1、xx 大學畢業設計（論文）1前言自動控制技術在工程和科學發展中起著極為重要的作用，其中，汽包鍋爐給水及水位的調節已經完全采用自動的方式加以控制，在不需要操作人員干預的情況下，可以很好的完成生產過程中的給水及水位控制，大大提高了生產效率。汽包鍋爐給水控制系統的任務是使給水量適應鍋爐蒸發量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內。只有保證汽包水位的波動在允許范圍內，才能實現機組安全經濟運行。因此，汽包水位是影響整個機組安全經濟運行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來實現汽包水位的控制。從傳統的控制方式來看，它們要么系統結構簡單成本低，卻不能有效的控制鍋爐汽包“虛假水位”現象，要么能夠在一定程度上

2、控制“虛假現象”，系統卻過于復雜，成本投入過大。目前工業控制急需一種系統簡單，并且能夠控制“虛假水位”，具有高性價比的控制系統。汽包鍋爐的給水調節系統有三種基本結構：單沖量調節系統結構、雙沖量調節系統結構、串級三沖量調節系統結構。低負荷階段，由于疏水和鍋爐排污等因素的影響，給水和蒸汽流量存在著嚴重的不平衡，而且流量太小時，測量誤差大，故在低負荷階段，很難采用三沖量調節方式，一般均采用單沖量調節方式。負荷達到一定值以上時，疏水和排污閥逐漸關閉，汽、水趨于平衡，流量逐漸增大，測量誤差逐漸減小，這時原則上可采用三沖量調節方式。但由于單級三沖量調節系統要求蒸汽流量和給水流量信號在穩態時必須相等，否則汽

3、包水位存在靜態偏差，而且由于測量裝置及變送器的誤差等因素的影響，實際上現場這兩個信號在穩態時，經常難以做到完全相等，而且單級三沖量調節系統一個調節器參數整定需兼顧的因素多。因此單級三沖量事實上一般也難以采用。串級三沖量調節方式，采用主、副兩個調節器。兩調節器任務分工明確，整定相對容易，而且不要求穩態時給水流量信號與蒸汽流量信號完全相等，易于得到較好的調節品質，因此現場多采用此控制方式。在串級控制系統中，參數的整定也是非常重要的，由于在系統中所設計的對象是確定的，所以只有對調節器進行整定，控制系統的參數整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標，結合組成系統各環節的動態特

4、征，通過理論計算求得調節器的動態參數設定值；而工程整定法，則是源于理論分析，結合實驗、工程實際經驗等一套工程上的方法，其具體方三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計2法將在本設計中體現。本設計的目的是采用串級三沖量給水控制系統控制汽包水位，使其平穩運行，并通過 matlab 仿真，證明所設計的系統可以很好的克服系統的內外擾動，實現汽包鍋爐水位控制的要求。xx 大學畢業設計（論文）31 概述11 工業鍋爐系統概述鍋爐是化工、煉油、發電等工業生產過程中必不可少的重要的動力設備。它通過煤、石油、天然氣的燃燒所釋放出的化學能，通過傳熱過程把能量傳遞給它水，使水變成水蒸氣。這所產生的高壓蒸汽，既可以作為風機、壓

5、縮機、大型泵類的驅動的動力源，又可作為蒸餾、化學反應、干燥和蒸發等過程的熱源。隨著石油化學工業生產規模的不斷擴大，生產設備的不斷創新，生產過程的不斷強化，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數、高效率發展。為了確保安全，穩定生產，鍋爐設備的控制系統就顯得愈加重要。工業鍋爐的管理水平、運行水平和自動化水平大都很低，就其設備來說，數量大、耗煤高、設備陳舊、熱效率遠遠沒有達到鍋爐制造廠家的設計指標，但也不能否認，以上現象與工業鍋爐缺少必要的檢測、控制手段等有關。可見，加速工業鍋爐的技術改造，迅速提高其自動控制水平是刻不容緩的任務。鍋爐系統主要包括燃燒系統、送引風系統、汽水系統及輔助系統等。其

