基于模糊控制器的船用锅炉燃烧系统的设计

摘要模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。由于它不依赖于被控对象的精确数学模型，而是模拟人的思维方式来实施控制，因而对于船用锅炉燃烧的控制就具有了传统PID控制所无法比拟的自适应能力。本文首先介绍船用锅炉燃烧系统自动控制的主要任务，并介绍了目前船用锅炉燃烧控制系统研究的现状及发展，以及模糊控制系统的发展及其在制工程中的应用。然后根据船用锅炉燃烧过程的工作原理，通过对蒸汽压力的动态特性的分析，得到了蒸汽压力调节对象的模型，并通过一定的假设和简化，得到锅炉蒸汽压力近似数学模型。针对船用锅炉这种具有非线性、参数不稳定、难以建立精确数学模型的控制对象，采用传统的PID控制，效果不佳。结合模糊控制理论和PID控制，本文提出用模糊自适应PID控制器实现对船用锅炉主蒸汽压力的控制，空燃比的协调控制采用变偏置双交叉限幅燃烧控制方法。本论文应用MATLAB／SIMULINK对模糊参数自适应PID控制器的锅炉蒸汽压力控制系统模型进行仿真研究。并利用MATLAB／SIMULINK仿真工具对模糊自适应PID控制器的性能作了初步研究。仿真结果表明，明显优于传统PID控制，具有超调量小、响应速度快、稳定性好、适应性强等特点，能够达到预期的控制效果。关键词：船用锅炉；模糊控制：PID：模糊自适应PID目录1引言2PID控制原理3模糊控制基本原理4模糊PID控制基本原理5船用锅炉燃烧控制系统的设计5.1锅炉燃烧控制系统概述5.2主蒸汽压力模糊自适应PID控制系统的设计6船用锅炉燃烧控制系统的计算机仿真研究6.1控制器Simulink仿真6.2控制器MATLAB编程7小结参考文献1引言随着科学技术的飞速发展，人类对能源的需求也在不断地增加，能源短缺威胁着整个世界。我国人口众多，对能源的需求量很大，但我国人均能耗低于世界平均水平，而单位产值的能耗却为发达国家的二倍。可见，节能问题已经成为一个亟待解决的影响国家发展的问题。船用锅炉是船舶动力装置的重要组成部分。在蒸汽动力装置的船舶上，蒸汽锅炉产生的高温高压蒸汽用于驱动主汽轮机运转，以推动船舶前进，同时也为各种以蒸汽为动力的辅机和其它需要以蒸汽为热源的设备提供不同质量的蒸汽。在柴油机动力装置的船舶上，锅炉产生的蒸汽主要用于加热燃油、滑油、工作水、驱动辅机及提供各种生活用汽。船用锅炉在尺寸相对变化较小的情况下，其蒸发量越来越大。随着对船舶续航力要求的提高，在保证快速性的前提下，对锅炉燃烧系统的经济性的要求越来越高，这就对锅炉燃烧控制系统提出了更高的要求，在保证系统响应性能的同时，还要兼顾系统的经济性能。船用锅炉燃烧系统是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，当锅炉负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。如何使主蒸汽压力既具有良好的动态特性，又能使入炉燃料得以充分燃烧(即高效燃烧问题)，是燃烧优化控制的真正内涵，也是燃烧过程控制的关键。本论文结合船用锅炉燃烧控制系统的两个任务：维持主蒸汽压力的稳定和燃烧过程的经济性，研究并设计一个既能兼顾锅炉燃烧控制系统的快速性，又能兼顾燃烧过程的经济性。从而提高船用锅炉的热效率，节约能源。2PID控制原理数字PID控制在工业控制领域得到广泛的应用。其控制原理框图如图1所示：比例（P)积分（I)微分（D)被控对象e(t)u(t)r(t)C(t）图1PID控制系统原理图PID控制是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差为e(t)=（t)-c(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：PID控制规律离散表述形式：式中：Kp一一比例系数d；Ti一一积分时间常数；Td一一微分时间常数。1p01det1u()ketetdtdtDTtT（）=（）+（）+0()(1)(k)=ke(k)+k()kpjdjekekuejkTT为采用周期，k为采样序号，k=1，e(k一1)和e(k)分别为第(k一1)和k时刻所得的偏差信号。PID控制器各个校正环节的作用如下：(1)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2)在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数乃，Z越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”、“积分”项，往往是不够的，需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，从而避免了被控量的严重超调。微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统得动作速度，减少调节时间。,,PidPDIkkkkTT3模糊控制基本原理模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。模糊集合和模糊控制的概念是由美国加州大学教授L．A．Zadeh在其《Fuzzysets))、《FuzzyAlgorithm))及《ARetionnaleforFuzzyContro1))等论著中首先提出的。模糊控制是根据对控制对象的粗略知识以及人们的生产技能等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊理论进行控制的一种控制方法。模糊控制以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，把人的控制策略的自然语言转化为计算机等各种各样处理器能接受的算法语言来实现。