CN104730928A - 一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，根据热电厂汽包水位积水系统的实际运行情况，选取相关量作为模糊控制器的输入、输出；通过两个模糊控制器，一个主控制器，一个二级控制器，二级控制器主要通过分析汽包水位误差和误差变化的大小选择相应的权重，从而改变输出到主控制器的误差和误差变化的比例，使主控制器的选择更为精确的控制规则控制输出，驱动给水调节阀作出相应的动作。本发明解决了在汽包水位在复杂工况下的控制难点，不仅加强了控制器的适用各种复杂工况的能力，又提高了控制精度，满足控制要求，使得热电厂给水系统能稳定、安全、高效的运行。

Description

一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法

技术领域

本发明属于热电技术领域，尤其涉及一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法。

背景技术

汽包水位给水系统由给水调节阀、省煤器、汽包、下降管、下联箱、水冷壁管、过热器等部分组成；储存在给水箱中的锅炉给水经除氧器除氧送至低压管路，然后经过给水泵强制打入锅炉的高压管路，在炉前经过给水调节阀调节给水量，然后导入省煤器，锅炉给水在省煤器内吸收锅管外烟气和飞灰的热量，水温上升可达300℃左右，但从省煤器出来的水的温度仍然低于该压力下的饱和温度(约在330℃)，仍属于高压未饱和水，流经省煤器的水沿着管路来到布置在锅炉外面顶部的汽包。汽包内下半部分是水，上半部分是饱和蒸汽，高压未饱和水通过汽包底部的下降管向下流动，进而到达炉膛外面底部的下联箱，锅炉底部四周的下联箱上并联安装上了许多水管，水沿着这些水管由下向上流动同时吸收了炉膛中心火焰的辐射传热和高温烟气的对流传热，在压力的作用下进入汽包，经旋风分离器分离出饱和蒸汽，进入过热器继续加热成为过热蒸汽。给水系统的任务是保持汽包水位在允许的范围之内，在有扰动或虚假水位的情况也能够不超出安全范围，保证安全运行，保护炉膛和汽轮机设备。

热电生产过程中，汽包水位控制一直是控制领域的典型问题，为汽包提供充足合适的给水量是生产的一个重要环节，直接关系着企业安全、稳定、经济运行。

由于汽包水位控制具有大滞后、多变量、强耦合及非线性的特点，所以汽包水位控制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一，主要原因在于：

(1)影响汽包内水位波动的因素较多，主要有两点，分别是蒸汽负荷流量瞬间波动和给水量的瞬间波动；

(2)汽包水位控制受外界因素影响较大，工况复杂；

(3)汽包水位被控对象具有大延迟、大惯性的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，旨在解决现有技术存在的复杂工况下汽包水位难以控制，增加了热电生产中危险系数的问题。

本发明是这样实现的，通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法采用量化因子可调的模糊控制器来控制汽包内的水位；

选择汽包水位误差值e和水位误差变化ec作为主模糊控制器和二级模糊控制器的输入，e和ec语言变量分别是E，EC，其中二级模糊控制器的输出为权重α，主控制器的输出u推动执行机构动作，执行机构为进水调节阀；通过二级模糊控制器对汽包水位误差和误差变化的比重进行分析，得到权重α，权重值α的改变会改变主控制器的输入端汽包水位误差和误差变化的比重；从而增强误差E和误差变化EC在模糊控制规则中的适用性，因此用同样的模糊控制规则可以产生不同的控制效果。在面对汽包水位复杂工况的控制中，一张控制规则表很难对汽包水位全程进行很好的控制，所以在汽包水位不同的控制阶段通过改变量化因子，选择出更加适合此时工况的模糊控制规则对汽包水位进行控制。

选择主模糊控制器输入输出量的论域，隶属度函数，以及二级模糊控制器的论域，隶属度函数，二级模糊控制器根据输入误差和误差变化的大小比重调节自己的输出值α，而得到的α和(1-α)分别再与主模糊控制器的输入端的误差E和误差变化EC做乘法，从而直接影响主模糊控制器误差和误差变化的输入比重从而选择更好的输入动作驱动积水调节阀。结合汽包水位控制实际情况制定模糊规则表，两个个模糊控制器要两个模糊规则表，二级模糊控制器通过E和EC的大小调节权重值α，主模糊控制器通过加权后的误差和误差变化调节输出值驱动给水调节阀，从而进行量化因子可调的模糊控制器的设计。

