【正文】 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7） 參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。因此，對鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要。 傳統(tǒng)的鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)大都采用 PID 控制。就熱電廠而言，鍋爐產(chǎn)生的合 格蒸汽用來推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再由氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī) ,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送給用戶。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)。 正常運(yùn)行時(shí)的鍋爐燃燒系統(tǒng)必須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。所以，要把壓力、液位、溫度控制在規(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) 。 (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)量的相適應(yīng)程度。因此，需要維持爐膛壓力在一定的范圍之內(nèi)。因此，必須使空氣和燃料維持 適當(dāng)?shù)谋壤?，?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 使鍋爐工作在最佳工況下，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。由此可見，鍋爐給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它對減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。因各回路之間的相互制約，控制效果也不盡人意，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高，這樣中小型用戶就難以實(shí)施。 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，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。集散控制系統(tǒng)用于鍋爐控制中，使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、無振蕩、蒸汽耗熱量大大降低，提高動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)，改善勞動(dòng)環(huán)境，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)具有控制簡單易于理解、方法簡便、調(diào)整靈活、計(jì)算內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 量小使用性強(qiáng)、控制精確效果好等特點(diǎn)，不僅適用于過程控制，而且也適合實(shí)時(shí)控制。 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一神經(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。 本文的主要研究內(nèi)容 本文將探討鍋爐汽包液位的控制方案。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 控制理論 分析 PID 控制理論 PID 控制器即比例、積分、微分控制器。分別介紹如下： (1) 比例部分 比例部分?jǐn)?shù)學(xué)式表示如下： ( ) . ( )Pu t K e t? (22) 偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制 作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp， Kp 越大，控制作用越強(qiáng)，則過渡過程越短，控制結(jié)果 的穩(wěn)態(tài)誤差也越小；但 Kp 越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生震蕩，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 積分時(shí)間 TI，對積分部分的作用影響極大。 TD 越大，則它抑制 e(t)變化的作用越強(qiáng)，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動(dòng)的抑制能力減弱。 在計(jì)算機(jī)中， PID 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。 模糊控制理論 模 糊控制理論的起源與發(fā)展 模糊控制理論屬于智能控制的范疇，它是在美國加利福尼亞大學(xué)的扎德 ()教授于 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。 20 世紀(jì) 90 年代后，模糊控制技術(shù)飛快發(fā)展，特別是在日本，模糊控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)、生活中。然而由于一系列原因，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(cuò)綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測量手段不完善等，難以建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。 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模型，但卻能十分有效地 對系統(tǒng)執(zhí)行控制。因此，模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗(yàn)就有著獨(dú)特的優(yōu)勢。無論是采用經(jīng)典控制理論還是采用現(xiàn)代控制理論去設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般需要了解被控對象數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)、階次、參數(shù)等等，然后在此基礎(chǔ)上合理地選擇內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 控制策略。 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：浴? 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。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的規(guī)則各異， 可以構(gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運(yùn)算放大器加上阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 PID 控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成各種串、并聯(lián)校正器；在現(xiàn)代控制理論中，設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)控制器、解耦控制器和魯棒控制器等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制作用常常表現(xiàn)為角度、位置或電壓等發(fā)生變化，因此，它往往是由伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓閥等加上驅(qū)動(dòng)裝置組成。 模糊控制器的結(jié)構(gòu)指的是確定哪些變量是它的輸入變量，哪些變量是它的輸出變量。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。將精內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化，以便實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。圖 給出了三種模糊化函數(shù)。 2. 知識庫 知識庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，數(shù)據(jù)庫提供必要的定義，包含了語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和隸屬度函數(shù)的定義等。 (2) 規(guī)則庫 模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識的語言來描述的，專家知識常采用“ IF… THEN… ”的規(guī)則形式，而這樣的規(guī)則很容易通過模糊條件語句描述的模糊邏輯推理來實(shí)現(xiàn)。