鍋爐水位模糊控制仿真與研究電氣自動化專業(yè)

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1、鍋爐水位模糊控制仿真與研究 摘要：鍋爐屬于我國工業(yè)生產(chǎn)與生活上應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的生活設(shè)備之一。其中，鍋爐的水位控制環(huán)節(jié)是鍋爐控制系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。保證鍋爐的水位是否處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范疇之內(nèi)，對于鍋爐是否能持續(xù)的安全可靠的工作是一個(gè)關(guān)鍵保障。也是對鍋爐能不能夠正常生產(chǎn)工作的一個(gè)重要考察。鍋爐的汽包水位系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性，時(shí)變大，強(qiáng)耦合，多哥變量等一些復(fù)雜特性。在構(gòu)建鍋爐汽包的水位調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊控制理論來設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。應(yīng)用模糊控制來控制鍋爐水位。同時(shí)，介紹了控制器的構(gòu)建和仿真分析。MATLAB上位機(jī)用于水位控制系統(tǒng)的仿真。模糊控制算法與傳統(tǒng)方法的結(jié)果顯示，

2、模糊控制器明顯的改善了鍋爐水位控制系統(tǒng)特性。所以，完成了鍋爐汽包水位的最優(yōu)實(shí)時(shí)控制。 基于模糊控制的應(yīng)用，本課題設(shè)計(jì)了一種模糊控制器。同水平PID控制器與單級PID控制器比較，狀態(tài)水平控制器由于具有較小的超調(diào)量，較短的建立時(shí)間等特點(diǎn)。更加適用于鍋爐液位控制。工業(yè)鍋爐的汽包水位控制是鍋爐控制系統(tǒng)中主要技術(shù)指標(biāo)之一。由于假水位現(xiàn)象（FWL），根據(jù)人工調(diào)整中的人為思維過程，引入了三個(gè)測量信號，即鼓水位，供水流量和蒸汽流量，并采用模糊控制算法計(jì)算 控制體積，構(gòu)成前向級聯(lián)三脈沖模糊控制系統(tǒng)?；贛A TLAB的建模和仿真結(jié)果表明，該算法比傳統(tǒng)PID控制具有更好的效果。 關(guān)鍵詞：鍋爐水位，模糊控制，M

3、ATLAB仿真 Abstract Boiler is the most extensive and largest number of thermal equipment in industrial production and life in China. In the boiler control, the boiler water level control system is the most important link. Maintaining the boiler water level within the speci

4、fied range is a necessary condition for ensuring the safe production and operation of the boiler, and is also one of the main indicators for the normal production and operation of the boiler. The water level of the boiler drum has nonlinear, time-varying, strong coupling, multi-variable and other co

5、mplex characteristics. On the basis of establishing the mathematical model of boiler drum water level adjustment, the fuzzy control theory is used to design the boiler drum water level control system, and the fuzzy control is used to control the drum water level. At the same time, the design and sim

6、ulation analysis of the controller are described. MATLAB software is used for verification and simulation of water level control systems. The comparison between the fuzzy control method and the traditional method shows that compared with the PID control, the fuzzy control significantly improves the

7、static and dynamic characteristics of the drum water level control system. Therefore, the optimal real-time control of the water level of the boiler drum is achieved. Based on the application of fuzzy theory, this paper designs a state-level fuzzy controller for marine steam power system. Compared

8、with the horizontal PID controller and the single-stage cascade PID level controller, the state level controller is more suitable for the marine booster boiler liquid level control due to its smaller overshoot and shorter settling time. Industrial boiler drum water level control is one of the main t

9、echnical indicators of the boiler control system. Due to the false water level phenomenon (FWL), according to the artificial thinking process in the manual adjustment, three measurement signals, namely the drum water level, the water supply flow rate and the steam flow rate, are introduced, and the

10、control volume is calculated by the fuzzy control algorithm to form the forward cascade three pulses. Fuzzy control system. The modeling and simulation results based on MA TLAB show that the algorithm has better effect than traditional PID control. Keywords: Boiler water level, fuzzy control, MATLA

11、B simulation 目錄 1緒論 4 1.1 研究背景及意義 4 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 1.3本文安排 6 第2章 鍋爐水位控制系統(tǒng)介紹 7 2.1 鍋爐系統(tǒng)的組成 7 2.2 傳統(tǒng)控制方法 8 2.3 現(xiàn)代控制方法 8 3.模糊控制器設(shè)計(jì) 9 3.1 鍋爐水位模糊控制原理 10 3.2 建立模糊關(guān)系 10 3.3 狀態(tài)點(diǎn)的設(shè)定 12 4.仿真分析 13 4.1 MATLAB軟件平臺介紹 13 4.2 動態(tài)數(shù)學(xué)模型建立 14 4.3 汽包

