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、靜態特性進行分析。介紹了傳統的pid控制方式，由于鍋爐汽包水位控制系統的調節器的輸入端常加有三個不確定的輸入量，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，根據鍋爐汽包水位控制實際要求，采用模糊pid控制，用matlab中的simulink仿真工具箱設計了二輸入單輸出模糊控制器對鍋爐汽包水位進行在給定值下仿真。并用常規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，仿真圖像表明后者的抗干擾能力和魯棒性更好，

2、可以保證水位的穩定，并且能有效解決用常規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，通過現場實例解決了汽包水位測量不準的問題，減少了由于水位測量誤差給汽包水位帶來的不利影響。關鍵詞：汽包水位、虛假液位、pid控制、模糊pid控制、水位測量誤差abstractthis article first analyzes the impact of the drum water level of the various interfering factors,and drum water level of the dynamic and stati

3、c 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 eliminate the water lev

4、el 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 practical require

5、ments, 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 waterlevel to the next value in a given simulation. using conventional pid and fuzzy control approach to pidf drum level,compared to two control s

6、trategies 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.finally, a brief introduc

7、tion 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 the negative dru

8、m 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，我國現有工業鍋爐幾十萬臺，各種工業爐窯十萬余臺。鍋爐和工業爐窯年耗標準煤約3億噸以上，是國家的一個耗能大戶。由于技術落后、設備陳舊、操作水平低，目前鍋爐和工業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，鍋爐和工業爐窯采用計算機控制是一項重要的節能措施。實踐證明，爐窯采用計算機控制可以節能510%。此外，鍋爐和工業爐窯

9、采用計算機控制，還具有減少環境污染、降低氧化燒損率、提高自動化水平、改善勞動條件等優點。計算機控制系統的主要任務是對鍋爐生產的主要被控參量進行自動控制，使鍋爐保持在所要求的良好工況下運行。鍋爐是現代工業、企業、事業單位的工作生產動力之源，鍋爐安全經濟運行是保障國家財產及人民生命安全，促進國民經濟發展，合理使用和節約能源的重要保證。鍋爐是受火焰加熱且具有爆炸危險的特殊設備和壓力容器，其安全性尤為重要。只有在充分保證鍋爐安全生產、保護環境和運行可靠的前提下，通過科學管理、技術改造、提高操作及運行水平，使鍋爐實現熱效率高的狀態。鑒于鍋爐控制系統的研究對于提高系統的安全性，經濟性，穩定性具有深遠的意義

10、，同時對實現工業現代化也有一定的促進作用。其中壓力、水位、溫度是鍋爐運行質量的重要指標，水位過高會影響汽水分離，產生汽帶水現象;水位過低會影響汽水循環，使金屬局部過熱而爆管，導致重大事故。因此，必須對汽包水位進行自動調節，使水位嚴格控制在規定范圍內。正常運行時的鍋爐燃燒系統必護使出口的過熱蒸汽溫度維持在一定范圍內，該參數的控制質量直接影響著機組運行的安全性和經濟性。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道及汽輪機的高壓部分金屬損壞;過熱蒸汽溫度過低，降低汽輪機的效率，加劇對葉片的侵蝕。所以，在鍋爐運行中必須保持過熱汽溫的穩定性。另外，壓力過大容易帶來危險。所以，要把壓力、水位、溫度控制在規定

11、范圍內。為了滿足負荷設備的要求，保證鍋爐本身運行的安全性和經濟性，工業鍋爐主要有下列自動調節任務:1 保持汽包水位汽包水位是工業鍋爐正常運行的主要指標。水位過高會影響汽水分離，產生汽帶水現象;水位過低會影響汽水循環，使金屬局部過熱而爆管，導致重力事故。因此，必須對汽包水位進行自動調節，把水位嚴格控制在規定范圍內。2 維持蒸汽壓力蒸汽壓力是衡量鍋爐的蒸汽生產量與負荷設備的蒸汽消耗量是否平衡的重要指標，是蒸汽的重要工藝參數。蒸汽壓力過低或過高，對于金屬導管和負荷設備都是不利的。壓力過高，會加速金屬的蠕變，導致鍋爐受損;壓力過低，就不可能提供給負荷設備符聲質量的蒸汽。因此，控制蒸汽壓力是安全生產的需

