鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 摘要 本文首先分析了影響汽包水位的各種干擾因素，并對(duì)汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性進(jìn)行分析。介紹了傳統(tǒng)的PID控制方式，由于鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器的輸入端常加有三個(gè)不確定的輸入量，極易引起水位控制偏差。所以本文提出了兩種消除水位偏差的方法：輔助信號(hào)自消方法和輔助信號(hào)對(duì)消方法。采用輔助信號(hào)蒸汽流量和給水流量對(duì)消方法消除水位偏差，根據(jù)鍋爐汽包水位控制實(shí)際要求，采用模糊PID控制，用MATLAB中的SIMULINK仿真工具箱設(shè)計(jì)了二輸入單輸出模糊控制器對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行在給定值下仿真。并用常規(guī)PID和模糊PIDF方法去控制汽包液位，對(duì)比兩種控制策略下的防真圖像，仿真圖像表明后者的抗干擾能力和魯棒

2、性更好，可以保證水位的穩(wěn)定，并且能有效解決用常規(guī)PID無法解決的“虛假液位”問題。最后簡單介紹幾種由汽包水位測量方法及測量誤差帶來影響、及消除方法，通過現(xiàn)場實(shí)例解決了汽包水位測量不準(zhǔn)的問題，減少了由于水位測量誤差給汽包水位帶來的不利影響。 關(guān)鍵詞：汽包水位、虛假液位、PID控制、模糊PID控制、水位測量誤差 Abstract This article first analyzes the impact of the drum water level of the various interfering factors,and drum water level of the

3、 dynamic and static analysis features.Introduced the traditional PID control,due to the boiler drum water level control system input regulator has three regular increase of the input uncertainty is very easy to control the deviation caused by the water level.Therefore,this paper two methods to elimi

4、nate the water level deviation: auxiliary signal from the elimination method and auxiliary signal cancellation method. The use of auxiliary steam flow signal and water flow rate on the elimination method to eliminate the water level deviation of the boiler drum water level control in accordance with

5、 practical requirements, the use of fuzzy PID control, the use of MATLAB simulation toolbox SIMULINK design two-input single-output fuzzy controller on the boiler drum the water level to the next value in a given simulation. Using conventional PID and fuzzy control approach to PIDF drum level,comp

6、ared to two control strategies of anti-real images, simulation images show that the latter's anti-interference ability and robustness better, can guarantee the stability of the water level, and can effectively solution can not be resolved with conventional PID "false level" problem.

7、Finally, a brief introduction by the drum water level of several measurement methods and about the impact of measurement error, and the elimination method, through on-site example of the drum water level measurement solution to the problem of not allowed to reduce measurement error due to the water

8、level to the negative drum water level impact. Key words: Drum water level、PID control、fuzzy PID control,、water level measurement error 目錄 第一章 緒論 1.1 課題背景與意義 目前，我國現(xiàn)有工業(yè)鍋爐幾十萬臺(tái)，各種工業(yè)爐窯十萬余臺(tái)。鍋爐和工業(yè)爐窯年耗標(biāo)準(zhǔn)煤約3億噸以上，是國家的一個(gè)耗能大戶。由于技術(shù)落后、設(shè)備陳舊、操作水平低，目前鍋爐和工業(yè)爐窯普遍存在著熱效率低、能耗高的問題。我國正面臨能源緊缺的危機(jī)，鍋爐和工業(yè)爐窯采用計(jì)算機(jī)控制是一項(xiàng)重要的節(jié)

9、能措施。實(shí)踐證明，爐窯采用計(jì)算機(jī)控制可以節(jié)能5~10%。此外，鍋爐和工業(yè)爐窯采用計(jì)算機(jī)控制，還具有減少環(huán)境污染、降低氧化燒損率、提高自動(dòng)化水平、改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)鍋爐生產(chǎn)的主要被控參量進(jìn)行自動(dòng)控制，使鍋爐保持在所要求的良好工況下運(yùn)行。 鍋爐是現(xiàn)代工業(yè)、企業(yè)、事業(yè)單位的工作生產(chǎn)動(dòng)力之源，鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是保障國家財(cái)產(chǎn)及人民生命安全，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，合理使用和節(jié)約能源的重要保證。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)備和壓力容器，其安全性尤為重要。只有在充分保證鍋爐安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和運(yùn)行可靠的前提下，通過科學(xué)管理、技術(shù)改造、提高操作及運(yùn)行水平，使鍋爐實(shí)現(xiàn)熱效率高

10、的狀態(tài)。鑒于鍋爐控制系統(tǒng)的研究對(duì)于提高系統(tǒng)的安全性，經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化也有一定的促進(jìn)作用。其中壓力、水位、溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)，水位過高會(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象;水位過低會(huì)影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。因此，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。正常運(yùn)行時(shí)的鍋爐燃燒系統(tǒng)必護(hù)使出口的過熱蒸汽溫度維持在一定范圍內(nèi)，該參數(shù)的控制質(zhì)量直接影響著機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道及汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞;過熱蒸汽溫度過低，降低汽輪機(jī)的效率，加劇對(duì)葉片的侵蝕。所以，在鍋爐運(yùn)行中必須保持過

11、熱汽溫的穩(wěn)定性。另外，壓力過大容易帶來危險(xiǎn)。所以，要把壓力、水位、溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。 為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐主要有下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù): 1 保持汽包水位 汽包水位是工業(yè)鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)。水位過高會(huì)影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象;水位過低會(huì)影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導(dǎo)致重力事故。因此，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，把水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。 2 維持蒸汽壓力 蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產(chǎn)量與負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽的重要工藝參數(shù)。蒸汽壓力過低或過高，對(duì)于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。壓力過高，會(huì)加速

