控制子系统组成。其中燃料量控制回路使锅炉跟踪外界负荷， m末科技大学硕±学位论文 第三章锅炉燃烧控翻系统 送风量控制回路维持锅炉最高的热效率，负压控制回路保持负压稳定。 这三个控制子回路组成不可分割的一个整体，统称为锅炉燃烧控制系 统，共同保证锅炉运行的稳定性，经济性和安全性。 第四章锅炉的给水控制系统 在第二章中已经提到汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，同时， 它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此水位控制也很重 要，为了弄清该系统的组成及工作原理，仍从分析水位的动态特性入手。 第一节 给水调节对象的动态特性 锅炉给水调节对象可以图4．1表示。给水调节机构控制给水量w。 外部设备耗汽量D是由外部设备调汽门来控制的。B为投入的燃料量。 水冷壁与汽包存水部分构成了水循环系统。 —◆ D W ————■ 初看汽包水位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况要复 杂得多。其中最突出的一点是水循环系统中充满了夹带着大量蒸汽汽包 的水，而蒸汽包的总体积Vs是随着汽包压力和炉瞠热负荷的变化而改 变的。如果有某种原因使蒸汽包的总体积改变，即使水循环系统中的总 m东科技夭学硬士学位论文 第酉章锅炉求位控截系统 水量没有变化，汽包水位也会随之发生变化。 影响汽包水位H的主要有给水量w，外设的耗汽量D和燃料量B 等三个主要因素。 1．给水扰动 在给水量w的阶跃扰动下，水位H的响应曲线来说明。 如把汽包及水循环系统当作单容水槽，水位的响应曲线应该如图中的直 线H．。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸 收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下 的汽包总体积Vs也就相应减小，导致水位下降。Vs对水位的影响可以 用图中的曲线表示。水位H的实际响应曲线是H，和H：的总和。从 图可知，响应过程有一段迟延时间t。给水的过冷度越大，纯迟延时间 也越大。给水扰动下的传递函数可以近似表示为 ： G．0 二e一4 4一1 J 其中e1为水位的飞升速度。 2． 负荷扰动 在外部设备耗气量D的阶跃扰动下，水位H的响应过程可用图4．3 来说明。当外设耗汽量D突然增加时，一方面改变了汽包内的物质平 衡状态，使水位下降，图中H，表示把汽包当作单容对象时水位应有的 变化；另一方面，由于耗汽量D的增加，迫使锅内汽包增多；同时由 于燃料量维持不变，汽包压力Pd下降，使水面以下的蒸汽包膨胀，总 体积vs增大，从而导致汽包水位的上升，如图中H：所示。汽包水位H 的实际响应过程是H H。+H：。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大 于前者，因此在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明 显上升。这种反常现象通常称为“假水位”现象。负荷扰动下汽包水位 的传递函数可以近似地表示为： G：∽一 詈一点 4_2 山东科技大学硕士学位论文 式中，e2为反映物质平衡关系的水位飞升速度；T。和K分别代表 图 4．3 中曲线珥的时间常数和增益。 2． 燃料量扰动 燃料量B的扰动必然引起蒸汽量D的变化，因此也同样有假水位 现象。但是由于汽包和水循环系统中有大量水，汽包和水冷壁金属管道 也会储存大量的热量，因此有一定热惯性。燃料量B的增大只能使D 缓慢增大．而且Pd还慢慢上升，它将使汽包体积减小。因而，燃料量 扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和的多。 WL D H，／／／H 矽 j ＼、～———H ～ 图 4．