进一步，该方法通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法还需要：

选择汽包水位作为被调节的量是控制信号，执行机构是给水调节阀；

选择各控制器输入输出量的论域，隶属度函数，并结合工程实践制定模糊规则表，进行量化因子可调的模糊控制器的设计。

进一步，模糊规则表中二级控制器选择的输入的论域是(-6，6)，七级语言变量分别为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}，选择梯形隶属度函数，输出论域范围是(0，1)，五级语言变量分别是{很大VB，较大B，中等M，较小S，很小VS}，选择三角形隶属度函数；主控制器的输入和输出的论域是(-3，3)，七级语言变量{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}隶属度函数从左至右分别是高斯型，三角形5个，高斯型，根据二级模糊控制器输出的α，求出主控制器的输出：

U＝αEο(1-α)ECοR_z     (1)

公式(1)中R_z是主模糊控制器的推理矩阵，E和EC分别是语言变量值，再对上式中的U通过最大隶属度法中的平均值法进行解模糊的运算，得到控制系统的输出u。公式如(2)所示。

$u=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_j}{n}---\left(2\right)$

进一步，量化因子公式如公式(3)所示：

K_e＝K_ec＝n/x     (3)

式中n代表模糊控制器的论域，即模糊论域，x代表的是汽包水位的范围，即物理论域，根据汽包水位波动的实际情况，正常水位变化通常在[-30，30]，是物理论域，选择主控制器的模糊论域为[-3，3]，则：

K_e＝3/30＝0.1     (4)

水位波动的误差变化的基本论域为[-60，60]，则误差变化的K_ec＝3/60＝0.05，运用两种模糊控制器：主模糊控制器和二级模糊控制器，二级模糊控制器通过分析水位误差和水位误差变化的大小，调节输入到主模糊控制器的水位误差和误差变化这二者的比重。

进一步，二级模糊控制器的输出α，取值范围是[0，1]，α值由公式(5)可求：

U＝e^*οR_A∩ec^*οR_b     (5)

e^*和ec^*分别是误差E和误差变化EC的模糊语言子集，R_A和R_B分别是与误差E和误差变化EC有关的模糊控制规则，ο为取大-取小运算，“ο”具体定义如下：

设两个模糊矩阵P＝(p_ij)_m×n和Q＝(q_jk)_n×l，他们的合成运算PοQ结果也是一个模糊矩阵R，则R＝(r_ik)_m×l。模糊矩阵R的第i行、第k列元素r_ik等于P矩阵的第i行元素与Q矩阵的第k列对应元素两两取小，而后再在所得到的j个元素中取大，即

r_ik＝∨(_pij∧_qjk)，(i＝1，2...，m；j＝1，2，...，l)     (6)

计算得到的U，再用最大隶属度法中的平均值法得出清晰化的值，最大隶属度平均值法就是在模糊论域上，有多个点都取了最大隶属度法，则取这些点的平均值作为模糊集合的代表点，清晰化后得到的值就是权重因子α值；

权重α与水位误差E相乘以及(1-α)与误差变化EC相乘，作为主控制器的输入，当α＝0.5时，水位误差E和误差变化E对输出的影响的权重相同，都为0.5，α偏离了0.5，则对输出U的影响不再相等：α＞0.5时，偏差E的权重大于误差变化EC的权重，α＜0.5时，则相反，在汽包水位误差以及误差变化的权重分配中，减小权重因子α时，则误差变化率的权重增大，系统的响应速度变慢；增大α时，系统的上升时间变短、超调量变大、调节时间变长。

本发明提供的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，根据热电厂汽包水位积水系统的实际运行情况，选取汽包水位误差以及误差变化作为模糊控制器的输入、给水调节阀作为控制输出。通过两个模糊控制器：主控制器和二级控制器，二级控制器主要通过分析汽包水位误差和误差变化的大小选择相应的权重，从而改变输出到主控制器的误差和误差变化的比例，比如当汽包水位误差E绝对值较大时，而误差变化EC较小，此时我们应该选择快速消除误差，所以应该使水位误差E的权重更大一些，而误差变化EC权重稍小一些，输入的朱模糊控制器，从而将使主控制器的选择更为精确的控制规则控制输出，驱动给水调节阀作出相应的动作。

