鍋爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

1、海 南 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）題 目： 鍋爐汽包三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計 學(xué) 號： B0736045 姓 名： 趙亞光 年 級： 2007級 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)老師： 儲春華 完成日期： 2011年5月21日 2626鍋爐汽包三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計摘 要在現(xiàn)代工業(yè)的自動化控制領(lǐng)域中，蒸汽鍋爐扮演著十分重要的角色。鍋爐控制領(lǐng)域中，用PI-PID串級控制器實現(xiàn)對蒸汽鍋爐給水系統(tǒng)的控制可以有效的解決實際系統(tǒng)中出現(xiàn)的一系列問題。在這個過程當(dāng)中，三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以很好的控制鍋爐汽包水位，使蒸汽鍋爐汽包水位在給水流量、蒸汽流量、給定水位信號的作用下響應(yīng)的快速性、穩(wěn)

2、定性、動態(tài)性能好。本設(shè)計采用經(jīng)驗法選用合適的參數(shù)并經(jīng)過處理，通過matlab軟件編程得到其仿真圖像，經(jīng)過計算和分析之后確定出合適的整定參數(shù)以實現(xiàn)滿意的效果。關(guān)鍵詞：三沖量；PI-PID串級控制；matlab仿真；參數(shù)整定；蒸汽鍋爐Abstract In modern industrial automation and control, the steam boiler plays an important role.Boiler control areas, with the PI-PID cascade controller for the steam boiler feed water c

3、ontrol system can effectively solve real system in the range of issues.In the process, the three impulse control system can be well controlled boiler feed water to make steam boiler feed water in the water flow, steam flow, water level signal given under the fast response, stability, good dynamic pe

4、rformance.Empirical method used in this design the appropriate choice of parameters and processed by software programming by the simulation matlab image, has been calculated and analyzed, to determine the appropriate tuning parameters to achieve satisfactory results.Keywords: Three impulses; PI-PID

5、cascade control; Matlab simulation; Parameter tuning; Steam boiler目 錄1 前言11.1 課題背景11.2 蒸汽鍋爐及其三沖量簡介21.3汽包水位的動態(tài)特性41.3.1汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性41.3.2汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性41.3.3汽包水位在爐膛熱負(fù)荷作用下的動態(tài)特性42 鍋爐汽包液位三沖量控制設(shè)計5 2.1單沖量控制系統(tǒng)52.2雙沖量控制系統(tǒng)52.3三沖量控制系統(tǒng)53 鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)Matlab仿真63.1 PID控制器的原理63.1.1 比例（P）控制73.1.2 積分（I）控制73.

6、1.3 微分（D）控制83.2 PID控制器的參數(shù)整定83.3 控制作用的仿真分析113.3.1 給水閥的P控制113.3.2 給水閥的PI控制123.3.3給水閥和外環(huán)蒸汽流量組成的系統(tǒng)的PID控制124結(jié)束語19致謝20參考文獻(xiàn)21附錄221 前言鍋爐廣泛應(yīng)用在化工，造船，制藥，生物，科研等方面，所以對鍋爐的研究具有很大的前景。鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，長期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。其任務(wù)就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，從而產(chǎn)生出一定數(shù)量和質(zhì)量(溫度和壓力)的蒸汽。根據(jù)鍋爐在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，可將其分為電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、生活鍋爐等。其中，工業(yè)

7、蒸汽鍋爐汽包水位是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。水位過高，會影響汽水分離裝置的正常工作，易使蒸汽帶水并有溢出危險；水位過低，則會破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面，易燒干鍋而發(fā)生嚴(yán)重事故。因此，維持鍋爐汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標(biāo)之一。因此,必須采取自動調(diào)節(jié),嚴(yán)格控制汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)。伴隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的發(fā)展，蒸汽鍋爐也向著大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。為確保安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，對鍋爐設(shè)備的高自動化控制就顯得十分重要。本文就是通過matlab軟件研究合適的PID的整定參數(shù)來實現(xiàn)對鍋爐的給水，液位和蒸汽三沖量實現(xiàn)控制以使鍋爐達(dá)到工作狀態(tài)穩(wěn)