3 由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰 动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动下也会出现假水位现 象。这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂。 第二节水位控制器设计 一．控制方案的比较选择 从反馈控制的思想出发，会以水位H作为被调量，给水流量作为调 节量，构成单回路反馈系统。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大， 山东科技大学硕士学位论文 第西章锅炉承位控靓系统 水面以下的汽包体积不占很大比重。因此容积迟延和假水位现象不明 显，可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压锅炉也可以采用这种控 制对象。但是对于大量的太中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因 为外设耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使 汽包水位激烈地上下波动，严重地影响设备的寿命和安全。所以对于大 中型锅炉不能采用单冲量控制系统。 如果从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量，就 可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用蒸汽流量D作为调节系统 的设定值，采用比值控制系统使给水量w跟踪蒸汽量D。这种控制方 案的优点是假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。但是这种控制 方案对汽包水位来说是个开环控制。如果耗汽量和给水量的测量不准或 者由于锅炉排污及管道泄露等，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比 值，就不能保持水位。这是因为汽包水位H对于 D．w 来说是一个 积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位 偏差。所以也不能单独使用此控制系统。 如果把上述两种方案组合起来， 就构成了所谓的汽包水位三冲量控 制系统。三个测量信号为汽包水位， 给水流量和蒸汽流量。控制系统框 图如4．4示。 图4．4水位控制系统框图 37 山东科技大学硕士学谴论文 第西章锅炉水位控靓系统 由图4-4可见，控制系统由两部分组成，一是由蒸汽流量D、水流 量w按物质平衡构成的回路，二是由汽包内的真实水位H为控制信号 构成的回路，两回路共同作用来调节给水流量。这样一是消除了因假水 位而造成的误动作，也消除了因单纯w跟踪D而造成的误差积累。这 两个回路取长补短，可以提高水位的控制质量。 二、控制器设计 由上面所述，控制系统由两个回路组成，控制器的设计也为两部分。 一 以汽包内水位H为控制信号回路的设计 1．输入输出变量的确定及模糊化 以实际水位和设定水位的偏差及偏差变化率为输入信号，设偏差e 的语言变量为E，其相应模糊子集为Ai I l、2……7 论域为x，划 分为7个等级x ．3、一2、．1、0、l、2、3 模糊子集Ai的7个语言值 为 PB、PM、PS、zE、NS、NM、NB 隶属度函数如图4．5示： 偏差变化语言变量为EC，其相应模糊子集为Sj j 1、2……5 ， 论域为Y也划分为7个等级 ·3、一2、·l、0、1、2、3 模糊子集Bj的5 个语言取值为 PB、PS、ZE、NS、NB，相应的隶属度函数如图4-6示 D y～o?：臻i i j---：i巷 寸曩譬j每蚕羔舞．工j：j 38 出末科技大学硕士学位论文 第西章锅炉永位控裁系统 在锅炉运行中，水位要求保持在额定水位±75mm范围内，则水位偏 差e的基本论域为[-0．