本发明解决了汽包水位在复杂工况下的控制难点，根据汽包水位的误差E和误差变化EC的大小，选择权重大小，从而使控制主模糊控制器是快速消除误差还是快速消除误差变化，从而选择相对高效的控制规则，这种量化因子可变的模糊控制不仅加强了控制器的适应汽包水位各种复杂工况的能力，又拥有模糊控制控制精度高的特点，满足汽包水位的控制要求，可以保证热电厂给水系统稳定、安全、高效的运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的汽包水位变模糊量化因子控制器原理示意图；

图3是本发明实施例提供的主模糊控制器E和EC隶属度函数曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的主模糊控制器输出U的隶属度函数曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的主模糊控制规则表；

图6是本发明实施例提供的二级模糊控制器E和EC隶属度函数曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的二级模糊控制器输出α隶属度函数曲线示意图；

图8是本发明实施例提供的二级模糊控制器的模糊规则表；

图9是本发明实施例提供的二级模糊控制器E和EC的模糊集合隶属函数示意图；

图10是本发明实施例提供的加权因子α的模糊集合隶属函数示意图；

图11是本发明实施例提供的普通模糊控制器阶跃响应示意图；

图12是本发明实施例提供的变模糊量化因子控制器阶跃响应示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法包括以下步骤：

S101：选择汽包水位作为作被调节的量是控制信号，执行机构是给水调节阀；

S102：选择汽包水位误差值e和水位误差变化ec作为主模糊控制器和二级模糊控制器的输入，e和ec语言变量分别是E，EC，其中二级模糊控制器的输出为权重α，主控制器的输出推动执行机构动作，执行机构为进水调节阀；

S103：选择各控制器输入输出量的论域，隶属度函数，并结合工程实践制定模糊规则表，进行量化因子可调的模糊控制器的设计。

在步骤S101中，根据热电厂给水系统的工艺，选择通过调节给水调节阀的开度来调节汽包水位高低。

在步骤S102中，根据实际工况，汽包水位的水位偏差值和水位偏差变化能很好的描述汽包水位的变化趋势，给水调节阀的开度的大小决定了汽包水位的上升或者下降，量化因子公式如公式(1)所示：

K_e＝K_ec＝n/x     (1)

式中n代表模糊控制器的论域，即模糊论域，x代表的是汽包水位的范围，即物理论域，根据汽包水位波动的实际情况，正常水位变化通常在[-30，30]，是物理论域，选择主控制器的模糊论域为[-3，3]，则：

K_e＝3/30＝0.1     (2)

水位波动的误差变化的基本论域为[-60，60]，则误差变化的K_ec＝3/60＝0.05，其中运用两种模糊控制器：主模糊控制器和二级模糊控制器，二级模糊控制器通过分析水位误差和水位误差变化的大小，从而调节输入到主模糊控制器的水位误差和误差变化这二者的比重，选择相对更精确的模糊规则，使主控制器的输出做出更准确的数值来驱动给水调节阀动作；

量化因子K_e和K_ec相当于模糊控制的比例和微分作用的系数，对系统性能的影响如下：

K_e偏大时相当于误差的基本论域被缩小，即增大误差变化的控制作用，对于系统的动态性能较明显，系统的上升速度较快，上升时间将缩短，但是，此时系统的超调也会相应增大，过渡过程相应也会被延长，反之，K_e偏小时系统上升速率也相应变慢，但超调量也会相应减小，系统整体的调节惰性变大；

系统的稳态误差会随着K_e的增大而减小，随着K_e的减小而增大，K_ec越大对于系统状态变化的抑制作用就越大，而系统的稳定性也将随之增强；当K_ec较大时系统的响应速度会相应的减慢，上升时间延长，系统过渡过程时间也将相应延长，但是较大K_ec对于系统的超调量也有较好的抑制作用，反之，当K_ec较小时，系统的上升时间变短，速度变快，但K_ec过小，会使系统变得很不稳定，超调量过大，甚至振荡，同时响应时间会变得很长；

