第四章 复合模糊控制系统及仿真研究
4.1 复合模糊串级系统的设计
4.1.1 复合模糊串级控制思想的提出
常规喷水调节经常采用带负荷的前馈信号的串级PID控制系统, 以保证过热汽温度在大部分工况下保持在设定值540℃左右,但若采用以固定参数为主的常规PID制器, 当外界扰动较大和对象特性变化较大时, 抑制干扰能力及控制效果均较差。因此，考虑模糊控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的控制品质。由于带基本Fuzzy 控制器的减温水量——过热汽温Fuzzy控制系统误差e 和误差的变化率ec 作为输入量,实质上是具有PD 控制规律的一种控制系统, 考虑到语言变量基本论域的量化特点,该系统不具有消除稳态误差的能力, 且由于在“0”档处量化死区的影响, 还可能出现稳态等幅振荡。因而采用在基本Fuzzy 控制器基础上再构造一个PI并联通道的Fuzzy-PI复合模糊控制结构。当过热汽温偏差较大时, 利用模糊控制结合适当的作用量抑制干扰, 保证系统响应的快速性,同时又保留了串级控制系统抑制内扰的特点, 保证控制精度和良好的动态品质。本文所设计的复合模糊串级汽温控制系统结构如图4-1所示[11]。
图4-1 复合模糊串级汽温控制系统方框图
4.1.2 系统的总体设计和任务规划
本文主要研究温度对一级过热器的影响。其特性已经在第四章中阐述过了。算法研究在MATLAB的SIMULINK环境下进行。本文控制系统的设计、仿真研究包含以下内
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容：
1．过热器固有特性的识别与分析；
2．模糊控制器的设计及仿真试验； 3．Fuzzy-PI复合的设计及仿真试验；
4.1.3 对象固有特性的识别与分析
世界上任何事物的运动都要遵循一定的客观规律，控制就是通过规律性的人为干预对象的行为来达到预期目的的。因而，从某种意义上说，了解对象的运动规律是实施有效控制的前提，各种控制方法只是了解的方式和规律的表达方式的不同而已。对模糊控制而言，是根据手动控制经验与控制指标要求来完成。
在系统工作区间内，被调量的允许最大变化范围是±10℃，正常运行时的最小偏差是±5℃，控制量的变化范围是0～60T/H，通过分析可以得出以下规律；
K包括量化因子和比例因子两部分，主要受工作点及工作状态的影响，当负荷增加时，过热器对象的K将增加，且表现为非线性，这时减温水的变化对被调量的控制作用加强；当过热器结垢非常严重时，将使K减小，减温水的变化对被调量的控制作用减弱。
量化因子和比例因子的取值影响模糊化的精度：量化因子Ke越大系统调节惰性越小，系统上升速率越大，Ke过大，将产生较大的超调量严重时会产生振荡，甚至使系统不稳定工作。Ke过小，导致快速性变差。另一方面，它严重影响系统的稳态特性，导致稳态精度降低。而量化因子Kec的作用效果与Ke相反。
比例因子Ku作用类似比例作用，Ku越大，上升速率越快，过大则容易使系统输出产生波动，可能导致等幅震荡甚至发散；Ku越小，系统向前增益越小，输出的上升的速度越小，快速性变差。
对过热器对象来说，结垢增加也将使得对象的容量滞后τ 增加，这时控制量对对象的控制作用没有改变，但是对象的最大变化速度向后推移，系统的调节速度降低。
在相同条件下，较大的输入量会产生较大的最大误差变化率。 相同的控制量，会在较低负荷处产生较大的误差变化率。
这些结论是基于有限数据总结的，可以设想把工作区间细分，逐段测试，可以把握更充分、更细致的材料，但这些实验还不能在工程上全部实现。
4.1.4 SIMULINK
工具箱简介
控制系统的计算机辅助设计技术从成为一门专业的学科以来，已有二十多年的历史，一直受到控制届的普遍重视，在其发展的过程中出现了各种各样的实用工具和理
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论成果。MATLAB是MathWorks公司的软件产品，正是进行这种设计技术的方便可行的工具，目前已成为国际控制界应用最广泛的语言工具。
现在MATLAB已经成为一个系列产品，MATLAB主包和工具箱（TOOLBOX)。功能丰富的工具箱将不同领域和不同方向的研究者吸引到MATLAB的编程环境中，成为MATLAB的忠实用户。
SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包，它支持连续，离散及两者混合的线性系统，也支持具有多种采样速度的多速率系统。
SIMULINK为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就象用笔和纸画一样容易。SIMULINK包含有sinks（输入方式）、Source（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（有线性环节）、Connections（连接与接口）和Exrra（其它环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。
用创建的模型可以具有阶梯结构，因此可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。