075，O．075】。把基本论与转换为模糊论域 一3、．2、 ．1、0、l、2、3 则量化因子 K． —二一 40 1 0．075 e的基本论与转换为模糊 对于△e的基本论域为【．0．025，O，02s]，把A 论域f．3、．2、．1、0、1、2、3 则量化因子 ’ 缸 —二一 120 ‘0．025 在计算偏差E时按下面公式求取 4．3 e n H—H‘ ×K】 40x ／-／一日+ 其中H为水位给定值， H。为实际测量值 偏差变化率按下面公式求取： ae n [e n 一e n一1 】。q 4-4 2 120[e n 一e n一1 ] 式中e n 【H—H‘ ” 】为当前误差值 e n．1 【H-H’ n-1 ]为前一次测量误差值 如果求出E n △E n 含有小数则采用四舍五入法取整数。 输出量取控制阀增量△w，，输出控制量AW，的语言变量模糊子集 l、0、1、2、 为Ct 妊l、2、…7 ，也划分成7个等级，z f·3、…2 给出相应的隶属度函数如图4．7示： 由衷科技太学硕士学位论文 第西章锅炉水位控割系统 2． 制规则， 根据专家知识和现场操作人员经验积累，给出如下模糊控制规则 IFE PBTHEN IJ PB IF E PMand Or EC PBEC PSTHENU PB IFE PMandEC ZEorEC NSTHEN U PB IF E pMandEC NBTHEN U PS IFE PSandEC PBTHENU PM IF E PSandEC PSOrEC ZETHENU PS IF E PSand Or EC NSEC NBTHEN U ZE IF E ZEandEC PBTHENU PS IF E ZEandEC PSorEC ZETHENU ZE IF and U NS E ZEEC NBTHEN IF E三NSandEC PBor THEN EC PS U ZE IFE NSandEC ZEorEC NSTHEN U NM IF andEC--bibTHENU NM E NM IFE≤NM EC PBTHENU NS and IFE NBTHENU_NB 根据上列模糊控制规则，可以归纳控制规则表4．1示： 3．应用Mamdani推理方法求控制表 应用Mamdani推理方法，借助MATLAB软件把误差E，误差变化 △E的所有输入，隋况，Ai I l，2，…，7 Bj j l，2，…7 一一对应，通过模糊关系R可得控制量△wij I 1， 2，…7 j 1，2，…7 ，把上述7X7组数据制成表4—2 坐塑丝趔丝丝苎星璺里型燮垒塑塑 表4-1： U、F ＼IPB PM PS ZE NS NM NB Ec＼心 NS pB PM PS PB ZE PS PB NB PS ZE NM ZE PM NS NS ZE I l NB PS NS NM 表4．2： 惑 ．3 ．2 ．1 O 1 2 3 0 ．1 ．3 3 l 2 l ．3 -1 ．1 ．2 3 l 2 l -2 -2 ．2 ．1 3 2 l O ．3 J -2 ．2 0 3 2 1 0 -3 一2 ．2 l 3 2 l O —3 -2 ．2 2 2 2 1 O ．3 -2 -2 3 2 2 0 ．1 ．3 在实时控割中可把此表数值存入存储器，按实测的E及△E经量化 后查询次表，便可得出控制量△W对应的量化值。要把对应的△W量 化值转换成物理论域中的值还应乘以比例因子K，，＆由具钵控制实藏 时整定得出。 二 ．：；l蒸汽流量水流量为控翩信号的Pj控制回路的设计 41 一．塑型堑盟丝塑：塑堡兰塑燮墅壹叁塑 1．PI控制算式 在模拟控制系统中PI控制规律的表达式为： 1 ．， ￡， f K。【P f +÷j：：P t dt 4—5 』r 式中Kc，T。分别为模拟调节器的比例增益，积分时间。 计算机DDC系统对多个控制回路进行断续控制，是时间离散控制 系统。要实现式 4—5 的控制就要对其离散化， r圭e j 4-6 re f 出z 由式 4．5 4．