1、 昌吉学院 论文（设计）分类号： TP273 本科毕业论文（设计） 密 级：无 基于参数自整定模糊 PID 的火电厂输煤系统的仿真研究 系 院 物理系 学科门类 工 学 专 业 能源 与动力工程 班 级 物理 B1304 学 号 1325869057 姓 名 郭 林 指导教师 王 超 教师职称 讲 师 二 一七 年五月 二 十日 毕业论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果或作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 毕业论文版权
2、使用授权书 本毕业论文作者完全了解学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学院保留并向有关毕业论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权本学院及以上级别优秀毕业论文评选机构将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库以资检索，可以采用复印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。 声明人签名： 导师签名： 年 月 日 年 月 日 I 摘 要 针对火电厂输煤控制系统具有时变性、滞后性等特点，在 matlab 仿真软件下，提出了参数自整定 Fuzzy-PID方法，并与常规 PID 进行了对比仿真，仿真结果表明：参数自整定相比常规控制具有调节时间短、超调量低、稳态误差小
3、等优点，且对对象特性中的参数变化具有很强的适应能力，能够满足系统提出的控制性能指标要求，对实际应用具有十分重要的工程应用价值。 关键词： 输煤控制系统 参数自整定 Fuzzy-PID 控 制 MATLAB 仿真软件 II 目 录 摘 要 . I 1 绪论 . 1 1.1选题来源及意义 . 1 1.2国内外研究状况 . 1 1.2.1 国内电厂输煤控制系统的发展现状 . 1 1.2.2 国外火力发电厂输煤控制系统现状 . 2 1.3本选题的研究目标与主要内容 . 2 1.3.1 研究目标 . 2 1.3.2 主要内容 . 2 1.4内容创新点 . 3 2 火电厂输煤控制系统 . 4 2.1输煤系
4、统简介 . 4 3 模糊控制理论 . 5 3.1 PID 控制 . 5 3.1.1 PID 控制原理 . 5 3.1.2 PID 参数对系统性能的影响 . 5 3.1.3 PID 参数调整规律 . 6 3.2模糊控制的基本原理 . 6 3.3模糊控制器的结构 . 7 4 基于模糊控制的参数自整定 PID 的设计 . 8 4.1 给煤机 系统模型的建立 . 8 4.2 自整定参数的模糊 PID控制器的原理 . 10 4.3 参数自整定模糊 PID控制器的设计 . 11 4.3.1 输入参数和输出参数 的确定 . 11 4.3.2 模糊理论领域的确认 . 11 4.3.3 隶属度函数的确定 . 1
5、1 4.3.4 控制规则的确定 . 13 4.3.5 模糊推理 . 19 4.3.6 解除模糊 . 20 5 输煤系统的参数自整定模糊 PID 控制器的 MATLAB 仿真 . 21 5.1 Simulink 系统在 MATLAB 环境中的应用 . 21 5.1.1 打开 MATLAB 方式 . 21 5.1.2 SIMULINK 仿真基本步骤 . 21 III 5.2建立模糊控制输煤系统的仿真模型图 . 21 5.3通过 MATLAB 仿真对输煤控制系统进行分析 . 23 结论与展望 . 24 参考文献 . 25 附 录 . 26 致 谢 . 30 昌吉学院 2017 届本科生毕业论文（设计
6、） 1 1 绪论 1.1 选题来源及意义 靠皮带的传送来实现物料运送的皮带传输系统在现代工矿企业、农业医疗、商业军事等领域都被广泛运用 1。皮带式运输系统具有造价低、维护工作少、自动化程度较高、传送效率较高等特点特别适合长距离大宗型物料的运送，特别是在燃煤送料、采矿运输、港口码头等货物运输的领域更是广泛的使用 2。火电厂输煤系统也是采用带式传动的运输系统。在发电厂生产发电过程中火力发电厂的输煤给煤系统占据着重要成分，电厂的发电量效率取决于其运行的程度 3。因为输煤系统条件不好，系统分布零散，传输距离很远，大多数设备要求都是强电的设置。因此，火力发电厂的发电能力直接关系到输煤系统的质量。 火力发