12、水位數(shù)學(xué)模型 15 4.4 水?dāng)_動實(shí)驗(yàn) 17 5.總結(jié) 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 1緒論 1.1 研究背景及意義 鍋爐工業(yè)是我國的傳統(tǒng)大型的行業(yè)之一。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，以科技力量作為后盾的中國在鍋爐方面的發(fā)展也從未間斷。而且由于綠色環(huán)保觀念的深入人心，資源短缺，環(huán)境惡劣等等方面的要求，新型鍋爐的開發(fā)和研究迫在眉睫，這個(gè)項(xiàng)目也正式成為我國研究的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。但因?yàn)槟壳拔覈墓I(yè)鍋爐行業(yè)與企業(yè)都面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。工業(yè)鍋爐的制造公司是市場競爭的主體，應(yīng)當(dāng)對自身所處的外部機(jī)遇與自己待遇的內(nèi)部條件有清醒的認(rèn)識。清楚自己的市場位置，而且從戰(zhàn)略的

13、角度加以管理，明白該做的與不該做的。必須保證市場的導(dǎo)向戰(zhàn)略，牢牢依靠科技的進(jìn)步，立足于的科技創(chuàng)新。在國家的能源與環(huán)保政策的指引下，整合企業(yè)的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)抓住機(jī)遇，創(chuàng)造出適銷對路而且具有自身特色的高及產(chǎn)品來激勵企業(yè)的發(fā)展。并保持強(qiáng)勁的可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)后勁，這樣才能在激烈的市場競爭中占有一席之地。 工業(yè)鍋爐商品市場發(fā)展，不但受我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與投資規(guī)模等因素的影響外，不斷受到能源地政策與節(jié)能、環(huán)保及要求的約束。隨著高性能商品的普及與產(chǎn)品質(zhì)量的增加，國內(nèi)之前的工業(yè)鍋爐必須不斷的更新。隨著能源的供應(yīng)結(jié)構(gòu)變化與節(jié)能環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，天然氣的開發(fā)應(yīng)用與高速發(fā)展會給工業(yè)鍋爐的發(fā)展帶來機(jī)

14、遇。小型的燃煤工業(yè)鍋爐會退出中心的城區(qū)，鍋爐行業(yè)需要抓住這一機(jī)遇。利用清潔的燃料與潔凈燃燒技術(shù)的高效、低能、少污染工業(yè)鍋爐會是工業(yè)鍋爐商品發(fā)展的潮流。然后向更加高端的商品市場前進(jìn)。因此說環(huán)保、節(jié)能、高效的鍋爐商品是我國的工業(yè)鍋爐將來發(fā)展的方向。 鼓水位作為影響鍋爐安全工作的重要參數(shù)，由于水位較低和較高可能導(dǎo)致重大的事故。所以，鍋爐的水位控制研究很必要。PID控制一般用作水平的控制方法，它帶有直觀，簡單，強(qiáng)的魯棒性特點(diǎn)。這種方法的前提是獲得數(shù)學(xué)模型，而鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的物體，它是非線性的，多變量調(diào)節(jié)，大滯后和強(qiáng)干擾，并且存在多個(gè)變量的耦合，很難建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型。因此很難實(shí)現(xiàn)所需的控制效果只需應(yīng)用

15、PID控制，并且它不適用于滾筒液位控制中的假水位現(xiàn)象。至實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，需要在PID控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 18世紀(jì)以來，工業(yè)鍋爐發(fā)展迅速，從1698年第一臺蒸汽提水機(jī)和1829年第一輛蒸汽機(jī)車的相繼問世。因?yàn)槲覈z留的歷史問題，國內(nèi)的工業(yè)發(fā)展較國外發(fā)達(dá)國家的工業(yè)發(fā)展較為落后。從1982年我國出現(xiàn)第一臺鍋爐到我國成為當(dāng)今鍋爐生產(chǎn)與使用最多的國家。最初直接依靠進(jìn)口，發(fā)展到自主研發(fā)生產(chǎn)，從這方面來說我國的工業(yè)鍋爐已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。然而，與國外鍋爐市場相比較，我國的工業(yè)鍋爐類別單一，仍舊以燃煤鍋爐為主。熱效率低，能耗大，自動化程度低、環(huán)保不達(dá)標(biāo)等狀況。而且我國現(xiàn)有