12、要，也是保證燃燒經濟性的需要。3 維持爐膛負壓爐膛負壓的變化，反映了引風量與送風量的不相適應。通常要求爐膛負壓保持在20.40pa的范圍內，這時燃燒狀況，鍋爐房工作條件，爐膛的維護及安全運行都最有利。如果爐膛負壓太小，爐膛容易向外噴火，既影響環境衛生，又可能危及設備與操作人員的安全。負壓太大，爐膛吸入冷風量增大，增加引風機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。4 維持過熱蒸汽溫度恒定為了保證汽輪機正常工作，必須保證過熱蒸汽溫度恒定，蒸汽溫度過高或過低都會影響汽輪機的安全運行，所以過熱蒸汽溫度是影響安全的重要參數，一般要求溫度變化保持在士5的范圍之內。5 保證鍋爐燃

13、燒的經濟性鍋爐的熱效率主要取決于空燃比。如果比值不當，空氣不足，結果導致燃料的不完全燃燒，當大部分燃料不能完全燃燒時，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的比例，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剩空氣系數為最佳值，使鍋爐熱效率最高，避免環境污染，達到節能降耗的目的。通過對工業鍋爐自動調節任務的分析，我們知道:工業鍋爐的汽包水位是正常運行的主要指標之一，汽包水位是一個十分重要的被調參數。如果水位過低，則由于汽包內的水量較少，而負荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內的水量變化速度很快，如不及時控制，就

14、會使汽包內的水全部汽化，導致鍋爐燒壞或爆炸;水位過高會影響汽包的汽水分離。產生蒸汽帶水現象，會使過熱器管壁結垢導致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性和經濟性。由此可見。鍋爐給水系統采用自動控制是必不可少的，它對減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行具有重要意義。因此本文就是以鍋爐汽包水位控制為例來研究模糊自調整pid控制在鍋爐控制中的應用。1.2 鍋爐控制的研究現狀鍋爐是電力工業發電的三大設備之一，同時也是工礦企業生產的重要熱力設備，隨著改革開放后國民經濟的高速發展，鍋爐工業得到了飛速發展，我國現有數十萬套鍋爐在運行，每年還有

15、數十萬套的新造工業鍋爐投入運行。因為鍋爐的燃燒是多輸入多輸出系統，并且各參數之間相互影響，相互制約，并且有時受負荷干擾嚴重，因此很難用精確的數學模型來表示，用經典控制理論難以實現有效的控制，目前在工程設計中經常采用的方法是具體分析生產過程的特點和要求，在設計單回路為主的基礎上，考慮多叨，變量系統的特點，加以補充修正。因各回路之間的相互制約，控制效果也不近人意，并且設計復雜，造價高，這樣中小型用戶就難以負施。因此還有相當多的鍋爐特別是中小型鍋爐還在簡單的啟動停止的狀態下運行，控制靠人工實現，這樣鍋爐運行好壞完全依靠工人的經驗和責任心。這一方面造成經濟效益差，不安全，還容易造成工業事故，另一方面，

16、煤燃燒不充分也造成嚴重的環境污染。目前，也有一些科研人員運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的pid控制用在鍋爐控制中，原理簡單，易于實現，魯棒性較強，是應用最廣泛的控制方法，但是也存在局限性性，超調量大，無法實現非線性系統的精確控制。2 基于模糊控制的鍋爐控制模糊控制用在鍋爐控制中，有效地克服復雜系統的非線性及不確定特性，因而與傳統控制比較有較強的魯棒性。但模糊控制的控制作用較粗糙，使得穩態控制精度較低。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，能對不確定的條件、參數、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現pid參數，的在線自整定，不僅

