1、 個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用對循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)地多變量解耦控制系統(tǒng)地研究摘要：循環(huán)流化床鍋爐<CFBB）燃燒系統(tǒng)是一個(gè)具有多變量、大遲延、耦合緊密、非線性并且緩慢時(shí)變特點(diǎn)地復(fù)雜對象.對于這類復(fù)雜對象很難建立精確地?cái)?shù)學(xué)模型或者用傳統(tǒng)地控制方法進(jìn)行精確控制.在本文中,循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)通過一個(gè)前饋補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)解耦,然后被三個(gè)控制器,即PID控制器,模糊控制器和參數(shù)自整定模糊PID控制器分別控制.在MATLAB仿真環(huán)境下對上述三種控制器進(jìn)行了對比仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明,參數(shù)自整定模糊PID控制器在快速性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性、魯棒性和抗干擾能力方面優(yōu)于一般地PID控制器和常規(guī)模糊控制器.第1

2、章 緒論循環(huán)流化床鍋爐<CFBB）作為一種燃燒效率高、煤種適用性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、污染低地清潔煤燃燒技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用.然而,由于其特殊地結(jié)構(gòu)和復(fù)雜地燃燒機(jī)理,其燃燒過程存在著很多復(fù)雜地特征,如高度非線性、時(shí)變、大滯后、多變量耦合等.建立其精確地?cái)?shù)學(xué)模型或者采用傳統(tǒng)地控制方法加以控制是非常困難地.b5E2RGbCAP目前,常用地方法是對主蒸汽壓力進(jìn)行集中控制,同時(shí),根據(jù)最佳風(fēng)煤比對一次風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)使床層溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi).這種方法不能在保持主蒸汽壓力地同時(shí)使床層溫度保持在最佳溫度范圍內(nèi).p1EanqFDPw本文中,在主蒸汽壓力和床層溫度解耦模型地基礎(chǔ)上,將具有更強(qiáng)適應(yīng)性和更好地魯棒性地

3、模糊自整定PID控制器用于主蒸汽壓力以及床層溫度地控制,以獲得更好地控制效果.DXDiTa9E3d第2章 循環(huán)里化床鍋爐地特點(diǎn)以及解耦地循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)難以控制地主要原因在于多輸入<煤、一次風(fēng)、二次風(fēng)、引風(fēng)、循環(huán)灰）和多輸出<床溫、主蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、含氧量）之間地強(qiáng)耦合關(guān)系,在這些耦合關(guān)系中最重要地是床層溫度和主蒸汽壓力之間地耦合關(guān)系.RTCrpUDGiT在中國,循環(huán)流化床鍋爐通常設(shè)計(jì)為沒有外置熱交換器以保證結(jié)構(gòu)簡單、成本低.主蒸汽壓力和床溫地強(qiáng)耦合關(guān)系通過調(diào)節(jié)煤量和一次風(fēng)量進(jìn)行控制,這種控制方法被廣泛地應(yīng)用于中國地循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)地實(shí)際控

4、制中.因此,在本文中,床溫是由一次風(fēng)量進(jìn)行控制,而主蒸汽壓力地控制通過煤量地調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn).5PCzVD7HxA在本文中,以國內(nèi)75T/H循環(huán)流化床鍋爐作為仿真實(shí)驗(yàn)地對象,該系統(tǒng)地傳遞函數(shù)矩陣是在負(fù)荷在70%到100%范圍內(nèi)變化時(shí)得到地.jLBHrnAILg在公式中,Tb、P0分別代表床溫和主蒸汽壓力；B、Q1分別代表煤量和一次風(fēng)量；G11、G12、G21、G22分別為代表以煤量-床溫、煤量-主蒸汽壓力、一次風(fēng)量-床溫、一次風(fēng)量-主蒸汽壓力作為輸入輸出地傳遞函數(shù).xHAQX74J0X從公式<1）可以看出,時(shí)間延遲同時(shí)存在與煤-主蒸汽壓力回路和煤-床溫回路中,同時(shí),在循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)中存在嚴(yán)重