6、主要工藝流程如圖 1-1。圖 1-1 鍋爐設備主要工藝流程圖fig.1-1 the main process flow diagram of the boiler equipment三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計412 鍋爐工藝流程簡介一般工業蒸汽鍋爐主要由以下五部分組成：1）汽包：由上下鍋筒和三組沸水管組成。水在管內受外部煙氣加熱，發生自然循環流動，并逐漸汽化，產生的飽和蒸汽集聚在上鍋筒。2）爐膛：是使燃料充分燃燒并釋放熱量的設備。3）過熱器：是將鍋爐所產生的飽和蒸汽繼續加熱為合格蒸汽的換熱器件。4）省煤器：是利用煙氣預熱鍋爐的給水，以降低煙氣溫度的換熱器件。5）空氣預熱器：是繼續利用離開省

7、煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒時所需的空氣的熱器件。圖1-1給出了常見的蒸汽鍋爐的主要工藝流程圖。給水經過水泵、給水控制閥、省煤器進入鍋爐的汽包，燃料和空氣按一定比例送入爐膛燃燒，產生的熱量傳給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽，然后再經過過熱蒸汽，形成滿足一定質量指標的過熱蒸汽輸出，經負載設備控制供給負荷設備用。同時燃燒過程中產生的煙氣，經過過熱器將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽后，再經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪排入大氣。鍋爐設備給 水 量減 溫 水送 風 量燃 料 量引 風 量汽 包 水 位蒸 汽 溫 度過 剩 空 氣爐 膛 負 壓負荷蒸 汽 壓 力圖 1-2 鍋爐控制對

8、象fig.1-2 boiler control objectxx 大學畢業設計（論文）5鍋爐設備是一個復雜的控制對象，是多輸入，多輸出多回路，非線性的輸入輸出變量間相互關聯的對象。主要輸入變量是負荷，鍋爐給水、燃料量、送風和引風等。主要輸出量是汽包水位，蒸汽壓力，過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過剩空氣（煙氣含氧量）等。這些入變量與輸出變量之間相互關聯。鍋爐是全廠重要的動力設備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐的發熱量適負荷的需要。所以，生產過程中的各個主要工藝參數必須嚴格控制。鍋爐的主要調節任務是：1）汽包中水位保持在一定范圍內；2）鍋爐供應的蒸汽量適應負荷變化的需要或保持給定的負荷；3）鍋爐供給用汽

9、設備的蒸汽壓力保持在一定的范圍內；4）過熱器的蒸汽溫度保持在一定范圍內；5）保持鍋爐燃燒的經濟性和安全性；6）爐膛負壓保持在一定范圍內。鍋爐控制中的調節任務之一是鍋爐汽包水位的控制，也是難點之一。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，會使過熱器管壁結構導致破壞。在鍋爐控制系統中，汽包水位的控制是最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任務是，使鍋爐給水量始終跟著蒸發量，維持汽包水位在鍋爐生產允許的范圍內。汽包及蒸發管儲存著蒸汽和

10、水，儲存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情況下汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動式蒸汽流量和給水量的變化。當蒸汽流量突然增大，汽包壓力將急劇下降，飽和水將快速蒸發，使得飽和水中產生大量的汽包致使水位上升，而此時給水量并沒有增加。這就是鍋爐的“虛假水位”現象，此時的水位并不能代表鍋爐中水位真實情況。因此，必須對汽包水位進行控制，將其嚴格控制在規定的范圍內。鍋爐汽包水位控制常采用的方式有：單沖量、雙沖量、三沖量控制等。它們常采用 pid 控制算法。通過分析發現，單、雙沖量控制系統結構簡單廉價，系統的可靠性不高，控制效果差，不

