锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计_毕业论文(编辑修改稿)

锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

4 页 共 47 页 控制算法和控制过程程序结构，通过 MATLAB 仿真模型研究所设计控制算法的性能，得出其相对一般控制器的优势所在。 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 5 页 共 47 页 2 仿人智能控制系统的原理及特点 仿人智能控制的原理 仿人智能控制的基本思路 传统的 PID 控制是一种反馈控制，存在着按偏差的比例、积分和微分三种控制作用。 比例：偏差一产生，控制器就有控制作用，使被控量想偏差减小的方向器控制作用的强弱取决于比例系数 Kp 积分：它能对偏差进行记忆并积分，有利于消除静差，但作用太强，既会是控制的动态性能变差，以至使系统不稳定。 微分：能敏感出偏差的变化趋势， To大可加快系统响应（使超调减小），使系统抑制干扰 的能力降低。 下面来分析一下 PID 控制中的三种控制作用的是指以及他们的功能与人的控制思维的某种智能差异，从而看出控制规律的智能化发展趋势。 1）比例； PID中实质是一种线性放大或缩小的作用，它类似于人的想象能力，可以把一个量想得大一些或小一些，但人的想象力是非线性的是变的，可根据情况灵活变化。 2）积分作用：对偏差信号的记忆功能（积分）， 人脑的记忆功能是人类的一种基本智能，人脑的记忆是具有某种选择性的。 可以记住有用的信息，而遗忘无用或长时间的信息，而 PID中的积分是不加选择的长期记忆，其中包括对控制不利的 信息， 同比 PID中不加选择的积分作用缺乏智能性。 3） 微分：体现了信号的变化趋势，这种作用类似于人的预见性，但 PID中的微分的预见性缺乏人的远见卓识，且对变化快的信号敏感，对变化慢的信号预见性差 仿人智能控制的基本思想是指：在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为能力，最大限度的识别和利用控制系统动态过程所提供的特征信息进行启发和直觉推理，从而实现对缺乏精确数学模型的对象进行有效的控制 [4]。 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 6 页 共 47 页 仿人智能行为的特征变量 对系统动态特征的模式识别，主要是对动态模式的分类，根据系统偏差 e及偏 差变化△ e以及由它们相应的组合的特征变量来划分动态特征模式，通过这些特征模式刻画动态系统的动态行为特征，以便作为智能控制决策的依据。 图 系统的典型阶跃响应曲线 图 ，曲线上 a,b,F 三处的系统输出是一样的，但他们的动态特征是不同的， a处偏差将继续偏离平衡状态， b处偏差将回归平衡状态， F处偏差达到最大值。 为了更全面，更细致的刻画系统的动态特征，定义下列特征变量。 １ ) 偏差 en（ en表示偏离的大小，称为离散数） en =R— ny 2） 偏差变化△ en △ en=enen1 3） en△ en(偏差及偏差变化之积 ) 偏差与偏差变化之积构成了一个新的描述系统动态过程的特征变量。 利用该特征变量的趋势是否大于 0 可以描述系统动态偏差变化的趋势，对应图 下表 : 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 7 页 共 47 页 OA AB BC CD DE en 0 0 0 0 0 △ en 0 0 0 0 0 en△ en 0 0 0 0 0 另外， 当 en△ en0(BC,DE)表明系统的动态过程正向着偏差减小的。 方向变化，即偏差的绝对值逐渐减小；当 en△ en0（ AB,CD）表明系统的动态过程正向偏差增加的方向变化，即偏差的绝对值逐渐增大。 △ en△ en1（相邻两次偏差变化之积） △ en1=en1en2 这个特征量表示了偏差出现的极值状态的特征量。 4） 若 △ en△ en10 表示出现极值状态； △ en△ en10 表示无极值状态出现； 将△ en△ en1与 en△ en联合使用，可以判别动态过程当偏差出现极值后的变化趋势，如 B和 C’ 点： B点：△ en△ en10, en△ en0 C’ 点：△ en△ en10, en△ en0 在 B 点后偏差逐渐减小，而在 C’ 点后偏差逐渐变大。 图 系统的典型阶跃响应曲线 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 8 页 共 47 页 5） |△ e/e|(偏差变化的姿态 ) 这个特征量可以描述动态过程中偏差变化的姿态， 当 |△ e/e|大时，表明△ e大，而 e小或很小 当 |△ e/e|小时，表明 e大， 或△ e很小 若 Ϋ |△ e/e|Ϊ ,表明系统处于 BC(或 DE)中部一段，此时系 统的动态过程是呈现偏差和偏差变化较大的姿态。 6) |△ en/△ en1| 这个特征变量反映了偏差的局部变化趋势，也间接表示出前期控制效果，若此值大，表明前期控制效果不显著或不佳。 7）△（△ en） 表明偏差变化的变化率，即二次差分，对于图 1所示曲线： 图 系统的典型阶跃响应曲线 ABC段：△（△ en） 0 ,处于超调段 CDE段：△（△ en） 0, 处于回调段 通过对上述特征变量的分析可知，特征变量是对系统动态特性的一种定性预定两性结合的描述，它体现了对人们思维的一种模拟。 仿人智 能控制与 PID控制相结合 PID控制的原理 常规的 PID控制原理如图 ：这是一个典型的单位负反馈控制系统。 系 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 9 页 共 47 页 统 由 PID控制器和被控对象组成 图 PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与输出值 y(t)构成偏差： e(t)r(t) c(t)。 将偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。 