16、的鍋爐企業(yè)制造商有1000余家，廠點(diǎn)太多，產(chǎn)品雷同度大。大數(shù)多沒有完成規(guī)模發(fā)展。在我國加入WTO后，在我國申請制造許可的國外企業(yè)更是在以驚人的速度崛起。入關(guān)后的低稅率關(guān)稅讓國外的鍋爐大量進(jìn)入我國，我國的鍋爐行業(yè)帶有著巨大的競爭壓力。再加上經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造國路原材料價(jià)格上漲，企業(yè)競爭激烈，這些鍋爐企業(yè)的成本壓力越來越大，甚至出現(xiàn)了增產(chǎn)不增收的現(xiàn)象。這就更加要求了我國鍋爐行業(yè)要有自主設(shè)計(jì)能力，才能在國際市場中占據(jù)一席之地。 蒸汽發(fā)生器作為壓水堆核電站的必要設(shè)備之一。為確保核電廠在運(yùn)行期間的安全;蒸汽發(fā)生器的水位一定要控制在必要范圍內(nèi)。在核電站運(yùn)行時(shí)，伴隨蒸汽流量和水流量的變化。蒸汽發(fā)生器里的沸騰

17、氣泡量可以由局部壓力于溫度變化來產(chǎn)生變化，短時(shí)間水位出現(xiàn)“假水位”的現(xiàn)象?！凹偎弧钡拇嬖谑沟秒y以控制水位。在傳統(tǒng)的單回路PID控制中引入前饋控制可以在一定程度上克服“假水位”現(xiàn)象。 Om Prakash 提出了從模糊PI推導(dǎo)出模糊PID控制策略，Weeka Meshram等人做了進(jìn)一步的研究。 AMProkhorenkov，ASSovlukov等將模糊控制策略應(yīng)用于鍋爐集中控制系統(tǒng)中。同其他的控制策略規(guī)則比較，模糊控制算法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，容易實(shí)現(xiàn)，控制性能更好。許多學(xué)者為模糊水位控制做出了貢獻(xiàn)。例如，為了解決PID控制參數(shù)不能適應(yīng)誤差變化的問題，陳琳等根據(jù)水位PID參數(shù)在過程PID控制器

18、的實(shí)際運(yùn)行中制作誤差范圍。王明章用模糊控制器調(diào)整PID控制參數(shù)，并通過PID控制器控制仿真比較結(jié)果，列出了完成硬件模糊控制的方法。張永生設(shè)計(jì)了一種人形結(jié)合邏輯電平控制策略，此控制策略利用人工邏輯特征的PID與模糊控制，由PID與模糊控制信道構(gòu)成的控制方法。 1.3本文安排 這些課題主要集中在電站的鍋爐汽包水位控制，而非海上的增壓鍋爐汽包水位控制。同電廠蒸汽動力系統(tǒng)相比，船用蒸汽系統(tǒng)根據(jù)船舶運(yùn)行條件的要求頻繁改變工況，負(fù)載對汽包水平的干擾是不確定的。汽包水平的變化具有較大的非線性，負(fù)載擾動 ，不確定的時(shí)滯與其他特征。 本文從電站鍋爐的研究出發(fā)，構(gòu)建了一種對小型船用的鍋爐汽包水平模糊控制器。

19、 第一章 本章節(jié)介紹了本文所研究課題的研究意義，并且調(diào)研了鍋爐水位控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第二章 本章節(jié)對本文的被控對象進(jìn)行了描述，并詳細(xì)介紹了鍋爐系統(tǒng)的組成。 第三章 本章節(jié)搭建了模糊控制器。 第四章 本章節(jié)對搭建的系統(tǒng)在MATLAB軟件平臺上進(jìn)行了仿真分析。 第五章 本章節(jié)對本文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，并針對本文的不足提出了改進(jìn)的方向。 第2章 鍋爐水位控制系統(tǒng)介紹 2.1 鍋爐系統(tǒng)的組成 鍋爐水位系統(tǒng)主要是鍋爐內(nèi)膽、液位傳感器、變送器、控制器、各種閥門及相關(guān)的管道組成。將液位測量信號當(dāng)成控制信

20、號，通過變送器至水位控制器，再根據(jù)測量值和設(shè)定值的偏差與偏差變化率對控制給水調(diào)節(jié)閥的閉合。從而改變給水量，以此來保證水位位置在設(shè)計(jì)定的誤差范圍內(nèi)。鍋爐工作系統(tǒng)的示意圖如下圖1-1所示。 圖2.1 鍋爐系統(tǒng)工作示意圖 2.2 傳統(tǒng)控制方法 傳統(tǒng)的PID算法在蒸汽發(fā)生器的水位控制過程中含有一些不足。對于帶有高度復(fù)雜度，大時(shí)延與非線性的時(shí)變特性蒸汽發(fā)生器。PID參數(shù)調(diào)節(jié)是一項(xiàng)繁瑣的工作，控制效果較差。而且，為了在條件改變時(shí)完成良好的控制效果，一般需要調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)。模糊控制作位一種基于模糊推理的非線性控制方法，它利用模糊語言實(shí)現(xiàn)熟練操縱人的操作經(jīng)驗(yàn)與常識推理規(guī)則。模糊控制不需要知