其基本原理图如图2所示：图2模糊控制原理图A/D模糊控制器D/A执行机构被控对象测量装置给定值r（t）e(t)c(t)整个控制系统中，最重要的部分是模糊控制器。其控制流程如图3所示图3模糊控制器原理图模糊控制的基本思想如图2、图3所示，处理器通过采样获取被控制量的精确值c(t)，然后将其与给定值进行差运算，得到偏差量e(t)。偏差e(t)经过A/D转换成模糊控制器输入量e，把输入量e进行模糊化成模糊量，再把模糊量用相应的模糊语言表示，从而得输入量e模糊语言的一个子集，然后再由模糊子集和控制规则(模糊关系)根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量为：u=e*R。式中u为一个模糊控制量。模糊化模糊控制规则模糊推理解模糊e4模糊PID控制基本原理模糊控制理论与PID控制理论相结合应用于步进电机控制系统，充分发挥两种控制策略各自的优势，提高步进电机控制系统控制性能。根据模糊控制理论及PID控制理论的控制特性，可以有两种整合控制器设计方式：(1)调整系统控制量的模糊PID控制器。(2)模糊增益调整PID控制器。(1)调整系统控制量的模糊PID控制器。调整系统控制量的模糊PID控制器，主要是指在大偏差范围内(|e|/e01)时，利用模糊推理的方法调整系统控制量U，而在小偏差(|e|/e01)范围内转换成PID控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围e0自动实现。其控制原理如图4所示:图4调整系统控制量的模糊PID控制器PID控制器执行机构被控对象e|e|：e0模糊控制器r(t)测量装置(2)模糊增益调整PID控制器模糊增益调整PID控制器，是利用模糊规则和推理来对PID参数进行在线调整的控制方式。其中调整的参数就是KP，Ki，KD，分别为PID控制中的比例增益、积分增益和微分增益。其控制原理图如图5所示:图5模糊臼适应整定PID控制原理图PID控制器执行机构被控对象e模糊控制器r(t)测量装置KpKIKDc(t)5船用锅炉燃烧控制系统的设计5.1锅炉燃烧控制系统概述5.1.1工业锅炉燃烧控制系统工业锅炉是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数之间的关系如下图4．1所示。图6工业锅炉输入输出之间的相互关系示意图由图6可以看出，工业锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，如当锅炉负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。而且改变任一个调节量时，也会影响到其它几个被调量。因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。但这种调节系统十分复杂，其数学模型仍是半经验性的，是经过许多假定与简化推导得出的，无法应用到实际的控制系统中。目前实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉当作几个相对独立的调节对象所组成，相应地设置几个相对独立的调节系统，即锅炉给水自动控制系统、过热蒸汽汽温自动调节系统，锅炉燃烧自动控制系统等。工业锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和运行的安全性。为此，燃烧过程控制系统由三个控制任务：1、维持主汽压以保证蒸汽的品质；2、维持最佳的空燃比以保证燃烧的经济性；工业锅炉燃烧系统输入与输出的关系图7如下。图7燃烧系统输入与输出的关系图5.1.2船用锅炉燃烧控制系统船用锅炉燃烧控制系统的基本任务是燃烧所产生的热量能够适应动力装置对锅炉负荷的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。船用锅炉受使用情况、系统特点等诸多因素的限制，其燃烧控制系统一般不采用电站锅炉及工业锅炉燃烧控制系统中经常使用的，以锅炉排烟中的烟气含氧量作为控制或修正信号，来实现燃料量与空气量的配比控制。船用锅炉一般燃用重油或轻柴油，其燃料热值相对稳定，也就是说其过剩空气系数在规定好的范围内变化。船用锅炉燃烧过程自动控制系统的框图如图8所示图8船用锅炉燃烧控制系统框图5.2主蒸汽压力模糊自适应PID控制系统的设计目前船用锅炉燃烧控制系统中采用了主蒸汽压力和空气压力两个控制器，由于主蒸汽压力主控制器的控制输出信号与燃油流量有一一对应关系，因此由主蒸汽压力控制器直接控制燃油流量调节滑阀，从而省去了燃油流量控制器，主蒸汽压力自动调节系统和燃油流量调节系统合为一个调节系统。主蒸汽压力控制器是燃烧控制系统的主导控制器，它的测量机构用于检测锅炉主停汽阀前的蒸汽压力值；调节机构是燃油滑阀中的调节滑阀，用于改变进入炉膛的喷油量并使其变化值足够用于恢复汽压的变化。这样使系统硬件结构简单，也可以缩短系统过渡过程时间，即提高系统的机动性能。主蒸汽压力控制器目前采用的是PID控制器，主蒸汽压力控制器直接控制燃油流量调节滑阀，控制进入炉膛的燃油流量。由上可知锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间存在着许多交叉的影响，使用简单的PID控制算法很难达到理想的控制效果。而且参数固定的PID控制，一方面参数的整定本身就较麻烦，另一方面不能满足在不同偏差和偏差的变化率下，系统对PID参数的自整定要求，整个系统的适应性和鲁棒性将下降。模糊自适应PID控制器能够实现PID参数的模糊自整定，即控制器根据系统偏差和偏差的变化率，通过一定的模糊推理来自行调整PID参数。此种方法易于实现参数的自整定，可使PID控制器的适应性提高，从而增强整个系统的鲁棒性。本论文主蒸汽压力控制器采用模糊自适应PID控制器，下面介绍模糊自适应PID控制器的设计。5.2.1模糊