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通信和信号处理国际会议 2016年4月6-8日，印度
基于模糊理论的锅炉温度和水位控制自动化
Abdur Rohman, Bitopan Kakati, Riddhiman Saikia, Jamini Das, Amarjyoti Goswami, Anilesh Dey
摘要 - 本文分析了使用模糊理论维持锅炉恒温的可行性。 锅炉是火力发电厂的重要组成部分，用于加热水以产生蒸汽。 过热可能会导致锅炉损坏。因此，保持锅炉恒温是一项至关重要的任务。在本文中，我们已经预见到一种使用模糊逻辑将锅炉温度维持在最佳点的方法。 温度和水是锅炉的两个重要约束，因此作为模糊逻辑控制器的两个输入。 基于这两个参数的值，生成输出以限制温度。 如果在指定的时间内不能限制温度，则关闭锅炉直至达到某个指定的温度。
关键字 - 燃烧器和活塞控制，模糊推理系统，If-then规则，非线性和干扰。
- 介绍
在发电厂中，当锅炉中产生蒸汽时，非常有必要控制锅炉的温度，使其效率[1-3]和安全性不受温度升高的影响。随着锅炉过热器的温度达到最高工作温度，将温度限制在
Abdur Rohman在阿萨姆卡齐兰加大学电气工程系，Jorhat，Assam，785006（电子邮件：abdur.rohman@kazirangauniversity.in）
Bitopan Kakati是机械工程系，阿萨姆卡齐兰加大学，Jorhat，Assam，785006（电子邮件：kakati.bitopan@gmail.com）
Riddhiman Saikia是机械工程系，阿萨姆卡齐兰加大学，Jorhat，Assam，785006（电子邮件：saikia.riddhiman@gmail.com）
Jamini Das是电气工程系，阿萨姆卡齐兰加大学，Jorhat，Assam，785006（电子邮件：jaminidas.ee.2016@gmail.com）
Amarjyoti Goswami博士是电子与通信工程系，阿萨姆卡齐兰加大学，Jorhat，Assam，785006（电子邮件：amarjyoti@kazirangauniversity.in）
Anilesh Dey博士是电子与通信工程系，阿萨姆卡齐兰加大学，Jorhat，Assam，785006（电子邮件：anilesh.dey@gmail.com）
978-1-5090-0396-9/16/$31.00 copy;2016 IEEE
稳定的速度非常重要。温度不应该很低[4]，因为它会降低植物的效率。 蒸汽温度是发电厂锅炉中最具挑战性的控制回路之一，因为它具有高度非线性并且具有较长的死区时间和时滞[5]。 除此之外，蒸汽温度还受到锅炉负荷，锅炉负荷变化率，空气流量，燃烧器[6]在使用中的组合以及锅炉管上的烟灰量的影响。 使用自动控制器要方便得多，因为劳动密集型控制器有时非常耗时。 自动控制器可以在一定的温度范围内工作。 例如，当温度超过温度上限时，它将通过关闭锅炉自动降低温度，当温度达到下限[7-9]时，它会自动升高温度。
如在发电厂中所见，传统控制系统使用PID控制器。这些PID控制器具有滞后和大惯性[5-7]，因此控制温度变得具有挑战性。因此，由于非线性，变化和干扰[7]，我们无法使用PID控制器获得满意的结果。在控制非线性和可变过程[9-13]时，必须不断调整控制器参数。
在本文中，我们探讨了使用模糊逻辑实现电厂锅炉过热保护的可能性。为了实现这种设计，采用温度传感器，水位传感器，用于打开和关闭阀门的DC电动机，LCD装置。已经有很多方法。使我们的方法与众不同的唯一因素是使用计时器来设定锅炉达到最佳温度的时间限制。本文的主要目的是在性质是非线性和可变的时候控制锅炉的温度。因此，设计非线性控制器是至关重要的，该控制器在其针对不同操作条件的性能方面是稳健的。
为了说明所述目标，本文概述为6个部分，其中第II部分介绍了方法论，优点见第III部分。第四部分概述了所提出的方法的实验结果。第五节概述了结论性意见。
- 方法
A.温度控制的必要性