6 可得位置型PI控制算式为： 用 t Ⅳ 后 kZe k +iIo∑P f 】 4-7 J r 0 或村 七 tP 砷+q∑e j 4-8 式中u∞是第k次采样时刻计算机的输出，七， 芝尝称为积分系数； 』， K 但由式 4—8 看出，∑e f 项不仅使计算繁琐，而且占用很大内存，使用也不方便。 面 因此采用增量型PI控制算式： T 4-10 或写为式au k Kc【e ．i -e k一1 ]+K，P t ‘ 式 4—10 为增量型控制算式，由此可以看出它利用本次采样时刻 铂上次采样时刻的误差，就可以算出此时刻的控制增量，并且由于增量 型控制算式输出是增量，切换时冲击比小，另外即使偏差长期存在，输 f；△U k 一次次积累，最终可使执行器达到极限位置，但只要e k 匙向△U k 也立即变号，从而使输出脱离饱和状态，这就消除了发 E积分饱和的危险。 42 幽末科技大学硕士学位论文 第西章锅炉隶证控制系统 2．参数的整定 利用扩充临界比例带法整定，为了减少在线整定参数的数目，利用 -P．D．Roberts提出的一种简化扩充临界比例带法。该法以扩充临界比例 带法为基础，人为规定以下约束条件，令To O．1Tcr,并根据模拟调节器 Z．N整定公式，取T。 O．5L代入式 4-9 ，整定后增量型PI控制算式变为 4-11 Au k K。【1．2e k -e k一1 ] 这样只整定一个参数Kc，改变Kc观察控制效果，直到满足要求，这样 由两个控制回路分别计算出进水量的变化，而实际进水量变化Aw △w，+△u，具体是增大还是减小就看实际计算出的△W．和AU的数值。 第五章 蒸汽温度控制系统 第一节汽温调节对象的动态特性 大型锅炉的过热器一般布置在炉膛上部和高温烟道中，过热器往往 分成多段，中间设置喷水减温器，减温水由锅炉给水系统供给，如图5·0 示，影响过热器出口汽温0。的因素很多，主要有以下三种扰动： es主泞 温窿 图5-0过热器分段喷水减温示意图 1．蒸汽流量扰动 山东科技大学硕士学位论文 第五章锅炉蒸汽温壹控翻系统 外设负荷变化会引起蒸汽量的变化。蒸汽量的变化将改变过热蒸气 和烟气之间的传热条件，导致汽温变化。 图5．1是蒸汽流量扰动下过 热蒸汽温度的相应曲线，可以看出温度响应具有自平衡特性，而且惯性 和迟延都比较小， 2．烟气测传热量的扰动 燃料量增减，燃料种类的变化，送风量、引风量的改变都将引起烟 气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度 的变化，由于烟气传热量的改变是沿着过热器长度方向上同时发生的。 因此汽温变化的迟延很小，一般在10-20s之间，烟气测扰动的汽温响 应曲线与蒸汽扰动下的情况类似。 F O 0s 0 图5．1蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度的响应曲线．喷水量扰动 应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式，喷水量扰动 就是基本扰动，过热器是具有分布参数的对象，可以把管内的蒸汽和金 属管壁看作是无穷个单容对象，当喷水量发生变化后，需要通过这些串 联单容对象，最终引起出口蒸汽温度e。的变化。因此e。的响应有很大 的迟延。减温器离过热器越远迟延越大。喷水量扰动下的动态特性曲线示： m东科技大学硕±学位论文 第五章锅炉蒸汽温度控翩系统 W 图孓2喷水量扰动下过热汽温日s的响应曲线 第二节汽温调节控制器设计 一．控镧方案选择 从汽温动态特性的情况看，喷水量、烟气量、烟气温度均可用来控 制蒸汽温度，但考虑应使系统结构简单，易于实现，采用喷水量作为调 节量。由于喷水量扰动下汽温的响应速度慢，具有很大的迟延。因此采 用预测模糊控制，利用式 3-2-10 y。 七+d [口l，口2，…，口。】／,U k一1 +h[Y k一1 一匕 七一1 】 zIu k一1 △甜 七一2 其中△【， 七一1 为过去N个采样时刻的输入值 Au k一Ⅳ1 日l，口：，…口。