17、保持了常規控制系統原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優點，而且具有更大的靈活性、適應性，控制也更精確。近年來，人們對模糊智能pid控制器、神經網絡智能pid控制器、混沌pid智能控制器及遺傳算法神經網絡pid智能控制器等，產生了濃厚的興趣，研究者甚多。模糊控制己成為智能自動化控制研究中最為活躍而又富有成果的領域。其中，模糊pid控制技術扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。本文就是對模糊 pid控制在鍋爐控制中的應用進行研究。1.3 本文的主要研究內容本論文就鍋爐水位控制特性作為研究切入點，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學模型，分別

18、采用pid控制手段和模糊控制方法來設計鍋爐水位控制系統，并進行了對比討論，仿真表明模糊控制方法要優于pid控制方法.但是也存在缺點，最后采用模糊自調整pid控制來設計鍋爐水位控制系統，仿真證明了采用模糊自調整pid控制優于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 在控制系統中，控制器最常用，最簡單的控制規律是pid控制，它是一種比例、積分、微分并聯控制器。常規pid控制系統的原理框圖如下圖2.1所示: 被控對象比例p r(t)+ e(t) + + u(t) y(t)微分d積分i - + 圖2.1 pid控制系統原理圖pid控制器的數學模型可用下式表示： 其

19、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) 控制器的比例系數 控制器的積分時間 控制器的微分時間2.1.2 pid 對控制的影響（1） 比例p調節 在p調節中調節器的輸出信號與偏差信號成正比，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成比例關系。由于控制器的輸出和偏差成正比例關系，所以系統存在殘余偏差余差。越大，余差越小，但是若過分大，系統容易振蕩，甚至發散。（2） 積分調節 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的偏差。但積分作用具有滯

20、后特性，積分控制作用太強會使系統超調加大，控制的動態性能偏差，使閉環系統不穩定。對于積分時間t，當t較大時，則積分作用比較弱，這是有利于系統減少超調，過渡過程不易產生振蕩。但是消除靜差的時間較長。當t較小時，積分作用較強。這是系統過渡過程有可能產生振蕩，但消除靜差所需時間較短。（3）微分部分 微分作用的強弱由微分時間td決定。td越大，微分作用越強，即控制作用越強，但微分時間過長時，容易引起系統的不良振蕩; 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特點。（4）pid控制器的

21、參數整定 如果曲線振蕩很頻繁，要把比例度適當調大，反之調小比例度；如果曲線偏離太大，而且回復較慢，應該把積分時間調小，如果曲線波動周期較長，應把積分時間加長；如曲線振蕩頻率太快，應把微分時間降低，如曲線動差大且波動慢，微分時間應該加長；理想的曲線是有兩個波動的，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展 模糊控制理論是在美國加利福尼亞大學的扎德教授與1965年創立的模糊集合理論的數學基礎上發展起來的，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容。 模糊控制的誕生是和社會科學技術的發展和需要分不開的。隨著科學技術的迅速發展，

22、各個領域對自動控制系統控制精度、響應速度、系統穩定性與適應能力的要求越來越高，所研究的系統也日益復雜多變。然而出于一系列原因，諸如被控對象或過程的非線性、時變性、多參數間的強烈耦合、較大的隨機干擾、過程機理錯綜復雜、各種不確定性以及現場測量不完善等，難以建立被控對象的數學模型。雖然常規自適應控制技術可以解決一些問題，但范圍是有限的。對于那些難以建立數學模型的復雜被控對象，采用傳統控制方法，包括基于現代控制理論的控制方法，往往不如一個有實踐經驗的操作人員所進行的手動控制效果好。因為人腦的重要特點之一就是有能力對模糊事物進行識別和判決，看起來似乎不確切的模糊手段常常可以達到精確的目的。在生產實踐中

23、，人們發現有經驗的操作人員雖然不懂被控對象的數學模型，但卻能十分有效地對系統執行控制。人的經驗是一系列含有語一言變量值的條件語句翁規則，而模糊集合理論又能十分恰當地表達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驗就有著獨特的優勢。可以把人的經驗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行量化，再用模糊推理對系統的實時輸入狀態進行處理，產生相應的控制決策。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 模糊控制的基木思想就是利用計算機來實現人的控制經驗，而人的控制經驗一般是由語言來表達的，這些語言表達的控制規則又帶有相當的模糊性。如人工控制水槽水位的

