1、模糊控制基于matlab的鍋爐水位控制系統(tǒng)設(shè)計鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器1班杜佰林20102240103word教育資料一、應(yīng)用背景由于鍋爐水位具有大滯后、多變量、強(qiáng)耦合等非線性特性，因此采用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控 制理論的控制方法都不能取得理想的控制效果。針對鍋爐水位的實際運(yùn)行情況，采用模糊控制策略，設(shè)計了鍋爐水位的模糊控制系統(tǒng)，并且使用MATLAB,主要使用模糊邏輯工具箱構(gòu)建模糊控制器，使用進(jìn)行 SIMULINK動態(tài)仿真技術(shù)。二、鍋爐水位動態(tài)特性鍋爐給水控制系統(tǒng)的操作變量是給水流量，主要是使水位維持在給定的范圍內(nèi)。給水流量增加后，就從原來有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽包容積有

2、所減少，當(dāng)水位下汽包的變化過程逐漸平衡時，水位的變化就完全反應(yīng)了汽包儲水量增減。當(dāng)給水量做階躍變化時，汽包水位在起始狀態(tài)不會立即增加，而要呈現(xiàn)出起始慣性段，水位H與水流量W之間的傳遞函數(shù)類似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。系統(tǒng)特性可表示為：式子中，s為拉式算子；k為給水流量改變單位流量時水位的變化速度；T為時間常數(shù)。由于所選用的鍋爐的供氣量是120t/h ,依據(jù)此項指標(biāo)，選用液位變送器的量程160mm流量計的量程為150t/h ,水流量與水位的傳遞函數(shù)為：三、模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為基礎(chǔ)，是采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成

3、的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系 統(tǒng)。因此，模糊控制系統(tǒng)的組成具有常規(guī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，通常由模糊控制器、 輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對象和測量裝置五部分組成從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì).但是維數(shù)太高，模糊控制規(guī)則變得過 于復(fù)雜，控制算法的實現(xiàn)相當(dāng)困難。因此，目前被廣泛采用的均是二維模糊控制器。本設(shè)計的鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)也采用二維結(jié)構(gòu)。鍋爐水位的模糊變量：水位誤差為e,水位誤差變化率 ec作為模糊控制器的輸入變量，模糊控制器的輸出變量控 制直流伺服電動機(jī) SM兩端電樞電壓的大小和極性。根據(jù)水位的變化和變量的大小及極性的 改變的，控制伺服電動機(jī)正 /反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)

4、速的快慢，從而達(dá)到由伺服電動機(jī)控制給水調(diào)節(jié)閥的 進(jìn)水、出水和開度的大小，以及調(diào)節(jié)閥動作的快慢和響應(yīng)時間長短。鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)框圖如下圖所示：四、模糊控制器設(shè)計在鍋爐運(yùn)行過程中：水位要求保持在額定值1-80mm, +80mmi ,水位誤差e的基本變化范圍為1-0.08 , +0.08；水位誤差變化率 ec為1-0.02 , +0.02；直流伺服電動機(jī)兩端電樞電壓U的基本變化范圍為1-110, +110；語言值的隸屬度函數(shù)選用高斯形和三角形隸屬度函數(shù)。在本設(shè)計中，輸入變量e、ec和輸出變量u都采用7個詞匯來描述，即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 以上變量的模糊子集為 NB、NM NS

5、ZQ PS PM PB。輸入e, ec以及輸出u的論域均為1-3, -2, -1,0, 1,2, 3,】。則量化因子為K(e)=3/0.08=37.5,K(c)=3/0.02=150比例因子為K(u)=3/110=0.27在MATLA在窗口中單擊工具欄中的SIMULINK,快捷圖標(biāo) 睜。從相關(guān)模塊庫中一次把Signal Generator（信號源）、Subtract （減運(yùn)算）、Gain （增益）、Derivative（ 微分）、Mux （合成）、Fuzzy Logic Controller （模糊邏輯控制器）、 Transfer Fcn （傳遞函數(shù)）和 Scope （顯示器）模塊拖入模型編輯

6、窗口，并連成如下圖所示 的仿真模型圖。接下來設(shè)計模糊控制推理系統(tǒng)。本系統(tǒng)包含兩個輸入變量，故在 FIS編輯器界面上，添加Variable ,即可成為二維模糊推理系統(tǒng)，并在變量窗口修改變量名稱，結(jié)果如下圖所示。M FIS Editor: Untitled| O | 回在隸屬函數(shù)編輯器中編輯輸入變量EEC 輸出變量U類型。編輯完成后如下圖所示回M Membership Function Editor： shuiv.'ei模糊控制規(guī)則表可以用 7*7=49條模糊條件語句來完成，并且該表是在手動工作控制經(jīng) 驗的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉出來的， 盡可能包含了現(xiàn)場可能出現(xiàn)的情況。模糊規(guī)則控制表如表所示。I模

7、糊控制規(guī)則表NEMNSZOPSFIFBNEPEPBPBPEPEPEPBNMPBFBPEFMFNPSZONSPEPBPMPMPSZONS20PBPMPSZOWSMMNEFSPSZONSwWMKENEFl!zoMSmmNBNTNEFENENENEKENBIfENB將上述規(guī)則輸入到 Rules編輯器中，結(jié)果如下圖所示:Q Rule Edit0 r shuiwei 1=1 I J .File Edit View Options在"FIS Editor ”窗口執(zhí)行菜單命令"View"“ Rules ”彈出對話框如下圖所示:Rule V)ev/er shuiweiOpened

8、 system shuiwei, 49 rulesFile Edit View Options1rlpm RooiPlot points:101對話框包含系統(tǒng)的兩個輸入變量E、EC和一個輸出變量 U,共有49條規(guī)則；游標(biāo)線的位置標(biāo)明當(dāng)前輸入變量的值；最后一列的輸出變量圖框顯示出每條規(guī)則的結(jié)論。輸入、輸出之間的整體情況如下圖：ec的非線性函數(shù)u=F(e,ec),曲面越平緩、 按下鼠標(biāo)左鍵即可旋轉(zhuǎn)圖形，該曲面較平從上圖可以看出，輸出變量u是兩個輸入變量e 光滑，該系統(tǒng)的性能越好。將光標(biāo)放置在圖形上， 緩、光滑時，滿足設(shè)計要求。至此，鍋爐水位模糊控制器設(shè)計完成。五、模糊控制系統(tǒng)仿真對模糊控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)彳T仿真時，首先需要將FIS與SIMULINK鏈接。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真模型已建立，此時將FIS嵌入到仿真模型的模糊控制模塊即可。執(zhí)行菜單命令" Simulink ” 一一 “ Start ”，得到仿真結(jié)果如下圖所示。六、實驗總結(jié)隨著仿真實驗的進(jìn)行，我對于模糊控制以及MATLAB的Fuzzy理解