模糊控制器在锅炉蒸汽压力控制中的应用与研究

2012-09-26方静，李韩，秦刚

电子设计工程 2012年21期

方静，李韩，秦刚

（1.95968部队陕西西安 710032；2.西安工业大学陕西西安 710032）

随着现代科学技术的不断发展，模糊控制器的应用日益广泛，控制对象也日趋复杂，对控制性能的要求也越来越高。模糊控制通过模仿人的模糊决策的推理功能，将人们实施控制过程中的经验通过模糊运算转化为实际的定量的精确控制作用，实现了定性知识和定量控制的统一[1-2]。它模拟了人从模糊、不确定、不完全的信息中导出精确控制作用的思维过程，可以提高复杂或不确定的对象控制性能[3-4]。

本文采用PID控制及模糊控制组成复合控制器，实验结果表明：复合控制器综合了PID控制的准确性及模糊控制对被控对象非线性有一定自适应能力的优点，系统性能可以获得较大提高。

1 系统结构

1.1 模糊控制系统的组成

通过对被控对象的调查和分析可知，计算机数字控制包括模糊控制，因此模糊控制系统的组成和一般的数字控制系统相差不大，其结构框图如图1所示。

图1 模糊控制系统结构框图Fig.1 Fuzzy control system structure diagram

1.2 模糊控制器的基本结构与组成

模糊控制器的系统结构图如图2所示。

图2 模糊控制器结构图Fig.2 Fuzzy controller structure

模糊控制器的整体结构包括模糊化、知识库、模糊推理、清晰化。

模糊化：将系统的精确输入转化成模糊量。其中精确输入含外界的参考输入、系统自身的输出或状态等。第1步：处理输入量，将输入量转化为模糊控制器的要求量。第2步：将已进行处理过的输入量尺度化成各自的论域范围。第3步：模糊处理第二步的输入量，从而将本来精确的输入量转化为用对应的模糊集合表示的模糊量。

知识库：包含要求控制的目标和应用领域中的知识内容。一般由模糊控制规则库和数据库来组成。规则库指的是由模糊语言变量来表示的规则。数据库指模糊语言变量的隶属度函数、模糊空间的分级数和尺度变换因子等。

模糊推理：模糊控制器的心脏便是模糊推理，它是依模糊逻辑中的推理规则和蕴含关系来模仿人的推理能力。

清晰化：将之前经模糊推理所得的模糊量转换为用于实际控制的清晰量就是一个清晰化的过程。1）将模糊控制量清晰化变化为论域内的清晰量；2）用尺度变换将上述清晰量转化成实际的控制量[5-6]。

1.3 锅炉蒸汽压力控制回路设计

锅炉的燃烧是一个含有时变的多变化、强干扰的非线性过程，每个通道的时延是不同的。通常是把燃烧系统分为几个独立的调节对象，也设置相应独立的调节回路。因为蒸汽压力控制回路在锅炉的燃烧控制系统中起着最重要的作用，因此本设计主要围绕锅炉蒸汽压力来设计和研究。

本文所设计的锅炉蒸汽压力控制器为双冲量控制回路，经过控制炉排转速来控制锅炉蒸汽压力，具体控制回路如图3所示。

图3 锅炉蒸汽压力控制回路示意图Fig.3 Boiler steam pressure control circuit diagram

如果实际产生的蒸汽压力和给定参考值的正向差别较大，就要减小炉排转速来减小蒸汽压力；如果实际产生的蒸汽压力和给定参考值的负向差别较大，就要提高炉排转速来增大蒸汽压力。

1.4 锅炉蒸汽压力模糊控制器的具体设计过程

设计模糊控制器时，将输入信号误差e量化为7个等级，即{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，用相应的英文词头缩写表示为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。误差变化率 ec和输出变量 u 量化为 7 个等级{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。误差e及误差变化率ec输出变量u的论域为[-3，3]。误差e及误差变化率ec、输出变量u的隶属度函数选为梯形隶属度函数如图4所示[5]。

图4 误差e、误差变化率ec、输出变量u的隶属度函数Fig.4 Membership function of deviation e、rate ec、control output quantity u

通过控制现场工作人员的具体控制经验和蒸汽压力的大小及变化规律与炉排转速的关系，可以得到具体控制规则如表1所示。

本文所设计的控制器选用加权平均判别法，就是依照普通的加权平均公式，按式（1）来计算控制量：

表1 蒸汽压力模糊控制规则表Tab.1 Steam pressure fuzzy control rule table

最后根据隶属度函数和控制规则，利用加权平均值法计算出控制输出表如表2所示。

表2 蒸汽压力模糊控制输出表Tab.2 Steam pressure fuzzy control output table

2 锅炉蒸汽压力模糊控制器的仿真结果

运用MATLAB中的Simulink工具箱对系统进行仿真研究，其仿真原理如图5所示。

图5 锅炉蒸汽压力模糊控制器控制回路图Fig.5 Control circuit diagram of boiler steam pressure fuzzy controller

锅炉蒸汽压力模糊控制器控制回路仿真效果图如图6所示，从仿真结果看，控制结果在9 s左右达到稳态值，并且稳态误差为1.03%，超调量较小。曲线上升很快，达到了快速调节的目的。在模糊控制阶段，扰动很小，偏差不大，控制精度相对较高。在PID控制阶段，由于炉况相对平稳，适当地调节各个系数，同时利用调节器的积分作用使系统的稳态误差很小，保证了控制精度。