8、，反應(yīng)速度快，動態(tài)性能好的特點，從而使鍋爐的工作在減輕工作人員勞動量的同時更好的完成工作效率。1.1 課題背景目前，許多工業(yè)鍋爐仍靠人加上常規(guī)儀表進(jìn)行操作和監(jiān)控。工人勞動強度大，生產(chǎn)條件差，很難保證安全生產(chǎn)，而且效率差，造成很大的資源浪費，把握不住節(jié)奏達(dá)不到效果。而且，鍋爐的給水、反饋、前饋調(diào)節(jié)都應(yīng)該在效率更高的情況下來工作，這樣才能更好的解決在蒸汽鍋爐的工作過程中出現(xiàn)的一系列的問題。為了更好的達(dá)到這個目的我考慮采用matlab這個軟件根據(jù)鍋爐三沖量的過程進(jìn)行編程，并對其分別進(jìn)行P、PI、PID仿真來找到實現(xiàn)對汽包鍋爐三沖量的最佳效果的整定參數(shù)。最后，我們只需通過對計算機中反映出來的整定參數(shù)進(jìn)

9、行合理的處理就可以很輕松的實現(xiàn)鍋爐汽包給水的自動化控制，省去了傳統(tǒng)方法反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)試運行的環(huán)節(jié)，方便、快捷、省時、直觀。1.2 蒸汽鍋爐及其三沖量簡介鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量（汽壓，汽溫）和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機、壓縮機、泵類驅(qū)動透平的動力源。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。鍋就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如圖1所示。由汽包、下降管、過熱器、上升管、給水調(diào)節(jié)閥、給水母管、蒸汽母管、蒸汽閥門及PID控制器等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量

10、，使溫度升到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱，升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。圖1 蒸汽鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)圖根據(jù)上圖我查了下資料找了下關(guān)于此圖的傳遞函數(shù)，其內(nèi)容為下：圖中給水量W與鍋爐汽包水位H的傳遞函數(shù)為：蒸汽流量D與鍋爐汽包水位H的傳遞函數(shù)為：給水流量變送器傳遞函數(shù)：汽包水位變送器傳遞函數(shù)為：動態(tài)前

11、饋補償傳遞函數(shù)為：根據(jù)以上的函數(shù)我將這些函數(shù)根據(jù)其內(nèi)容化成原理圖如下所示： 圖2 鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)框圖三沖量即圖中L為汽包液位，F(xiàn)w為給水流量，F(xiàn)s為蒸汽流量。其中，液位L為主變量，F(xiàn)w和Fs為輔助變量。根據(jù)圖Fs為前饋擾動變量，F(xiàn)w為超前反饋變量。在給水量不變的情況下，當(dāng)蒸發(fā)量增加時，液位下降。當(dāng)蒸發(fā)量不變時，隨著給水量的增加，液位增加。所以，合理調(diào)節(jié)蒸發(fā)量和給水量的關(guān)系，能夠控制液位的變化，從而達(dá)到合理的預(yù)想的目的。汽包水位是鍋爐運行的主要指標(biāo)，是一個非常重要的被控變量，維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐正常運行的首要條件。水位過高時，飽和水蒸氣帶水過多，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，影

12、響運行的安全性和經(jīng)濟性。水位過低時，說明汽包內(nèi)的水量過少，當(dāng)負(fù)荷較大時，水的汽化速度加快，如不及時補水調(diào)節(jié)，就會使汽包內(nèi)水全部汽化，導(dǎo)致爐管損壞，甚至引起爆炸。因此，對汽包內(nèi)鍋爐水位控制要求比較高，鍋爐給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 1.3汽包水位的動態(tài)特性 1.3.1汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性 由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽包容積有所減少。當(dāng)水位下氣泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升，直到水位下汽包容積不再變化時，水位的變化就完全反映了由于儲水量的增加而逐漸上升的過程。 1.3.2汽包水位