21、道控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，對工藝參數(shù)的變化不敏感。帶有很強(qiáng)的魯棒性，能夠克服非線性因素。因此，模糊控制具有更快的響應(yīng)和更小的超音調(diào)，可以得到更好的控制效果。從以上認(rèn)識，本課題構(gòu)建了一種蒸汽發(fā)生器的水位模糊控制器。仿真結(jié)果顯示該控制器具有良好的控制效果和實(shí)用價(jià)值。 2.3 現(xiàn)代控制方法 1965年，美國的L.A.Zadeh提出了模糊集合論；1973年加深研究了模糊語言處理，此類理論成果給模糊控制理論帶來了數(shù)學(xué)依據(jù)。給模糊推理提供了理論基礎(chǔ)。使得有人的經(jīng)驗(yàn)參與的控制過程成為了實(shí)際可能。1974年，英國倫敦大學(xué)教授馬丹（E．H．MamdanU)制造出當(dāng)時(shí)世界上第一個(gè)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制的模糊控制

22、器，這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生[1]。它是控制理論發(fā)展的高級階段的產(chǎn)物，模糊控制一般是用來處理一些復(fù)雜的系統(tǒng)、難以完成實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)。 3.模糊控制器設(shè)計(jì) 在鍋爐工作期間，水位為一個(gè)十分重要的參數(shù)。如果水位非常高，導(dǎo)致它對蒸汽水的分離帶來影響，那么使用設(shè)備故障將導(dǎo)致蒸汽。若水位太低，將破壞蒸汽水的循環(huán)，這將會導(dǎo)致嚴(yán)重的鍋爐爆炸。同時(shí)，高績效的鍋爐的尺寸相對較小時(shí)，鍋爐產(chǎn)生很大的蒸汽流量，因此控制鍋爐的水位非常重要。鍋爐水位自動控制的任務(wù)是控制供水流量，與蒸發(fā)流量保持平衡，進(jìn)一步保持滾筒水位變化在允許

23、范圍內(nèi)。通過示例模擬，本文已經(jīng)確認(rèn)了性能與傳統(tǒng)的PID控制相比，模糊控制具有明顯的優(yōu)勢。 3.1 鍋爐水位模糊控制原理 鍋爐的水位模糊控制器是模糊量化、模糊推理、模糊規(guī)則與反模糊化接口4個(gè)模塊組成。多個(gè)水位傳感器的距離信息計(jì)算后得到實(shí)時(shí)水位。判斷鍋爐液位控制效果的優(yōu)劣，最重要的指標(biāo)是控制系統(tǒng)不同時(shí)刻輸出與設(shè)定水位之間的偏差及其變化率；因此，針對液位控制對象，選擇誤差e及其變化率de作為模糊控制器的2個(gè)輸入信號，給水閥門的開度控制量u作為輸出，構(gòu)成如圖2-2所示的水位模糊控制系統(tǒng)。 圖 3-1 水位模糊控制原理圖 在該系統(tǒng)構(gòu)建中,選用維數(shù)較高的模糊控制器,控制效果較好。但維數(shù)較高的模

24、糊控制器設(shè)計(jì)起來相當(dāng)復(fù)雜與困難。 3.2 建立模糊關(guān)系 由于FWL現(xiàn)象，操作員是必須考慮蒸汽流量的影響手動調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)上的水流量。該操作人員應(yīng)觀察實(shí)際啞水位及其設(shè)定值的誤差，水位的變化，水調(diào)節(jié)閥的開度，負(fù)荷的情況等。然后基于水位調(diào)節(jié)水閥。操作員的經(jīng)驗(yàn)，將水位保持在規(guī)定的限度內(nèi)。體現(xiàn)反映的調(diào)整過程人們的思考，模糊控制器的研究應(yīng)該使用三個(gè)測量信號：鼓水位，供水流量與蒸汽流量，利用模糊控制算法得到相應(yīng)的控制閥，實(shí)現(xiàn)一個(gè)前饋 - 級聯(lián)三脈沖的模糊控制系統(tǒng)。如圖1所示： 圖3-2 模糊控制器設(shè)計(jì) 級聯(lián)系統(tǒng)的主循環(huán)直接控制鼓水位消除各種影響對水位的干擾。 助手循環(huán)是一個(gè)流量伺服系統(tǒng)，其中