是对系统加咀控制增量后在各采样时间t T，2Y,…，胛 在系统输出端测得的。 h为修订系数可由实际情况整定， 这样就可以利用过去N个采样时刻的喷水输入值来预测 k+d 时 刻的系统输出，与设定汽温值相比较，以采取相应的控制措施。整个系 统控制框图如5—2示： 山东科技大学硬士学位论文 第五章锅炉蒸汽温麦控裁系统 NS PB PS PS ZE NB ZE PB PS ZE NS NB PS PB ZE NS NS NB PB PB NS NB NB NB 有前所述的Mamdani方法应用MATLAB软件计算得出以下控制表 如 5．2 示 篡 ．4 ．3 ．2 ．1 o l 2 3 4 ．4 4 4 4 d 4 4 4 3 3 ．3 4 4 4 4 3 3 2 2 1 ．2 4 4 3 3 2 l 1 0 ．1 ．1 4 4 3 2 1 0 O -1 ．2 0 3 2 1 1 0 ．1 ．2 ．2 ．3 l 2 l 0 ．1 ．2 ．2 ．2 ．2 ．3 2 1 0 ．1 ．1 ．2 ．3 —3 ．4 -4 3 ．2 ．2 ．2 ．2 ．3 ．3 ．4 ．4 ．4 4 ．3 ．3 ．4 ．d ．4 ．4 —4 ．4 ．4 在实时控制中，将测得的偏差e’与偏差变化△e‘代入 式 5-3 5-4 中 得出对应E‘与△E’，若为小数四舍五入，查表 5-2 得出对应△U‘的值， 代入式 5-6 便得出对应控制变量△u‘，用于控制执行机构的动作。 第六章 软硬件系统结构设计 第一节 硬件设计 五．硬件系统框图 山东科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结构设计 工业现场 二．系统硬件组成及技术指标 一 主机 l0-486DX 采用硕华公司生产的IPC60 2-66．8M．540M， 配置14寸彩显，薄膜工业键盘，该IPC486是一块包含全部平台系统功能 在内的ALL．IN．LINE型的IPC系统主板，8槽无源母板，19寸标准工业用 机箱。除了一般IPC主板功能外，还具有以下特点： 1 总线驱动能力强， 可驱动十几块模板。使IPC．XT／AT总线成为高可靠运行的局部I／O总 线 具有功能完善的高级Watch-Dog功能，具有软件编写多级 Watch．Dog功能．自动故障诊断，处理，复位功能。 3 具有适用于工 控现场的光电隔离RS一422／485串行通讯接口，抗干扰能力强，通讯距 离远且稳定可靠， 4 具有功能完善的电源掉电监测与支持系统。 5 其他可利用软件可靠运行和快速数据处理功能。这是整个系统的控制中 51 山末科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结构设计 心，系统的各种功能均需通过主机来完成。 一 模拟量输入输出板 1．模拟量信号输入板 隔离的，12位A／D转换模板，具有精度高，速度快，通道多，抗干扰 能力强等优点。 主要技术指标： 分辨率：12位 通道数：差分16路／单端32路 芯片采样及转换时间：10us 电压量程：0．5v、0．10v、±10v、±5v 最大共模输入电压：±10v 总误差：0．1％FSR 2．模拟量信号输出板 采用康拓公司的IPC5．5486A．B型模拟量输出板该板是带光电隔 离的12位D／A转换模板。 其主要指标如下： ．通道数： 8个 输出电平范围： 双极性：±5v、±10v 单极性：0v．10v、Ov．5v 分辨率：12位 转换精度：±0．05％ 满量程范围在25。C时 转换速率：4．5v／vs 数据代码：直接二进制码 单极性 补码二进制码 双极性 52 m东科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结构设计 -- 信号调理板 一 输入信号调理板选用康泰克公司的SATP一1、8路全隔离 模入．