由此可见，根据系统不同的状态实时的调整量化因子，合理的利用K_e、K_ec对系统的影响，对提高控制器的整体控制性能具有重要的意义和作用。

在步骤S102中，二级模糊控制器的输出α，其取值范围是[0，1]，α值由下式(3)可求：

U＝e^*οR_A∩ec^*οR_b     (3)

e^*和ec^*分别是误差E和误差变化EC的模糊语言子集，R_A和R_B分别是与误差E和误差变化EC有关的模糊控制规则，ο为取大-取小运算，与矩阵乘法相似，只是把矩阵相乘中的“相乘”改为“取小”，“相加”改为“取大”，取交集就得到模糊控制量U，再用最大隶属度法中的平均值法(mom)得出清晰化的值，最大隶属度平均值法就是在模糊论域上，如果有多个点都取了最大隶属度法，则取这些点的平均值作为模糊集合的代表点，清晰化后得到的值就是权重因子α值；

权重α与水位误差E相乘以及(1-α)与误差变化EC相乘，作为主控制器的输入，由此可以看出，当α＝0.5时，水位误差E和误差变化E对输出的影响的权重相同，都为0.5，一旦α偏离了0.5，则对输出U的影响不再相等：α＞0.5时，偏差E的权重大于误差变化EC的权重，α＜0.5时，则正好相反，在汽包水位误差以及误差变化的权重分配中，减小权重因子α时，则误差变化率的权重增大，系统的响应速度变慢；增大α时，系统的上升时间变短、超调量变大、调节时间变长，所以只需更改α的大小，就可以改变控制器的模糊规则，相当于修改了模糊控制器的量化因子的作用，给汽包水位给水系统这样复杂工况的稳定运行带来许多方便，在不同的的工作状态下，水位误差和误差变化的权重应该有所不同，比如误差E大的时候，控制器的作用是快速消除误差的影响，这是应该取较大的α值，以加强偏差的权重，提高系统的响应速度，反之，水位误差小的时候，控制器的任务使系统尽快趋于稳定，应该减小权重因子，增大误差变化的权重，提高了系统高稳定性，所以，利用权重因子α的改变，就能使系统运行在高校稳定的状态下。

在步骤S103中，根据汽包水位给水系统的实际工况，确定水位误差、水位误差变化、两个模糊控制器的控制输出的论域语言变量以及隶属度函数、模糊规则，设计模糊控制器；

模糊语言词集基本上是5语言变量或者7语言变量等，7语言变量的为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}，5语言变量的是{很大VB，较大B，中等M，较小S，很小VS}，常用的隶属度函数有三角型，高斯型，梯形，吊钟型等，不同形状的隶属度函数有不同的特性，比如三角型的隶属度函数分辨率较高，而正态型隶属度函数分辨率较低，具体的模糊规则要根据实际工况进行制定，具体形式为If A_iand B_ithen C_i；

本发明制定的模糊规则表，观察及使用起来相对更加直观，简单，二级控制器选择的输入的论域是(-6，6)，七级语言变量分别为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}，选择梯形隶属度函数，输出论域范围是(0，1)，五级语言变量分别是{很大VB，较大B，中等M，较小S，很小VS}，选择三角形隶属度函数；主控制器的输入和输出的论域是(-3，3)，七级语言变量{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}隶属度函数从左至右分别是高斯型，三角形(5个)，高斯型，根据二级模糊控制器输出的α，求出主控制器的输出：

U＝αEο(1-α)ECοR_z     (4)

上式(4)中R_z是主模糊控制器的推理矩阵，E和EC分别是语言变量值，再对上式中的U进行解模糊的运算，就得到控制系统的输出u。

本发明的工作原理：

本发明通过一种量化因子可调的模糊控制器来控制汽包内的水位，首先通过二级模糊控制器对汽包水位误差和误差变化的比重进行分析，得到一个权重值，权重值会改变主控制器的汽包水位误差和误差变化大小，使主控制器选择更加精确的模糊规则控制输出，从而使汽包水位稳定在一个最佳的高度左右，从而保证给水系统的安全稳定的运行。

本发明的具体实施例：

量化因子可调的模糊控制器原理图如下图2所示，主控制器通过控制进水调节阀对汽包水位进行直接控制，而二级模糊控制器通过输出权重因子α，改变汽包水位偏差值和水位偏差变化的权重，进而改变水位偏差值和水位偏差变化在不同情况下的控制规则，因此同样的模糊规则可以产生不同的效果，相当于在线优化了模糊控制规则，由此间接的实现对模糊规则的调整，从而提高了模糊控制器的性能，因此同一套规则不变却实现了在线优化控制的目的。

