模糊控制器在鍋爐蒸汽壓力控制中的應(yīng)用與研究

方 靜， 李 韓， 秦 剛

（1.95968部隊(duì) 陜西 西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710032）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，模糊控制器的應(yīng)用日益廣泛，控制對(duì)象也日趨復(fù)雜，對(duì)控制性能的要求也越來(lái)越高。模糊控制通過(guò)模仿人的模糊決策的推理功能，將人們實(shí)施控制過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)模糊運(yùn)算轉(zhuǎn)化為實(shí)際的定量的精確控制作用，實(shí)現(xiàn)了定性知識(shí)和定量控制的統(tǒng)一[1-2]。它模擬了人從模糊、不確定、不完全的信息中導(dǎo)出精確控制作用的思維過(guò)程，可以提高復(fù)雜或不確定的對(duì)象控制性能[3-4]。

本文采用PID控制及模糊控制組成復(fù)合控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合控制器綜合了PID控制的準(zhǔn)確性及模糊控制對(duì)被控對(duì)象非線性有一定自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)性能可以獲得較大提高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 模糊控制系統(tǒng)的組成

通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)查和分析可知，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制包括模糊控制，因此模糊控制系統(tǒng)的組成和一般的數(shù)字控制系統(tǒng)相差不大，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Fuzzy control system structure diagram

1.2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)與組成

模糊控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Fuzzy controller structure

模糊控制器的整體結(jié)構(gòu)包括模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、清晰化。

模糊化：將系統(tǒng)的精確輸入轉(zhuǎn)化成模糊量。其中精確輸入含外界的參考輸入、系統(tǒng)自身的輸出或狀態(tài)等。第1步：處理輸入量，將輸入量轉(zhuǎn)化為模糊控制器的要求量。第2步：將已進(jìn)行處理過(guò)的輸入量尺度化成各自的論域范圍。第3步：模糊處理第二步的輸入量，從而將本來(lái)精確的輸入量轉(zhuǎn)化為用對(duì)應(yīng)的模糊集合表示的模糊量。

知識(shí)庫(kù)：包含要求控制的目標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)內(nèi)容。一般由模糊控制規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)組成。規(guī)則庫(kù)指的是由模糊語(yǔ)言變量來(lái)表示的規(guī)則。數(shù)據(jù)庫(kù)指模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)、模糊空間的分級(jí)數(shù)和尺度變換因子等。

模糊推理：模糊控制器的心臟便是模糊推理，它是依模糊邏輯中的推理規(guī)則和蘊(yùn)含關(guān)系來(lái)模仿人的推理能力。

清晰化：將之前經(jīng)模糊推理所得的模糊量轉(zhuǎn)換為用于實(shí)際控制的清晰量就是一個(gè)清晰化的過(guò)程。1）將模糊控制量清晰化變化為論域內(nèi)的清晰量；2）用尺度變換將上述清晰量轉(zhuǎn)化成實(shí)際的控制量[5-6]。

1.3 鍋爐蒸汽壓力控制回路設(shè)計(jì)

鍋爐的燃燒是一個(gè)含有時(shí)變的多變化、強(qiáng)干擾的非線性過(guò)程，每個(gè)通道的時(shí)延是不同的。通常是把燃燒系統(tǒng)分為幾個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)對(duì)象，也設(shè)置相應(yīng)獨(dú)立的調(diào)節(jié)回路。因?yàn)檎羝麎毫刂苹芈吩阱仩t的燃燒控制系統(tǒng)中起著最重要的作用，因此本設(shè)計(jì)主要圍繞鍋爐蒸汽壓力來(lái)設(shè)計(jì)和研究。

本文所設(shè)計(jì)的鍋爐蒸汽壓力控制器為雙沖量控制回路，經(jīng)過(guò)控制爐排轉(zhuǎn)速來(lái)控制鍋爐蒸汽壓力，具體控制回路如圖3所示。

圖3 鍋爐蒸汽壓力控制回路示意圖Fig.3 Boiler steam pressure control circuit diagram

如果實(shí)際產(chǎn)生的蒸汽壓力和給定參考值的正向差別較大，就要減小爐排轉(zhuǎn)速來(lái)減小蒸汽壓力；如果實(shí)際產(chǎn)生的蒸汽壓力和給定參考值的負(fù)向差別較大，就要提高爐排轉(zhuǎn)速來(lái)增大蒸汽壓力。

1.4 鍋爐蒸汽壓力模糊控制器的具體設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，將輸入信號(hào)誤差e量化為7個(gè)等級(jí)，即{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，用相應(yīng)的英文詞頭縮寫表示為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。誤差變化率 ec和輸出變量 u 量化為 7 個(gè)等級(jí){NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。誤差e及誤差變化率ec輸出變量u的論域?yàn)閇-3，3]。誤差e及誤差變化率ec、輸出變量u的隸屬度函數(shù)選為梯形隸屬度函數(shù)如圖4所示[5]。

圖4 誤差e、誤差變化率ec、輸出變量u的隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function of deviation e、rate ec、control output quantity u

通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)工作人員的具體控制經(jīng)驗(yàn)和蒸汽壓力的大小及變化規(guī)律與爐排轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以得到具體控制規(guī)則如表1所示。

本文所設(shè)計(jì)的控制器選用加權(quán)平均判別法，就是依照普通的加權(quán)平均公式，按式（1）來(lái)計(jì)算控制量：

表1 蒸汽壓力模糊控制規(guī)則表Tab.1 Steam pressure fuzzy control rule table

最后根據(jù)隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則，利用加權(quán)平均值法計(jì)算出控制輸出表如表2所示。

表2 蒸汽壓力模糊控制輸出表Tab.2 Steam pressure fuzzy control output table

2 鍋爐蒸汽壓力模糊控制器的仿真結(jié)果

運(yùn)用MATLAB中的Simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，其仿真原理如圖5所示。

圖5 鍋爐蒸汽壓力模糊控制器控制回路圖Fig.5 Control circuit diagram of boiler steam pressure fuzzy controller

鍋爐蒸汽壓力模糊控制器控制回路仿真效果圖如圖6所示，從仿真結(jié)果看，控制結(jié)果在9 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，并且穩(wěn)態(tài)誤差為1.03%，超調(diào)量較小。曲線上升很快，達(dá)到了快速調(diào)節(jié)的目的。在模糊控制階段，擾動(dòng)很小，偏差不大，控制精度相對(duì)較高。在PID控制階段，由于爐況相對(duì)平穩(wěn)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各個(gè)系數(shù)，同時(shí)利用調(diào)節(jié)器的積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差很小，保證了控制精度。

圖6 鍋爐蒸汽壓力模糊控制器控制回路仿真效果圖Fig.6 Simulation rendering of boiler steam pressure fuzzy controller control circuit

3 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種復(fù)合控制器，利用復(fù)合控制器完成了對(duì)系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果顯示，針對(duì)鍋爐蒸汽壓力控制存在安全性低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)特點(diǎn)，通過(guò)模糊控制器和PID控制后能有較大的改善。從實(shí)驗(yàn)來(lái)看，利用此復(fù)合調(diào)節(jié)器控制具有更好的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)能提高系統(tǒng)的安全性并具有較好的抗干擾的能力。

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