该板接受来自传感器的的电量信号，并通过该板隔离、 调理、增益放大、经调理的信号传输给IPC5-5488型模拟量输 入板，该板主要特点是通过隔离放大，射极跟随，，滤波等环 节，使被测系统的干扰最大程度的得到抑制且该监测系统不会 对原系构成分流等干扰， 1 输出信号调理板选用康泰克公司的SAO-8，8路全隔离模出 模块，该板将IPC5—5488A型模拟量输出板输出的信号放大，隔离转换 成执行机构所需的工业电平。 三 电源 1．WH38000系列抗干扰隔离器 该抗干扰隔离器能极好的抑制电源噪声．可使计算机系统避免由闪 电，放电，电网切换，大型设各启动和其他电网噪声源所引起的电源干扰， 从而提供无噪声的纯净交流电源。 1 技术参数 a 功率：3KVA b 输入电压：220_+10％V c 输出电压：193—246V d 共模噪声衰减： 120d e 横模噪声衰减：1000HE时 3dg，200HE时- 50dB。 2．稳压净化电源 在该系统的电源子系统中，在上述的抗干扰隔离器输出端布置一台 1000VA的交流稳压净化电源，起稳压及进一步抑制交流电源测的干扰， 主要技术参数： 1 功率：1KVA； 2 输入电压：185-250V 由彖科技大学硬士学位论文第六章软硬件维掏设计 3． UPS不间断电源 该UPS不间断电源 1000VA 布置在稳压净化电源的输出端，以 给整个系统提供可靠的不间断交流电源，整个监测系统的所有分 支的电源均来自该UPS不间断电源。 4． 直流开关电源 该监测系统共设置12块不同电压等级的直流开关电源，用于给不 同型号传感器，开关量信号，及中间信号调理板的供电。该12块直流 开关电源安装在直流电源箱内。 四 传感器 1．液位传感器选用UFC型柱式磁翻转液位计 性能参数： 测量精度：±2．5mm 工作温度：-50—350。C 工作压力：1．6—16．OMP 触电容量：220V、AC、5A；24V、DC、0．5A 输出信号：4-20mA 2．蒸汽流量传感器选用XS．T-44型蒸汽流量计， 该传感器用于测量饱和或过热蒸汽的流量并计算，能对被测蒸汽的 密度因压力温度的变化而引起的测量误差自动补偿修正。 性能参数：饱和蒸汽压力：O-25Mpa 过热蒸汽压力：O一4．OMpa 温度： 180—500。C 输出：O-5VDC或4-20mA 电源： 24VDC、250mA或220VAC、50／60HZ 山末科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结构设诗 3．水流量传感器选用嵌入式压电涡街流量传感器 性能参数：介质温度：一20。C一150。C 介质压力：2．5MP 流量范围：液体0．4-7．Om／s 规格 ：巾300一中1500mm 供电电源：+24VDC、20mA 输出信号：4-20mA或2-3000HZ脉冲信号 4．炉膛温度的测量选用B型铂铑30一铂铑6热电偶。分度号B，测量范 围O-17000C 5．烟气中含氧量的测量选用CYW一2型固定式氧传感器 性能参数：氧含量：O-25％0。 工作温度：0。C一400。C 测量误差：氧含量≤0．5％ 最小分辨率：氧含量0．1％ 电源电压：220V__．10％50HZ 输出信号：4-20mA 6炉膛负压的测量选用ACY5-2型压力传感器 性能参数： 量程：0-2．5MP 线性度％： l 迟滞： 1 工作温度： 1500。C 工作电压： 15VCD 输出电压：40—60mV 山东科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结构设计 7．主汽压的测量选用ACY5—4型压力传感器 性能参数： 量 程： O-35MP 线 迟滞： i 工作温度： O-350。C 工作电压： 15VDC 输出电压：40—60mY 第二节 软件设计 软件设计采用结构化设计方法为指导思想，编写能独立完成具体单 个任务的子程序，由系统主程序管理这些子程序来完成总体任务。 一． 软件结构 主程序包括系统初始化子程序、蒸汽压力控制子程序、送风量控制 子程序、负压控制子程序、水位控制子程序、蒸汽温度控制子程序、主 程序结构框图如6—2—0示： 系 统 序 主 程 序 二．