模糊控制-水位控制系統(tǒng)設計.doc

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模糊控制 ——基于matlab的鍋爐水位控制系統(tǒng)設計 鄭州大學 物理工程學院 測控技術(shù)與儀器1班 杜佰林 20102240103 一、應用背景 由于鍋爐水位具有大滯后、多變量、強耦合等非線性特性，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行情況，采用模糊控制策略，設計了鍋爐水位的模糊控制系統(tǒng)，并且使用MATLAB時，主要使用模糊邏輯工具箱構(gòu)建模糊控制器，使用進行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所減少，當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了汽包儲水量增減。當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，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、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，是采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成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.但是維數(shù)太高,模糊控制規(guī)則變得過于復雜，控制算法的實現(xiàn)相當困難。因此，目前被廣泛采用的均是二維模糊控制器。本設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，控制伺服電動機正/反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速的快慢，從而達到由伺服電動機控制給水調(diào)節(jié)閥的進水、出水和開度的大小，以及調(diào)節(jié)閥動作的快慢和響應時間長短。鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)框圖如下圖所示： e 輸入量化 模糊化 模糊推理 u U 解模糊 輸出量化 D/A D/A ec 輸入量化 模糊化 de/dt H 伺服電動機 水位調(diào)節(jié) 傳感器 四、模糊控制器設計 在鍋爐運行過程中： 水位要求保持在額定值 【-80mm, +80mm】， 水位誤差e的基本變化范圍為 【-0.08， +0.08】； 水位誤差變化率ec為 【-0.02， +0.02】； 直流伺服電動機兩端電樞電壓U的基本變化范圍為【-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 {負大、負中、負小、零、正小、正中、正大} 以上變量的模糊子集為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。 輸入e，ec以及輸出u 的論域均為【-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MATLAB主窗口中單擊工具欄中的SIMULINK，快捷圖標。 從相關(guān)模塊庫中一次把Signal Generator（信號源）、Subtract（減運算）、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）模塊拖入模型編輯窗口，并連成如下圖所示的仿真模型圖。 接下來設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。 在隸屬函數(shù)編輯器中編輯輸入變量 E EC 輸出變量U類型。編輯完成后如下圖所示 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。 將上述規(guī)則輸入到Rules編輯器中，結(jié)果如下圖所示： 在“FIS　Editor”窗口執(zhí)行菜單命令“View”——“Rules”彈出對話框如下圖所示： 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；游標線的位置標明當前輸入變量的值；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： 從上圖可以看出，輸出變量u是兩個輸入變量e，ec的非線性函數(shù)u=F(e,ec),曲面越平緩、光滑，該系統(tǒng)的性能越好。將光標放置在圖形上，按下鼠標左鍵即可旋轉(zhuǎn)圖形，該曲面較平緩、光滑時，滿足設計要求。 至此，鍋爐水位模糊控制器設計完成。 五、模糊控制系統(tǒng)仿真 對模糊控制系統(tǒng)仿真模型進行仿真時，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”——“Start”，得到仿真結(jié)果如下圖所示。 六、實驗總結(jié) 隨著仿真實驗的進行，我對于模糊控制以及MATLAB 的Fuzzy理解也一步步的加深，同時也非常感謝趙老師將我領入模糊控制的殿堂，我相信，本次仿真實驗的結(jié)束并不代表我對模糊控制學習的技術(shù)，在將來的工作中，將會接觸到更多關(guān)于模糊控制的應用。、 參考文獻： 《基于MATLAB與fuzzyTEGH的模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡設計》 周潤景 張麗娜 著； 《計算機控制理論》