11、能避免“虛假水位”現象；三沖量控制系統控制效果好，可靠性高，能有效的避免“虛假水位”現象。可見，“虛假水位”給水位控制帶來了困難和挑戰。本文采用的是串級三沖量汽包水位控制系統。三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計62 汽包水位動態特性21 鍋爐汽水系統結構工業鍋爐的汽包水位是正常運行的重要指標之一，水位過高，產生蒸汽帶水現象，影響用汽單位的正常生產。汽包水位過低，會影響鍋爐的汽水自然循環，如不及時調節，就會使汽包里的水全部汽化掉，可能導致鍋爐燒塌和爆炸事故。因此，鍋爐運行中，保持汽包水位在一定范圍是十分重要的自動控制問題。影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的

12、影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。鍋爐水位調節對象的原理結構如圖 2-1 所示。圖 2-1 鍋爐汽水系統結構圖fig.2-1 boiler steaming-water system structure給水調節對象的動態特性是指各種擾動下的汽包水位隨時間變化的特性。當擾動為階躍擾動時，對象的動態特性稱為階躍響應曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負荷、汽包壓力的變化等原因。影響汽包水位 h 的主要因素有給水量 w，蒸汽流量 d 和燃料量 b 三個主xx 大學畢業設計（論文）7要因素。22 給水量

13、對汽包水位的影響如果把汽包及其水循環系統看作一個單容水槽，那么水位的給水階躍擾動響應曲線應該為圖 2-2 所示的曲線 h1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內飽和的水溫度，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐內部的蒸汽產量下降，水面以下的汽泡的總體積 v 也就會相應的減小，從而導致水位下降如圖 2-2 所示的曲線 h2所示。水位的實際響應曲線應是曲線 h1和 h2之和，如圖 2-2 所示的曲線 h 所示。從圖中可以看出該響應過程有一段延遲時間。即它是一個具有延遲時間的積分環節，水的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。其傳遞函數可以近似表示為：(2-1）( )11s(1)gss=+

14、式 2-1 中表示汽包水位的變化速度，表示延遲時間。1thh1hh2圖 2-2 給水擾動響應曲線fig.2-2 water supply disturbance response curve圖 2-3給水擾動傳遞函數方框圖fig.2-3 water supply disturbance transfer function block diagram其擾動傳遞函數方框圖如圖 2-3 所示，可近似認為是一個積分環節和一個三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計8慣性環節的串聯的形式。23 蒸汽流量對汽包水位的影響當鍋爐負載耗汽量 d 突然做階躍增加時，一方面改變了汽包內的物質平衡狀態，使汽包內液體蒸發量變大

15、從而使水位下降，如圖 2-4 所示的曲線 h1所示 ，另一方面由于鍋爐負載耗汽量 d 的突然增加，將迫使鍋爐內汽泡增多，同時由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會導致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積 v 增大，從而導致汽包水位上升，如圖 2-4 所示曲線 h2所示。水位的實際響應曲線應該是曲線 h1和 h2之和，如圖 2-4 所示曲線 h 所示。對于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于前者，因此負荷做階躍增加后的一段時間內會出現水位不但沒有下降反而明顯升高的現象，這種反常現象通常被稱為“假水位現象”。可以認為這是一個慣性加積分環節，其傳遞函數可以近似的表示為：(2-2）2021( )kst sgs= +式

16、 2-2 中表示汽包水位對于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現象”的20t延遲時間。thh1hh2圖 2-4 蒸汽流量擾動響應曲線fig.2-4 steam flow disturbance response curve24 燃料量擾動的影響xx 大學畢業設計（論文）9燃料量的擾動必然也會引起蒸汽流量 d 的變化，因此也同樣會有“假水位現象”發生。但由于汽包水循環系統中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會存儲大量的熱量， 因此具有一定的熱慣性。 燃料量的增大只能使蒸汽量緩慢增大，而且同時汽壓也會緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動下的“假水位現象”比負荷擾動下要緩和的多。由以上分析可知道給