12、金屬的蠕變，導(dǎo)致鍋爐受損;壓力過低，就不可能提供給負(fù)荷設(shè)備符聲質(zhì)量的蒸汽。因此，控制蒸汽壓力是安全生產(chǎn)的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。 3 維持爐膛負(fù)壓 爐膛負(fù)壓的變化，反映了引風(fēng)量與送風(fēng)量的不相適應(yīng)。通常要求爐膛負(fù)壓保持在20.40Pa的范圍內(nèi)，這時(shí)燃燒狀況，鍋爐房工作條件，爐膛的維護(hù)及安全運(yùn)行都最有利。如果爐膛負(fù)壓太小，爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備與操作人員的安全。負(fù)壓太大，爐膛吸入冷風(fēng)量增大，增加引風(fēng)機(jī)的電耗和煙氣帶走的熱量損失。因此，需要維持爐膛壓力在一定的范田之內(nèi)。 4 維持過熱蒸汽溫度恒定 為了保證汽輪機(jī)正常工作，必須保證過熱蒸汽溫度恒定，蒸汽

13、溫度過高或過低都會(huì)影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，所以過熱蒸汽溫度是影響安全的重要參數(shù)，一般要求溫度變化保持在士5℃的范圍之內(nèi)。 5 保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性 鍋爐的熱效率主要取決于空燃比。如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料不能完全燃燒時(shí)，熱量損失直線上升;如果空氣過多，就會(huì)使大量的熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。因此，必須使空氣和燃料維持適當(dāng)?shù)谋壤?，使鍋爐燃燒過程工作在最佳工況下，保持爐膛煙氣出口處的過?？諝庀禂?shù)為最佳值，使鍋爐熱效率最高，避免環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。 通過對(duì)工業(yè)鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)的分析，我們知道:工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，汽包

14、水位是一個(gè)十分重要的被調(diào)參數(shù)。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時(shí)控制，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸;水位過高會(huì)影響汽包的汽水分離。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會(huì)使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時(shí)過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，還會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。由此可見。鍋爐給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它對(duì)減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。 因此本文就是以鍋爐汽包水位控制為例來研究模糊自調(diào)整PID控制在鍋爐控制中的應(yīng)用。 1.2 鍋爐控制的研究現(xiàn)狀 鍋爐

15、是電力工業(yè)發(fā)電的三大設(shè)備之一，同時(shí)也是工礦企業(yè)生產(chǎn)的重要熱力設(shè)備，隨著改革開放后國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鍋爐工業(yè)得到了飛速發(fā)展，我國現(xiàn)有數(shù)十萬套鍋爐在運(yùn)行，每年還有數(shù)十萬套的新造工業(yè)鍋爐投入運(yùn)行。因?yàn)殄仩t的燃燒是多輸入多輸出系統(tǒng)，并且各參數(shù)之間相互影響，相互制約，并且有時(shí)受負(fù)荷干擾嚴(yán)重，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來表示，用經(jīng)典控制理論難以實(shí)現(xiàn)有效的控制，目前在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法是具體分析生產(chǎn)過程的特點(diǎn)和要求，在設(shè)計(jì)單回路為主的基礎(chǔ)上，考慮多叨，變量系統(tǒng)的特點(diǎn)，加以補(bǔ)充修正。因各回路之間的相互制約，控制效果也不近人意，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高，這樣中小型用戶就難以負(fù)施。因此還有相當(dāng)多的鍋爐特別是中小

16、型鍋爐還在簡單的啟動(dòng)停止的狀態(tài)下運(yùn)行，控制靠人工實(shí)現(xiàn)，這樣鍋爐運(yùn)行好壞完全依靠工人的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。這一方面造成經(jīng)濟(jì)效益差，不安全，還容易造成工業(yè)事故，另一方面，煤燃燒不充分也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。 目前，也有一些科研人員運(yùn)用一些控制理論來控制鍋爐: 1 基于PID控制的鍋爐控制 傳統(tǒng)的PID控制用在鍋爐控制中，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性較強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方法，但是也存在局限性性，超調(diào)量大，無法實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制。 2 基于模糊控制的鍋爐控制 模糊控制用在鍋爐控制中，有效地克服復(fù)雜系統(tǒng)的非線性及不確定特性，因而與傳統(tǒng)控制比較有較強(qiáng)的魯棒性。但模糊控制的控制作用較粗

17、糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低。 3基于模糊PID控制的鍋爐控制 模糊PID控制用在鍋爐控制中，能對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析，采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)，，的在線自整定，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性，控制也更精確。 近年來，人們對(duì)模糊智能PID控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能PID控制器、混沌PID智能控制器及遺傳算法—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID智能控制器等，產(chǎn)生了濃厚的興趣，研究者甚多。 模糊控制己成為智能自動(dòng)化控制研究中最為活躍而又富有成果的領(lǐng)域。其中，模糊PID控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應(yīng)用的重

18、點(diǎn)技術(shù)之一。本文就是對(duì)模糊 PID控制在鍋爐控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究。 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 本論文就鍋爐水位控制特性作為研究切入點(diǎn)，探討如何解決鍋爐水位控制特性所提出的問題。建立了鍋爐水位控制特性的數(shù)學(xué)模型，分別采用PID控制手段和模糊控制方法來設(shè)計(jì)鍋爐水位控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了對(duì)比討論，仿真表明模糊控制方法要優(yōu)于PID控制方法.但是也存在缺點(diǎn)，最后采用模糊自調(diào)整PID控制來設(shè)計(jì)鍋爐水位控制系統(tǒng)，仿真證明了采用模糊自調(diào)整PID控制優(yōu)于PID控制和純模糊控制。 第二章 控制方法分析 2.1 PID 控制原理 2.1.1 在控制系統(tǒng)中，控制器最常用，最簡單的控制規(guī)律是PID控制

19、，它是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖2.1所示: 被控對(duì)象 比例P r(t)+ e(t) + + u(t) y(t) 微分D 積分I - + 圖2.1 PID控制系統(tǒng)原理圖 PID控制器的數(shù)學(xué)模型可用下式表示： 其中：u(t)——控制器的輸出 e(t)——控制器的輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)，即e(t)=y(t)-r(

