基于模糊PID控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的研究

1、摘要本文首先分析了影響汽包水位的各種干擾因素， 并對汽包水位的 動、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 號自消方法和輔助信號對消方法。 采用輔助信號蒸汽流量和給水流量 對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的SIMULINK仿真工具箱設(shè)計(jì)了二輸入單輸出 模糊控制器對鍋爐汽包水位進(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，對比兩種控制策略下的防真圖像，仿

2、真圖像表明后者的抗干擾能力和魯棒性更好，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A(yù)bstractThis article first analyzes the impact of the drum water level of the various interfering factors,and drum wat

3、er level of the 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 m

4、ethods to eliminate 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

5、accordance with 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 dr

6、um level,compared to two control strategies of anti-real images,simulation images show that the latters 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.Finally,

7、 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 level to

8、 the negative drum water level impact.Key words: Drum water level、PID control、fuzzy PID control, 、 water level measurement error第一章 緒論課題背景與意義目前，我國現(xiàn)有工業(yè)鍋爐幾十萬臺，各種工業(yè)爐窯十萬余臺。 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)能措施。 實(shí)踐證明， 爐窯采 用計(jì)

9、算機(jī)控制可以節(jié)能 510%。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、提高自動化水平、改善 勞動條件等優(yōu)點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對鍋爐生產(chǎn)的主要被 控參量進(jìn)行自動控制，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)熱效率高的狀態(tài)

10、。 鑒于鍋爐控制系 統(tǒng)的研究對于提高系統(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)， 水位過高會影響汽水分離， 產(chǎn)生汽帶水 現(xiàn)象; 水位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大 事故。因此，必須對汽包水位進(jìn)行自動調(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，加劇對葉 片的侵蝕。所

11、以，在鍋爐運(yùn)行中必須保持過熱汽溫的穩(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調(diào)節(jié)任務(wù) :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)。水位過高會影響汽 水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象 ; 水位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬局部過 熱而爆管，導(dǎo)致重力事故。因此，必須對汽包水位進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，把 水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。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， 對于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的

12、。 壓力過高，會加速金屬的蠕變， 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。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)。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

13、熱蒸汽溫度恒定，蒸汽 溫度過高或過低都會影響汽輪機(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 5C的范圍之內(nèi)。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。通過對工業(yè)鍋爐自動調(diào)節(jié)任務(wù)的分析， 我們知道 : 工業(yè)鍋爐的

14、汽 包水位是正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一， 汽包水位是一個(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 ; 水位過高會影響 汽包的汽水分離。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(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)動力的話， 還會 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)采用自動控制是必不可少的， 它對減輕運(yùn)行人員的勞動強(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 P

15、ID 控制在鍋爐控制中的應(yīng)用。鍋爐控制的研究現(xiàn)狀 鍋爐是電力工業(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

16、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 爐特別是中小型鍋爐還在簡單的啟動停止的狀態(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 :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。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

17、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 作用較粗糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低?；谀：?PID 控制的鍋爐控制模糊 PID 控制用在鍋爐控制中，能對不確定的條件、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) Kp， Ki ， Kd 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

18、為智能自動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)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。本文就是對模糊 PID 控制在 鍋爐控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究。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

19、 制。第二章控制方法分析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，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:圖2.1 PID控制系統(tǒng)原理圖r(t) +PID控制器的數(shù)學(xué)模型可用下式表示:u(t) =Kpe(t) 1 e(t)dt Td deTidt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象輸出值的差，稱偏差信號，即e(t)=y(t)-r(t)Kp控制器的比例系數(shù)Ti 控制器的積分時(shí)間Td 控制器的微分時(shí)間PID 對控制的影響比例P調(diào)節(jié)在P調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成正比，即u =

20、 Kpe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。Kp越大，余差越小，但是若Kp過分大，系統(tǒng)容易振蕩，甚至發(fā)散。積分I調(diào)節(jié)只有存在偏差，積分部分的控制作用就會不斷積累，輸出控 制量以消除偏差。可見，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。但積 分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制 的動態(tài)性能偏差，使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于積分時(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，

21、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)。 （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，如曲線動差大且波動慢，微分時(shí)間應(yīng)該加長；