主控制器的输入E、EC，输出U的隶属度函数均采用普通模糊控制的隶属度划分方式，设汽包水位的理想高度为h₀，在某一时刻的实际液位h，此时的水位误差为e＝h-h₀，定义这一误差的语言变量为E，论域范围是X＝为{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，语言值为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}，即分别对应表示汽包水位当前值相对于给定的理想值h₀：“极地”，“很低”，“偏低”，“正好”，“偏高”，“很高”，“极高”，若系统前后两次误差分别e₁和e₂，则其变化量为ec＝e₂-e₁，这一变化量的语言变量是EC，论域范围及对应语言值和E相同，相对应表示汽包水位当前值相对于理想值h₀为：“快速降低”，“降低”，“缓慢降低”，“不变”，“缓慢升高”，“升高”，“快速升高”，设汽包水位给水系统的输出控制量为u，语言变量为U，论域范围和语言值与E也相同，表示的控制动作为：“迅速开大给水调节阀”，“开大给水调节阀”，“缓慢开大给水调节阀”，“给水调节阀不动”，“缓慢关小给水调节阀”，“关小给水调节阀”，“迅速关小给水调节阀”，根据前面的语言变量，选定E，EC和控制输出U都是相同的隶属度函数，如图5、图6所示，模糊系统的基本控制规则是：当误差较大时，如果误差的变化也较快，则控制量应快速反应消除误差，如果误差变化不快，则控制量在消除误差同时应保证不产生较大误差变化；当误差较小时，除了要消除误差以外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调甚至震荡，所以，汽包水位的控制规则如下：If(e is NB)and(ec is NB)then(u is NB)，即汽包水位极地并且下降速度极快时应该迅速开大给水调节阀；If(e is NB)and(ec is Z)then(u is NM)，即汽包水位低且水位无变化时应该缓慢开大给水调节阀等等，类似于上面的控制规则共有49条，如图7的表格所示。

对于二级模糊控制器输入误差E和误差变化信号EC被划分为七个模糊子集，分别为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}，论域范围为(-6，6)，采用梯形隶属度，如图3所示，对于输出权重α为了保证它的精度，同时又能快速反应系统状态的变化，可采用精度较高的三角形隶属度函数，同时子集划分又不能过细，否则将会导致输出的波动，因此选择五级的模糊子集，即{很大VB，较大B，中等M，较小S，很小VS}，论域范围(0，1)，如图4所示，二级模糊控制器的控制规则的选取具有一定的统一性，具体概括为以下几点：

(1)当汽包水位的误差E的绝对值很大(NB或PB)，模糊控制器的主要任务是减小系统的误差，保持系统稳定，因此误差权重应该占据较大的比例，若同时考虑到汽包水位误差变化率EC的要求时，当EC较小时，误差E的权重可以选很大(VB)；若误差变化较快时，应该给误差变化留有一定的比例，此时汽包水位误差E的权重可选择较大(B)；

(2)当汽包水位误差E的绝对值中等(NM或PM)，如果误差变化又很快，此时虽然控制器主要任务仍然是减小系统误差，但是降低误差变化的速率一样显得很重要，因此误差E的权重可以选的相对小一些，即和EC平分权重；如果误差E变化不是很快，则应该相对突出误差E的权重，此时的权重α可采用较大(B)；

(3)当汽包水位误差E的绝对值较小(NS或PS)时，如果误差变化较快，则可以把权重偏向于误差变化EC而减小误差E的比例，此时的权重因子α可取较小(S)；而如果误差变化不太快，即系统较为稳定时，此时因子可取M，从而平衡误差E和误差变化EC二者对系统整体性能的影响；

(4)如果汽包水位误差E的绝对值为零(Z)，这时控制器的主要任务是处理EC对系统的影响，因此EC的权重应该占主导地位，也就是系统根据此时EC的具体情况判断因子α该采取的状态为中等(M)，较小(S)或者很小(VS)。

根据上述模糊规则，二级模糊控制器的模糊规则表如图8所示的表格，同时根据图3、图4中对隶属函数的划分，可得误差E和误差变化EC的模糊集合隶属函数如图9中的表所示，输出加权因子的模糊隶属函数如图10中的表格所示。

设某时刻汽包水位的误差的输入为-5，误差变化也为-5，那么根据误差E和误差变化EC的隶属度函数曲线可以看出，水位误差E属于负大(NB)的值为0.5455，属于负中(NM)的值为0.666，因为误差变化EC和误差的隶属度函数相同，所以得到水位误差和误差变化的模糊矩阵为公式(5)：

e^*＝ec^*＝[0.5455 0.666 0 0 0 0 0]     (5)