13、在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性 在蒸汽流量S擾動作用下，當(dāng)蒸汽流量突然增加時，從鍋爐的水位平衡關(guān)系來看，蒸汽量小于給水量，水位應(yīng)下降。但實際情況并非如此，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，由于氣泡容積增加而使水位變化。當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，亦然)，這種現(xiàn)象稱之為“虛假液位”。應(yīng)當(dāng)指出的是：當(dāng)負(fù)荷突然變化時，水位下汽泡容積變化而引起水位的變化速度是很快的，一般為1020秒。變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比，這給控制帶來一定困難，在設(shè)計控制方案時，必須加以注意。 1.3.3汽包水位在爐膛熱負(fù)荷

14、作用下的動態(tài)特性 當(dāng)燃料量突然增加時，傳給鍋爐水的熱量也增多，上升管的蒸發(fā)強度增大，使蒸發(fā)面下的氣泡膨脹，液位上升，隨之蒸汽流量及汽包壓力增加，但是給水流量并沒增加，因而這種液位變化也屬于“虛假液位”。當(dāng)熱量和水量在爐內(nèi)重新達(dá)到平衡時，液位才慢慢回降。然而這種由于燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小，而且熱負(fù)荷可由蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來保證，因而這種擾動的因素是次要的。2鍋爐汽包液位三沖量控制設(shè)計先介紹幾種鍋爐汽包水位的控制方案。 2.1單沖量控制系統(tǒng) 單沖量控制系統(tǒng)(沖量一詞指的是變量,單沖量即汽包液位)是采用汽包液位直接控制給水調(diào)節(jié)閥。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少,容易實現(xiàn),用于小型低壓鍋爐。因為這

15、種鍋爐的蒸汽負(fù)荷比較穩(wěn)定,汽包的相對容積大,用戶對蒸汽的要求往往不十分嚴(yán)格,該控制系統(tǒng)若再配上一些報警聯(lián)鎖裝置,也可以滿足生產(chǎn)要求。應(yīng)當(dāng)注意的是在停留時間較短，負(fù)荷變化較大時，就不能采用單沖量液位控制系統(tǒng)。 2.2雙沖量控制系統(tǒng) 在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負(fù)荷的變化，那么引入蒸汽流量來校正,不僅可以補償“虛假液位”所引起的誤動作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動作及時,這就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽流量加大時,給水流量亦要相應(yīng)增加,此時選用給水閥,加法器的輸出應(yīng)增加,即應(yīng)該取正號。雙沖量控制系統(tǒng)有兩個缺點:(

16、1)調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定完全是線性，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難；(2)對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償。 綜上所述，這兩種控制還是比較欠缺工作特性不能成線性，且工作特性得不到補償，且對大的負(fù)荷，工作不很穩(wěn)定的缺點，要對給水鍋爐更好的控制我覺得還是采用三沖量控制比較好。為此將引人給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。 2.3三沖量控制系統(tǒng) (1)三沖量控制方案（一）前饋(蒸汽流量)加反饋(液位，給水流量)控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)可看作三沖量的綜合信號作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，則負(fù)荷變化時，水位將有余差。宜作為一般鍋爐液位的控制方案，

17、其特點是使用的設(shè)備少，整定方法比較簡單，調(diào)節(jié)機構(gòu)動作比較平穩(wěn)。 (2)三沖量控制方案（二）蒸汽流量前饋給水流量控制系統(tǒng)。與方案I比較，其加法器從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后，即使出現(xiàn)物料不平衡的現(xiàn)象，只要液位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差。 （3）三沖量控制方案（三）蒸汽流量前饋液位與給水流量控制組成的控制系統(tǒng)。采用這種控制方案，在負(fù)荷變化時給水流量會及時做出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)時間也比較短，對于克服“虛假液位”的動態(tài)偏差有進(jìn)一步的好處。適用于大容量高壓鍋爐，而且要求水位控制嚴(yán)格的場合。經(jīng)過以上分析擬采取三沖量的方案（三）用matlab仿真技術(shù)選取合適的蒸汽鍋爐工作的PID的參數(shù)整定。3鍋爐汽包液位三