程序设计 整个程序设计包括主程序和主程序协调下工作的子程序的设计。 1．主程序 56 山东科技大学硬士学位论文 第六章软硬件结构设计 主机上电开始运行，首先进入初始化子程序，并在初始化程序中设 置各变量的基本论域及初值，此基本论域及初值可由键盘输入以便在线 调整时便于修改。随后调用各子程序，因为各被控对象的变化特性不同， 所以采样周期也不同，要求的控制周期也不同，在程序设计中应充分考 虑这一点，我在程序设计中，把变化相对慢的汽温控制和送风量寻优控 制放在循环的最外层，然后在内循环中嵌套调用两次蒸汽压力控制、负 压控制、水位控制。 2．蒸汽温度控制子程序 在蒸汽温度控制子程序中应包括数据采集，模型建立及修正，误差 及误差变化率的求取及量化，根据量化的误差及误差变化率查询模糊控 制表求得控制变量△u。 3．送风量寻优控制子程序 在送风量寻优控制子程序中应包括数据采集，过量空气系数a的计 算，由a值判断是否启动寻优，若不启动则退出寻优回路，若启动寻优 则按预测炉温与实际炉温之差经量化后查询模糊控制规则表得出送风量 改变△AF 3．蒸汽压力控制子程序 蒸汽压力控制子程序包括数据采集，由蒸汽流量量化值选择预测模 型及比例因子，由预测汽压与实际汽压值计算误差与误差变化，经量化 后查询模糊控制表，得出控制量的变化△U。 4．水位控制子程序 在水位控制子程序中，应包括数据采集、由蒸汽流量和水流量值计 算匹配误差， 经PI控制回路得出控制量变化△u1，由实际水位与设定 水位值得出水位误差与误差变化，经量化后查询模糊控制规则表，得出 模糊控制回路整定的控制量变化△u2，△ul与△u2进行比较得出最终 控制量。 三． 程序流程图 山东科技大学颈士学位论文 第六章软硬件结构设计 主程序流程图如6-2—1示 图6-2-1主程序流程图 山东科技太学硕士学位论文 第六章软硬件结掏设计 蒸汽温度控制子程序Ⅷ 送风量寻优控制子程序 上 上 采样 采样 上 0 预测摸型修正 f 计算。 1 【 J 计算e k △c k 人 +／／＼＼ 日在最佳燃、、＼ c帖、△帖龇 Y ／／／／ ∞啦 、△E∞ ＼ 空比范围内 ／ 0 V 由E∞△E∞查询模 计算x并由x与T计算e、e t-x 糊控制表得输出变量aU 、 J 0 士 c量化为E aU乘比倒因子得输出控制变量6u 上 土 f由e查询控制规则表得au ． 输二 ] 上 I a．u乘比倒因子得输出控制燕量 返舀 f 1 、 r 上 ‘ I退出寻忧 I f输出 1 【 J 【 J J ◆ I -f 返回 1 I J 图盹豫蒸汽温度控制衙 图样猕遇难酶优窑；嬲 59 山末科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结掏设计 蒸汽压力控制子程洋^口 水位控制子程守入口 士 ★ 采样 采样 + 0 模型修正计算流量D 计算w与E误差qj实际 水位与设定水位之差啦△岛 上 ● 由量化D选择预到 由PI控制回路计算 模型及比例因子鼬 6驴K扎2eq k -e,月k-1 ] 0 L J + I彘时种㈣ 于 椭、A锄分别量化为刚A心 40t㈦ △c啦 t ◆ J E蛾△c∞分别量化为E、aE 坪06B∞壹询模糊控制规则罩考导△U 上 0 由BAE查询模糊控制表得△u △垛比例因子得△u 上 0 AU乘比例因子得6u AtI AL矿6礓 上 上 输出 输出 上 ， 【 返回 1 返回 J 图6_2_4蠢萨c压试拼抒稻狰 图6_2_5水位控翱呼程序入口 山东科技大学硕士学位论文 第六章软硬件结构设b- 负压控制于程月；Ⅷ 1L 采样 + 计算实际压力与设定压力之差 0 由H控制回路计算输出量△U 0 扛差风量前馈补偿回路计算输出△U + △泸△ur△屿 上 f 输出 1 【 J ， f返回 ] 图6-2-6负压控制子程序 61 山东科技大学硕士学位论文 佬线 iI等 囊 一I旨 。 