20、t) —— 控制器的比例系數(shù) —— 控制器的積分時(shí)間 —— 控制器的微分時(shí)間 2.1.2 PID 對(duì)控制的影響 （1） 比例P調(diào)節(jié) 在P調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成正比，即 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入信號(hào)成比例關(guān)系。由于控制器的輸出和偏差成正比例關(guān)系，所以系統(tǒng)存在殘余偏差——余差。 越大，余差越小，但是若過分大，系統(tǒng)容易振蕩，甚至發(fā)散。 （2） 積分調(diào)節(jié) 只有存在偏差，積分部分的控制作用就會(huì)不斷積累，輸出控制量以消除偏差?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。但積分作用具有滯后

21、特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能偏差，使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。對(duì)于積分時(shí)間T，當(dāng)T較大時(shí)，則積分作用比較弱，這是有利于系統(tǒng)減少超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除靜差的時(shí)間較長。當(dāng)T較小時(shí)，積分作用較強(qiáng)。這是系統(tǒng)過渡過程有可能產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需時(shí)間較短。 （3）微分部分 微分作用的強(qiáng)弱由微分時(shí)間Td決定。Td越大，微分作用越強(qiáng)，即控制作用越強(qiáng)，但微分時(shí)間過長時(shí)，容易引起系統(tǒng)的不良振蕩; Td越小，微分作用越弱。由于微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比，這種根據(jù)偏差變化的趨勢提前采取措施稱為“超前”。因此，微分作用也稱為超前作用，這是微分作用的一個(gè)特點(diǎn)。 （

22、4）PID控制器的參數(shù)整定 如果曲線振蕩很頻繁，要把比例度適當(dāng)調(diào)大，反之調(diào)小比例度；如果曲線偏離太大，而且回復(fù)較慢，應(yīng)該把積分時(shí)間調(diào)小，如果曲線波動(dòng)周期較長，應(yīng)把積分時(shí)間加長；如曲線振蕩頻率太快，應(yīng)把微分時(shí)間降低，如曲線動(dòng)差大且波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)該加長；理想的曲線是有兩個(gè)波動(dòng)的，前高后低，前面和后面的幅度比大約是4:1. 2.2 模糊控制方法 2.2.1 模糊控制的起源與發(fā)展 模糊控制理論是在美國加利福尼亞大學(xué)的扎德教授與1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括模糊集合理論、模

23、糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。 模糊控制的誕生是和社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要分不開的。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。然而出于一系列原因，諸如被控對(duì)象或過程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測量不完善等，難以建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問題，但范圍是有限的。對(duì)于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對(duì)象，采用傳統(tǒng)控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動(dòng)控

24、制效果好。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對(duì)模糊事物進(jìn)行識(shí)別和判決，看起來似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確的目的。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員雖然不懂被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，但卻能十分有效地對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行控制。人的經(jīng)驗(yàn)是一系列含有語一言變量值的條件語句翁規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語言變量和條件語句。因此，模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗(yàn)就有著獨(dú)特的優(yōu)勢?？梢园讶说慕?jīng)驗(yàn)用模糊條件語句表示，然后用模糊集合理論對(duì)語一言變量進(jìn)行量化，再用模糊推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策。這也就是模糊控制器的工作過程。 2.2.2 模糊控制的基本思想 模

25、糊控制的基木思想就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是由語言來表達(dá)的，這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。如人工控制水槽水位的?jīng)驗(yàn)可以表達(dá)為: 若水槽無水或水較少時(shí)，則開大水閥; 若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關(guān)小: 若水位快接近要求的水位，則把閥門關(guān)得很小; …… 這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，“較小”、“不太大”、“接近”、“開大”、“關(guān)小”、“關(guān)得很小”這些表示水位狀態(tài)和控制閥門動(dòng)作的概念都帶有模糊性，這些規(guī)則的形式正是模糊條件語句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過程變量的檢測值(

26、需化成模糊IF)用模糊邏輯推理的方法得出此刻的控制量。這正是模糊控制的基本思路。 由于模糊控制器的模型不是山數(shù)學(xué)公式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型，而是由一組模糊條件語句構(gòu)成的語言形式，因此從這個(gè)角度上講，模糊控制器又稱模糊語’言控制器。模糊控制器的模型是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)組成的知識(shí)模型，是基于知識(shí)的控制，因此模糊控制屬于智能控制的范疇。 因此可以說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。 2.2.3 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)的基本原理可由圖2.2表示 A/

27、D 模糊控制 D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 傳感器 圖2.2 模糊控制系統(tǒng)的基本原理框圖 2.2.4模糊控制的主要優(yōu)點(diǎn) 模糊控制在實(shí)踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法與之比擬的優(yōu)點(diǎn)，其中主要是: (1)使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型。因?yàn)閷?duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過程很難獲得過程的精確數(shù)學(xué)模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。 (2)對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。 (3)操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。 (4)采用模糊控制，過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過程參數(shù)的

28、變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性 2.3 模糊PID控制規(guī)律 2.3.1 模糊PID的概念 根據(jù)PID控制器的三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差的變化之間的模 糊關(guān)系，在運(yùn)行時(shí)不斷檢測e及ec，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的三個(gè)參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定。就我的理解而言，它最終還是一個(gè)PID控制器，但是因?yàn)閰?shù)可自動(dòng)調(diào)整的緣故，所以也能解決不少一般的非線性問題，但是假如系統(tǒng)的非線性、不確定性很嚴(yán)重時(shí)，那模糊PID的控制效果就會(huì)不理想啦。 2.3.2 模糊PID的控制規(guī)律 這個(gè)控制規(guī)則當(dāng)然很重要，一般經(jīng)驗(yàn)： (1) 當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的