18、沖量控制系統(tǒng)Matlab仿真Matlab軟件是由美國mathworks公司推出的一款大型的仿真軟件，如今在科學(xué)計算領(lǐng)域有很大的作用，如今用matlab這個仿真軟件對鍋爐的傳遞函數(shù)控制量進(jìn)行比例、微分、積分的一系列仿真，最終取其最佳值PID的整定參數(shù)，并通過對其獲得的參數(shù)的控制來達(dá)到蒸汽鍋爐給水自動化的目的。3.1 PID控制器的原理PID控制器又叫PID調(diào)節(jié)器，是按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器的簡稱。 它主要針對控制對象進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。為了對蒸汽鍋爐的控制達(dá)到算法簡單、穩(wěn)定性好、工作性好、反應(yīng)快、動態(tài)性能好，我們采用PID的參數(shù)整定方法。即利用MATLAB強大的仿真能力，快速的找到使系

19、統(tǒng)達(dá)到滿意性能指標(biāo)的參數(shù)。具體情況如下：當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能被完全掌控，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器就是根據(jù)設(shè)定值與實際值的誤差，利用比例（P）、積分（I）、微分（D）等基本控制規(guī)律，或者把它們適當(dāng)配合形成PI或PID的混合控制規(guī)律，使控制系統(tǒng)達(dá)到指標(biāo)要求?？刂葡到y(tǒng)大多都有儲能元件，這就使系統(tǒng)對外界的響應(yīng)有一定的慣性，且能量和信息在傳遞和轉(zhuǎn)化的過程中，由于管道、距離等原因也會造成時間上的延遲。所以，按偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，很難取得理想的控制效果，因此引入比例積分(PI)調(diào)節(jié)以提高精度，引入比例微分（PD）來消除系統(tǒng)慣性的影響（文中這步省略）。這就形成了按

20、偏差的PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。下圖是典型的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在PID調(diào)節(jié)器作用下，對誤差信號分別進(jìn)行比例、積分、微分組合控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對象的輸入控制量。PID控制算法的模式表達(dá)式為：相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：式中Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。在傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器中，確定Kp、Ti和Td三個參數(shù)的值是對系統(tǒng)進(jìn)行控制的關(guān)鍵。因此，控制最主要的問題是參數(shù)整定問題，在PID參數(shù)進(jìn)行整定時，若用理論方法確定PID的參數(shù)當(dāng)然最為理想，但實際應(yīng)用中，更多的是通過試湊法和經(jīng)驗法來確定PID的參數(shù)。而利用MATLAB強大的仿真工具箱的功能，可以方便的解決參數(shù)整定問題。3.1.1 比例（

21、P）控制比例控制是一種最簡單的控制系統(tǒng)，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state Error）。3.1.2 積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入的誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System With Steady-State Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項的誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項誤差會增大。這樣，即使誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增大，它推動控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)

22、誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。3.1.3 微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即控制的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩甚至失穩(wěn)，原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（環(huán)節(jié)）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分

23、的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例加微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。綜上所述，PID控制器能使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定、快速、動態(tài)性能好的特點。文中采用PI-PID串級控制如下圖所示。圖3 給水鍋爐系統(tǒng)PI-PID 控制原理圖3.2 PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，也是最困難的部分。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)Td的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法目前使用廣泛的試湊法是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

24、程度，邊觀察系統(tǒng)運行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。一般情況下，增大比例系數(shù)會加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)。減小積分系數(shù)Ti將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。增加微分系數(shù)Td有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，是超調(diào)減少、穩(wěn)定性增加，但對干擾的抑制能力會減弱。在使用試湊法時，可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分、再微分的整定。1)確定比例系數(shù)Kp。在確定比例系數(shù)Kp時，首先去掉PID的積分項和微分項，可以Ti=0，Td=O，使之成為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許輸出最大值的6070，比例系數(shù)Kp由0開始逐漸增大，直

25、至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的比例系數(shù)Kp，設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的60一70。2)確定積分時間常數(shù)Ti。在比例系數(shù)Kp確定之后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，再反過來，逐漸增大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的值，設(shè)定PID的積分時間常數(shù)正為當(dāng)前值的150一180。3)確定微分時間常數(shù)Td。微分時間常數(shù)Td一般取0即可，此時PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為PI調(diào)節(jié)。如果需要設(shè)定，取其不振蕩時值的30。32用經(jīng)驗數(shù)據(jù)法確定PID控制器參數(shù)PID控制器的參數(shù)整定不是唯一的，事實上比例、積分和微分3部分的作用相互