5、地耦合關(guān)系.因此,為了更好地控制系統(tǒng),動(dòng)態(tài)解耦系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)前饋補(bǔ)償.LDAYtRyKfE系統(tǒng)解耦通常采用動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償.圖1是循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)地解耦控制結(jié)構(gòu)圖,在圖1中,動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器D用于對該系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)解耦；G、C分別代表了系統(tǒng)地傳遞函數(shù)和系統(tǒng)控制器；C1、C2分別代表了解耦地床溫控制回路地解耦控制器和主蒸汽壓力控制回路地解耦控制器；D21、D12是上下控制路徑之間地解耦控制器；Tb0、P00分別代表了床溫和主蒸汽壓力地設(shè)定值.Zzz6ZB2Ltk圖1 帶有動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器地循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)補(bǔ)償原則,通過這些關(guān)系可以得到然后可以得到解耦控制器作為動(dòng)態(tài)解耦地結(jié)果,

6、控制變量之間地耦合基本消除,循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)解耦成兩個(gè)相對獨(dú)立地控制系統(tǒng),即一次風(fēng)量Q1-床溫Tb系統(tǒng)和給煤量B-主蒸汽壓力P0系統(tǒng).然后,這兩個(gè)系統(tǒng)分別通過控制器C1、C2加以控制.dvzfvkwMI1第3章 循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)地常規(guī)模糊控制器地設(shè)計(jì)1、常規(guī)模糊控制器地結(jié)構(gòu)模糊控制是適用于多變量、大遲延、強(qiáng)耦合、非線性并且緩慢時(shí)變地控制方法,模糊控制對于變化對象具有魯棒性.而且解耦系統(tǒng)中存在時(shí)變和非線性因素,模糊控制器是用于解決這類問題.因此,C1、C2控制器首先選擇常規(guī)地模糊控制器.這兩個(gè)常規(guī)模糊控制器具有幾乎相同地結(jié)構(gòu),如圖2所示.在圖2中,R、Y、U分別為輸出設(shè)定值、輸出

7、實(shí)際值、輸出控制值；E、EC分別為系統(tǒng)錯(cuò)誤<E=失效）,誤差變化率<de/dt）；E、EC、U分別為模糊集e 、ec、u；Ke、Kec、Ku分別為e模糊因素、ec模糊因素、U反模糊因子.rqyn14ZNXI圖2 傳統(tǒng)模糊控制器地結(jié)構(gòu)2、 Q1-Tb控制回路地模糊控制系統(tǒng)圖3 Q1-Tb控制回路中e,ec,u地隸屬函數(shù)E、EC地值域設(shè)置為-6,6,U地值域設(shè)置為0,6,E、EC、U地隸屬度函數(shù)如圖3所示,模糊變量E、EC、U地值域?yàn)镻B,PM,PS,ZR,NS,NM,NB,Ke、Kec、Ku地值為0.6,6,-20.8.Q1-Tb控制回路地模糊控制規(guī)則表如表1所示.EmxvxOtOc

8、o表1 Q1-Tb控制回路模糊控制規(guī)則3、 B-P0控制回路地模糊控制系統(tǒng)E、EC地值域設(shè)置為-6,6,U地值域設(shè)置為0,2,E、EC、U地隸屬度函數(shù)如圖4所示,模糊變量E、EC、U地值域?yàn)镻B,PM,PS,PO,NO,NS,NM,NB,PB,PM,PS,0,NS,NM,NB.Q1-Tb控制回路地模糊控制規(guī)則表如表2所示.SixE2yXPq5圖4 B-P0控制回路中e,ec,u地隸屬函數(shù)表2 B-P0控制回路模糊控制規(guī)則第4章 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)地參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PID控制器有許多優(yōu)點(diǎn),例如,結(jié)構(gòu)簡單,基礎(chǔ)理論成熟,適用范圍廣,參數(shù)整定方便,有許多工程中地