17、水量擾動下的水位響應有遲滯性，負荷擾動下的水位響應有“假水位現象”。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對它的控制變得比較復雜和困難。 此外， 通過汽包內部汽水系統在壓力升高時的“自凝結”和壓力降低時的“自蒸發”影響水位。由于汽包壓力對汽包水位影響較為復雜且不很顯著，本設計未涉及對它的研究。三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計103三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計31 單沖量水位控制系統單沖量水位控制系統是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經變送器送到水位調節器，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，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內。單沖量水位控制系統

18、，是汽包水位控制系統中最簡單最基本的一種形式。圖 3-1 單沖量水位控制系統fig.3-1 single impulse water level control systemrgcgvgpgfgmfh-圖 3-2 單沖量水位控制系統方框圖fig.3-2 single impulse water level control system block diagramxx 大學畢業設計（論文）11如圖 3-1 所示是單沖量變量水位控制系統，單沖量即只有一個變量汽包水位。單沖量水位控制系統是最簡單、最基本的控制系統。這種控制結構的特點主要有：結構簡單，投資少。適用于汽包容量較大，虛假水位不嚴重，負荷較

19、平穩的場合。為安全運行，可設置水位報警和連鎖控制系統。然而，在停留時間較短，負荷變化較大時，采用單沖量水位控制系統就不能適用。這是由于：負荷變化時產生的“虛假水位“將使調節器反向錯誤動作，即負荷增大時調節器不但不能開大給水給水閥的開度增加給水量，反而會關小給水調節閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動厲害，動態品質很差，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度，以致發生事故。負荷變化時，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再有水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數很小，偏差必然相當顯著。因此，對于停留時間短、負荷變動較大的情況，這樣的系

20、統不適合，水位不能保證。然而對于小型鍋爐，由于汽包停留時間較長，在蒸汽負荷變化時假水位的現象并不顯著，配上一些連鎖報警裝置，也可以保證安全操作，故采用這種單沖量控制系統尚能滿足生產的要求。32 雙沖量水位控制系統雙沖量水位控制系統是在單沖量水位控制系統的基礎上加入了以蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統。 如圖 3-3， 由于引入了蒸汽流量前饋信號，當蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，可以減少或抵消由于“虛假液位”現象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。使調節閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大的減小給水量和水位的波動，縮短過度過程時間。圖 3-3 與圖

21、3-4 是典型的雙沖量控制系統原理及方框圖。 這是一個前饋加單回路反饋控制的復合控制系統。這里的前饋系統僅為靜態反饋，若考慮兩條通道在動態上的差異，須加入動態補償環節。如圖 3-3 所示，加法器的輸出是：（3-1）cpcpcpfc+=210式中：pc為水位控制器輸出；pf為蒸汽流量變送器輸出；c 為初始偏置值；c1、c2為加法器的系數。三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計12圖 3-3 雙沖量控制系統fig.3-3 double impulse control systemgcc1c2gmgvgp cgm1gfrhf圖 3-4 雙沖量控制系統系統框圖fig.3-4double impulse con

22、trol system diagram of the system上圖給出了典型的雙沖量水位控制系統方框圖。這是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復合控制系統。雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務。在給水流量比較平穩時，采用雙沖量控制是能夠達到控制要求的。雙沖量水位控制系統存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當給水量發生擾動時，要等到汽包水位變化時才通過調節器作用執行器進行調節，滯后時間長，水位波動較大。因此，xx 大學畢業設計（論文）13如果給水母管壓力經常有波動，給水調節閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。33 三沖量水

23、位控制系統雙沖量控制系統還有兩個主要弱點：控制閥的工作特性不一定是線性的，要做到靜態補償比較困難；對于給定系統的干擾仍不能克服。所以，可再引入給水流量信號，構成三沖量控制系統。圖 3-5 三沖量水位控制系統fig.3-5 three impulse water level control systemgc1gmgvgp2gm1gfrfgf fgc2gm2gp1h圖 3-6 三沖量水位控制系統方框圖fig.3-6 three impulse water level control system block diagram三沖量水位控制方案需要兩個控制器，早期因控制器的價格昂貴，因此，三沖量鍋爐汽