26、影響。從應(yīng)用的角度看，只要被控對象主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求即可。為此根據(jù)長期的實踐經(jīng)驗，人們發(fā)現(xiàn)，各種不同被控對象的PID參數(shù)都有一定的范圍。這就給現(xiàn)場調(diào)試提供了一個基準(zhǔn)。表1給出了幾種常被控量PID參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，僅供參考。表1 幾種常見被控量PID參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù) 這樣4個參數(shù)的整定問題就簡化為一個參數(shù)的整定問題了，改變數(shù)值，觀察效果，直到滿意為止，就可以確定參數(shù)值。綜上所述，PID控制器中參數(shù)整定的取值對系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響作用可以簡單概括為三點：1)Kp的影響。比例控制能迅速產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差Kp的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得調(diào)節(jié)時間延

27、長。相反，若Kp太小會使系統(tǒng)動作緩慢。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，如果加大Kp，可提高控制精度，減小誤差。2)Ti的影響。積分控制主要用于消除靜差。Ti太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ti偏小，振蕩次數(shù)較多，超調(diào)量較大；Ti太大，對系統(tǒng)性能的影響減??；Ti合適時，過渡過程特性比較理想。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，Ti太大時，消除靜差太慢；Ti太??；系統(tǒng)不穩(wěn)定。3)Td的影響。微分控制根據(jù)誤差變化速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)。當(dāng)Td增大時，動態(tài)性能得到改善。但當(dāng)Td太大時，系統(tǒng)不穩(wěn)；Td太小，調(diào)節(jié)改善不大。根據(jù)經(jīng)驗法取了幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行整定，通過matlab進(jìn)行仿真，找出適合的參數(shù)。3.3 控制作用的仿真分析因為鍋爐控制中給水閥這

28、塊的控制是非常關(guān)鍵的，所以我認(rèn)為從給水閥這塊出發(fā)先對其進(jìn)行P、PI、PID各個環(huán)節(jié)的仿真。3.3.1 給水閥的P控制要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制應(yīng)先確定對這個系統(tǒng)中其關(guān)鍵部分的給水閥進(jìn)行控制，即確定對內(nèi)環(huán)（如下圖所示）的控制，實現(xiàn)這個步驟，我根據(jù)上面提到的經(jīng)驗法選了三組數(shù)據(jù)通過仿真的方法找到最合適的整定參數(shù)來確定對內(nèi)環(huán)的比例(P)的控制。 圖4 給水閥控制框圖為了達(dá)到這個目的，我根據(jù)圖編程如下： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); G3=2*G1/(1+2*G1*G2); G4=3*G1/(1+3*G1*G2); G5=4*G1/(1+4*G1*G2); t=

29、0:0.1:2; y=step(G3,t); z=step(G4,t); s=step(G5,t); plot(t,y,r*-,t,z,b+:,t,s,go-.); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(給水量); title(內(nèi)環(huán)的P 控制); gtext(Kp=2) gtext(Kp=3) gtext(Kp=4)根據(jù)以上的程序我得到的仿真圖像如下圖所示： 圖5 給水閥門比例（P）環(huán)節(jié)控制的matlab仿真圖形（其中o型的為Kp=4;+型的為Kp=3;*型的為Kp=2）由運行該程序后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可知，鍋爐給水控制系統(tǒng)中P控制器的參數(shù)值Kp選用4時可以提

30、高響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度。3.3.2 給水閥的PI控制其實我們想對給水閥達(dá)到快速的控制之外，還希望他工作能穩(wěn)定，即要對其進(jìn)行穩(wěn)定性的控制，要達(dá)到這個目的就要選用合適的積分（Ti）值，和上面的方法一樣。利用matlab軟件對其進(jìn)行仿真，只不過這次是建立在對給水閥快速性的基礎(chǔ)上要對其進(jìn)行穩(wěn)定性的控制。為了達(dá)到這個目的我編程序如下： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); Kp=4; G3=tf(Kp*100 1,100 0); G4=tf(Kp*300 1,300 0); G5=tf(Kp*500 1,500 0); G6=G1*G3/(1+G1*G2*G3); G