器控制规律为： )(tU = pK [ )(te + dttdeTddtteTt )()(1 10 ] = pK )(te + iK  10 )()( dttdeKddtte （ 21） 传递函数： )(sG = sTsTKsE sU dip 11()( )( = Kp +Ki sKsd1 （ 22） 式中， Kp 为比例系数， Tr为积分常数， Td 为微分时间常数： tK = TtKp 为积分系数， Kd = Kp Td 为微分系数。 PID控制器各校正环节的作用如下： 比例控制：即是成比例地反应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小误差。 当偏差 e=0时，控制作用也为 0。 因此， LV,例控制是基于偏差进行调 节的，即有差调节。 积分控制：能对误差进行记忆，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 Tl， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 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 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 10 页 共 47 页 加快系统的动作速度，减小调 节时间。 从时间的角度讲，比例控制是针对系统当前误差进行控制，积分作用则针对系统误差的历史，而微分作用则反映了系统误差变化趋势，这三者的组合是“过去、现在、 未来”的完美结合。 仿人智能 PID控制器 为了 进一步模仿人的预见性，仿人智能控制器在基本的控制算法上可以进行改 进，一种改进是根据误差 E的大小不同改变比例增益系数 pK。 ：另外一种改进是将比 例控制模态改为 PID控制模态。 仿人智能 PID控制器仍采用比例、积分和微分控制功能实现。 依据动态过程的特征信息，智能地选择或组合 PID的控制方案。 1) 分段处理：系统由静态向动态过渡过程中，由于其惯性的存在，决定了这一段过程只能呈倾斜上升。 为了获得好的过渡过程，即快的响应速度、较 小的超调量，将动态 过程分为过渡过程和跟踪过程。 在过渡过程中采用变 增益的方式，使系统输出上升接近稳态而存在误差 e时，比例控制作用要降低使系统借助于惯性继续上升，即有利于较小超调而又不至于影响上升 时间，小于误差 e后采用正常的处理方案。 两个过程的切换由误差的大小确定： │ e(k)│ e 过渡过程 │ e(k)│ ≤e 正常跟踪程序 2） 误差变化趋势：实现仿人控制首先要确定误差变化趋势。 可以利用误差误差变化趋势的乘积作为系统动态过程的特征量。 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 11 页 共 47 页 图 偏差 e(t)及其积分曲线 i(t) 在图 (c， d)段，积分作 用增加一个正量的控制有利于减小输出的回调。 但在 (d， e)区间积分作用继续加强，其结果势必造成系统再次出现超调，这时 的积分作用对系统的有效控制帮了倒忙。 在控制系统中引入积分控制作用是减小系统稳态偏差的重要途径。 在常规 PID控制中，积分作用对偏差的积分过程在一定程度上模拟了人的记忆特性，记忆了偏差的存在及其变化的全部信息。 但它有以下几个缺点： 1）．积分控制作用对积分过程选择的针对性不强； 2）．只要偏差存在，就一直进行积分，容易造成“积分饱和”： 3）．积分参数不易选择，选用不当会造成系统出现振荡。 造成上 述积分控制作用不佳的原因在于：它没有很好地体现出有经验的操作人员的控制决策思想。 在图 3． 2的积分曲线区间 (a， b)和 (b， c)中，积分作用和 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 12 页 共 47 页 有经验的操作人员的控制作用相反。 此时系统出现了超调。 正确的控制策略应该是使控制量在常 值上加一个负量控制，以压低超调，尽快减少偏差。 但在此区间的积分控制作用却增 加了一个正量控制。 这是由于在 (0， a)区间的积分结果很难被抵消而改变符号，故积分控制量仍保持为正。 这样的结果导致系统超调不能迅速降低，从而延长了系统的过渡过程时间。 仿人智能 P1D控制器由比例和积分组成，其系数由控 制规则提供：另外，在判断条件中用上误差的差分，因此，它也含有对误差微分的作用，故仍称之为 PID控制器，其结构框图如下： 图 仿人智能 PID结构框图 从误差 e和误差的变化△ P这两个基本的模糊控制变量出发，引入其它的特征变量，以便从动态过程中获取更多的特征信息，进而利用这些信息更好地设计仿人智能控制器。 500t/h CFB 锅炉炉膛负压仿人智能控制系统设计 第 13 页 共 47 页 仿人智能控制系统的设计方法 被控对象的“类等效”简化模型 具有可调参数的控制系统数学模型简化理论表明，尽管在许多情况下被控对象的全特性不确知，但其所具有的非线性 ，时变性和不确定性对控制的影响总可以用一些典型的非线性环节加上被控对象的“类等效”的简化线性模型，在结构和参数上的变化来近似模拟。 根据对被控对象的定性了解，建立起对象的结构模型，并根据对某些反映被控对象动态特性的主要特征量的模糊估计确定对象模型结构和参数可能变化的大致范围 [7]。 设一个带有纯滞后环节的高阶线性动态系统的传递函数形式为： G（ s) = snnmm esbsb sasaK   ). . . . . .1( ). . . . . .1( 1 1τ （ 231） 则描述系统动态特性的时域和频域的主要特征量有： 增益（ Gain） K：表示系统对零频（直流）输入信号的放大能力，决定了稳定系统系统域中单位阶跃响应的稳态值，即 K = )(lim0 sGs （ 232） 纯滞后τ：表示系统对输入信号的不应期。 等效时滞：表示系统对输入信号的滞后特性，由下述积分定义表示 D = tdKtgtu ))()((0  (233) 式中： u（ t）为单位阶跃输入函数， g（ t）为 G（ s）的单位阶跃响应。 D是系统中所有滞后（积分）因素和所有超前（微分）因素之差，其与传递函数的关系为。