【正文】 化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)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(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)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(jīng)濟性。由此可見。鍋爐給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它對減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行具有重要意義。 鍋爐控制的研究現(xiàn)狀對鍋爐的汽包水位，傳統(tǒng)的控制方法如PID控制是目前較為流行也運用較多的控制方法，其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)，對于有精確的數(shù)學模型的對象，是首選的控制系統(tǒng)。然而對于鍋爐汽包水位這一時變、死區(qū)、非線性、多變量、擾動大的復雜系統(tǒng)，這絕非一件易事。水位對象的特征隨著鍋爐運行工況的改變而改變，沒有確定的數(shù)學模型。最大問題是在汽包運行中會出現(xiàn)“虛假液位”現(xiàn)象，若采用簡單的PID控制方式控制汽包水位，在出現(xiàn)“虛假液位”時，控制系統(tǒng)將會減少汽包進水流量，致使汽包中供水量進一步減少。因此，常規(guī)的PID控制器難以獲得良好的控制效果。模糊控制擺脫了精確數(shù)學模型的束縛，開辟了工業(yè)過程控制的一條新途徑。模糊控制的優(yōu)點就是不需要建立對象的精確數(shù)學模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。因此研究適應(yīng)性很強的模糊控制理論，以及它在鍋爐水位系統(tǒng)中的應(yīng)用是有非常重要意義的，不僅可以豐富完善模糊控制的理論體系，而且有廣泛的應(yīng)用前景。由此看來，將模糊控制引入鍋爐水位控制系統(tǒng)已是勢在必行。并且，在先前將模糊控制應(yīng)用到汽包水位控制系統(tǒng)的實踐中，常規(guī)的二維PD模糊控制存在比較大的靜態(tài)誤差和“多級繼電器”特性，降低了它的控制精度。所以有必要對模糊控制進行更深入地研究，以便提高對汽包水位系統(tǒng)控制的性能。同時，人們也在其它控制方法上做了很多研究，例如：基于集散控制系統(tǒng)的鍋爐控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的鍋爐控制、基于專家控制的鍋爐控制、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。但應(yīng)用最活躍的是模糊控制。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)用進行研究[4]。 控制方法的分類在鍋爐汽包水位的自動控制中，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的控制信號的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量為潛虧信號；三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進給水量控制信號作為內(nèi)環(huán)控制，下面分別加以詳細說明：(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)存在兩個主要問題：①當鍋爐蒸汽負荷變化很大時，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，這個錯誤舉動反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(diào)節(jié)質(zhì)量。②在給水擾動時，調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動作，又經(jīng)過一段時間延遲后才能影響到水位，導致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時間長。(2)雙沖量控制系統(tǒng)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。加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(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作，同時有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是：調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動。當給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。(3)三沖量控制系統(tǒng)一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高汽包水位的控制。在雙沖量控制系統(tǒng)中，對于給水量的自發(fā)變化不能及時調(diào)節(jié)，只能在延遲一段時間后，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(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進了給水量信號控制。這個調(diào)節(jié)器接受三個輸入調(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)反饋信號。 本文的主要研究內(nèi)容本論文就鍋爐汽包水位控制特性作為研究切入點，探討如何解決鍋爐汽包水位控制特性所提出的問題。本文建立了鍋爐汽包水位控制特性的數(shù)學模型，分別采用傳統(tǒng)PID控制手段和模糊PID控制方法來設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并進行了對比討論。首先，通過研究發(fā)現(xiàn)，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)。通過對現(xiàn)場鍋爐汽包水位的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲線。當蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。這是汽包水位控制最主要克服的問題之一。在汽包實際運行過程中，經(jīng)驗豐富的操作人員往往能通過觀察汽包水位和蒸汽流量的變化情況，采用手動操作，有效地克服“虛假液位”現(xiàn)象，使汽包工作在良好的狀態(tài)下。因此，只要將他們的操作經(jīng)驗和知識正確地進行歸納、總結(jié)，找出相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，就可以在此基礎(chǔ)上建立汽包水位模糊控制系統(tǒng)。然后,本文分別采用經(jīng)典PID控制算法、純模糊控制算法和模糊PID控制算法對鍋爐汽包水位進行控制，利用MATLAB軟件對控制效果進行仿真，對比觀察它們的動態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾性、和對被控對象變化的抑制效果，最后確定要采用的控制方案。第二章 鍋爐汽包液位系統(tǒng)特性與控制方法分析鍋爐是一種既受壓又直接受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故，因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋爐缺水，鍋爐超壓，鍋爐滿水，汽水共騰，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水事故比例最高。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，同時鍋爐汽包水位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代鍋爐要向蒸發(fā)量大，汽包容積相對減小的方向發(fā)展。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應(yīng)負荷設(shè)備的需要量，汽包水位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水，或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺永都會造成事故。