31、7=G1*G4/(1+G1*G2*G4); G8=G1*G5/(1+G1*G2*G5); t=0:0.1:4; y=step(G6,t); z=step(G7,t); s=step(G8,t); plot(t,y,r*-,t,z,b+:,t,s,go-.); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(給水量); title(內(nèi)環(huán)的PI 控制);其仿真圖像如下所示：圖6 給水閥比例積分（PI）環(huán)節(jié)控制的matlab仿真圖（其中o型的為Ti=500;+型的為Ti=300;*型的為Ti=100）由運行該程序后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可知，為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制

32、精度，鍋爐控制系統(tǒng)中PID控制器的參數(shù)乃應(yīng)選用100。由于從給水閥的比例積分（PI）環(huán)節(jié)控制的仿真圖上看出，內(nèi)環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定，精度也高，沒有必要對其再進(jìn)行微分環(huán)節(jié)的控制，所以內(nèi)環(huán)控制為PI控制。3.3.3給水閥和外環(huán)蒸汽流量組成的系統(tǒng)的PID控制1、給水閥和外環(huán)蒸汽流量組成的系統(tǒng)的P控制由于考慮到在整個系統(tǒng)中，給水閥這塊的控制比較重要，有上面的仿真效果可得知，內(nèi)環(huán)在PI的控制作用下已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)反應(yīng)快、穩(wěn)定的效果。所以在外環(huán)，我覺得由于蒸汽相對于給水閥對鍋爐的影響來說，在給水量這塊的影響可以忽略，主要的影響是在擾動這塊，即對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的精度的影響。所以我認(rèn)為這里Kp應(yīng)為1，討論的

33、整定方法應(yīng)為積分（I）和微分（D）的作用。2、給水閥和外環(huán)蒸汽流量組成的系統(tǒng)的PI控制此時。根據(jù)框圖對其進(jìn)行編程如下所示： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); Kp=4; Ti=500; Gc1=tf(Kp*Ti 1,Ti 0); G3=Gc1*G1/(1+Gc1*G1*G2); G4=tf(0.053,8.5 1 0); G5=tf(1.01,0.36 1); G6=tf(-3.36675 1.615 -0.075,44.89 13.4 1 0); G2c=tf(30 1,30 0); G3c=tf(50 1,50 0); G4c=tf(70 1,70

34、 0); G7=G2c*G3*G4*G5; G8=G3c*G3*G4*G5; G9=G4c*G3*G4*G5; G10=1/(1+G7); G11=1/(1+G8); G12=1/(1+G9); G13=G6*G10; G14=G6*G11; G15=G6*G12; t=0:10:1000; y=step(G13,t); z=step(G14,t); s=step(G15,t); plot(t,y,r*-,t,z,b+:,t,s,go-.); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(液位); title(蒸汽鍋爐PI-PI 控制); gtext(T1i=30)

35、gtext(T1i=50) gtext(T1i=70) 圖7 蒸汽鍋爐PI-PI控制的matlab仿真圖 （其中o型的為T1i=70;+型的為T1i=50;*型的為T1i=30） 從使系統(tǒng)的運作達(dá)到反應(yīng)快速，穩(wěn)態(tài)誤差精度以及系統(tǒng)震蕩的角度出發(fā)，T1i=50符合要求。3、給水閥和外環(huán)蒸汽流量組成的系統(tǒng)的PID控制由上面得到式子。結(jié)合框圖得到以下程序： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); Kp=4; Ti=500; Gc1=tf(Kp*Ti 1,Ti 0); G3=Gc1*G1/(1+Gc1*G1*G2); G4=tf(0.053,8.5 1 0); G5=

36、tf(1.01,0.36 1); G6=tf(-3.36675 1.615 -0.075,44.89 13.4 1 0); T1i=50; G2c=tf(50*50 50 1,50 0); G3c=tf(100*50 50 1,50 0); G4c=tf(150*50 50 1,50 0); G7=G2c*G3*G4*G5; G8=G3c*G3*G4*G5; G9=G4c*G3*G4*G5; G10=1/(1+G7); G11=1/(1+G8); G12=1/(1+G9); G13=G6*G10; G14=G6*G11; G15=G6*G12; t=0:30:2500; y=step(G13,