在定义完一个模型以后，以后可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行为方式对于运行仿真非常有作用。用Scope模块和其它的画图模块，在仿真进行的同时，就可观察到仿真结果。除此之外以后该可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果可以存放到的工作空间里做事后处理。
模型分析工具箱包括非线性和平衡点分析工具、MATLAB的许多工作及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
SIMULINK for Windows依赖于Windows和MATLAB的要求，因而它所需要的系统配置和其它设置就不必专门增加或改变，只要能满足系统的需要即可[12]。
4.1.5 模糊推理工具箱简介
二十多年前，L．A．Zadeh教授提出了模糊集合理论已经在众多领域中的工程领域得到广泛深入的研究。对于实际操作人员，即时没有精确三数据个过程模型，也可以操作和复杂的过程。而模糊理论正式将操作人员的操作经验转换成可以在计算机上运行的算法，以实现模糊控制[13]。
目前，模糊集合理论受到了世人前所未有的关注。澳大利亚Queensland大学的教授开发了基于MATLAB环境的“模糊推理系统工具箱”（Fuzzy Inference Toolbox For
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MATLAB）。该工具箱集成度高，内容丰富，基本包括了模糊集合理论的各个方面，基本包括了模糊集合理论的各个方面，其主要内容有：（1） 模糊集合各种运算。（2）模糊逻辑推理。（3）非模糊化。(4)模糊集合理论在自动控制中的应用
4.2 模糊控制器的设计
采用Fuzzy logic 工具箱的FIS 编辑器编辑模糊控制器, 针对火电厂主汽温对象控制品质要求, 保证出口温度为530～ 545℃。
4.2.1 确定输入输出变量
输入变量为2个，分别为偏差e和偏差的变化率ec,输出变量为u。模糊语言变量分别为E (温度偏差) ，EC(温度偏差变化率)和U(阀门开度)。
4.2.2 模糊化
E 的论域为[ - 20, 20 ], 划分为7个等级，模糊子集Ai ( i= 1, ?, 7)的7个语言取值{N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB }, 依次表示的实际物理意义为出口温度{很高、较高、稍高、正好、稍低、较低、很低}, 它们的隶属函数选trimf (三角形) 。EC 的论域为[ - 20, 20 ], 划分为7个等级, 模糊子集Bi ( i= 1, ?, 7) 的7个语言取值{N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB }, 依次表示的实际物理意义为出口温度变化{负的快速增加、负的增加, 负的稍微增加、不变、正的稍微增加、正的增加、正的快速增加}, 它们的隶属函数选trimf (三角形)。U 的论域为[ - 20, 20 ], 划分为7个等级, 模糊子集Ci ( i= 1, ?, 7)的7个语言取值{N B , NM , N S , N O , PS , PM , PB }, 依次表示的实际物理意义为喷水减温阀{全关、半关、稍微关小、不动、稍微开大、半开、全开}, 它们的隶属函数选trimf (三角形)[14][15]。
4.2.3 模糊规则编辑
该模糊控制器的模糊规则具有如下形式:if {E = Ai and EC= Bi} then U = Ci, i= 1,. . . , n, 其中Ai, Bi,Ci 分别为E、EC 和U的模糊子集。
由经验整定规则共49条, 如
①如果出口温度太高, 且温度偏差快速增加, 则喷水减温阀全开 对应规则语言: if E = N B and EC= N B then U = PB ②如果出口温度恰好, 且温度偏差朝升高的方向快速增加, 则喷水减温阀全开 对应规则语言: if E = ZO and EC= N B then U = PM
③如果出口温度太低, 且温度偏差快速减小, 则喷水减温阀不动 对应规则语言: if E = PB and EC= N B then U = ZO 其余规则照规则表4-1一一写入控制规则编辑中。
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建立好隶属函数和规则后,系统的决策部分选用Madani算法, 解模糊选用中位数[16]。
表4-1 模糊控制规则表
U E NB NM NS ZO PS PM PB
EC NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PM PS ZO ZO NS PB PB PM PS ZO NM NM ZO PB PB PM ZO NM NB NB PS PM PM ZO NS NM NB NB PM ZO ZO NS NM NM NB NB PB ZO ZO NS NM NM NB NB 图4-2 模糊规则
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