24、經驗可以表達為:若水槽無水或水較少時，則開大水閥;若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關小:若水位快接近要求的水位，則把閥門關得很小;這些經驗規則中，“較小”、“不太大”、“接近”、“開大”、“關小”、“關得很小”這些表示水位狀態和控制閥門動作的概念都帶有模糊性，這些規則的形式正是模糊條件語句的形式，可以用模糊數學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系，又可以根據這種模糊關系及某時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學公式表達的數學模型，而是由一組模糊條件語句構成的語言形式，因此

25、從這個角度上講，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控制人員和專家的控制經驗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。因此可以說，模糊控制是以人的控制經驗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學工具，用計算機來實現的一種智能控制。2.2.3 模糊控制系統的組成 模糊控制系統的基本原理可由圖2.2表示a/d模糊控制d/a執行機構被控對象 傳感器圖2.2 模糊控制系統的基本原理框圖2.2.4模糊控制的主要優點模糊控制在實踐應用中，具有許多傳統控制無法與之比擬的優點，其中主要是:(1)使用語言方法，可不

26、需要掌握過程的精確數學模型。因為對復雜的生產過程很難獲得過程的精確數學模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。(2)對于具有一定操作經驗、但非控制專業的工作者，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行人機界面聯系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環節上。(4)采用模糊控制，過程的動態響應品質優于常規pid控制，并對過程參數的變化具有較強的適應性2.3 模糊pid控制規律2.3.1 模糊pid的概念 根據pid控制器的三個參數與偏差e和偏差的變化之間的模 糊關系，在運行時不斷檢測e及ec，通過事先確定的關系，利用模糊推理的方法，在線修改pid控制器的三個參數，讓pid參數

27、可自整定。就我的理解而言，它最終還是一個pid控制器，但是因為參數可自動調整的緣故，所以也能解決不少一般的非線性問題，但是假如系統的非線性、不確定性很嚴重時，那模糊pid的控制效果就會不理想啦。2.3.2 模糊pid的控制規律這個控制規則當然很重要，一般經驗：(1) 當e較大時，為使系統具有較好的跟蹤性能，應取較大的。與較小的，同時為避免系統響應出現較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取=0。 (2)當e處于中等大小時，為使系統響應具有較小的超調，應 取得小些。在這種情況下，的取值對系統響應的影響較大，的取值要適當。 (3)當e較小時，為使系統具有較好的穩定性能，與均應 取得大些，同時為避免

28、系統在設定值附近出現振蕩，值的選擇根據|值較大時，取較小值，通常為中等大小。 另外主要還得根據系統本身的特性和你自己的經驗 來整定，當然你先得弄明白pid三個參數，各自的作用，尤其對于你控制的這個系統。 模糊pid參數自調整算法是在pid控制的基礎上引入模糊控制的思想。采用模糊pid參數自調整算法, 可以使控制器的參數在控制過程中能夠自動地調整、修改和完善,從而使系統的控制性能不斷完善達到最佳控制效果。第三章 鍋爐汽包水位控制特性3.1汽包水位調節對象的動態特性在熱力生產過程中，汽包鍋爐水位是正常運行的主要指標之一，是非常重要的被調量，在鍋爐運行中占據首要地位。水位過高，會影響汽包內，蒸汽帶水

29、會使飽和蒸汽降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁上的結垢;水位過低，則可造成水的急速蒸發，汽水自然循環破壞，局部水冷管壁被燒壞嚴重時會造成爆炸事故。所以，工業鍋爐的自動化大多數都是從汽包水位自動調節開始的。其中鍋爐汽包水位自動調節中的被調量和干擾因素包括：被調量：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負荷、過剩空氣系數；干擾因素：蒸汽負荷、鍋爐給水量、燃料量、減溫水、送風和引風；一、給水自動調節系統的任務主要包括兩個方面：1、是使給水量適應鍋爐的蒸發量，維持汽包水位在規定的范圍之內波動；2、是保持給水量的穩定。汽包水位的高低反映了給水量和蒸發量之間的物料平衡關系。汽包鍋爐正常水位一般規定在汽包中