7、电厂 输煤系统的配煤环节 是发电生产过程中的一个重 要环节 4。煤质变化将会引起电厂发电成本的改变 ,包括撼料成本的变化和锅炉改造的成本变化。火电厂锅炉的煤炭燃烧有其对应的煤种 ,锅炉在设计之初便给定了其设计煤种 ,并具体给出了其热值、水分、挥发分、灰分、硫分、可磨性等性能指标要求 ,达到此类性能限值 ,锅炉才能充分发挥燃烧率 ,从而提高生产 效率 5。一般的单煤品种很难满足上述性能指标需求 ,即使满足也会由于资源稀缺、价格上涨而造成生产成本过高 ;因此将多种煤种按一定比例进行配煤 ,再通过模糊自整定 PID 参数技术对变频器进行精确的控制 ,从而控制给煤机对各种煤量的输送 ,达 到性能指标要
8、求 ,节约生产成本 ,提高效率 6。 1.2 国内外研究状况 1.2.1 国内电厂输煤控制系统的发展现状 早期国内建设的火电厂的输煤给煤系统相对较为落后，早期小机组火力发电机组的输煤系统多是基于人工手动方式和继电器控制的半自动系统，已显得十分陈旧和落后，现场生产环境及工况十分恶劣 7。在启动停止输煤设备时，需要工人们按照输煤工艺的先后顺序进行各个设备的启停。因此需要一定数量的工人在现场进行施工操作及运行维护。而且生产现场环境恶劣，噪音大，粉尘多，在这种环境下长期工作会对工人们的健康造成了很大的损害。 近年来，随着计算机技术的飞速发展以及国外先进技术的陆续引进，大型火力发电厂的输煤系统逐渐由基于
9、和上位机组成的网络集中控制取代了传统的半自动化控制。但是国内多数输煤给煤控制的控制系统依然相对较为落后，主要体现在以下几个方面：（ 1）系统的控制方式落后，长期运行故障点较多，故障率。（ 2）监控信号未能完全接入控制系统，行程有效的实时监控闭环反馈。（ 3）控制软件不完善，软启动及堵转保护等功能不齐全完善，给煤及计量控制精度不高。（ 4）系统不具备完备的屏蔽功能，由于输煤给煤系统占地较大，线路较长且多处于露天环境工况不佳 ，系统要实现高效可靠的控制，必须具有较好的抗干扰性和屏蔽功能。 基于参数自整定模糊 PID 的火电厂输煤系统的仿真研究 2 1.2.2 国外火力发电厂输煤控制系统现状 火力发
10、电厂输煤给煤系统中国外的自动化、程控化开始较早，当今大部分选用 PLC+计算机控制的方式，自动化生产通过远程控制高效运行，近年来，这个技术的发展简单从三个方面概述：（ 1）带式输送机的多样化及其应用范围的扩大，比如带式输送机的倾角很高、形状是管状的带式输送机、转弯形式的带式输送机以及不一样的机型；（ 2）长距离输煤系统的稳定可靠性大大提高，通过现场总线网络控制，对系统运行进行工况检测，并且采用 柔性启动、空转保护、堵转保护等技术，大大降低了输送皮带的磨损及系统的故障率 8。（ 3）自身带式型的输送机技术能力和配备水平就有很大进展，特别是大规模的皮带输送系统具有远距离、多运量、高带速的特点，已经
11、成为当今首要趋势。目前，世界上单距离大型带式输送机已用于澳大利亚铝土矿的投资；运输量最大的皮带运输机运力可达，带速，已应用于德国露天煤矿 9。当前，全世界先锋的大型皮带输送机主要核心技术和配备的特点概括以下几方面：（ 1）为了在至万吨的年输送量能够达到效率高、产量高、生产精益的需求，输送机的参数设置都以大型化 为发展目标；（ 1）为了实现对输送机的实时动态监测与控制，输送机采用了工控机监测与控制和动态分析与控制技术等高新技术，应用了多种自动皮带张紧与软起动技术 。 有效降低了输送带的动态张力，使输送机处于最佳运行状态，提高了输送效率；（ 2）为了增加输送机输送距离，应用多机驱动及平衡系统功率、
12、输送变向等先进技术，同时采用模块化、通用化输送装备，保障系统单元的可靠性；（ 3）采用大量新的核心部件，包括大功率驱动设备和调速设备、高效储能带设备、自清洗辊设备、高寿命高速辊等。如采用了变频调速设备的输送机，它的运输能力达 ，能够随着工作面改变而快速自动移动，减少人工工作量，提高生产效率 10。 1.3 本选题的研究目标与主要内容 1.3.1 研究目标 根据输煤控制系统时变和滞后的特点，将模糊控制理论引入输煤控制系统中，利用 MATLAB仿真软件设计了 适用于输煤控制系统的 模糊 PID 的 控制器，使系统满足调节时间短、超调量低、稳态误差小等控制性能要求。 1.3.2 主要内容 对 输煤系