9、應(yīng)用.因此,PID控制器在實(shí)際控制系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位.但是,具有固定參數(shù)地傳統(tǒng)PID控制器由于其線性特性,只有在工作點(diǎn)附近才具有良好地控制性能.當(dāng)系統(tǒng)原理工作點(diǎn),控制對象具有非線性控制特征時(shí),就很難保持PID控制地動(dòng)態(tài)質(zhì)量.因此,為了解決這個(gè)問題引入了模糊推理,基于初始化地PID控制參數(shù)地PID控制器參數(shù)通過模糊推理加以修正,以提高系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)性能.在自整定參數(shù)模糊PID控制器中,條件和控制規(guī)則地操作是通過在PID控制地基礎(chǔ)上地模糊集表示地,并且這些模糊控制規(guī)則和其他信息一樣被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)地知識(shí)庫中,然后,根據(jù)控制系統(tǒng)地實(shí)際響應(yīng),計(jì)算機(jī)進(jìn)行模糊推理以實(shí)現(xiàn)PID控制器地最佳參數(shù)整定.參數(shù)自整定模糊

10、PID控制器地結(jié)構(gòu)如圖5所示.6ewMyirQFL圖5 參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖首先,參數(shù)自整定模糊PID控制器是為了尋找三個(gè)控制參數(shù)<即比例系數(shù)Kp,微分系數(shù)Kd和積分系數(shù)Ki）與兩個(gè)系統(tǒng)變量<即誤差e,誤差偏差ec）之間地模糊關(guān)系而設(shè)計(jì)得；然后,Kp, Ki, Kd即PID控制器參數(shù)Kp, Ki, Kd地變化量可以通過在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)測量e和ec在線修改模糊理論；最后,控制系統(tǒng)具有良好地動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性.kavU42VRUs數(shù)字PID控制器通?？梢员硎緸樵谀：评碇?輸入變量為e和ec,輸出變量為Kp, Ki, Kd,PID控制參數(shù)分別為在上述公式中,KP0,KI0,KD0是

11、PID控制參數(shù)KD,KI,KD 地初始設(shè)定值.2、 模糊控制規(guī)則表從PID控制地特點(diǎn)我們知道,強(qiáng)地積分作用將導(dǎo)致超調(diào)量大、想用速度快；強(qiáng)地微分作用具有非常好地穩(wěn)定性、超調(diào)量小、抗干擾能力小.y6v3ALoS89根據(jù)E和EC所處地不同階段,PID控制參數(shù)地設(shè)定原則為：（1） 當(dāng)被控變量接近設(shè)定值時(shí),和EC具有相同符號(hào)地積分作用可以避免超調(diào)和振蕩,有利于控制；當(dāng)被控變量遠(yuǎn)離設(shè)定值時(shí),和EC具有相反符號(hào)地積分作用可以減小超調(diào),避免振蕩.M2ub6vSTnP（2） 在PID參數(shù)整定地初始階段,Kp足夠大或Ki很小可以避免超調(diào),提高響應(yīng)速度；在中間階段,再考慮到穩(wěn)定性和控制精度地同時(shí)使Kp和Ki保持適度

12、；最后階段,Kp減小Ki增加可以正確地消除錯(cuò)誤、減少超調(diào).0YujCfmUCw（3） 微分系數(shù)Kd可以抑制被控變量地變化,縮短穩(wěn)定時(shí)間,減小系統(tǒng)地穩(wěn)態(tài)誤差.它是對Kp和Ki作用地補(bǔ)充.模糊控制器地輸入輸出模糊變量群分別為E,EC, Ki, Kd,這些模糊變量地語言值是NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB,這些模糊變量地隸屬度函數(shù)為值域在-3,3地靈敏地三角函數(shù).基于以上設(shè)置原則地模糊推理和實(shí)驗(yàn)修正,參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)地模糊控制規(guī)則如表3所示.eUts8ZQVRd表3 參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)地控制規(guī)則A.Kp地模糊控制規(guī)則B.Ki地模糊控制規(guī)則C.Kd地模糊控制規(guī)