22、 理想的曲線是有兩個(gè)波動的，前高后低，前面和后面的幅度比大約 是 4:1.模糊控制方法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詣涌刂葡到y(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 綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測

23、量不完善等，難以建立被控對象 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。對于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對象，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)行的手動控制效果好。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn) 之一就是有能力對模糊事物進(jìn)行識別和判決，看起來似乎不確切的 模糊手段常常可以達(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象 的數(shù)學(xué)模型， 但卻能十分有效地對系統(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

24、論 用于描述人的經(jīng)驗(yàn)就有著獨(dú)特的優(yōu)勢。可以把人的經(jīng)驗(yàn)用模糊條件 語句表示，然后用模糊集合理論對語一言變量進(jìn)行量化，再用模糊 推理對系統(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。模 糊控制的基本思想模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”、

25、“關(guān)得很小”這些表示水位狀態(tài)和控制閥門動作的概念都 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 （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)和知識組成的知識模型，是基于 知識的控制，因此模糊控制屬于智能控制的范疇。因此

26、可以說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識模 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。223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 :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?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。對于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制 方法易于掌握。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，

27、這些模 糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。采用模糊控制，過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，并 對過程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性2.3 模糊 PID 控制規(guī)律模糊 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ec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 不理想啦。模糊 PID 的控制規(guī)律這個(gè)

28、控制規(guī)則當(dāng)然很重要，一般經(jīng)驗(yàn)：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Kp。與較小的Kd，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取 Ki =0。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)，Kp 應(yīng) 取得小些。在這種情況下，Kd 的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大， Ki 的取值要適當(dāng)。當(dāng) e 較小時(shí)， 為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能， Kp 與 Ki 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， Kd 值的 選擇根據(jù) | ec| 值較大時(shí)， Kd 取較小值，通常 Kd 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

29、白 PID 三個(gè)參數(shù) Kp， Ki ， Kd 各自的作用， 尤其對于你控制的這個(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汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(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，會影 響汽包內(nèi)， 蒸汽帶水會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

30、 壞，局部水冷管壁被燒壞嚴(yán)重時(shí)會造成爆炸事故。所以，工業(yè)鍋爐的自動化大多數(shù)都是從汽包水位自動調(diào)節(jié)開始 的。其中鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)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、 過剩空氣系數(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； 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100200mn處，允許波動范圍為士 50mm汽包水位的高低直接影響鍋

31、爐的安全運(yùn)行和蒸汽的品質(zhì)。水位過高，會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)汽包鍋爐水位自動調(diào)節(jié)十分必要。二. 給水自動調(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，會影響省煤器和 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。鍋爐汽包水位的自動調(diào)節(jié)是根據(jù)汽包水位的動態(tài)特性來設(shè)計(jì)的。以

32、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)。引起水位變化的擾動因素很多， 但主要擾動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、 蒸汽流量和給水流量的信 號來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。引起水位變化的擾動因素很多，但主要擾動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、蒸汽流量和給水流量的 信號來進(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)信號的給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為單沖 量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；（2）以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號，蒸汽流量為補(bǔ)充信號的給水自動 調(diào)節(jié)

33、系統(tǒng)，稱為雙沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；（3）以汽包水位為主調(diào)節(jié)信號，蒸汽流量和給水流量為補(bǔ)充信號 的給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。汽包鍋爐給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)使用廠家的要求和條件，可以選用電動儀表、氣動儀表，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)在汽包鍋爐自動控制中的 應(yīng)用越來越多。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

34、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：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 藏著蒸汽和水，儲藏量的多少，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 水位變化的主要擾動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作用下給水調(diào)節(jié)對象的 動態(tài)特性。給水流量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖 3-2所示.。當(dāng)給 水流量階躍增加厶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

35、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。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 衡能力積分環(huán)節(jié)的特性。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

36、對水位調(diào)節(jié)對象在給水流量擾動下的階躍響應(yīng)曲線分析，可以把水位調(diào)節(jié)對象以方框圖3-3(a)表示，即把對象看成為是一個(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。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給水流量擾動時(shí)水位調(diào)節(jié)對象方框圖因此,給水流量擾動下的汽包水位的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為:G HW ( S)H(S)=二W(S) SST1 SS(1 S)公式中T 遲延時(shí)間(s) 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 T和可由水位響應(yīng)曲線上求得。總之，當(dāng)給水流量擾動時(shí)，水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性表現(xiàn)為有