30、心線以下100200mm處，允許波動范圍為±50mm。汽包水位的高低直接影響鍋爐的安全運行和蒸汽的品質。水位過高，會影響汽水分離裝置的正常工作，嚴重時導致蒸汽帶水量增加，使過熱器管壁和汽輪機噴嘴、葉片結垢，甚至造成汽輪機發生水沖擊而損壞葉輪；水位過低，則破壞了正常水循環，以致燒壞某些受熱面，影響鍋爐壽命，嚴重時會造成爆炸事故，危及人身和設備的安全。所以，及時調整給水流量，維持給水流量與蒸汽流量間的平衡關系，以適應負荷變化的要求，實現汽包鍋爐水位自動調節十分必要。二.給水自動調節的任務鍋爐在正常運行時，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行，所以負荷不變時，給水流量不應

31、出現劇烈波動。鍋爐汽包水位的自動調節是根據汽包水位的動態特性來設計的。以汽包水位h作為被調量，以給水調節閥作為調節機構來改變調節量，即給水量，達到保持水位在允許的范圍之內。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。調節器就是依據水位信號、蒸汽流量和給水流量的信號來進行調節的。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。調節器就是依據水位信號、蒸汽流量和給水流量的信號來進行調節的。根據鍋爐的容量、負荷變化的快慢以及調節精度的要求，汽包水位調節系統可分為：（1）以汽包水位為唯一調節信號的給水自動調節系統，稱為單沖量給水自動調節系統；（2）以汽包

32、水位為主調節信號，蒸汽流量為補充信號的給水自動調節系統，稱為雙沖量給水自動調節系統；（3）以汽包水位為主調節信號，蒸汽流量和給水流量為補充信號的給水自動調節系統，稱為三沖量給水自動調節系統。汽包鍋爐給水自動調節系統，根據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。隨著科學技術的發展，計算機控制技術在汽包鍋爐自動控制中的應用越來越多。3.2給水流量的調節方式 目前，給水流量的調節方式主要有兩種：一種是依靠改變調節閥門開度來改變給水量的節流調節方式，另一種是依靠改變給水泵的轉速來改變給水量的變速調節方式。以往，由于受到變速水泵制造技術的限制，鍋爐大都采用定速水

33、泵供水。鍋爐給水量改變是依靠改變調節閥門的開度來實現的，稱為給水流量的節流調節方式，其系統示意圖如圖3-1所示：2 87 1 3 4 5 6 圖3.1 給水流量系統圖1給水母管 2給水調節閥 3省煤器 4汽包 5下水管 6上升管 7過熱管 8蒸汽母管工業鍋爐汽水系統結構如圖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，當給水量等于蒸汽量時，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節對象的動態特性。給水流量擾動下的水位階躍響應曲線如圖3-2所示.。當給水流量階躍增加w后，水

34、位的變化如圖中曲線2所示。給水流量增加，一方面使進入鍋爐汽包的給水量增加；另一方面使溫度較低的給水進入省煤器、汽包及水循環系統，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。 wwt o 1h2 o a t a3 h b圖3.2 給水流量擾動下的水位階躍響應曲線（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的水位反應曲線。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，所以反應曲線1可以認為是無自平衡能力積分環節的特性。（2）曲線3是不考慮物料不平衡關系，只考慮給水流量變化時水面下汽泡體積變化所引起的水位變化。給水流量增加時，汽泡體積收縮，水位逐漸下

35、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節的特性。 在給水流量擾動下，實際的水位變化曲線2可以認為是曲線1和3的合成。通過上面對水位調節對象在給水流量擾動下的階躍響應曲線分析，可以把水位調節對象以方框圖3-3（a）表示，即把對象看成為是一個積分環節和一個慣性環節的并聯。經過變換也可把它看作為積分環節和慣性環節的串聯如圖3-3（b）所示。+h w-(a)hw(b)（a) 積分環節和慣性環節并聯 (b) 積分環節和慣性環節串聯圖3-3給水流量擾動時水位調節對象方框圖因此,給水流量擾動下的汽包水位的動態特性可用傳遞函數表示為：公式中 遲延時間(s) 給水流量改變一個單位流量時,水位變化