29、。與較小的，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取=0。 (2)當(dāng)e處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，應(yīng) 取得小些。在這種情況下，的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，的取值要適當(dāng)。 (3)當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，與均應(yīng) 取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，值的選擇根據(jù)||值較大時(shí)，取較小值，通常為中等大小。 另外主要還得根據(jù)系統(tǒng)本身的特性和你自己的經(jīng)驗(yàn) 來整定，當(dāng)然你先得弄明白PID三個(gè)參數(shù)，，各自的作用，尤其對(duì)于你控制的這個(gè)系統(tǒng)。 模糊PID參數(shù)自調(diào)整算法是在PID控制的基礎(chǔ)上引入模糊控制的思想。采用模

30、糊PID參數(shù)自調(diào)整算法, 可以使控制器的參數(shù)在控制過程中能夠自動(dòng)地調(diào)整、修改和完善,從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善達(dá)到最佳控制效果。 第三章 鍋爐汽包水位控制特性 3.1汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 在熱力生產(chǎn)過程中，汽包鍋爐水位是正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是非常重要的被調(diào)量，在鍋爐運(yùn)行中占據(jù)首要地位。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)，蒸汽帶水會(huì)使飽和蒸汽降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁上的結(jié)垢;水位過低，則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷管壁被燒壞嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。 所以，工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化大多數(shù)都是從汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)開始的。 其中鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)

31、中的被調(diào)量和干擾因素包括：被調(diào)量：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)荷、過?？諝庀禂?shù)；干擾因素：蒸汽負(fù)荷、鍋爐給水量、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)； 一、給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)主要包括兩個(gè)方面： 1、是使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍之內(nèi)波動(dòng)； 2、是保持給水量的穩(wěn)定。汽包水位的高低反映了給水量和蒸發(fā)量之間的物料平衡關(guān)系。汽包鍋爐正常水位一般規(guī)定在汽包中心線以下100—200mm處，允許波動(dòng)范圍為±50mm。汽包水位的高低直接影響鍋爐的安全運(yùn)行和蒸汽的品質(zhì)。 水位過高，會(huì)影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致蒸汽帶水量增加，使過熱器管壁和汽輪機(jī)噴嘴、葉片

32、結(jié)垢，甚至造成汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊而損壞葉輪； 水位過低，則破壞了正常水循環(huán)，以致燒壞某些受熱面，影響鍋爐壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故，危及人身和設(shè)備的安全。 所以，及時(shí)調(diào)整給水流量，維持給水流量與蒸汽流量間的平衡關(guān)系，以適應(yīng)負(fù)荷變化的要求，實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐水位自動(dòng)調(diào)節(jié)十分必要。 二.給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù) 鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)，如果給水流量劇烈波動(dòng)，會(huì)影響省煤器和給水管道的安全運(yùn)行，所以負(fù)荷不變時(shí)，給水流量不應(yīng)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。 鍋爐汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)是根據(jù)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性來設(shè)計(jì)的。以汽包水位H作為被調(diào)量，以給水調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來改變調(diào)節(jié)量，即給水量，達(dá)到保持水位在允許的范圍之內(nèi)。 引起水

33、位變化的擾動(dòng)因素很多，但主要擾動(dòng)是給水流量和蒸汽流量的階躍變化。調(diào)節(jié)器就是依據(jù)水位信號(hào)、蒸汽流量和給水流量的信號(hào)來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 引起水位變化的擾動(dòng)因素很多，但主要擾動(dòng)是給水流量和蒸汽流量的階躍變化。調(diào)節(jié)器就是依據(jù)水位信號(hào)、蒸汽流量和給水流量的信號(hào)來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 根據(jù)鍋爐的容量、負(fù)荷變化的快慢以及調(diào)節(jié)精度的要求，汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為： （1）以汽包水位為唯一調(diào)節(jié)信號(hào)的給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)； （2）以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號(hào)，蒸汽流量為補(bǔ)充信號(hào)的給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為雙沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)； （3）以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號(hào)，蒸汽流量和給水流量為補(bǔ)充信號(hào)的給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系

34、統(tǒng)，稱為三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)使用廠家的要求和條件，可以選用電動(dòng)儀表、氣動(dòng)儀表，也可以選用組裝儀表或鍋爐自控儀。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在汽包鍋爐自動(dòng)控制中的應(yīng)用越來越多。 3.2給水流量的調(diào)節(jié)方式 目前，給水流量的調(diào)節(jié)方式主要有兩種：一種是依靠改變調(diào)節(jié)閥門開度來改變給水量的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，另一種是依靠改變給水泵的轉(zhuǎn)速來改變給水量的變速調(diào)節(jié)方式。 以往，由于受到變速水泵制造技術(shù)的限制，鍋爐大都采用定速水泵供水。鍋爐給水量改變是依靠改變調(diào)節(jié)閥門的開度來實(shí)現(xiàn)的，稱為給水流量的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，其系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示： 2

35、 8 7 1 3 4 5 6 圖3.1 給水流量系統(tǒng)圖 1—給水母管 2—給水調(diào)節(jié)閥 3—省煤器 4—汽包 5—下水管 6—上升管 7—過熱管 8—蒸汽母管 工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。汽包及蒸汽管系中儲(chǔ)藏著蒸汽和水，儲(chǔ)藏量的多少，是以被控制量水位表征的，汽包的流入量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時(shí)，汽包水位變化的主

36、要擾動(dòng)是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。 下面我們分別來討論在這三種擾動(dòng)作用下給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 給水流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖3-2所示.。當(dāng)給水流量階躍增加△W后，水位的變化如圖中曲線2所示。給水流量增加，一方面使進(jìn)入鍋爐汽包的給水量增加； 另一方面使溫度較低的給水進(jìn)入省煤器、汽包及水循環(huán)系統(tǒng)，吸收了原有飽和水中的一部分熱量，致使水面下汽泡體積減小。 W △W t O

37、 1 H 2 O a t A 3 △H B 圖3.2 給水流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線 （1）圖中曲線1為不考慮水面下汽泡容積變化，僅考慮物料不平衡時(shí)的水位反應(yīng)曲線。由于給水壓力很高，汽包水位變化對(duì)給水流量的自平衡作用可以忽略不計(jì)，所以反應(yīng)曲線1可以認(rèn)為是無自平衡能力積分