锅炉是一个封闭的容器，其中水被加热。如果水没有蒸发，锅炉被称为炉子。能源是燃料，例如木材，煤，石油或天然气。然后将加热或蒸发的水用于各种目的。转化后的蒸汽膨胀比其初始体积大得多，并且还以非常高的流速行进[15]。因此，蒸汽是一种非常有效的能量转移方式。但是，如果没有温度和水位控制等安全措施，它可能导致侵蚀或结垢，最终导致锅炉失效[16]。
锅炉在经济方面的失败包括降低性能和降低出口处的蒸汽质量。但也存在灾难性的锅炉故障的破坏性影响，包括工业的巨额成本甚至工人的死亡。破裂的锅炉会导致加压蒸汽爆发，如果喷洒在工人身上会对他们造成致命伤害。
因此，需要适当控制锅炉中的温度和压力（或水位）。然而，最有效的控制只能通过使用自动控制而不是手动控制来实现。这是我们提出的模糊逻辑系统投入使用的地方。
B.Proposed模糊推理系统
由于锅炉中的温度和水在“0”到最大值之间变化，因此，为了控制这两个参数，需要一个能够提供中间状态的系统，此后模糊逻辑被认为是最合适的实践，因为它可以提供所有的#39;0#39;和#39;1#39;之间的过渡状态。使用MATLAB和Simulink使用Mamdani模糊控制模型的系统如下图所示（图1）。
图1.提出的模糊推理系统
为了实现理想的工作，我们考虑了三个输入，标题如下：
bull;温度
bull;水位
bull;时间
温度取自位于锅炉内部的温度传感器，水位由位于锅炉内部的液位传感器提供，计时器用于检测高温保留在系统中的时间。
对于模糊逻辑技术的实现，输入被分成它们的隶属值。
例如，如果温度最高，则温度的隶属度值被指定为“1”，如果温度最低，则成员资格值将为“0”，类似地，对于中间温度，成员资格将位于“0”和#39;1#39;。
第一个输入分为三个隶属函数，如下（图2）
- 低
- 中
- 高
图2.输入成员函数温度
mf（成员函数）#39;低#39;在#39;0#39;点分配，这意味着温度最低。 位于中心位置的mf#39;中#39;具有50％的隶属度值，表示锅炉内的温度中等。 类似地，对于最高温度，mf“高”被赋予最高的成员值。
对于第二个输入，隶属函数细分如下（图3）
-
- 低
- 中
- 高
图3.水位输入成员函数
在这种情况下，给出最低隶属度值“0”的mf“LOW”表示锅炉内的最低水位。 成员值为0.5（50％）的mf#39;MEDIUM#39;指定中等水位，具有最高成员值的最后mf#39;HIGH#39;表示锅炉内的最高水位。
第三个输入TIME具有单个隶属函数，显示当温度变得非常高时计时器计数的最大时间（图4）。
图4.时间的输入成员函数
现在，为了获得保持锅炉处于安全和运行状态的最佳动作，定义了三个输出：
-
-
- 燃烧器
- 活塞
- 系统闭阀
-
第一个输出控制负责产生蒸汽的燃烧器。 根据锅炉的温度，系统将决定燃烧器火焰需要多少。 燃烧器火焰分为三个隶属函数，如（图5）
-
-
- 关
- 中
- 高
-
图5. 燃烧器的输出成员函数
在上图中，mf#39;关#39;具有最低的隶属值#39;0#39;，表示当温度非常高时燃烧器的关位置。mf#39;中#39;被放置在中心位置并且给出50％的隶属度值以描绘燃烧器火焰的中间水平，并且最后mf#39;高#39;被赋予最高的成员值以显示锅炉中的最大火焰。
第二个输出阀门负责向锅炉供水。 它还分为三个隶属函数，如图6所示：
- 关
- 中
- 全开
图6. 活塞的输出成员函数
第一个mf#39;关#39;给出最低的隶属度值（即0）并描述阀的OFF状态。 阀门通过直流电机运行。 第二个mf#39;中#39;给出50％的隶属度值，描述阀门的部分“ON”位置和流过阀门的适量水。 同样，隶属函数#39;全开#39;被赋予最高隶属度值并描绘通过阀门的最大水流量。
第三个输出是系统闭阀，给出一个隶属度值，如下图所示（图7）
图7. 系统闭阀的输出成员函数
此输出仅在锅炉内的温度非常高且不受限制时起作用。
控制温度的控制程序是通过在输入和输出隶属函数之间定义一组规则来获得的，这些规则在下面描述（图8）。 定义每个组合将有10套规则。
图8.控制锅炉温度的If-then规则