昌 山东科技大学硕士学位论文 蕊真及实验 从响应曲线看，采用预测模糊控制器可以减低超调，使被控量在相 对稳定的状态下运行。 二 水位模糊控制器实验 LSl64、等硬件设计了电路板进行实验，实验原理图如附图，程序设计 框图参照图6-2—5。经过实际调试，从实验结果看模糊控制器能够跟踪 水位变化实现对水位的稳定控制。 二．本系统特点 本系统与其它控制系统系统相比有以下特点： 1．利用模糊控制可以克服许多干扰，使被控对象保持稳定，有好 的鲁棒性。 2．采用基于系统过程状态的预测模糊控制解决了因汽压、汽温的 大迟延所带来的超调量。 3．采用三冲量控制方法对锅炉水位进行控制，很好地抑制内外干 扰及假水位现象，并且消除了误差积累，使水位保持稳定。 4． 在汽温控制中利用变量化因子、比例因子可以综合提高控制精 度和速度，并提出了具体的实现变量化因子、比例因子的方法。 当然本论文还存在一些不足，比如：控制规则还不够完善，各变量 的隶属函数及物理论域的确定还存在一定的盲目性，这些都有待于在付 诸实践中进一步调整。 山东科技大学硕士学位论文 参考文献 致谢 首先我感谢我的导师陈新华老师，在我研究生学习期间无论在学 习上还是在生活上都给予了很大帮助，特别是在做论文期间给予的指 导，以及提供的条件，使我的论文得以顺利完成。同时我也感谢泰安市 啤酒厂的工人师傅，在一些数据的收集和整理过程中给予的帮助，感谢 在我学习生活上给予帮助的各位老师和同学。 最后感谢各位专家老师对我的论文的详细审阅和指导。 参考文献： 1．《过程控制》 清华大学出版社1992年 2．孙庚山《工程模糊控制》机械工业出版社 1995年 3．余永权《单片机模糊逻辑控制》北京航空航天大学出版社1995 4．凌澄《PC总线工业控制系统精粹》清华大学出版社1998年 5．窦振中《模糊逻辑控制技术》北京航空航天大学出版社1997年 6．林宗虎《工业锅炉手册》西安交通大学出版1986年 7．崔钢陈来九《多变量预测控制及其应用研究》控制与决策1997年 12 1 8．杨成志《智能模糊残氧控制》控制理论与应用1999年6 2 9．刘向杰柴天佑等《动力锅炉燃烧系统的模糊控制决策》自动化 学报1998年24 4 10．袁铸刚王孝江等《FUZZY控制理论在水泥窑煅烧过程的应用》自 山末科鼓大学硕士学位论文 参考文鼓 动化学报1999年25 1 11．秦滨施颂淑《参数不确定非线性系统的自适应控制和鲁棒性》控 制与决策1998年13 2 12．孙增圻《基于模糊状态模型的连续系统控制器设计和稳定性分 24 2 析》自动化学报1998 13．张乃尧金晖《对稳定的模糊自适应控制方案的研究与改进》自 动化学报1997年23 2 14．毛剑琴茅洪波张建刚《卷染机模糊控制系统设计》 自动化 学报1997第二期 15．刘增良 《模糊控制技术应用选编一》北京航空航天大学出版 社1998年 16．刘增良 《模糊控制技术应用选编二》北京航空航天大学出版 社1998年 17．刘增良 《模糊控制技术应用选编三》北京航空航天大学出版 社1998年 18．程仁洪涂奉生《基于模糊逻辑的混合型电机速度控制器》电 机与控制学报1998年2 3 19．李士勇 《模糊控制、神经控制和智能控制论》哈尔滨工业大 学出版社1998年6月 20．邵惠鹤《工业过程高级控制》交通大学出版社1997 21．翁维勤《过程控制系统及工程》化学工业出版社1996 22．何克忠李伟《计算机控制系统》清华大学出版社1998 23．王耀南《智能控制系统》湖南大学出版社1996 24．王伟《广义预测控制理论及应用》科学出版社1998 25．李锡雄陈婉儿等《微型计算机控制技术》科学出版社1999年 65 山东科技大学硕士学位论文 参考文献 26．徐家蓓《控制系统数字仿线．诸静《模糊控制原理与应用》机械工业出版社1995 28．王磊王为民《模糊控制理论及应用》国防工业出版社1997 29．赵负图《国内外传感器手册》

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