基于 matlab 的鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、基于MATLAB的鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：本文首先介紹了鍋爐控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特性，分析了鍋爐液位控制具有非時變和滯后性等特征，采用模糊控制技術(shù)來實現(xiàn)對鍋爐液位實時跟蹤控制，試驗仿真結(jié)果表明，模糊控制系統(tǒng)能夠較好的獲取液位控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，體現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性，為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供相應(yīng)的理論。關(guān)鍵詞：模糊控制；鍋爐液位；模糊控制器；跟蹤控制；MATLAB在工業(yè)控制過程中，鍋爐是電廠和化工廠等行業(yè)領(lǐng)域常見的生產(chǎn)蒸汽的機械設(shè)備，在控制系統(tǒng)中作為被控對象，其輸出參數(shù)主要為液位，液

2、位是一個關(guān)鍵的控制技術(shù)因素，鍋爐液位控制系統(tǒng)存在非線性，滯后，耦合等特征，不易獲取精確數(shù)學模型，因此，基于研究單變量、時不變和線性控制系統(tǒng)的經(jīng)典控制理論方法是不能夠滿足控制系統(tǒng)要求，難以表達和處理這類不確定性，不完全性和時變性系統(tǒng)，不能較好地獲取液位控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。模糊控制以不清楚控制對象，把控制對象的操作經(jīng)驗用語言表述為模仿人模糊規(guī)則送入機器中完成對系統(tǒng)的自動控制的實現(xiàn)，讓計算機能夠識別判斷，認識和處理及其利用，它可脫離控制系統(tǒng)的數(shù)控模型而是依賴于各類設(shè)定的模糊規(guī)則，模糊控制技術(shù)在非線

3、性復雜動態(tài)控制系統(tǒng)能獲取阻尼參數(shù)性能和減少響應(yīng)過度超調(diào)，體現(xiàn)出了應(yīng)用的優(yōu)越性，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)更精細，更高效和更可靠的控制[1]。1.鍋爐液位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1.1鍋爐液位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)鍋爐液位控制系統(tǒng)一般由鍋爐，調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，省煤器及汽鼓等部件構(gòu)成。在生產(chǎn)蒸汽過程中，為保證鍋爐正常運行，就需控制其液位為正常設(shè)定值。鍋爐液位過高，則易使蒸汽帶水溢出鍋爐帶來危險；而鍋爐液位過低，則易燒干鍋導致嚴重的機械故障，損害設(shè)備及發(fā)生事故[2]。當蒸汽的耗汽量與鍋爐進水量相等時，液位保持為參考

4、值，當鍋爐的給水量不變，蒸汽負荷突然增加或減少時，液位也隨之發(fā)生相反的變化，從而導致鍋爐液位發(fā)生變化，不論出現(xiàn)什么情況，鍋爐液位參考值與實際值之間存在一定的誤差，可認為，控制器均可控制，去開大或關(guān)小給水閥門，使液位保持恒定[2]。實際上誤差是隨機的，不可避免。這里我們不再考慮。因此，必須設(shè)計一個高性能的控制器來嚴格對鍋爐液位高低的控制來保證鍋爐安全正常地運行。下圖1為鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖。圖11.2鍋爐液位控制系統(tǒng)的工作原理圖1所示，鍋爐為被控對象，系統(tǒng)的輸出為鍋爐液位，其中干擾參數(shù)包含給水壓

5、力或蒸汽負荷變化等相關(guān)的內(nèi)外擾動參數(shù)，測量反饋元件是用來測量或指示鍋爐液位，并根據(jù)一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為一定的信號送入模糊控制器中，得出液位偏差，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則發(fā)出相應(yīng)的輸出信號作用于調(diào)節(jié)閥使其發(fā)生規(guī)定動作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中起到執(zhí)行元件的作用，根據(jù)控制信號對鍋爐的進水量進行調(diào)節(jié)，閥門的運動取決于閥門特性，與輸入信號呈現(xiàn)某種曲線關(guān)系變化。為保證安全，這里的給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)閥，一旦發(fā)生斷氣現(xiàn)象，閥門保持打開位置，保證汽鼓不被燒干損壞。液位信號的輸出可以通過液位傳感器來獲得，從而通過鍋爐液位轉(zhuǎn)換為

6、電量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。1.3鍋爐液位控制系統(tǒng)的工作原理圖1所示，鍋爐為被控對象，系統(tǒng)的輸出為鍋爐液位，其中干擾參數(shù)包含給水壓力或蒸汽負荷變化等相關(guān)的內(nèi)外擾動參數(shù)，測量反饋元件是用來測量或指示鍋爐液位，并根據(jù)一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為一定的信號送入模糊控制器中，得出液位偏差，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則發(fā)出相應(yīng)的輸出信號作用于調(diào)節(jié)閥使其發(fā)生規(guī)定動作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中起到執(zhí)行元件的作用，根據(jù)控制信號對鍋爐的進水量進行調(diào)節(jié)，閥門的運動取決于閥門特性，與輸入信號呈現(xiàn)某種曲線關(guān)系變化。為保證安全

7、，這里的給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)閥，一旦發(fā)生斷氣現(xiàn)象，閥門保持打開位置，保證汽鼓不被燒干損壞。液位信號的輸出可以通過液位傳感器來獲得，從而通過鍋爐液位轉(zhuǎn)換為電量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。2模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析基于模糊控制技術(shù)的鍋爐液位控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，設(shè)計性能優(yōu)良的模糊控制器對模糊控制系統(tǒng)起到重要作用。因此在設(shè)計模糊控制器的過程中，主要是確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，選擇模糊子集、建立相應(yīng)的模糊規(guī)則并選定近似推理算法，根據(jù)積累的操作經(jīng)驗和歷史測試數(shù)據(jù)，

8、建立模糊控制規(guī)則[3]。根據(jù)鍋爐液位控制系統(tǒng)的要求，采用二維FC，它采用雙輸入、單輸出基本控制結(jié)構(gòu)，且選取能夠反映鍋爐控制過程中的輸出液位參數(shù)變量的動態(tài)特性，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)辨識。這里，選用參輸入量液位Level和流量rate作為控制器的兩個輸入分量，選用輸出控制對象調(diào)節(jié)閥Valve作為輸出分量。根據(jù)上述分析，本系統(tǒng)采用的是Sugneo型推理模糊控制器。2.2模糊控制器FC的設(shè)計鍋爐液位模糊控制器的設(shè)計一般遵循以下規(guī)則：首先對鍋爐液位控制系統(tǒng)進行綜合分析，選擇確定系統(tǒng)的輸入輸出因