37、t); z=step(G14,t); s=step(G15,t); plot(t,y,r*-,t,z,b+:,t,s,go-.); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(液位); title(蒸汽鍋爐PI-PID 控制); gtext(Td1=50) gtext(Td1=100) gtext(Td1=150) 圖8 蒸汽鍋爐PI-PID控制的matlab仿真圖（其中o型的為Td1=150;+型的為Td1=100;*型的為Td1=50） 由運行該程序后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(上圖)可知，給水控制系統(tǒng)中提高響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，改

38、善系統(tǒng)的動態(tài)性能。如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，給水控制系統(tǒng)中PID控制器的Td1參數(shù)值應(yīng)選用100。將內(nèi)環(huán)無PI控制、內(nèi)環(huán)PI控制以及外環(huán)PID控制系統(tǒng)的matlab仿真圖像進(jìn)行比較：內(nèi)環(huán)無PI控制程序： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); G3=G1/(1+G1*G2); G4=tf(0.053,8.5 1 0); G5=tf(1.01,0.36 1); G6=tf(-3.36675 1.615 -0.075,44.89 13.4 1 0); G7=G3*G4*G5; G8=1/(1+G7); G=G6*G8; t=0:20:1800; y=step(

39、G,t); plot(t,y,r*-); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(給水量); title(內(nèi)環(huán)無PI 的給水控制) 圖9 內(nèi)環(huán)無PI控制的matlab仿真圖內(nèi)環(huán)PI控制程序： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); G3=tf(400 1,100 0); G4=G1*G3/(1+G1*G2*G3); G5=tf(0.053,8.5 1 0); G6=tf(1.01,0.36 1); G7=tf(-3.36675 1.615 -0.075,44.89 13.4 1 0); G8=G4*G5*G6; G9=1/(1

40、+G8); G=G7*G9; t=0:50:3500; y=step(G,t); plot(t,y,r*-); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(給水量); title(內(nèi)環(huán)的PI 控制); 圖10 內(nèi)環(huán)PI控制的matlab仿真圖外環(huán)PID、內(nèi)環(huán)PI控制程序： G1=tf(0.1,0.36 1); G2=tf(0.05,0.3 1); G3=tf(400 1,100 0); G4=G1*G3/(1+G1*G2*G3); G5=tf(0.053,8.5 1 0); G6=tf(1.01,0.36 1); G7=tf(-3.36675 1.615 -0.07

41、5,44.89 13.4 1 0); G8=tf(5000 50 1,50 0); G9=G4*G5*G6*G8; G10=1/(1+G9); G=G7*G10; t=0:50:4500; y=step(G,t); plot(t,y,r*-); hold on grid on; xlabel(時間); ylabel(液位); title(鍋爐給水系統(tǒng)PI-PID 控制);圖11 蒸汽鍋爐外環(huán)PID-PI控制的matlab仿真圖上面的三個圖進(jìn)行比較，加了內(nèi)環(huán)PI的效果比沒加時的效果好的多，添加了外環(huán)PID控制使系統(tǒng)更加理想。4結(jié)束語 通過在本課題中對鍋爐汽包水位系統(tǒng)三沖量控制的探究分析可知，用串聯(lián)的PI-PID控制技術(shù)實現(xiàn)鍋爐汽包水位三沖量的控制，以達(dá)到系統(tǒng)反應(yīng)迅速、穩(wěn)定性好、具有良好的動態(tài)性能的功能是可以實現(xiàn)的。通過經(jīng)驗法，用matlab軟件對既取的參數(shù)進(jìn)行編程仿真，找到最佳數(shù)值來實現(xiàn)對鍋爐給水系統(tǒng)的控制。1） 利用MATLAB對PID參數(shù)進(jìn)行整定和仿真，省去了傳統(tǒng)方法反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)試運行，方便、快捷、省時、直觀。2） 增大比例系數(shù)Kp將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差，但是過大會使系統(tǒng)有較大的超調(diào),使穩(wěn)定性變壞；Kp取值過小，會使系統(tǒng)的動作緩慢。3)增大積分時間Ti有利于減小超調(diào)，減小