13、统的工艺流程做了简单介绍 ， 了解输煤系统 的基本结构，并对其工作的过程和控制要求进行了详细的说明。 首先简单引进了传统 PID 控制的知识以及模糊控制的基本知识，分别了解了 PID 控制的特点和模糊控制的特点。 根据火电厂输煤给煤系统的特点，首先根据机理分析方法建立给煤机系统的数学模型，完成了适用于给煤机控制系统的模糊 PID 控制器具体的设计过程。 根据给煤系统建立模型，在研究参数自整定控制策略的基础上进行 MATLAB 系统仿真，分昌吉学院 2017 届本科生毕业论文（设计） 3 析。 1.4 内容创新点 在堵仓等情况下 ,给煤机挡板需人工调整 ,对象特性发生变化 ,因此自动配煤系统是一
14、个惯性 ,时变 ,滞后的系统，如用常规的 PID 控制 ,控制参数不易在线调整 ;若采用 模糊 自 整定 PID参数控制算法 ,能够在线修改控制器参数 ,从而达到 控制要求。 基于参数自整定模糊 PID 的火电厂输煤系统的仿真研究 4 2 火电厂输煤控制系统 2.1 输煤系统简介 输煤系统的出发点是自卸车卸煤。卸煤机断煤时，卸煤桥完成卸煤工作。煤卸下来过后 ,可以直接利用皮带机输送到煤罐中 ,也可以先把煤输运到煤场储存起来 ,然后再经过斗轮机和皮带机输运进煤罐 11。煤罐中的粗煤经过给煤机 ,持续匀速的配备给上煤皮带输送机 ,输送带连接成封闭环形，用张紧装置张紧输送带，在电动机的驱动下，依赖于
15、输送带和驱动滚筒之间的摩擦力，能够让输送带不断运转， 再给碎煤机筛分加工 ,进到原煤仓 ,如果使原煤仓的煤量加以合理分配 ,就要让梨煤气的抬落得到控制 ,根据顺序配煤和优先配煤原理，实现输煤控制 。 火力发电厂输煤自动控制系统十分复杂，包括工业控制计算机、 PLC 控制器 、给煤机、电子皮带秤和变频器等主要设备。 输煤自动控制系统的工作原理是首先设定一个煤量值，将这个煤量值通过数学模型转化成变频器所需的频率值，同时显示在工业控制计算机的监控画面中。系统运行过程中 ，电子皮带称称重传感器不断检测瞬时煤流量， 并经过模数转换后传送至参数自整定 Fuzzy-PID 控制模块，一系列的预处理后 ，控制
16、系统的输出信号可以通过模糊运算得到的，然后将信号发送到变频器通过数字模拟转换为 4-20mA，调速电动机的转速随之变化，最终实现整个系统闭环控制，从而达到输煤自动化、智能化的目的，能满足各类性能指标的要求。该系统的框图 2-1所示。 图 2-1 输煤系统组成框图 昌吉学院 2017 届本科生毕业论文（设计） 5 3 模糊控制理论 3.1 PID 控制 3.1.1 PID 控制原理 PID 控制算法简单，具有良好的鲁棒性等优点，并且在实际使用过程中不需要建立精确的系统模型，所有在 PID 控制系统中都是最早开发的控制策略， PID 控制器在各个系统运行中很常见。 PID 控制器的首要控制原理是经
17、过控制的预设值与实际得到值之间的偏差，而且通过偏差的比例、积分、微分等得到详细的输煤量加以控制。 PID控制系统结构图参照图 3-1，我们能看出， r（ t）是这个系统的输进来的值， y（ t）是需要测量的值，比例、积分、微分的偏差信号 e(t)由 u(t）来调控。 积 分 I比 例 P微 分 D被 控 对 象r ( t ) +e ( t )u ( t )y ( t )图 3-1 PID 控制结构框图 PID控制总结出来的公式为 u(t)=kpe(t)+kit0e( )d( )+(kdde(t)/dt。从这个式子里可以看出： PID 的输出信号是 u(t)； PID 控制的输进信号和偏差信号是
18、 e(t)；比例系数用 KP表达； KI 当作积分时间常数； KD 用微分时间常数标出。组件 KPe（ t）与 e（ t），称为比例作用；分量 kit0e( )d( )与 e(t)对时间 t 的积分成比例，这种作用关系称为积分；其中分量 (Kdde(t)/dt 与 e(t)对时间 t的导数之间的关系称作为微分作用。 3.1.2 PID 参数对系统性能的影响 在 PID 控制系统中，设置和调节合适的 PID参数 KP， KI， KD对控制系统的动静态特性有很大的影响，下面从响应速度、超调量、系统稳定性以及控制精度等方面来分析 KP， KI， KD 对PID 控制系统的影响： （ 1） P 快速响应与快速响应偏差的比值，但往往导致过冲增大，导致过渡过程和时间的