由关系模糊矩阵，查询二级模糊控制器的模糊规则表(图8所示)，得到四条适用的模糊规则，分别是：

(1)如果汽包水位极低(NB)并且水位快速降低(NB)，权重α要取较大(B)；

(2)如果汽包水位很低(NM)并且水位快速降低(NB)，权重α要取中等(M)；

(3)如果汽包水位很低(NM)并且水位降低(NM)，权重α要取较大(B)；

(4)如果汽包水位很低(NM)并且水位降低(NM)，权重α要取较大(B)；

用If-then语句表示如下所示：

If E is NB and EC is NB then α is B；

If E is NM and EC is NB then α is M；

If E is NB and EC is NM then α is B；

If E is NM and EC is NM then α is B；

由上述规则可适用的规则矩阵为：

$R_{A1}=E_{\mathrm{NB}}\×{\mathrm{\α}}_B=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0.5& 0.5& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0.5& 0.5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(6\right)$

公式(6)中，E_NB表示汽包水位极低的矢量值，即图9中第一行元素，α_B为权重系数较大矢量值，即图10中的第四行元素，用同样的方法可求R_A2，R_A3，R_A4，以及与EC有关的控制规则R_B1，R_B2，R_B3，R_B4；

此时，误差E和误差变化EC的总的控制规则为：

$R_A=R_{A1}\∪R_{A2}\∪R_{A3}\∪R_{A4}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0.5& 0.5& 0\\ 0& 0& 0.5& 0.5& 0.5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(7\right)$

$R_B=R_{B1}\∪R_{B2}\∪R_{B3}\∪R_{B4}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0.5& 0.5& 0.5& 0\\ 0& 0& 0& 0.5& 0.5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(8\right)$

由公式式(5)，(7)，(8)得：

U＝e^*οR_AIec^*οR_b＝[0 0 0.5 0.5 0.5 0]     (9)

对式(9)采用最大隶属度法解模糊，可得：

u^*＝(0.5+0.5+0.5)/3＝0.5     (10)

此时二级模糊控制器输出的是α值为0.5，即当汽包水位误差绝对值为NM或者PM而误差变化较快时，系统均等处理二者的权值，从而使被控对象既能消除误差又不会产生较大的超调量；

增加了量化因子可调的二级模糊控制器的控制器推理结构为：

U＝αEο(1-α)ECοR_z     (11)

其中，R_z是主模糊控制器的推理矩阵，0＜α＜1，再对公式(11)中的U进行解模糊运算，就得到控制系统的输出u，从而控制进水调节阀的开度，由公式(10)所示，当汽包水位误差E和误差变化EC二级模糊控制器都为-5时，则选择权重因子为0.5，因为主模糊控制器的输入端论域为(-3，3)，根据公式(1)可知，相同的输入时，此时主控制器输入为二级控制器的一半，则主控制器的输入E为：

E＝K_e×输入误差     (12)

输入误差根据E＝-5以及公式(1)，可知输入误差为：

输入误差＝-5/K_e＝-25     (13)

上式(13)里K_e是二级模糊的量化因子，因为主控制器误差量化因子为0.1，可得主控制器的水位输入误差E为-1.25，同理求出主控制器误差变化EC为-1.25，二者乘以相应的权重系数即是主模糊控制器的输入。本发明分别采用普通模糊控制器和量化因子可调的模糊控制器对汽包水位进行控制仿真，其阶跃响应信号效果图如图11、12所示，由两图比较可知，量化因子可调的模糊控制器比普通模糊控制器响应的快速性更好，超调量更小，并且达到稳定状态的时间要更加的短。

本发明不仅能充分利用模糊控制的鲁棒性强，调节时间短的特点，同时充分利用量化因子对控制效果的影响，改变主模糊控制器的输入权重，用同样的模糊控制规则可以产生不同的效果，即在线优化了模糊控制规则，不仅加强了模糊控制器对汽包水位各种复杂工况适用性，同时也提高了汽包水位的控制精度，对热电厂给水系统的安全运行具有重大的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在于，通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法采用量化因子可调的模糊控制器来控制汽包内的水位；