38、環(huán)節(jié)的特性。 （2）曲線3是不考慮物料不平衡關(guān)系，只考慮給水流量變化時(shí)水面下汽泡體積變化所引起的水位變化。給水流量增加時(shí)，汽泡體積收縮，水位逐漸下降，直到汽泡體積不再變化，所以曲線3可以看作為是慣性環(huán)節(jié)的特性。 在給水流量擾動(dòng)下，實(shí)際的水位變化曲線2可以認(rèn)為是曲線1和3的合成。 通過上面對(duì)水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水流量擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線分析，可以把水位調(diào)節(jié)對(duì)象以方框圖3-3（a）表示，即把對(duì)象看成為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)。經(jīng)過變換也可把它看作為積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)如圖3-3（b）所示。 + H W

39、 - (a) H W (b) （a) 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)并聯(lián) (b) 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)串聯(lián) 圖3-3給水流量擾動(dòng)時(shí)水位調(diào)節(jié)對(duì)象方框圖 因此,給水流量擾動(dòng)下的汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為： 公式中 τ— 遲延時(shí)間(s) ε— 給水流量改變一個(gè)單位流量時(shí),水位變化的響應(yīng)速度 τ和ε可由水位響應(yīng)曲線上求得。 總之，當(dāng)給水流量擾動(dòng)時(shí)，水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無自平衡能力特征。 也就是說，當(dāng)給水流量改變后水位并不立即變化。動(dòng)態(tài)特性參數(shù)τ和ε的數(shù)值將用來說明水位響應(yīng)遲延時(shí)間的長短和響應(yīng)速度的快慢。 3.3 給

40、水流量的調(diào)節(jié)方式 在蒸汽流量D擾動(dòng)下水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖3-4所示。 D △D O t H H2 H H1 O t

41、 圖3-4蒸汽流量D擾動(dòng)下水位變化的階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)蒸汽流量突然階躍增加時(shí)，此時(shí)鍋爐蒸發(fā)量大于給水量，只從物料守恒考慮，由于汽包水位對(duì)象是無自平衡能力的，這時(shí)水位應(yīng)按積分規(guī)律下降，如圖中H1曲線所示。 但從能量守恒看，先假定當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時(shí)，燃料量能及時(shí)跟上，由于燃燒強(qiáng)度增加，鍋爐的蒸發(fā)強(qiáng)度增強(qiáng)，汽水混合物中的汽泡數(shù)量增加，水容積也迅速增大，使得汽水混合物體積膨脹，水位升高。 如果負(fù)荷變化時(shí)，燃料量來不及增加，由于蒸汽量的增加，使汽包內(nèi)的汽壓下降，相應(yīng)地降低了汽水混合物的飽和溫度，汽化加快，同樣使汽水混合物體積膨脹，水位升高。所以不管燃燒強(qiáng)度是否增加，都會(huì)使水

42、面下汽泡容積增大導(dǎo)致水位上升。 因蒸發(fā)強(qiáng)度的增加是有一定限度的，當(dāng)蒸發(fā)量滿足負(fù)荷要求后，汽包壓力不再變化，容積增大速度減慢而達(dá)到穩(wěn)定，故汽泡容積的增大而引起的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性來描述，如圖中曲線H2所示。實(shí)際上水位變化曲線H如圖3-4所示，它是曲線H1和H2的合成。 由圖中可以看出，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式： （1）在負(fù)荷突然增加時(shí)，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)流量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升，過一段時(shí)間后再下降。 （2）反之，鍋爐負(fù)荷下降時(shí)，水位反而先下降。這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谪?fù)荷變化的初始階段，水面下汽泡的體積變化很快

43、，它對(duì)水位變化起著主要影響作用的緣故。 因此，汽包水位隨汽泡體積的增大而上升，只有當(dāng)汽泡容積與負(fù)荷適應(yīng)而不再變化時(shí)，水位的變化就僅由物料的平衡關(guān)系來決定，這時(shí)水位就隨負(fù)荷的增大而下降，呈現(xiàn)無自平衡特性。 3.4 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 D + - H 圖3-5汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)下，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可用圖3-5方框圖來表示，其傳遞函數(shù)為: 式中T2—H2變化的時(shí)間常數(shù)；K2—H2變化的傳遞函數(shù)；ε—H2的響應(yīng)速度。

44、 上面所討論的蒸汽流量擾動(dòng)下的水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，只是從蒸發(fā)強(qiáng)度變化對(duì)汽泡容積的影響方面定性的說明水位變化的特點(diǎn)。 實(shí)際上，改變汽輪機(jī)的用汽量引起的蒸汽流量的階躍擾動(dòng)，必定引起汽壓的變化，汽壓變化也會(huì)影響到水面下汽泡的體積變化，所以實(shí)際的虛假水位現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重些。 虛假水位的變化幅值與鍋爐負(fù)荷的大小有關(guān)，根據(jù)100—230 t/h中高壓鍋爐的資料，當(dāng)負(fù)荷階躍擾動(dòng)10%時(shí)，虛假水位的變化幅值可達(dá)30-40mm。可見，虛假水位的幅值是相當(dāng)大的。 3.4.1 虛假液位的原因 在鍋爐運(yùn)行過程中，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時(shí)，單從物料不平衡考慮

45、，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)下降。但因蒸汽流量與給水流量產(chǎn)生不平衡的初始階段，水位下降存在時(shí)間上的延遲，所以實(shí)際上，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水流量小于蒸汽流量，水位不但不下降，反而迅速上升，這是由于汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加造成的。這種現(xiàn)象常稱為“虛假液位”現(xiàn)象。造成“虛假液位”的原因有兩個(gè)，如圖3.4所示: h2 H h2’ h2’’ 外擾動(dòng)作用 圖3.6“虛假液位”圖 (1) 鍋爐蒸汽負(fù)荷增加使?fàn)t管和汽包中汽水混合物的汽、 水 比例發(fā)生變化(汽容積增加)而