37、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。動態(tài)特性參 數(shù)二和的數(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。給水流量的調(diào)節(jié)方式在蒸汽流量D擾動下水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖 3-4所示DI DOrt圖 3-4 蒸汽流量 D 擾動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

38、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，都會使水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：在負(fù)荷突然增加時(shí)，雖然鍋爐

39、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，它對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)系來決疋，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示，其傳遞函數(shù)為:Ghd*器=光二汽包水位的動態(tài)特性K2/1 “)+VC1 b / s圖3-5汽包水位的動態(tài)特性蒸汽流量擾動下，汽包水位的動態(tài)特性可用圖3-5方框圖來表式中

40、T2 H2變化的時(shí)間常數(shù)；K2-H2變化的傳遞函數(shù)；H2的響應(yīng)速度。上面所討論的蒸汽流量擾動下的水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性，只是從蒸發(fā)強(qiáng)度變化對汽泡容積的影響方面定性的說明水位變化的特 占八、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，必定引起汽壓的變化，汽壓變化也會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 10%寸，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。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，汽包中蒸

41、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：外擾動作用圖 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)而引起汽包水位上升，如圖3.6中h；曲 線所示。這是引起汽包“虛假液位”的主要原因。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

42、包水位隨壓力下降而升高，如圖 3-6 h2 曲線所示。 虛假液位h；等于h；與h；之和?？傊捎诖嬖凇疤摷僖何弧爆F(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象動態(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) 由于對象的內(nèi)擾動動態(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)， 則控制過程中水位將 出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大。因此，對給水內(nèi)擾動態(tài)特 性遲延和慣性大的鍋爐主要考慮采用串級或其他控制方案。(；) 由

43、于對象在蒸汽負(fù)荷擾動 ( 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)汽包水位的自動控制

44、中， 針對不同的控制信號可以有 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 ; 雙沖量控制系統(tǒng)在汽包 水位信號為主要控制信號的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號 ; 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)給水量控制信號作 為內(nèi)環(huán)控制。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為唯一的控制信號，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)。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

45、假”上升而減少給水量，這個(gè)錯誤舉動反 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幅度增 大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。(2) 在給水?dāng)_動時(shí)， 調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動作， 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。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。引 入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對控制的不良影響。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作， 同時(shí)有助于 改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。三沖量控制系統(tǒng) 一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對就越小，允許的蓄 水量就更小，這就要求提高對汽

46、包水位的控制。 在雙沖量控制系統(tǒng)中， 對于給水量的自發(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 量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。 對于幾臺鍋爐并列運(yùn)行 時(shí)，幾臺鍋爐的汽包水位控制會相互影響，使得控制過程非常復(fù)雜。 針對這個(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) 了給水量信號控制。這個(gè)調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入調(diào)節(jié)信號 : 汽包水位作 為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號， 給水流量作為內(nèi)反饋信一號。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負(fù)荷而言，容量較大，水位 受到擾動后的轟應(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

47、沖量調(diào)節(jié)方法 不能克服虛假水位對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。 為了克服虛假水位對控制的不良影 響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號， 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水位的影 響，因?yàn)楫?dāng)給水壓力波動時(shí)，給水流量將相應(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， 即采用三 沖量水位控制回路。 所

48、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，把給水流量作為控制信號，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 章通過對鍋爐汽包水位動態(tài)特性的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲 線。當(dāng)蒸汽流量與給水流量不平衡時(shí)，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。并 通過對鍋爐汽包水位的單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制的

49、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)與仿真研究仿真工具簡介關(guān)于 MATLABMATLA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。MATLA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 MATLA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

50、處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科，也紛紛向 MATLA中加入了各種實(shí)用的專用 工具，使得MATLA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都有專用的工具箱.可以說，迄今為 止MATLA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。MATLA語言的主要特點(diǎn)如下：強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能 (MATTICS)廣泛的符號運(yùn)算功能 (SYMBOLIC)高級與低級兼?zhèn)涞膱D形功能 (FIGURE)圖形化控制仿真程序設(shè)計(jì)功能 (SIMULINK)可靠的容錯功能 (E