24、包水位控制系統設計14提出了兩種簡化控制方案。圖 3-7 所示為其中一個簡化方案的控制系統框圖。從控制系統框圖可知，該簡化方案中，將蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號一起送加法器，加法器輸出作為水位控制器的測量信號。主控制器是比例度為 100%的控制器，副控制器是水位控制器。加法器可設置比例系數，因此，圖 3-7 中，給水流量和蒸汽流量檢測回路設置了比例系數。該簡化方案中，汽包水位控制器的測量值是蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號的代數和，當給水流量和蒸汽流量達到物料平衡，及控制器具有積分控制作用時，水位可無余差。但通常情況下，實施該控制方案的水位存在余差。gmgvgp2gm1gf

25、rfkdgm2gp1hk w1gc2圖 3-7 三沖量水位控制系統簡化方案之一fig.3-6 one of the three impulse level control system to simplify the programgc1gmgvgp2gm1gfrfkd1gm2gp1hk w圖 3-8 三沖量水位控制系統簡化方案之二fig.3-6 three impulse level control system to simplify the programs for two為使水位無余差，將水位控制器移到加法器前，組成如圖 3-8 所示的簡化方案。圖中，水位控制器輸出信號、蒸汽流量信號、

26、給水流量信號送加法器，加法器輸出送給水控制閥。因此，該控制方案中，主控制器是給水水位控制器，xx 大學畢業設計（論文）15副控制器是比例度為 100%的比例控制器。由于水位控制器測量值是汽包水位信號，因此，當水位控制器具有積分控制作用時，該控制方案可實現汽包水位無余差。現代工業鍋爐都向著大容量高參數的方向發展，一般鍋爐容量越大，汽包的容水量就相對越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在很短的時間內就會發生危險水位；如果僅是給水量和蒸汽量不相適應，也可能在幾分鐘內出現缺水和滿水事故，這樣對汽包水位要求就更高了。三沖量控制系統，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負荷忽然變化時

27、，蒸汽流量信號使給水調節閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調節閥開大，抵消了“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量改變時，調節器能迅速消除干擾。如給水流量減少，調節器立即根據給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變。這樣，就能夠有效地維持汽包水位在工藝允許的范圍內，也有效地克服了系統中存在的虛假水位現象。三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計164 三沖量控制系統 pid 設計41 pid 控制算法研究pid 控制是最早發展起來的應用經典控制理論的控制策略之一。許多年以來，在生產過程的自動控制領域中，pid 控制按照偏差的比例(

28、p） 、積分(i） 、和微分(d）進行控制的是歷史最久，生命力最強的基本控制方式。由于算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程并取得了良好的控制效果。pid 控制有以下幾個優點：1）原理簡單，使用方便，易于實現；2）適應性強，廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙建材等各種生產部門；3）魯棒性強，穩態無靜差，控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。411 模擬 pid 算法在模擬控制系統中，常規 pid 控制系統原理框圖如圖 4-1 所示，系統由模擬 pid 控制器和被控對象組成。圖 4-1 pid 控制系統圖fig.4-1 pid control system diagrampid

29、 控制器是一種線性控制器，它是根據給定值 r(t)與被控量輸出值 c(t）構成的控制偏差 e(t）=r(t）-c(t） ，將偏差的比例(p） 、積分(i）和微分(d）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 pid 控制器，其控制規律為：xx 大學畢業設計（論文）17（4-1）01( )( ) ( )( )tpdide tu tke te t dtttdt=+式中：kp為比例系數；ti為積分時間常數；td為微分時間常數。或寫成傳遞函數的形式：（4-2）( )1( )(1)( )pdiu sg skt se sts=+簡單的說，pid 控制器各校正環節的作用如下：l）比例環節：比例系數瑪