25、水流是輔助的變量。在本文中，模糊控制器使用二維結(jié)構(gòu)，水位誤差與水位誤差變化來用作輸入變量，并輸出控制變量（閥門）。作為狀態(tài)平衡點(diǎn)，閥門位置選擇19.02，蒸汽流量為0.187kg / s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)水平自動控制的要求，水位范圍為±20mm，水位范圍為±0.02mm / ms，控制閥范圍在平衡點(diǎn)附近為±20mm，對應(yīng) 到七個(gè)模糊項(xiàng){大陰性; 中間負(fù)面; 小的負(fù)面; 零;小正;中正;大正}，相應(yīng)的模糊符號是{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則，例如：當(dāng)水位為時(shí)大負(fù)值（實(shí)際水位低于正常水位），水位的變化小負(fù)值（實(shí)際水位遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)），當(dāng)水流量小于蒸汽流量時(shí)，閥門位置為 低于平

26、衡點(diǎn)。為了恢復(fù)到正常水位，給水流量應(yīng)大于過熱蒸汽流量，為盡快恢復(fù)平衡點(diǎn)，閥門開度應(yīng)大于（大正值）。 因此，模糊規(guī)則的構(gòu)建如表2.1所示。 3.3 狀態(tài)點(diǎn)的設(shè)定 由于模糊控制可以通過誤差和誤差率直接計(jì)算閥門位置，它比PID控制快，但模糊控制只能在穩(wěn)定點(diǎn)附近調(diào)整，因此ti不適應(yīng)變化穩(wěn)定點(diǎn) 如果使用整體部件，它將降低執(zhí)行速度和穩(wěn)定性。本文根據(jù)鍋爐的狀態(tài)，即鍋爐溫度，壓力和流量參數(shù)，計(jì)算當(dāng)前的閥門位置。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，將閥門位置作為模糊控制的穩(wěn)定點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模糊控制在穩(wěn)定點(diǎn)外的較大問題，將穩(wěn)定點(diǎn)作為狀態(tài)點(diǎn)。 假設(shè)在固定蒸汽流量中，水位穩(wěn)定在設(shè)定值，當(dāng)給水流量值等于蒸汽流量時(shí)，相應(yīng)的給水閥位

27、置被認(rèn)為是蒸汽流量的穩(wěn)定點(diǎn)閥。 穩(wěn)定點(diǎn)閥由水壓，水溫，蒸汽流量鼓壓力和其他幾個(gè)參數(shù)決定，因此我們可以通過這些狀態(tài)參數(shù)確定狀態(tài)點(diǎn) 4.仿真分析 4.1 MATLAB軟件平臺介紹 在本文中MATLAB有兩大用途：一是用于系統(tǒng)的仿真，二是在試驗(yàn)中作為上位機(jī)運(yùn)行自抗擾控制算法，并向下位機(jī)傳送電機(jī)電壓信號?？梢詫ATLAB看作是一個(gè)大的算法庫。它擁有豐富的工程中需要的各種函數(shù)，用戶只需要簡單的調(diào)用函數(shù)就可以解決問題。在控制領(lǐng)域能夠用MATLAB對控制方法來仿真，減少了開發(fā)周期。圖4.1是MATLAB軟件平臺。 圖 4-1 MATLAB仿真平臺 假設(shè)給水流量

28、GW保持不變，并且蒸汽負(fù)荷GS步驟增加，一方面水位將向下流動，由于蒸汽流量大于水流量。 另一方面，伴著蒸汽負(fù)荷的增加，蒸汽壓降低; 液面上的氣泡量增加，導(dǎo)致水位增加。 綜合兩個(gè)因素，蒸汽流量逐步增加后，水位下降有一個(gè)延時(shí)過程，顯示出一個(gè)向上然后下降。對水流量或蒸汽流量踩踏的水位的影響降低具有與上述相似的原理。由于分析可以如上所述，當(dāng)水流量或蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，水位不會立即跟隨變化，但是起初存在相反的過程。 這種現(xiàn)象稱為“假水位”現(xiàn)象。傳統(tǒng)的PID控制器對蒸汽發(fā)生器的控制性能較差，存在“假水位”特性，在跟蹤時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出較大的過沖。但精心設(shè)計(jì)的模糊控制器能夠克服“假水位”現(xiàn)象，并具有良好的控制性能。