A.建议的控制系统
在我们提出的模糊逻辑控制系统中，温度，水位和时间是三个输入。 两个输出是阀门和燃烧器。 我们需要将水的温度和水位保持在一定的最佳范围，以确保防止锅炉故障。 温度和水位由连接到微控制器的传感器计算。
在给出的流程图中，第一列是输入（温度，时间和水位），第二列是输入条件（高，中或低），第三列是输出设置（高，低和关） 给阀门或燃烧器。 第二列中的节点定义输入条件的各种组合，并且节点的相应水平线导致其输出设置。如图所示是我们所举的一些例子：
-
- 如果温度和水位都设置为HIGH，则燃烧器和阀门都设置为OFF。
- 如果温度中等且水位低，则燃烧器设置为低，阀门设置为HIGH，因为我们需要更多蒸汽。
- 如果温度低且水位高，则燃烧器为高电平且阀门关闭。
另外，在两个输入都设置为HIGH的情况下出现特殊情况。锅炉有可能发生故障。如果在一定时间内未达到最佳状态，即使两个输出都切换为OFF，整个系统也会关闭。
因此，模糊逻辑系统总共有10种可能的输出。
图9.建议的控制系统的表示
- 优点
虽然PID控制器因其简单性和可行性而被广泛使用，但它是最基本的控制系统。 因此，当执行任务需要复杂的过程时，它们的使用受到限制。 此外，PID控制器仅能够测量变化的输入并计算它们之间的差异。 如果估计的差异不太精确，则输出校正不准确。
相比之下，即使估计的差异不太精确，模糊逻辑系统在检测干扰时也更准确。 此外，模糊逻辑的响应比其他传统系统更快，更稳健。 复杂的过程也很容易通过模糊逻辑来处理。 模糊逻辑系统不需要快速处理器来操作。
- 结果与讨论
图10（a）. 相对于燃烧器，温度和水位之间的表面
图10（a）显示了相对于燃烧器的温度和水位之间的表面。 （0,1,0）点表示当温度高且水位为零时，需要降低燃烧器火焰以冷却温度。 点（0,0,1）表示温度和水位都很低，因此我们需要增加燃烧器火焰。 点（1,0,1）表示当水位高且锅炉温度低时，我们肯定需要增加燃烧器火焰以增加温度。 再次（1,1,0）表明，如果温度和水位都很高，那么我们需要降低燃烧器温度。 该表面的等式将是：
F(x, y) = p00 p10*x p01*y p20*x^2 p11*x*y p02*y^2 p30*x^3 p21*x^2*y p12*x*y^2 p03*y^3 (1)
系数（95％置信区间）：
p00 = 0.9115 (0.8781, 0.945)
p10 = -1.809 (-1.988, -1.631)
p01 = -0.03168 (-0.21, 0.1467)
p20 = 2.959 (2.603, 3.314)
p11 = 0.06336 (-0.2158, 0.3426)
p02 = 0.03168 (-0.3241, 0.3875)
p30 = -1.972 (-2.197, -1.748)
p21 = -5.807e-016 (-0.1938, 0.1938)
p12 = -0.06336 (-0.2572, 0.1305)
p03 = 2.013e-015 (-0.2247, 0.2247)
图10（b）显示了温度和水位之间相对于阀门的表面。 （1,0,0）表示当温度低且水位高时，需要关闭阀门。 （1,1,0）也表示当温度和水位都很高时阀门应该关闭。图10（b）. 相对于阀门，温度和水位之间的表面
同样的，（0,0,1）表明，当锅炉中的水量较少时，需要打开阀门以获得有效的性能。 点（0,1,1）表示当温度较高时阀门应打开，但水位低，以降低温度。 这个表面的等式将是：
F(x, y) = p00 p10*x p01*y p20*x^2 p11*x*y p02*y^2 p30*x^3 p21*x^2*y p12*x*y^2 p03*y^3 p40*x^4 p31*x^3*y p22*x^2*y^2 p13*x*y^3 p04*y^4 p50*x^5 p41*x^4*y p32*x^3*y^2 p23*x^2*y^3 p14*x*y^4 p05*y^5 (2)
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