30、增大可以加快響應速度，減小系統穩態誤差，提高控制精度。但過大會產生較大超調，導致系統不穩定；取得過小，可減少系統的超調量，使系統的穩定裕度增大，但會降低系統的調節精度。2）積分環節：積分作用的強弱取決于積分時間常數 ti，ti越大積分作用越弱，反之則越強。積分環節用于消除系統的靜態誤差。加大積分系數，有利于減小系統靜差，但過強的積分作用會使系統的超調量加劇，甚至引起振蕩；減小積分系數雖然有利于系統的穩定，避免系統產生振蕩，減小系統的超調量，但對消除系統的靜差是不利的。3）微分環節：能反映偏差信號的變化趨勢，微分環節的作用在于改善系統的動態特性，其主要是在響應過程中抑制偏差向任何地方的變化，并能

31、在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的調節速度，減少調節時間。但風過大，則會使響應過程提早制動，從而延長調節時間。412 數字 pid 算法在計算機控制系統中采用的是數字 pid 算法，這就需要將模擬連續系統進行離散化。通常的計算機 pid 控制算法有兩種：位置式 pid 控制算法和增量式pid 控制算法。（1）位置式 pid 控制算法按模擬 pid 控制算法，以一系列的采樣時刻點 kt 代表連續時間 t，以矩陣法數值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計18（4-3）)=tkekedttdejettekj) 1()

32、()()()(2 , 1 , 0(k,kttt00l式中 t 為采樣周期，k 為采樣序號，e（k）和 e（k 一 l）分別為第 k 和第（k 一 1）時刻所得的偏差信號。可得位置式離散 pid 表達式為：（4-4）=+=kjdipkekekkekkekku0)1()()()()(（2）增量式 pid 控制算法當執行機構需要的是控制量的增量時，應采用增量式 pid 控制。根據遞推原理可得：（4-5）0(1)(1)( ) (1)(2)kpidju kk e kke jk e ke k=+寫成增量的形式為：（4-6）( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)pidu kk e ke kk e

33、 kk e ke ke k=+42 常用 pid 參數整定方法pid 控制器中，kp，ki，kd三個參數的不同組合，直接決定控制器的控制效果。為了得到更好的控制效果，使被控對象工作在較好的狀態，必須對其參數進行有效的整定。下面歸納介紹了兩類較為經典的、常用的參數整定方法。(1）z-n 經驗公式法從對象的開環響應曲線來看，大多數工業過程都能用一階慣性環節加純滯后模型來近似描述。其傳遞函數為（4-7）( )1skg sets=+其中 k， ，t 分別為對象模型的開環增益、純滯后時間常數和慣性時間常數。對于典型 pid 控制器的傳遞函數如（4-8）式，得到 ziegier-nichols 經驗公xx

34、 大學畢業設計（論文）19式（簡記 z-n 經驗公式）為：（4-8）=5 . 022 . 1dipttktk（2）z-n 臨界比例度法1942 年，ziegler 和 nichols 提出了臨界比例度法，這是一種非常著名的控制器參數整定方法，曾在工程上得到廣泛的應用。同 z 一 n 經驗法不同，該法不依賴于對象的數學模型參數，而是總結了前人理論和實踐的經驗，通過實驗由經驗公式得到控制器的最優整定參數。它用來確定被控對象的動態特性的參數有兩個，臨界增益 ku 和臨界振蕩周期 tu。臨界比例度法是在閉環的情況下， 將pid 控制器的積分和微分作用先去掉，僅留下比例作用，然后在系統中加入一個擾動，如

35、果系統響應是衰減的，則需要增大控制器的比例增益 kp，重做實驗，如果系統響應的振蕩幅度不斷增大，則需要減小 kp。實驗的最終目的，是要使閉環系統做臨界等幅周期振蕩，此時的比例增益瑪，就被稱為臨界增益，記為 ku；而此時系統的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，一記為 tu。臨界比例度法就是利用 ku 和 tu，由經驗公式求出 p、pi 和 pid 這三種控制器的參數整定值。表 4-1 就是 z-n 臨界比例度法參數整定經驗公式。表表 4-14-1z-nz-n 臨界比例度法參數整定公式臨界比例度法參數整定公式t t t tab.4-1ab.4-1ab.4-1ab.4-1thethethethe z-nz

36、-nz-nz-n criticalcriticalcriticalcritical proportionalproportionalproportionalproportional methodmethodmethodmethod parameterparameterparameterparametertuningtuningtuningtuning formulaformulaformulaformula43 串級 pid 控制431 串級 pid 控制原理隨著生產過程向著大型、連續和強化的方向發展，對操作的要求更加嚴格，pid 控制器參數kptitdp 型控制器0.5kupi 型控制器0.