29、 電廠的鍋爐控制系統(tǒng)主要任務(wù)含有：鍋爐水位控制，水位應(yīng)在要求的范圍內(nèi); 蒸汽的溫度控制，適當(dāng)?shù)恼羝麥囟缺ＷC發(fā)電機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐的主要輸入?yún)?shù)：給水量，燃料量，誘導(dǎo)空氣量和供氣量; 鍋爐的主要輸出參數(shù)：蒸汽壓力，鍋爐水位和爐膛負(fù)壓等。 很難建立準(zhǔn)確的鍋爐數(shù)學(xué)模型因?yàn)檫@些變量之間的強(qiáng)耦合。 PID控制方法難以處理復(fù)雜的控制對象，因此尋求一種新的控制策略來解決鍋爐等復(fù)雜，時(shí)變和大時(shí)滯控制對象是當(dāng)務(wù)之急。 本文對鍋爐的水位與蒸汽壓力進(jìn)行PID控制與模糊控制仿真。然后將步進(jìn)信號添加到每個(gè)控制鏈路，以驗(yàn)證補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的合理性和優(yōu)越性。為了證明模糊控制器的優(yōu)越性，我們把控制效果同單級PI

30、D控制器系統(tǒng)進(jìn)行了對比。 4.2 動態(tài)數(shù)學(xué)模型建立 造成水位變化的突出擾動是蒸汽流量的變動與給水流量的變動。如果只考慮主要擾動，那么根據(jù)汽包物質(zhì)平衡,則鍋爐水位的特性能表示成以下平衡方程式： F(t)=Qw(t)-QD(t) (4-1) 其中Qw(t)、QD(t)分別是給水流量和進(jìn)出汽包的蒸汽，F(xiàn)(t)是汽包水位的變動量。 通過檢測儀器（蒸汽流量變送器、水流量變送器、水位變送器）可得到Qw(t)、QD(t)、F(t)的信號,則從(2-1)式可得到:

31、 （4-2） 其中c是鍋爐我的截面積，ρ是鍋爐水重度，H(t)是水位;α是水量流 系數(shù)。Δpw是流經(jīng)水流量的節(jié)流裝置的差壓;β為蒸汽流量系數(shù)，ΔpD為流經(jīng)蒸汽流量節(jié)流裝置的差壓。對式（2-2)取泰勒級數(shù)經(jīng)化簡可近似得到如下方程： (4-3) 其中，TD、KD、TW、KW、分別與流量變送器的流量轉(zhuǎn)換系數(shù)及展開的系數(shù)有關(guān)。T1、T2是水位變送器與汽包截面積相關(guān)的系數(shù)。 給水量為鍋爐的輸入量，若蒸汽負(fù)荷恒定。則在給水流量

32、發(fā)生變化時(shí)，鍋爐水位的運(yùn)動方程式能夠表示為： (4-4) 通過拉氏變換以后得到， (4-5) 從式(2-4)，能夠方便地得到鍋爐水位在給水流量情況下的傳遞函數(shù)為： (4-6) 對于中壓鍋爐，上式中TW的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?jì)

33、，因此式(2-6)可以進(jìn)一步改寫為： (4-7) 其中 -------反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度， 單位為毫米／秒·(噸／小時(shí))。 假定水冷壁吸熱量為Q，給水流量為W，蒸汽流量為D，水中氣泡上升速度為E，水位為H，蒸發(fā)系統(tǒng)的水容積為wV，蒸發(fā)系統(tǒng)的汽容積為sV。 4.3 汽包水位數(shù)學(xué)模型 假定水冷壁吸熱量為Q，給水流量為W，蒸汽流量為D，水中氣泡上升速度為E，水位為H，蒸發(fā)系統(tǒng)的水容積為wV，蒸發(fā)系統(tǒng)的汽容積為sV。

34、蒸汽在水中的停留時(shí)間為T=E/H，考慮到蒸汽流量為D，則水中蒸汽容積為，所以，汽包的實(shí)際水容積是。 設(shè)汽包截面積為F，可得到容積平衡方程 （4-8） 對式（4-8）微分，可得 （4-9） 整理得 （4-10） 又由（4-8）可得 （4-11） 由式以上可以推出

35、 （4-12） 代入式（4-10）可得 （4-13） 取水位的相對變化，汽泡在水中的停留時(shí)間為：，則式（4-13）變?yōu)? （4-14） 假定為燃料量（0~100%），為汽機(jī)調(diào)門開度（0~100%），為給水閥開度或給水泵轉(zhuǎn)速（0~100%），調(diào)節(jié)級壓力為。忽略蒸汽的過熱器中的動態(tài)過程，蒸汽流量能按下式計(jì)算。 （4-15） 由此可得 （4-16） 給水閥變化時(shí)，積水流量