选择汽包水位误差值e和水位误差变化ec作为主模糊控制器和二级模糊控制器的输入，e和ec语言变量分别是E，EC，二级模糊控制器的输出为权重α，主控制器的输出u推动执行机构动作，执行机构为进水调节阀；通过二级模糊控制器对汽包水位误差和误差变化的比重进行分析，得到权重α，权重值α的改变会改变主控制器的输入端汽包水位误差和误差变化的比重；

二级模糊控制器根据输入误差和误差变化的大小比重调节自己的输出值α，得到α和(1-α)分别再与主模糊控制器的输入端的误差E和误差变化EC做乘法，结合汽包水位控制实际情况制定模糊规则表，两个模糊控制器要两个模糊规则表，二级模糊控制器通过E和EC的大小调节权重值α，主模糊控制器通过加权后的误差和误差变化调节输出值驱动给水调节阀，进行量化因子可调的模糊控制器的设计。

2.如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在于，该通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法还需要：

选择汽包水位作为被调节的量是控制信号，执行机构是给水调节阀。

3.如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在于，模糊规则表中二级控制器选择的输入的论域是(-6，6)，七级语言变量分别为{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PS}，选择梯形隶属度函数，输出论域范围是(0，1)，五级语言变量分别是{很大VB，较大B，中等M，较小S，很小VS}，选择三角形隶属度函数；主控制器的输入和输出的论域是(-3，3)，七级语言变量{负大NB，负中NM，负小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}隶属度函数从左至右分别是高斯型，三角形5个，高斯型，根据二级模糊控制器输出的α，求出主控制器的输出：

U＝αEο(1-α)ECοR_z   (1)

公式(1)中R_z是主模糊控制器的推理矩阵，E和EC分别是语言变量值，再对上式中的U进行解模糊的运算，得到控制系统的输出u。

4.如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在于，量化因子公式如公式(2)所示：

K_e＝K_ec＝n/x   (2)

式中n代表模糊控制器的论域，即模糊论域，x代表的是汽包水位的范围，即物理论域，根据汽包水位波动的实际情况，正常水位变化通常在[-30，30]，是物理论域，选择主控制器的模糊论域为[-3，3]，则：

K_e＝3/30＝0.1   (3)

水位波动的误差变化的基本论域为[-60，60]，则误差变化的K_ec＝3/60＝0.05，运用两种模糊控制器：主模糊控制器和二级模糊控制器，二级模糊控制器通过分析水位误差和水位误差变化的大小，调节输入到主模糊控制器的水位误差和误差变化这二者的比重。

5.如权利要求1所述的通过变模糊量化因子控制热电厂汽包水位的方法，其特征在于，二级模糊控制器的输出α，取值范围是[0，1]，α值由公式(4)求：

u^*＝e^*οR_A∩ec^*οR_B   (4)

e^*和ec^*分别是误差E和误差变化EC的模糊语言子集，R_A和R_B分别是与误差E和误差变化EC有关的模糊控制规则，“ο”为取大-取小运算，“ο”具体定义如下：

设两个模糊矩阵P＝(p_ij)_m×n和Q＝(q_jk)_n×1，合成运算PοQ结果也是一个模糊矩阵R，则R＝(r_ik)_m×1，模糊矩阵R的第i行、第k列元素r_ik等于P矩阵的第i行元素与Q矩阵的第k列对应元素两两取小，而后再在所得到的j个元素中取大，即

r_ik＝∨(p_ij∧q_jk)，(i＝1，2...，m；j＝1，2，...，l)   (5)

通过式(3)运算得到模糊控制量u^*，再用最大隶属度法中的平均值法得出清晰化的值，最大隶属度平均值法就是在模糊论域上，有多个点都取了最大隶属度值，则取这些点的平均值作为模糊集合的代表点，清晰化后得到的值就是权重因子α值，权重α与水位误差E相乘以及(1-α)与误差变化EC相乘，作为主控制器的输入，当α＝0.5时，水位误差E和误差变化E对输出的影响的权重相同，都为0.5，α偏离了0.5，则对输出U的影响不再相等：α＞0.5时，偏差E的权重大于误差变化EC的权重，α＜0.5时，则相反，在汽包水位误差以及误差变化的权重分配中，减小权重因子α时，则误差变化率的权重增大，系统的响应速度变慢；增大α时，系统的上升时间变短、超调量变大、调节时间变长。