13、則第5章 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)地MATLAB仿真在本文中,仿真對象是循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程,通過仿真軟件MATLAB地仿真軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真.首先是一個(gè)用于去耦系統(tǒng)地前饋補(bǔ)償器,然受控制系統(tǒng)采用采用三種控制方法分別控制,即常規(guī)PID控制器,常規(guī)模糊控制器和參數(shù)自整定模糊PID控制器.仿真軟件對三種控制方法地性能進(jìn)行了仿真,并在正常情況下加入外部干擾來對比被控對象地變化.sQsAEJkW5TA、 正常情況下系統(tǒng)地階躍響應(yīng)（a） Q1-Tb控制系統(tǒng)<b）B-P0控制系統(tǒng)圖6 正常情況下Q1-Tb回路和B-P0回路地仿真結(jié)果圖在正常情況下,利用三種方法分別模擬循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程地階躍響應(yīng),

14、其仿真結(jié)果如圖6所示.Q1-Tb控制回路和B-P0控制回路地仿真結(jié)果曲線分別對應(yīng)圖6中地<a）和<b）.在圖6<a）中,PID控制器、模糊控制器和參數(shù)自整定模糊PID控制器地結(jié)果分別對應(yīng)圖中地虛線、實(shí)線、粗實(shí)線相對應(yīng).在圖6<b）中,PID控制器、模糊控制器和參數(shù)自整定模糊PID控制器地結(jié)果分別對應(yīng)圖中地虛線、實(shí)線、粗實(shí)線相對應(yīng).GMsIasNXkA從圖6中可以看出,在正常情況下,參數(shù)自整定模糊PID控制器明顯比常規(guī)PID控制器或常規(guī)模糊控制器在穩(wěn)定時(shí)間、超調(diào)量和控制精度等方面具有更好地特性.TIrRGchYzgB.加入外部干擾地系統(tǒng)階躍響應(yīng)在Q1-Tb控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定

15、后,一個(gè)700s地單位階躍擾動(dòng)作為外界擾動(dòng)加入到控制系統(tǒng)中.分別采用PID控制器和參數(shù)自整定模糊PID控制器分別仿真Q1-Tb控制回路地響應(yīng)曲線,仿真結(jié)果如圖7所示.7EqZcWLZNX圖7 外界擾動(dòng)下地Q1-Tb控制回路響應(yīng)曲線在圖7中,PID控制,參數(shù)自整定模糊PID控制地響應(yīng)曲線分別用虛線和實(shí)線表示.在外界擾動(dòng)地作用下,PID控制地超調(diào)量是參數(shù)自整定模糊PID控制地兩倍,PID控制在450s后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)在300s后就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).因此,參數(shù)自整定模糊控制系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)地PID控制系統(tǒng)更好地抗干擾能力.lzq7IGf02EC、被控對象變化時(shí)地階躍響應(yīng)當(dāng)

16、B-P0控制回路地負(fù)荷從70%100%下降到25%50%時(shí),被控對象地傳遞函數(shù)也發(fā)生變化,它被表示為zvpgeqJ1hk在這種情況下,B-P0回路系統(tǒng)在PID控制和參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)作用下地響應(yīng)曲線如圖8所示.在圖8中,PID控制地響應(yīng)曲線用虛線表示,參數(shù)自整定模糊PID控制地響應(yīng)曲線用實(shí)線表示.從圖中我們可以看出,當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程地負(fù)荷從70%100%變?yōu)?0%50%時(shí),參數(shù)自整定模糊PID控制地響應(yīng)曲線能夠很好地保持,但PID控制地響應(yīng)曲線有較大地超調(diào)量,并且PID控制地控制質(zhì)量大幅度降低.因此,結(jié)論為：參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)比常規(guī)PID控制系統(tǒng)具有較好地適應(yīng)性和魯棒性.NrpoJac3v1通過比較三種控制方法地仿真結(jié)果我們可以得出結(jié)論：參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制和常規(guī)模糊控制相比具有更好地穩(wěn)定時(shí)間、超調(diào)量,控制精度更高,適應(yīng)性好,魯棒性強(qiáng).1nowfTG4KI第6章 結(jié)論循環(huán)流化床鍋爐<CFBB）燃燒過程具有復(fù)雜地特征,