36、將快速變化，忽略其動態(tài)過程，同時(shí)近似認(rèn)為積水流量與開度為線性關(guān)系，則 （4-17） 燃料量變化時(shí)，吸熱量的變化有較大的滯后，這與鍋爐制粉系統(tǒng)的形式有關(guān)。可以如下的傳遞函數(shù)表示吸熱量的變化情況 （4-18） 4.4 水?dāng)_動實(shí)驗(yàn) 圖3.1為具有狀態(tài)控制器的模糊控制器同沒有狀態(tài)控制器的模糊控制器之間的大水位波動的響應(yīng)對比度。從圖中可以看出，當(dāng)水位波動較大時(shí)，兩者的調(diào)節(jié)速度相同，但當(dāng)水位恢復(fù)到設(shè)定

37、點(diǎn)附近時(shí)，模糊控制器存在明顯的穩(wěn)態(tài)誤差。 沒有狀態(tài)控制器，它表明狀態(tài)控制器的引入可以改善控制模糊控制器的精度。 圖 4-2 單級串級PID與三脈沖液位的控制系統(tǒng)在應(yīng)用的工程上已經(jīng)成熟。圖4-2顯示了單級PID控制器，三級的串聯(lián)PID控制器與模糊狀態(tài)控制器之間的控制效果對比。從圖中能夠看出，在水位波動較大時(shí)，這些控制器都能夠快速達(dá)到設(shè)定，但是從穩(wěn)定時(shí)間與超調(diào)的角度來講，模糊控制器可以優(yōu)于其他兩個(gè)控制器。需要更短的調(diào)節(jié)時(shí)間，并且至少比級聯(lián)PID控制器100s更快，較單級PID控制器快300s左右。 這是由于鼓控制為非線性系統(tǒng)，即使PID控制在線性系統(tǒng)里的響應(yīng)快，但是模糊控制在非線性系統(tǒng)里

38、的響應(yīng)更快。 我們必須根據(jù)模糊控制算法建立M文檔，因?yàn)闆]有就緒模塊。首先，確定參數(shù)：α，σ，b，δ，補(bǔ)償度γ和系統(tǒng)輸入e，ce。然后根據(jù)公式（1）和公式（2）建立模糊控制原理的程序，并依照公式（3）計(jì)算輸出。最后，依據(jù)模糊控制算法書寫參數(shù)的在線訓(xùn)練程序。調(diào)整它的參數(shù)，讓控制器的實(shí)際輸出到達(dá)期望輸出。參數(shù)：α，σ，b，δ和γ按公式（5）訓(xùn)練，然后稱為模糊控制函數(shù)和主程序中的訓(xùn)練函數(shù)，從而得到模糊控制器構(gòu)造。從而獲得模擬結(jié)果。上述兩種控制方法的鍋爐水位階躍響應(yīng)曲線，如圖4-3和圖4-4所示。 圖 4-3 圖4-4 可以看出，模糊控制不但產(chǎn)生較小的超調(diào)和較短的瞬態(tài)時(shí)間，并且整個(gè)的過程

39、比較穩(wěn)定。 本文用鍋爐水位的控制當(dāng)研究對象，使用傳統(tǒng)的PID控制與模糊控制進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，模糊控制具有調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)小的特點(diǎn)。并且魯棒性更強(qiáng)，適合于鍋爐系統(tǒng)。 5.總結(jié) 歷經(jīng)了四個(gè)月的努力學(xué)習(xí)，基于MATLAB的鍋爐水位模糊控制的仿真研究系統(tǒng)終于完成。在開發(fā)該系統(tǒng)的經(jīng)歷中，首先依照鍋爐水位系統(tǒng)需求構(gòu)建出其大致的控制過程。其次，設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊。構(gòu)建好功能模塊后開始MATLAB功能模塊的構(gòu)建。在掌握了相關(guān)的MATLAB編程知識后，開始書寫系統(tǒng)的控制程序。在程序的測試過程中經(jīng)常存在編譯不通過，函數(shù)變量不正確等問題。在請教老師與同學(xué)后，成功解決了函數(shù)的調(diào)用問題。仿真結(jié)果表明，所設(shè)

40、計(jì)的鍋爐水位控制系統(tǒng)具有讀數(shù)方便，顯示直觀，程序模塊簡單等優(yōu)點(diǎn)。符合應(yīng)用的需求與設(shè)備的發(fā)展需求，市場的前景明朗。 在整個(gè)課題完成過程中，充分發(fā)揮了人的主觀能動性。歷經(jīng)自我的導(dǎo)向?qū)W習(xí)，我掌握了許多的未知知識。在編寫程序的過程中，由于思路不清，我一開始遇到很多問題。在我安定下來想了解信息后，我和同學(xué)們討論了這個(gè)問題，問老師，終于清理了我的腦海，完成了程序的準(zhǔn)備。通過課題來增加對單片機(jī)的學(xué)習(xí)，更加具體的掌握了單片機(jī)的構(gòu)架和功能原理。在通過實(shí)際的代碼編寫和調(diào)試后，慢慢學(xué)會了模塊化的設(shè)計(jì)與調(diào)試。對程序設(shè)計(jì)和調(diào)試能力為一個(gè)較大的促進(jìn);在本次課題設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程中，我掌握了硬件電路搭建。最終，設(shè)計(jì)完成

