循环流化床锅炉炉膛负压模糊PID控制系统的设计

知识库中包含了各种应用领域中的知识和要求的控制目标。 通常由数据库和模糊控制规则库两大部分组成。

第一部分 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、 尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。

第二部分 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。 它们反映了控制专家的经验和知识。 (3) 模糊推理

模糊推理是模糊控制器的核心，是指采用某种推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则导出模糊控制器的控制量输出。 (4) 清晰化

与模糊化相反，模糊推理机得到的仍是模糊集合的形式，而对于实际的控制则必须是清晰量，因此需要将模糊量转换为清晰量，这就是清晰化或称为反模糊化计算所需要完成的任务。

4.1.2 模糊控制基本原理

模糊控制系统的结构与常规计算机数字控制系统类似，只是控制器为模糊控制器。模糊控制系统方框图如图4.2所示。

图4.2 模糊控制系统方框图

模糊控制实现过程为：微机经中断采样获取被控量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号E,将误差信号E[17]的精确值进行模糊化变成模糊量并用模糊语言表示，得到模糊语言集合的一个子集e(一个模糊向量)，再由e和模糊控制规则R（模糊关系）根据模糊推理的合成规程进行模糊决策，得到模糊控制量为：

U = e. R （4-1）

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式中，U为一个模糊量。

将U转换为精确量（非模糊化处理），经数/模转换变成精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。然后中断等待第二次采样，进行第二步控制。接着第三步控制......循环下去，直到完成最后一步控制，实现对被控对象的模糊控制。

4.2 PID控制理论

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分综合控制，简称PID控制。PID控制作为最早实用化的控制从提出到现在已有100多年历史，PID控制简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制。

4.2.1 PID控制基本原理

PID 控制是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。P常规PID控制系统原理框图如图4.3所示。

图4.3 常规PID控制系统原理框图

PID的线性控制是根据定值r(t)与实际值输出y(t)构成的偏差：

e(t)?r(t)?y(t) (4-2)

控制器对误差信号e (t) 进行比例、积分、微分运算，构成控制系统的控制

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信号u（t），再送到被控对象加以控制。

PID控制器的数学模型可以用下式表示:

式中：

1u(t)?Kp[e(t)?Tide(t)(4-3) ?0e(?)d??Tddt]

tu(t)为控制器的输出；

e(t)位控制器输入，它是给定定值与被控对象输出值的差，称偏差信号；

KP控制器的比例系数；

Ti为控制器的积分时间； Td为控制器的微分时间。

PID控制即比例-积分-微分控制，通过KP，Ki 和 Kd 三个参数的设定， 由比例单元 P、积分单元I和微分单元D三部分组成。

比例（P）控制

该单元主要作用是以成比例的方式反映系统的偏差信号，当系统有偏差产生时，该环节就会马上发挥控制调节的功用，减小产生偏差。比例单元的系数越大，该环节响应偏差变化就会越快，从而加快调节的速度；但是比例系数如果过大，则可能会使超调量太大，甚至降低系统的稳定性，造成系统崩溃。

积分(I)控制

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。积分控制能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差调节。然而积分调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过度时间加长，相对而言又是系统稳定性下降。因此，在积分控制下引入比例积分，形成比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分(D)控制

微分调节是一种超前调节方式，微分控制对偏差的变化趋势非常敏感,增大微分控制作用可加快系统响应,减小超调量,克服振荡,提高系统的稳定性,但使系统抑制干扰的能力降低。因此，对有较大惯性或滞后的被控对象,单一采用微分调节是不够的，应该加入比例调节，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节

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过程中的动态特性。

4.2.2 PID控制算法

计算机控制是一种采样控制,通过传感器测量得到的连续信号,必须经过采样和量化后,变成数字量,才能进入计算机的存贮器和寄存器,因而在计算机控制系统中,使用的是数字控制器,数字控制算法通常分为位置式控制算法和增量式控制算法。增量式控制算法计算简单，抗干扰能力强，手自动之间切换无冲击，故本文采用增量式PID控制算法。公式如下：

u(t)?KPe(k)?KI?e(i)?KD[e(k)?e(k?1)] (4-4)

i?0k

u(t)?KPe(k)?KI?e(j)?KD[e(k?1)?e(k?2)] (4-5)

j?0k?1式（4-4）减去式（4-5），得

?u(k)?KP[e(k)?e(k?1)]?KIe(k)?KD[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)

?KP?e(k)?KIe(k)?KD[?e(k)??e(k?1) （4-6） 式中,

?e(k)?e(k)?e(k?1)

采用增量式算法时,计算机输出的控制增量?u(k)对应的是本次执行机构位的增量。计算的得到的 k 次采样控制器的输出信号，只需要知道 k , （k-1）, （k-2） 时刻的偏差，及上一时刻的输出值 u（k-1）即可。来实现而目前较多的是利用算式u(k)?u(k?1)??u(k)通过执行软件来完成。

4.2.3 PID参数整定

在实际工程中，PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的动静态特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，总结起来有两大类：第一种是工程整定方法，它主要依赖相关工程经验，直接在控制系统的试验中进行，并且方法简单、易于掌握，在工程运用中被广泛采用;第二种是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，通过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据不

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