【正文】 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 中的 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 Abstract This article first analyzes the impact of the drum water level of the various interfering factors,and drum water level of the dynamic and static analysis 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 ,this paper two methods 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 accordance with practical requirements, the use of fuzzy PID control, the use of MATLAB simulation toolbox SIMULINK design twoinput singleoutput 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 drum level,pared to two control strategies of antireal images, simulation images show that the latter39。s antiinterference 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 introduction by the drum water level of several measurement methods and about the impact of measurement error, and the elimination method, through onsite 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 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)算機(jī)控制可以節(jié)能 5~10%。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)。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) : 1 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) 。 2 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。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 。 3 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 的范圍內(nèi)，這時燃燒狀況，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) 。 4 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 5℃的范圍之內(nèi) 。 5 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，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 PID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，控制效果也不近人意，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價高，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 : 1 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。 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(fù)雜系統(tǒng)的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 。 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(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)pK ， iK ， dK 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 控制和純模糊控制 。 第二章 控制方法分析 PID 控制原理 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 所示 : r(t)+ e(t) + + u(t) y(t) + 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可用下式表示： ])()(1)([)( ? ??? dt t