46、引起汽包水位上升，如圖3.6中h2’曲線所示。這是引起汽包“虛假液位”的主要原因。 (2) 蒸汽流量增加，汽包汽壓下降，爐水沸點(diǎn)下降，由于爐水為飽和水汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高，如圖3-6 曲線所示。虛假液位等于與之和 。 總之，由于存在“虛假液位”現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)荷蒸汽流量增加時(shí)，汽包水位開始不但不降反而上升，即先上升后下降；當(dāng)蒸汽負(fù)荷量突然減小時(shí)，則汽包水位變化的情況相反，先降后升。 根據(jù)汽包鍋爐給水控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)，我們可以提出確定給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本思想： (1)由于對(duì)象的內(nèi)擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以水位被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則控制過程

47、中水位將出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)偏差，給水流量波動(dòng)較大。因此，對(duì)給水內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐主要考慮采用串級(jí)或其他控制方案。 (2) 由于對(duì)象在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)(外擾)時(shí)，有“虛假水位”現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動(dòng)的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負(fù)荷變化方向相反的方向變化，從而擴(kuò)大了鍋爐進(jìn)、出流量的不平衡。 正是因?yàn)橛贸Ｒ?guī)PID無法很好解決“虛假水位”現(xiàn)象，所以人們經(jīng)過多年積累的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出把模糊控制算法加入在常規(guī)PID中去解決現(xiàn)實(shí)中無法解決的“虛假水位”問題，使鍋爐汽包水位達(dá)到人們期望水平。 3.5 鍋爐汽包水位控制 汽包水位控制的目的

48、就是要克服鍋爐負(fù)荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對(duì)水位的影響，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)變化。在工業(yè)汽包水位的自動(dòng)控制中，針對(duì)不同的控制信號(hào)可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。其中，單沖量控制系統(tǒng)以汽包水位測量為唯一的控制信號(hào);雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位信號(hào)為主要控制信號(hào)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號(hào);三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)給水量控制信號(hào)作為內(nèi)環(huán)控制。 3.5.1單沖量控制系統(tǒng) 單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號(hào)為唯一的控制信號(hào)，即調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。

49、 單沖量汽包水位控制系統(tǒng)存在兩個(gè)主要問題: (1)當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時(shí)，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個(gè)錯(cuò)誤舉動(dòng)反而擴(kuò)大了汽包進(jìn)出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動(dòng)幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。 (2) 在給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動(dòng)作，又經(jīng)過一段時(shí)間延遲后才能影響到水位，導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時(shí)間長。 3.5.2雙沖量控制系統(tǒng) 在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號(hào)。引入的蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假液位”對(duì)控制的不良影響。當(dāng)蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動(dòng)作，同時(shí)有

50、助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。 3.5.3 三沖量控制系統(tǒng) 一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對(duì)就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高對(duì)汽包水位的控制。在雙沖量控制系統(tǒng)中，對(duì)于給水量的自發(fā)變化不能及時(shí)調(diào)節(jié)，只有在延遲一段時(shí)間后，給水量的擾動(dòng)才能通過汽包水位的變化反映出來。對(duì)于幾臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，幾臺(tái)鍋爐的汽包水位控制會(huì)相互影響，使得控制過程非常復(fù)雜。針對(duì)這個(gè)問題，三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了給水量信號(hào)控制。這個(gè)調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入調(diào)節(jié)信號(hào):汽包水位作為主沖量信號(hào)，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，給水流量作為內(nèi)反饋信一號(hào)。 因此，對(duì)中小型鍋爐，由于汽包

51、相對(duì)負(fù)荷而言，容量較大，水位受到擾動(dòng)后的轟應(yīng)速度比較慢，虛假水位現(xiàn)象不很嚴(yán)重。因此一般采用單沖量調(diào)節(jié)方式就可以滿足生產(chǎn)運(yùn)行的要求，但是單沖量調(diào)節(jié)方法不能克服虛假水位對(duì)水位控制的不良影響，當(dāng)蒸汽量大幅度增加時(shí)，由于假水位上升，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)不但不去開大調(diào)節(jié)閥增大給水流量，以維持物料平衡，反而去關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減小給水流量，等到虛假水位消失后，水位將更加迅速下降，顯然這是幫倒忙，在外擾作用下必將引起水位發(fā)生較大幅度波動(dòng)。為了克服虛假水位對(duì)控制的不良影響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號(hào)，所以雙沖量控制比單沖量控制更好些。然而雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對(duì)水位的影響，因?yàn)楫?dāng)給水壓力波動(dòng)時(shí)，給水流量

52、將相應(yīng)變化，此時(shí)只有待水位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。為此再引入給水流量信號(hào)，即采用三沖量水位控制回路。所以，通過分析我們發(fā)現(xiàn)三沖量控制要比單沖量控制和雙沖量控制要優(yōu)越些。 本文就是采用這種三沖量的控制方式，將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，把給水流量作為控制信號(hào)，組成汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)P工D控制對(duì)汽包運(yùn)行中出現(xiàn)的“虛假水位”現(xiàn)象無能為力，所以將模糊自整定PID控制器應(yīng)用到該三沖量控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐汽包水位的定值控制。 3.6 本章小節(jié) 鍋爐汽包水位控制特性與鍋爐的給水流量和蒸汽流量有關(guān)。本章通過對(duì)鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)特性的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲線。當(dāng)蒸汽流