36、的響應速度和可由水位響應曲線上求得。總之，當給水流量擾動時，水位調節對象的動態特性表現為有慣性的無自平衡能力特征。也就是說，當給水流量改變后水位并不立即變化。動態特性參數和的數值將用來說明水位響應遲延時間的長短和響應速度的快慢。3.3 給水流量的調節方式在蒸汽流量d擾動下水位變化的階躍響應曲線如圖3-4所示。 d d o t h h2 hh1 o t 圖3-4蒸汽流量d擾動下水位變化的階躍響應曲線當蒸汽流量突然階躍增加時，此時鍋爐蒸發量大于給水量，只從物料守恒考慮，由于汽包水位對象是無自平衡能力的，這時水位應按積分規律下降，如圖中h1曲線所示。但從能量守恒看，先假定當鍋爐蒸發量突然增加時，燃料

37、量能及時跟上，由于燃燒強度增加，鍋爐的蒸發強度增強，汽水混合物中的汽泡數量增加，水容積也迅速增大，使得汽水混合物體積膨脹，水位升高。如果負荷變化時，燃料量來不及增加，由于蒸汽量的增加，使汽包內的汽壓下降，相應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。所以不管燃燒強度是否增加，都會使水面下汽泡容積增大導致水位上升。因蒸發強度的增加是有一定限度的，當蒸發量滿足負荷要求后，汽包壓力不再變化，容積增大速度減慢而達到穩定，故汽泡容積的增大而引起的水位變化可用慣性環節特性來描述，如圖中曲線h2所示。實際上水位變化曲線h如圖3-4所示，它是曲線h1和h2的合成。由圖中可以看

38、出，當鍋爐蒸汽負荷變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式：（1）在負荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發流量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升，過一段時間后再下降。（2）反之，鍋爐負荷下降時，水位反而先下降。這種現象稱為“虛假水位”現象。這是因為在負荷變化的初始階段，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，只有當汽泡容積與負荷適應而不再變化時，水位的變化就僅由物料的平衡關系來決定，這時水位就隨負荷的增大而下降，呈現無自平衡特性。3.4 汽包水位的動態特性 d +- h 圖3-5汽包水位的動態特性 蒸汽流量擾動下，汽包水位的動

39、態特性可用圖3-5方框圖來表示，其傳遞函數為: 式中t2h2變化的時間常數；k2h2變化的傳遞函數；h2的響應速度。 上面所討論的蒸汽流量擾動下的水位調節對象的動態特性，只是從蒸發強度變化對汽泡容積的影響方面定性的說明水位變化的特點。 實際上，改變汽輪機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，所以實際的虛假水位現象會更嚴重些。 虛假水位的變化幅值與鍋爐負荷的大小有關，根據100230 t/h中高壓鍋爐的資料，當負荷階躍擾動10%時，虛假水位的變化幅值可達30-40mm。可見，虛假水位的幅值是相當大的。3.4.1 虛假液位的原因 在鍋爐運行過

40、程中，當蒸汽負荷突然增加時，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發量大于給水量，水位應下降。但因蒸汽流量與給水流量產生不平衡的初始階段，水位下降存在時間上的延遲，所以實際上，當蒸汽負荷增加時，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。這種現象常稱為“虛假液位”現象。造成“虛假液位”的原因有兩個，如圖3.4所示:h2h h2 h2外擾動作用 圖3.6“虛假液位”圖(1) 鍋爐蒸汽負荷增加使爐管和汽包中汽水混合物的汽、 水 比例發生變化(汽容積增加)而引起汽包水位上升，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

41、汽流量增加，汽包汽壓下降，爐水沸點下降，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”現象，當負荷蒸汽流量增加時，汽包水位開始不但不降反而上升，即先上升后下降；當蒸汽負荷量突然減小時，則汽包水位變化的情況相反，先降后升。根據汽包鍋爐給水控制對象動態特性的特點，我們可以提出確定給水控制系統結構的一些基本思想：(1)由于對象的內擾動動態特性存在一定的遲延和慣性，所以給水控制系統若采用以水位被調量的單回路系統，則控制過程中水位將出現較大的動態偏差，給水流量波動較大。因此，對給水內擾動態特性遲延和慣性大的鍋爐主要考慮采用串級或其