模糊推理是以模糊判斷為前提的，運(yùn)用模糊語言規(guī)則，推出新的模糊判斷結(jié)論的方法。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 這種判別方法簡單易行，實(shí)時(shí)性也好，但它概括的信息量少，因?yàn)檫@種方法完全不考慮其它隸屬度較小的元素的影響和作用。因此，中位數(shù)較少采用。 (2) 量化因子和比例因子 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊論域，這中間必須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子。 (3) 量化因子和比例因子的選擇 量化因子 Ke 和 Kec 的大小對控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響極大。 [18]Ke過大時(shí)系統(tǒng)上升速度過快，也會(huì)產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 因此，量化因子和比例因子必須選擇適當(dāng)，才能使系統(tǒng)產(chǎn)生較好的控制效果。 (3) 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，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。控制規(guī)則的選擇、論域的選擇、模糊集的定義 、量化因子的選取多采用湊試法，這對復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的 [17]。對于汽包液位控制，其誤內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 差 e 和誤差變化量 ec 作為模糊控制器的輸入量，以滿足不同 e 和 ec 對控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì) PID 參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，再代入下式計(jì)算： Kp=ΔKp+Kp* KI =ΔKI + KI * KD=ΔKD+KD* (211) 式中： Kp、 KI、 KD 為 PID 3 個(gè)控制參數(shù)的取值， Kp*、 KI *、 KD*為 PID 參數(shù)基準(zhǔn)值；Δ Kp、Δ KI、Δ KD 為 PID 參數(shù)校正值。 多模態(tài)模糊 PID 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 多模態(tài)模糊 PID 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理比較簡單，原理如圖 所示 PID控制器 被控對象模糊控制器d/t|e|e0?變送器Sp+被控量 圖 多模態(tài)模糊 PID 控制系統(tǒng)原理圖 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負(fù)荷變化或受干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代鍋爐要向蒸發(fā)量大和汽包容積相對減小的方向發(fā)展。因此，必須對汽包液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將液位嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量發(fā)生變化時(shí)，汽包液位對象的微分方程式可以表示為： 221 2 1 ( ) ( )dh d h d V w d V dT T T T w K w V w T d K d V dd t d t d t d t? ? ? ? ? (31) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 式中， T1， T2—— 時(shí)間常數(shù)； Tw—— 給 水流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)； Td—— 蒸汽流量項(xiàng)時(shí)間常數(shù)； Kw—— 給水流量項(xiàng)的放大系數(shù)； Kd—— 蒸汽流量項(xiàng)的放大系數(shù)。 經(jīng)拉氏變換后得 2 1S ( ) ( ) w w S ) + K w V w S )H S T S H S T S V??12TT （ （ (35) 從而可以得到汽包液位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)： 01 ( ) w K wG ( S ) = w ( ) ( 1 )H S T SV S S S?? ?12TT (36) Tw 的數(shù)值一般很小，常常可以忽略不計(jì)，對于一些鍋爐，在給水量增加時(shí)，在較長一段時(shí)間里，汽包液位并不增加，有一段較長的起始慣性段，這類鍋爐用下面近似計(jì)算公式： 01 ( ) K wG ( S ) = w ( ) ( 1 )HSV S S S? ?12TT (37) 根據(jù)以上公式，在給水流量階躍輸入作用下，汽包液位的反應(yīng)特性曲線如圖 所示， 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） WH1Ht 圖 給水流量擾動(dòng)下的液位特性曲線 圖中的 H1 曲線為給水?dāng)_動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線，但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加以后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得液位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時(shí)，液位的變化就完全反映了由于汽包中給水量的增加而逐漸上升。當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，從理論上講，蒸汽流量 D 大于給水流量 W，液位應(yīng)下降，如圖中曲線 H1。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，液位不僅不下降，反而上升，然后再下降 (反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則液位先下降，然后再上升 )，這種現(xiàn)象稱之為“虛假液位” ，當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，液位內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 才反映出物料的不平衡，開始下降。 鍋爐汽包液位控制 汽包液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液位的影響，維持汽包液位在允許的范圍內(nèi)變化。 單沖量控制系統(tǒng) 單沖量液位控制方式原理圖及方框圖如圖 所示，它是汽包液位自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） (2) 在給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到液位改變了以后才動(dòng)作，又經(jīng)過一段時(shí)間延遲后才能影響到液位，導(dǎo)致汽包液位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時(shí)間長。這樣不僅可以補(bǔ)償“虛假液位” 引起的錯(cuò)誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)，如圖 所示。因而大大減小了給水量和液位的波動(dòng)，縮短了過渡過程的時(shí)間。當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。 本文三沖量控制控制系統(tǒng)采用前饋 串級控制方式，如圖 所示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） L TL C給 水省 煤 器汽 包蒸 汽G cG VG 1液 位 變 送 器設(shè) 定 值液 位F Tα DG 2擾 動(dòng)∑F Tα W+ 圖 汽包液位三沖量控制原理圖及方框圖 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，組成汽包液位的三沖量控制系統(tǒng)，同時(shí)考慮到傳統(tǒng) PID 控制對汽包運(yùn)行中“虛假液位”嚴(yán)重時(shí)控制不夠及時(shí)，所以將模糊控制應(yīng)用到該三沖量控制 系統(tǒng)中，組成切換型的復(fù)合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包液位的定值控制。然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而確定 PID 調(diào)節(jié)參