53、量與給水流量不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。并通過對(duì)鍋爐汽包水位的單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制的分析，本文打算用三沖量的控制系統(tǒng)來研究鍋爐汽包水位的控制。 第四章鍋爐汽包水位控制方法設(shè)計(jì)與仿真研究 4.1仿真工具簡介 4.1.1 關(guān)于MATLAB MATLAB語言是由美國的 Clever Moler博士于 1980年開發(fā)，以后又經(jīng)多位專家加以補(bǔ)充、添加，成為功能強(qiáng)大、內(nèi)容廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。MATLAB語一言設(shè)計(jì)者的初衷是為了解決數(shù)學(xué)中“線性代數(shù)”課程的矩陣運(yùn)算問題而進(jìn)行開發(fā)的。之后控制學(xué)者們注意到了它特有的矩陣處理功能，并發(fā)現(xiàn)了用于控制理

54、論研究的功能豐富的控制系統(tǒng)專用工具箱和結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì)的SIMULINK仿真環(huán)境，使得MATLAB語言成為控制界計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有利工具。其他諸如信號(hào)處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科，也紛紛向MATLAB中加入了各種實(shí)用的專用工具，使得MATLAB語言越來越完善，功能越來越強(qiáng)大。例如在信息與控制學(xué)科中相當(dāng)活躍的模糊邏輯、小波分析、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ARMA模型技術(shù)等，在MATLAB中都有專用的工具箱.可以說，迄今為止MATLAB語言的擴(kuò)展開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，各學(xué)科的相互促進(jìn)、相互滲透使得M尤TLAB語言的應(yīng)用越來越廣泛，越來越實(shí)用。 MATLAB語言的主要特點(diǎn)如下: (1)強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能(MATTI

55、CS) (2)廣泛的符號(hào)運(yùn)算功能(SYMBOLIC) (3)高級(jí)與低級(jí)兼?zhèn)涞膱D形功能(FIGURE) (4)圖形化控制仿真程序設(shè)計(jì)功能(SIMULINK) (5)可靠的容錯(cuò)功能 (ERROR COMPATIBILITY) (6)應(yīng)用靈活的兼容與接口功能(INTERFACE) (7)信息量豐富的聯(lián)機(jī)檢索功能(INFORMATION) 4.1.2關(guān)于S1MUL1NK SIMULINK是MATLAB環(huán)境下的數(shù)字仿真工具，其文件類型為.mdl，是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)仿真，也支持具有多種采樣速率的多速率系

56、統(tǒng)仿真。SIMULINK提供了用鼠標(biāo)“畫”出系統(tǒng)框圖的方式，可以進(jìn)行圖形建模。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。SIMULINK還提供了封裝和模塊化工具，尤其適用幣復(fù)雜、多層次、高非線性的系統(tǒng)仿真。它簡化了設(shè)計(jì)過程，減輕了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，提高了仿真的集成化和可視化程度。 在SIMULINK環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時(shí)需做理想化假設(shè)的無奈，觀察到現(xiàn)實(shí)世界中摩擦、風(fēng)阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機(jī)因素對(duì)系統(tǒng)行為的影響。在SIMULINK環(huán)境中，用戶可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察系統(tǒng)行為的變化。由于SIMULINK環(huán)境使川戶擺脫了深?yuàn)W數(shù)

57、學(xué)推演的壓力和煩瑣過程的困擾，囚此用廠，在此環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思維，感悟出新的真諦。 4.1.3仿真實(shí)現(xiàn) 本文在MATLAB6.5下的SIMULINK仿真工具對(duì)鍋爐汽包水位控制系 統(tǒng)進(jìn)行仿真，因?yàn)镸ATLAB提供了基本模糊邏輯工具箱 (Fuzzylogic Toolbox)，使得建立和設(shè)計(jì)模糊控制器變得方便。模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(tǒng)(FIS)常用的工具函數(shù)，如newfis，addvar，addmf，addrule， setfis，writefis等，它包括了產(chǎn)生新的FIS，給FIS加入變量、隸

58、屬函數(shù)、規(guī)則、設(shè)置解模糊方法及存儲(chǔ)FIS等功能，用戶可以用命令調(diào)用這些函數(shù)的方式生成和編輯模糊推理系統(tǒng)，工具箱還提供了GUI(圖形用戶界面)編輯函數(shù)，利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統(tǒng)。 交互式的模型輸入與仿真環(huán)境SIMULINK工具箱是MATLAB軟件的擴(kuò)展，主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。它的windows中提供了建立系統(tǒng)模型所需的大部分類型方塊。用戶只需用鼠標(biāo)器選擇所需模塊在模型窗口上“畫出”模型(雙擊任何模塊，即可代開該功能塊來完成參數(shù)的設(shè)定)，然后用鼠標(biāo)器將它們連接起來，就可以構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的框圖描述，亦即得出系統(tǒng)的SIMULINK描述。建立起系統(tǒng)模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設(shè)置仿真控制參

59、數(shù)，啟動(dòng)仿真過程，然后通過輸出Scope(示波器)觀察系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 4.2鍋爐汽包水位的PID控制 通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的分析，采用三沖量控制系統(tǒng)有利于消除系統(tǒng)的時(shí)滯現(xiàn)象和虛假液位。同時(shí)通過實(shí)際的測量建立系統(tǒng)模型，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 (1) 給水流量主通道傳遞函數(shù): (2) 蒸汽流量干擾通道傳遞函數(shù): 水位變化范圍為±50mm,水位變送器的電流變化為0-10mA,所以水位變送器的比例系數(shù)為 給水流量和蒸汽流量變送器的比例系數(shù)為： 1. 通過估算及仿真實(shí)驗(yàn)得到：根據(jù)給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)的分流系數(shù)為0.21。 PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法

60、，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到： （1）主控制器的PID參數(shù)為=0.35 =0.002 =0.001 (2)副控制器的PID參數(shù)為=5 =150 =0.001 3、汽包水位串級(jí)三沖量PID控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)如圖5-1所示在水位傳遞函數(shù)為仿真結(jié)果如圖4-3所示： 蒸汽擾動(dòng) 給水?dāng)_動(dòng) 汽包對(duì)象 ∑ 控制器 調(diào)節(jié)閥 ∑ _ _ 圖4-1 串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)圖 該系統(tǒng)中，、 及分別為蒸汽流量變送器、給水流量變送器、差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 圖4-2