37、45ku0.83tupid 型控制器0.6ku0.5tu0.125tu三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計20參數間相互關系更加復雜，對控制的精度和功能提出新的要求，對能源消耗和環境污染也有明確的限制。為此，需要在單回路的基礎上，采取其它措施，組成復雜控制系統，也稱多回路系統。串級控制就是其中之一。串級控制是改善控制系統品質的有效方法之一，在工業過程控制中應用很廣泛。串級控制系統如圖 3-2 所示。串級系統在結構上形成兩個閉環。串級系統的計算順序是先主環后副環。副環在控制過程中起著“粗調”作用，主環用來完成“細調”的任務，以最終保證被調量滿足工藝要求。串級控制系統具有較好的控制性能，原因主要是：對二

38、次干擾有很強的克服能力；改善了對象的動態特性，提高了系統的工作頻率；對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。432 串級控制系統的參數整定串級控制系統從主回路來看是一個定值控制系統，對主變量有較高的質量要求，其控制質量指標與單回路定值控制系統是一樣的。從副回路看，是一個隨動控制系統，對副變量的控制質量一般要求不高，只要能快速準確地跟隨主控制器的輸出變化就行。因此串級控制系統兩個回路參數的整定根據各自的作用和對主、副變量的要求確定主、副控制器的參數。在工程實踐中，串級控制系統的主要整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法。逐步逼近法的具體步驟：首先整定副回路，此時斷開主回路，按單回路控制系統整定方法確

39、定副回路參數，記第一次整定值wc21；然后整定主回路，此時，主副回路都閉合，把剛整定好的副回路作為主回路中的一個環節，仍按單回路控制整定方法，確定主控制器的整定參數，記為wc11；再次整定副回路，此時，主回路閉合，主副控制器整定參數為wc11及wc22。至此，完成一個逼近循環。若控制質量達到要求，主副控制器的整定參數分別取wc11和wc22。若控制質量仍不能達要求，繼續整定求取wc12，循環進行直至達到要求。兩步整定法具體步驟：先整定副回路，此時，主、副回路均閉合，主、副控制器都置于純比例作用的條件下，先將主控制器的比例帶放在 100%處，按單回路控制系統整定副回路，逐漸降低副控制器的比例帶，

40、得到副變量在 4：1 遞減比下的副控制器的比例帶 d2s和副變量振蕩周期 t2s；然后整定主回路，主、副回路仍閉合，將副控制器的比例帶置于 d2s值上，將副回路看作是主回路的一個環節，用同樣的方法整定主控制器，即逐漸降低主控制器的比例帶，得到主變量 4：1 遞減比下的主控制器比例帶 d1s和主變量振蕩周期 t1s；按上面得到的值， 結合控制器的選型，利用 z 一 n 臨界比例度法參數整定計算公式（表 4-1），分別計算主、副控制器的整定參數值：比例帶 d、積分時間 ti、微分時間 td；xx 大學畢業設計（論文）21先副后主，先比例次積分后微分的順序，將計算出的參數值設置到相應的控制器上。圖

41、4-2 串級 pid 控制系統框圖fig.4-2 cascade pid control system block diagram三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計225 鍋爐汽包水位控制算法的 matlab 仿真5.1 仿真的目的和意義“仿真”一詞譯自英文 simulation，另一個曾經用過的譯名是“模擬”。從字面上解釋“仿真”和“模擬”都是表示“模擬仿真世界”的意思。雖然人們很早就采用了模型來分析與研究真實世界的方法亦即“仿真”或“模擬”的方法，但嚴格講，只有在 20 世紀 40 年代末計算機（模擬計算機及數字計算機）的問世，才為建立模型及對模型進行試驗提供了強有力的支持，仿真技術也才獲得了