42、他控制方案。(2) 由于對象在蒸汽負荷擾動(外擾)時，有“虛假水位”現象。因此給水控制若采用以水位為被調量的單回路系統，則在擾動的初始階段，調節器將使給水流量向與負荷變化方向相反的方向變化，從而擴大了鍋爐進、出流量的不平衡。 正是因為用常規pid無法很好解決“虛假水位”現象，所以人們經過多年積累的經驗，總結出把模糊控制算法加入在常規pid中去解決現實中無法解決的“虛假水位”問題，使鍋爐汽包水位達到人們期望水平。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變化。在工業汽包水位的自動控制中，針對不同的

43、控制信號可以有單沖量控制系統、雙沖量控制系統和三沖量控制系統。其中，單沖量控制系統以汽包水位測量為唯一的控制信號;雙沖量控制系統在汽包水位信號為主要控制信號的基礎上，加入蒸汽流量作為前饋信號;三沖量控制系統在雙沖量控制系統的基礎上，又引進給水量控制信號作為內環控制。3.5.1單沖量控制系統 單沖量控制系統是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即調節器根據汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節閥，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內。 單沖量汽包水位控制系統存在兩個主要問題:(1)當鍋爐蒸汽負荷變化很大時，受“虛假液位”現象的影響，在調節過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤舉動反

44、而擴大了汽包進出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調節質量。(2) 在給水擾動時，調節器要等到水位改變了以后才動作，又經過一段時間延遲后才能影響到水位，導致汽包水位發生較大變化，調節時間長。3.5.2雙沖量控制系統 在單沖量控制系統的基礎上，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。當蒸汽負荷變化時，使調節閥一開始就向正確的方向動作，同時有助于改善控制系統的靜態特性，提高控制質量。3.5.3 三沖量控制系統 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，這就要求提高對汽包水位的控制。在雙沖量控制系統中，對于給水

45、量的自發變化不能及時調節，只有在延遲一段時間后，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行時，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雜。針對這個問題，三沖量控制系統在雙沖量控制系統的基礎上，又引進了給水量信號控制。這個調節器接受三個輸入調節信號:汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內反饋信一號。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負荷而言，容量較大，水位受到擾動后的轟應速度比較慢，虛假水位現象不很嚴重。因此一般采用單沖量調節方式就可以滿足生產運行的要求，但是單沖量調節方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響，當蒸汽量大幅度增加時，由于假水位

46、上升，調節器輸出信號不但不去開大調節閥增大給水流量，以維持物料平衡，反而去關小調節閥，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，因為當給水壓力波動時，給水流量將相應變化，此時只有待水位發生變化后調節器才能起作用。為此再引入給水流量信號，即采用三沖量水位控制回路。所以，通過分析我們發現三沖量控制要比單沖量控制和雙沖量控制要優越些。本文就是采用這種三沖量的控制方式，將蒸汽流量作

47、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，同時考慮到傳統p工d控制對汽包運行中出現的“虛假水位”現象無能為力，所以將模糊自整定pid控制器應用到該三沖量控制系統中，實現工業鍋爐汽包水位的定值控制。3.6 本章小節 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。本章通過對鍋爐汽包水位動態特性的研究，得出傳遞函數以及特性曲線。當蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產生“虛假液位”現象。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分析，本文打算用三沖量的控制系統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計與仿真研究4.1仿真工具簡介 4.1.1 關

48、于matlabmatlab語言是由美國的 clever moler博士于 1980年開發，以后又經多位專家加以補充、添加，成為功能強大、內容廣泛的計算機輔助設計的軟件工具。matlab語一言設計者的初衷是為了解決數學中“線性代數”課程的矩陣運算問題而進行開發的。之后控制學者們注意到了它特有的矩陣處理功能，并發現了用于控制理論研究的功能豐富的控制系統專用工具箱和結構圖程序設計的simulink仿真環境，使得matlab語言成為控制界計算機輔助設計的有利工具。其他諸如信號處理、應用數學等學科，也紛紛向matlab中加入了各種實用的專用工具，使得matlab語言越來越完善，功能越來越強大。例如在信息