61、汽包水位串級(jí)三沖量控制仿真模塊系統(tǒng)圖 圖4-3水位給定值串級(jí)三沖量階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)的仿真圖 從MATLAB的仿真曲線可以看出，三沖量控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn): 相對(duì)PID控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求。但超調(diào)量過大，前期震蕩過大。 然而，無論何種形式的串級(jí)控制系統(tǒng)，其不足都是顯而易見的。主要是系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，參數(shù)整定不容易。 4.3模糊PID控制 典型PID只能利用一組固定參數(shù)進(jìn)行控制,這些參數(shù)不能調(diào)整動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能之間的矛盾。為此,控制系統(tǒng)引入模糊推理,在PID控制參數(shù)初值基礎(chǔ)上通過增加修正量進(jìn)行整定,改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

62、在鍋爐汽包的水位控制系統(tǒng)中，水位的給定初值為H。為1000mm，由水位傳感器測量到的水位值記為H(t)，則可以得到水位誤差E和水位誤差的變化EC為: 將E(t)和EC(t)作為水位控制器的輸入變量，輸出變量U為執(zhí)行器電動(dòng)閥門的開度。根據(jù)鍋爐汽包的實(shí)際工作情況，考慮到實(shí)際操作中，干擾因素眾多，傳感器的誤差要求將水位誤差E的范圍在一5Omm到十50mm之間，水位誤差變化率EC的范圍在-1Omm到+lOmm之間。水位控制量,即為輸出變量U，即電動(dòng)閥的開度的范圍在0%到10%之 間。 因此，鍋爐汽包水位模糊控制器的誤差E的基本論域?yàn)?[-50mm，+50mm]; 誤差變化EC的

63、基本論域?yàn)?[-10mm，+l0mm]; 誤差E所取的模糊子集的論域?yàn)?[-6,+6] 誤差EC所取的模糊子集的論域?yàn)?[-6，+6] 模糊PID控制系統(tǒng)框圖如圖4-4所示,模糊控制器以偏差e和偏差變化率 作為輸入,修正參數(shù)Δ、Δ、Δ為輸出,則PID控制器的參數(shù)、、為式[4-3]所示,其中kp0、ki0、kd0為PID初值。 則： [4-3] 模糊控制規(guī)律A PID 鍋 爐 對(duì) 象 數(shù) 據(jù) 采 集 模糊控制規(guī)律B 模糊控制規(guī)律C 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)

64、 圖4-4模糊PID原理框圖 本系統(tǒng)PID控制器 [4-4] 其中u(k)為當(dāng)前時(shí)刻的控制量，u(k-1)為上一時(shí)刻的控制量，e(k)為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測量的偏差，e(k-1)為上一時(shí)刻的偏差，e(k-2)為兩個(gè)時(shí)刻前的偏差。 在偏差論域E、偏差變化論域EC、比例系數(shù)修正參數(shù)論域Δkp、積分系數(shù)修正參數(shù)論域Δki和微分系數(shù)修正參數(shù)論域Δkd上分別定義模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并簡記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，模糊語言變量采用三角隸屬度函數(shù)。從PID控制特點(diǎn)知道：積分作用強(qiáng)，系統(tǒng)超調(diào)大，響應(yīng)快；微分作用強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，

65、超調(diào)小，抑制干擾能力下降。依據(jù)人們通過對(duì)PID控制理論的認(rèn)識(shí)和長期人工操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié).列出一組以模糊語句進(jìn)行描述的參數(shù)調(diào)整規(guī)則,針對(duì)不同的E和EC經(jīng)過清晰化處理后的，得到Δ、Δ、Δ的模糊變量賦值表如表4-4、4-5、4-6所示，使用加權(quán)平均原則將Δ、Δ、Δ經(jīng)過清晰化轉(zhuǎn)換后，代入式[4-4]得出的、、參數(shù)經(jīng)過下位機(jī)的PID控制器模塊計(jì)算并輸出當(dāng)前的控制量。 對(duì)于鍋爐汽包水位的模糊控制系統(tǒng)，我們采用常見的二維模糊控制器，即它的輸入變量是給定水位和實(shí)際水位的偏差及偏差的變化: （4—5） （4—6） 公式(4

66、-5)表示水位的偏差，其中y(k)代表設(shè)定水位。當(dāng)水位y(k)高于yr(k)時(shí)，即實(shí)際水位高于給定水位，偏差為“負(fù)”，水位高得越多則偏差負(fù)得越大;相反，y(k)低于yr(k)時(shí)，即實(shí)際水位低于給定水位，偏差為“正”，水位低得越多，則偏差正得越大。公式(4-6)表示水位偏差的變化。當(dāng)k時(shí)刻的水位偏差高于k-l時(shí)刻的水位偏差，說明水量變化在增大，即實(shí)際水位有上漲趨勢，偏差變化為“負(fù)”；相反，當(dāng)k時(shí)刻的水位偏差低于k-1時(shí)刻的水位偏差，偏差變化為“正”。輸出控制量U對(duì)應(yīng)閥門開度變化，閥門開大為“正”，表明注水量加大;反之，則閥門關(guān)閉為“負(fù)”。 輸入變量及輸出變量的模糊化 進(jìn)行模糊控制，要將上述輸入變量（精確量）和輸出變量用模糊語言變量的模糊子集表示。設(shè)輸入水位偏差用模糊語言變量的模糊集E表示，即: E = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB} 其中NB表示實(shí)際水位比給定水位很高，NM表示實(shí)際水位比給定水位高，NS表示實(shí)際水位比給定水位有點(diǎn)高，ZE表示實(shí)際水位于給定水位相等，PS表示實(shí)際水位比給水位有點(diǎn)低，PM表示實(shí)際水位比給定水位低，PB實(shí)際水位比給定水位很低。 則輸入偏差對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)? E={-6，