41、得更好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。 但是，由于個(gè)人能力的原因，并沒有實(shí)現(xiàn)用Simulink將程序模塊化的效果。只有三個(gè)基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，還有許多不足和可以擴(kuò)展的地方。例如使用MATLAB工具箱檢測系統(tǒng)智能化、人性化等，這些有待以后來彌補(bǔ)，肯各位老師予以指正和修改。 致謝 四年時(shí)光匆匆而逝，在人生最華美的這四年大學(xué)時(shí)光中，我學(xué)到了很多，也收獲了許多。大學(xué)生活中，最喜歡做的事就是在夜晚從教學(xué)樓走向宿舍的時(shí)間。漆黑的夜空，散布著繁星點(diǎn)點(diǎn)或是懸掛著一輪皓月。相信很多人和我一樣，一個(gè)人的戶外夜晚，喜歡仰望星空。那種仰望可以感受最純粹的安靜，靜謐的夜晚，思考著遠(yuǎn)

42、方。對于自己，疲憊的只是心情，行走在喧嚷的街道，再也聽不到風(fēng)的低聲訴語。仰望星空，找一片寧靜的夜空，做一個(gè)夜空的守望者，融于月下，淡淡的風(fēng)，看著遠(yuǎn)方。遠(yuǎn)方，初中時(shí)的自己只是覺得每一顆閃耀的星都離自己很遠(yuǎn)，記不清那里有什么，也想不懂它為什么而閃耀。慢慢的，仰望星空變成了思索的方式，每當(dāng)思考問題的時(shí)候就不自覺的仰起眼睛。 大學(xué)生活，更多的是學(xué)會了成長。隨著成長，漸漸明白了當(dāng)初眼中遙遠(yuǎn)的星光，看到了曾經(jīng)心中的遠(yuǎn)方，那原來是說不清楚但是充滿期盼的未來。未來，有人說它是轟轟烈烈的夢想，有人說它是平平淡淡的每一天。但是，對我來說，它是成長。巍巍興安嶺，書卷氣揚(yáng)?？床灰娙粘觯部床灰娙章涞膶W(xué)生時(shí)代是每一個(gè)

43、學(xué)子的牽掛。成長的難忘之處大概在于有一種努力，感動了自己也感動了那一時(shí)期的所有人。仰望星空，帶著一份欣慰入眠。一生擁有如此知音，我知道這是成長的恩賜。即使是永遠(yuǎn)的彼岸，至少讓人心生了掛念，有了仰望。仰望星空，我沒有奢求一定會到達(dá)亦或是摘取自己心中的那顆星，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的望著、欣賞著、思念著其實(shí)也是成長最美妙的時(shí)刻。仰望星空，是衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴。仰望星空，是成長中的相濡以沫不如相忘于天涯。 成長，慢慢的我們都變成了有思想的青年。做一個(gè)有思想的青年，腳踏實(shí)地固然重要，但是不能忘了仰望星空。一個(gè)民族多一些關(guān)注天空的人，民族才有希望。若每個(gè)人只關(guān)心腳下的事，國家是沒有未來的。中華民族是有大理想

44、，有大希望的民族。作為當(dāng)代青年，我們要將自身發(fā)展同國家命運(yùn)聯(lián)系起來，不要忘記仰望星空，不要忘記母校的教誨。 感謝在這四年當(dāng)中幫助過我的老師們，是他們帶我一點(diǎn)點(diǎn)走進(jìn)更高的知識殿堂；感謝在這四年里互相陪伴，互相鼓舞的同學(xué)們。你們是我人生中一段難以忘懷的美好的回憶。僅值此畢業(yè)之際，對大家獻(xiàn)上誠摯的感謝和祝福，愿老師們工作順利，身體健康；愿我的同學(xué)們勇往直前，前途無限！ 參考文獻(xiàn) [1]莊得鋒 楊慧中 模糊控制器在高階水位控制中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J] 東南大學(xué)學(xué)報(bào) 2004增刊 [2] Xin Wen, et al. Matlab simulation and applic

45、ation of neural network. Science Press,BeiJing.2003. [3] Stefano Liuzzo, Patrizio Tomei. A global adaptive learning control for robotic manipulators. Automatica. 2008, 44(5): 1379-1384. [4] Fuchun Sun, Zengqi Sun, Peng-Yung woo. Neural network based adaptive controller design of robotic manipulat

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