49、與控制學科中相當活躍的模糊邏輯、小波分析、人工神經元網絡技術、arma模型技術等，在matlab中都有專用的工具箱.可以說，迄今為止matlab語言的擴展開發遠遠沒有結束，各學科的相互促進、相互滲透使得m尤tlab語言的應用越來越廣泛，越來越實用。matlab語言的主要特點如下:(1)強大的矩陣運算功能(mattics)(2)廣泛的符號運算功能(symbolic)(3)高級與低級兼備的圖形功能(figure)(4)圖形化控制仿真程序設計功能(simulink)(5)可靠的容錯功能 (error compatibility)(6)應用靈活的兼容與接口功能(interface)(7)信息量豐富的聯

50、機檢索功能(information)4.1.2關于s1mul1nksimulink是matlab環境下的數字仿真工具，其文件類型為.mdl，是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的集成環境。它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統仿真，也支持具有多種采樣速率的多速率系統仿真。simulink提供了用鼠標“畫”出系統框圖的方式，可以進行圖形建模。與傳統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、靈活的優點。simulink還提供了封裝和模塊化工具，尤其適用幣復雜、多層次、高非線性的系統仿真。它簡化了設計過程，減輕了設計負擔，提高了仿真的集成化和可視化程度。在simulink

51、環境中，用戶將擺脫理論演繹時需做理想化假設的無奈，觀察到現實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死區等非線性因素和各種隨機因素對系統行為的影響。在simulink環境中，用戶可以在仿真進程中改變感興趣的參數，實時地觀察系統行為的變化。由于simulink環境使川戶擺脫了深奧數學推演的壓力和煩瑣過程的困擾，囚此用廠，在此環境中會產生濃厚的探索興趣，引發活躍的思維，感悟出新的真諦。4.1.3仿真實現本文在matlab6.5下的simulink仿真工具對鍋爐汽包水位控制系統進行仿真，因為matlab提供了基本模糊邏輯工具箱 (fuzzylogictoolbox)，使得建立和設計模糊控制器變得方便。模糊邏輯

52、工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統設計的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(fis)常用的工具函數，如newfis，addvar，addmf，addrule， setfis，writefis等，它包括了產生新的fis，給fis加入變量、隸屬函數、規則、設置解模糊方法及存儲fis等功能，用戶可以用命令調用這些函數的方式生成和編輯模糊推理系統，工具箱還提供了gui(圖形用戶界面)編輯函數，利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統。交互式的模型輸入與仿真環境simulink工具箱是matlab軟件的擴展，主要用于動態系統的仿真。它的windows中提供了建立系統模型所需的大部分類型方塊。用戶只需用

53、鼠標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的設定)，然后用鼠標器將它們連接起來，就可以構成一個系統的框圖描述，亦即得出系統的simulink描述。建立起系統模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設置仿真控制參數，啟動仿真過程，然后通過輸出scope(示波器)觀察系統的仿真結果。4.2鍋爐汽包水位的pid控制通過對實際系統的分析，采用三沖量控制系統有利于消除系統的時滯現象和虛假液位。同時通過實際的測量建立系統模型，得到系統傳遞函數。(1) 給水流量主通道傳遞函數: (2) 蒸汽流量干擾通道傳遞函數: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為給水流量和蒸汽流量變送器的比例系數為：1. 通過估算及仿真實驗得到：根據給水流量信號和蒸汽流量信號的分流系數為0.21。pid控制器的參數采用逐步逼近法，通過仿真實驗得到：（1）主控制器的pid參數為=0.35 =0.002 =0.001(2)副控制器的pid參數為=5 =150 =0.0013、汽包水位串級三沖量pid控制系統控制系統如圖5-1所示在水位傳遞函數為仿真結果如圖4-3所示：蒸汽擾動給水擾動汽包對象控制器調節閥 _ _圖4-1 串級三沖量控制系統圖該系統中，、 及分別為蒸汽流量變送器、給水流量變送器、差壓變送器