51、RROR COMPATIBILITY)應(yīng)用靈活的兼容與接口功能 (INTERFACE)信息量豐富的聯(lián)機(jī)檢索功能 (INFORMATION)關(guān)于 S1MUL1NKSIMULINK是MATLAB境下的數(shù)字仿真工具，其文件類型為.mdl , 是一個(gè)用來對動態(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、

52、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)境使川戶擺脫了深奧數(shù)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。仿真實(shí)現(xiàn) 本文在MATLAB6.5下的SIMULINK仿真工具對鍋爐汽包水位控制系 統(tǒng)進(jìn)行仿

53、真，因?yàn)镸ATLA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、隸屬函數(shù)、規(guī)則、設(shè)置解模糊方法及存儲 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 GU I （圖形用戶界面 ） 編輯函數(shù)，利用它用戶可以更直觀

54、迅速地 生成系統(tǒng)。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境 SIMULINKX具箱是MATLAB件 的擴(kuò)展，主要用于動態(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苗述。建立起系統(tǒng)模型后，用戶 可通過選擇仿真菜單設(shè)置仿真控制參數(shù)， 啟動仿真過程， 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控制通過對實(shí)際系統(tǒng)的分析，采用三沖量控制系統(tǒng)有利于

55、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)：0.037S(1 30 S)蒸汽流量干擾通道傳遞函數(shù)：-3.60.037G1 15S S水位變化范圍為士 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 心二旦 =0.012漢50給水流量和蒸汽流量變送器的比例系數(shù)為：Kd二Kw二0.0151.通過估算及仿真實(shí)驗(yàn)得到：根據(jù) Ek。二給水流量信號和蒸汽流量信號的分流系數(shù)為0.21。PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到： 主控制器的 PID參數(shù)為 Kp=0.35Ki =0.002 Kd =0.0

56、01副控制器的PID參數(shù)為 心=5 Ki =150 Kd=0.0013、汽包水位串級三沖量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G(S)四7仿真結(jié)s(30s+1)果如圖4-3所示:蒸汽擾動G2（s） D控制器汽包對象Gi(s)圖4-1串級三沖量控制系統(tǒng)圖該系統(tǒng)中，D、W及H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汽包水位串級三沖量控制仿真模塊系統(tǒng)圖Fiu廠卻1B El Q曰1巴 Edit iew Insert Tools Desktop Window lelp ra a fe毆蟲晳運(yùn)）硬 1=3Step Response.8.6d o o _nLlpn

57、luv5.圖4-3水位給定值串級三沖量階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)的仿真圖從MATLA啲仿真曲線可以看出，三沖量控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：相對PID控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)好，能有效地滿足系統(tǒng)對快速性、 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)動態(tài)性能和 穩(wěn)態(tài)性能。在鍋爐汽包的水位控制系統(tǒng)中， 水位的給定初值為H。為1

58、000mm 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：E(t) =H(t)HEC(t) =E(t)-E(t-1)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 50mr到十50mn之間，水位誤差變化率 EC的范圍在-10mm到+IOmn之間。水 位控制量，即為輸出變量U,即電動閥的開度的范圍在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的基本論域?yàn)?

59、-10mm， +I0mm;誤差E所取的模糊子集的論域?yàn)椋翰?,+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ec作為輸入，修正參數(shù) kp、 K、 kd為輸出，則PID控 制器的參數(shù)kp、ki、kd為式4-3所示，其中kp0、ki0、kd0為PID初 值。則：kp =kp kpkd =尬&4-3鍋 爐 對 象數(shù)據(jù)采集計(jì)算e(k)模糊控制規(guī)律AKi Kd *kp = kp。.= kpPID執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖4-4模糊PID原理框圖本系統(tǒng)PID控制器u(k) =u(k -1) kp e(k) _e(k -1) I K&k) kde(k)

60、-2e(k -1) e(k -2) 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 kp、 積分系數(shù)修正參數(shù)論域 ki和微分系數(shù)修正參數(shù)論域 kd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，超調(diào)小，抑制干擾能力下降。依據(jù)人們通過對PI