因此，必須對汽包水位進行自動調(diào)節(jié)，將水位嚴格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。下面就汽包水位的動態(tài)特性和控制器的設(shè)計過程做具體的研究。汽包水位是鍋爐運行的主要指標。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)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(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽葬機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。鍋爐汽包給水自動控制的任務(wù)是維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化。汽包水位間接地表示了鍋爐負荷和給水的平衡關(guān)系，隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：(l)汽包的個數(shù)和體積減少，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度。(2)鍋爐容量的增大，顯著地提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負荷，使鍋爐負荷變化對水位的影響加劇了。(3)提高了鍋爐的工作壓力，給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復雜，流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。由此可見。鍋爐給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它對減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行具有重要意義。鍋爐水位自動控制(給水自動控制)的任務(wù)就是控制給水流量，使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。 汽包水位的動態(tài)特性維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使飽和蒸汽中含鹽量增高降低過熱蒸汽品質(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重時會造成爆炸事故。: 工業(yè)鍋爐的汽包及蒸發(fā)管中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，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是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主要擾動，那么，汽包水位對象的動態(tài)特性可用方程式表示: （21）式中，—時間常數(shù)；—給水流量項時間常數(shù)；—蒸汽流量項時間常數(shù)；—給水流量項的放大系數(shù)；Kd—蒸汽流量項的放大系數(shù)； 為穩(wěn)定狀態(tài)下的水位，△H為水位高度的變化)；(△w為給水流量的變化，Dmax為最大蒸汽負荷量)；(△D為蒸汽負荷量)。 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負荷不變，那么在給水流量發(fā)生變化時，汽包水位對象的微分方程式可以表示為：經(jīng)拉式變換后得 (22)從而可得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)： (23)根據(jù)以上公式，在給水流量階躍輸入作用下，，當突然加大給水流量(蒸汽量不變)，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位開始并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因為溫度較低的更多地給水進入了水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有的飽和汽水中吸取了一部分熱量，汽包和熱水管路中由于熱量的“損失”，汽包體積減少。經(jīng)省煤氣進入汽包得給水，首先必須填補由于汽水管路中汽包減少讓出的空間。這時，雖然給水量增加，但水位基本不變。但水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才由于儲水量的增加而逐漸上升。當水面下汽泡容積不再變化，完全穩(wěn)定下來時，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。因此，當把汽包和給水看做單容無自衡對象時，水位響應(yīng)曲線應(yīng)為一條直線。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包內(nèi)汽泡含量減少，導致水位下降。，既當突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為： (24)由切線法求得：[1] (25) 汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性蒸汽負荷(蒸汽流量)對水位的影響，其干擾通道的動態(tài)特性。汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性(給水量不變)可直接從公式(2l)導出： (26)經(jīng)拉式變換后: (27)其傳遞函數(shù)為: (28)上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即: (29)在蒸汽流量F擾動下的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。當蒸汽流量突然增加時，若單從物料不平衡角度考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，液位應(yīng)當直線下降。但實際上，在擾動的初始瞬間，水位不但沒有下降反而是上升的，汽包水位不是H1而是H。這是由于蒸氣用量突然增加時，瞬間導致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水沸騰加劇，氣泡迅速增加，氣泡容積增大造成的。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖2中H2所示，實際水位曲線H是H1和H2的迭加。 圖用傳遞函數(shù)來描述可以表示為: (210)式中，為蒸汽流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛升速度: ，分別為只考慮水面下汽泡容積變化所引起的水位變化H2的放大倍數(shù)和時間常數(shù)。由切線法可求得蒸汽負荷增加時的傳遞函數(shù)為:[1] (211)在鍋爐生產(chǎn)過程中，當蒸汽負荷突然增加時，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(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(xiàn)象常稱為“虛假液位”現(xiàn)象。造成“虛假液位”的原因有兩個：(l)鍋爐蒸汽負荷增加使爐膛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，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，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高?？傊?，由于存在“虛假液位”現(xiàn)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。 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(nèi)變化。在工業(yè)汽包水位的自動控制中，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)。如圖 汽包液位單沖量控制原理圖及方框圖 圖 汽包液位單沖量控制原理圖及方框圖單沖量汽包水位控制系統(tǒng)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(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而