42、迅速的發展并逐步成為一門獨立的學科。仿真是以相對性原理、控制論、信息技術及相關領域的有關知識為基礎，以計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統模型對真實系統進行試驗研究的一門綜合技術。它利用物理或數學方法來建立模型，類比模擬現實過程或者建立假象系統，以尋求過成都到規律，研究系統的動態特性，從而達到認識和改造實際系統的目的。在實際中，控制系統及設備在投運使用之前其控制器的最佳參數是不知道的，若直接在線調整控制器參數，效率太低，更主要的是會影響產品質量。為此，要用仿真的方法整定出它們的最佳參數，然后再應用到實際設備及控制器上，再經過對參數進行微調，從而得到實際控制的最佳參數。這樣既方便快捷，又能保

43、證產品質量。5.2 仿真軟件功能概述目前正被廣泛使用的仿真軟件是美國 cleve mole 博士等人組建的 mathworks 軟件公司開發的 matlab 編程語言。最初的正式版本在 1984年推出，后經不斷擴展， 增添了實用工具箱、 圖形圖像處理、 多媒體功能， 以及為 matlab帶來嶄新局面的控制系統模型圖形輸入與仿真工具(simulink)。由于 matlab提供矩陣運算、數據處理、圖形繪制、圖像處理等強大功能，它己成為國際上最為流行的軟件之一，廣泛地應用于自動控制、信號分析、時序分析與建模優化設計等領域。simulink 是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的仿真軟件包，它支持

44、連續、離散或兩者混合的線性、非線性系統，也支持具有多采樣速率系統。xx 大學畢業設計（論文）23simulink 中主要包含有 continuous(連續模塊)，discrete(離散模塊)，function &tables(函數和平臺模塊)，math(數學模塊)，nonlinear(非線性模塊)，signals &systems(信號和系統模塊)，sinks(接收器模塊)，sources(輸入源模塊)和 extra(其它環節)等子模型庫。每個子模型庫中都相應包含了豐富的功能模塊，此外還可以根據需要，用戶可以定制和封裝自己的模塊。simulink 用于動態系統建模與仿真的交互式

45、系統，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個系統，并能夠動態地控制該系統，在系統模型構造過程中，通過圖形用戶接口(gui)可以利用 simulink 及 matlab 中工具箱提供的大量現成模塊。用戶也可以創造自己的模塊，通過 matlab function 和 s 一 function 建立比較復雜的系統模型。系統模型建立之后，選定恰當的算法，就可以進行仿真，進而對系統進行分析。simulink 采用鼠標驅動方式，能夠處理線性、非線性、連續、離散、多變量以及多級系統，具有非常強大的仿真功能。simulink 及 matlab 工具箱是眾多各個領域的專家學者辛勤工作的成果。經過全世界數以千計的工程

46、師在實際上作中驗證，實踐證明對于動態系統建模與仿真的功能是非常強大的。本設計實現的三種控制算法器的仿真實驗，就是使用 simulink 來實現的。5.3 鍋爐汽包水位的三沖量串級 pid 控制系統仿真試驗得到下列近似傳遞函數及系數：（1）給水流量的傳遞函數：（5-1）) 130(037. 0)(+=sssgp（2）蒸汽流量的傳遞函數：（5-2）sssgd037. 01156 . 3)(+=（3）變送器的比例系數：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：。01. 050210=hk給水流量和整汽流量變送器的比例系數為：kd=kw=0.015。通過估算及仿真實驗得到：根據 ndkd= nwkw，給水流量信號和蒸汽流量信號的分流系數為：0.21。三沖量鍋爐汽包水位控制系統設計24pid 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：kp=0.35，ki=0.002，kd=0.001（2）副控制器的 pid 參數為：kp=5，ki=150，kd=0.001汽包水位三沖量串級 pid 控制系統如圖 5-1 所示，在