【正文】 1 6 4 4 2 1 1。,39。PM39。,3,39。output39。 a=addmf(a,39。,[3,1])。kd39。,2,39。output39。 a=addmf(a,39。,[,])。trimf39。,39。output39。 a=addmf(a,39。,[,])。trimf39。,39。NM39。,1,39。,[1,3])。trimf39。,39。Z39。,2,39。input39。 %參數(shù) ec a=addmf(a,39。,39。PM39。,1,39。input39。 a=addmf(a,39。,[3,1])。e39。 45 附 錄 在線自校正 程序 %%%%%%%%%%%%%%Fuzzy Tunning PID Control%%%%%%%%%%%%% clear all。 雙沖量控制系統(tǒng)可以及時(shí)糾正負(fù)荷干擾下的假水位引起的調(diào)節(jié)閥的誤動(dòng)作，減小汽包水位的波動(dòng)。 得出以下結(jié)論： （ 1） 對(duì)于汽包水位的動(dòng)態(tài)特性，特別是在蒸汽流量干擾時(shí)，產(chǎn)生虛假水位現(xiàn)象。與前邊提到的常規(guī) 43 圖 53 ? =100，干擾為 在線自校正 仿真結(jié)果 PID 控制系統(tǒng)比較， 模糊自適應(yīng)整定 PID 控制 大大改善了控制品質(zhì)。 { , }i i i i ik k e ec?? （ 54） 39。 圖 51 自適應(yīng)模糊控制器 結(jié)構(gòu) PID 參數(shù)模糊自整定是找出 PID 三個(gè)參數(shù)與 e 和 ec 之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè) e 和 ec ，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同 e 和 40 ec 時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 需要重新整定最佳控制器參數(shù)。仿真結(jié)果 如圖 451 所示。與單沖量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果相同。即使 T 再減小，輸出也沒(méi)有多大變化。 由 以上研究可知，三種控制系統(tǒng)對(duì) K 的變化都有一定的魯棒性，且雙沖量控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)于單沖量控制系統(tǒng)。若這三個(gè)參數(shù)改變，則鍋爐汽包液位對(duì)象就改變了。 都能很好地克服給水流量的干擾使系統(tǒng)輸出維持穩(wěn)定。 圖 433 20%給水流量干擾仿真結(jié)果 P=4， I=， D=50 圖 434 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果 P=4， I=， D=50 第三種三沖量控制系統(tǒng)的仿真 仿真程序 如圖 435 所示，把加法器放在了控制器之前。液位輸出 分別與 圖 426 和圖 427 相同。從而得到非常好的控制效果。 主 PID 控制器參數(shù) 取 為： P=， I=，D=。與 圖 415 相比 ，在干擾最嚴(yán)重的時(shí)候它仍能夠控制液位輸出在允許波動(dòng)范圍內(nèi)，表明雙沖量控制系統(tǒng)克服干擾的能力比單沖量控制系統(tǒng)明顯增強(qiáng)，這主要體現(xiàn)在對(duì)蒸汽流量干擾的克服上。 圖 417 20%蒸汽流量 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 23 當(dāng) 蒸汽流量突然增加 20%， 由于雙沖量控制系統(tǒng) 引入 了 蒸汽流量信號(hào) ， 根據(jù)蒸汽流量 來(lái)起校正作用 ， 糾正 了 虛假水位引起的誤動(dòng)作 ，從而能夠明顯克服 蒸汽流量 的干擾。 與圖 412 和圖 413 相比， 21 它的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)均有所減小。最佳曲線 仿真結(jié)果如圖 412 所示。余差有 減小 趨勢(shì) ，但 還不夠小 。仿真結(jié)果如圖 47 所示 。 仿真中的對(duì)象為 廣義對(duì)象 ， 調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)都 可為 1。 a)? =150時(shí) 仿真結(jié)果 b)? =50時(shí) 仿真結(jié)果 圖 45 改變 ? 值的 仿真結(jié)果 經(jīng)過(guò)以上研究可知，影響鍋爐汽包液位特性的 參數(shù)主要是 只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化 H2的放大倍數(shù) K 和時(shí)間常數(shù) T 和 純滯后時(shí)間 ? 。當(dāng) K 小于 1 時(shí)，假液位現(xiàn)象基本消失。在本文中液位輸出顯示范圍都統(tǒng)一為 2～ 2，表示的 變化范圍是 4V。 鍋爐汽包水位對(duì)象 程序設(shè)計(jì)與 仿真研究 對(duì)象模擬程序的設(shè)計(jì) 在本文中，對(duì)于 鍋爐 汽包 水位對(duì)象 數(shù)學(xué)模型，選取如下一組數(shù)據(jù)作 為 特性參數(shù) ：?0 =(mm/s)/(t/h)， ? =100s， ?f =(mm/s)/(t/h)， K=50， T=20s（為了方便在以下論述中省略數(shù)據(jù)單位）。這種方法最簡(jiǎn)單方便。微分作用的特點(diǎn)是具有預(yù)見(jiàn)性，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但微分作用 也 不能太強(qiáng)，否則反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。仿真的結(jié)構(gòu)可以同時(shí)存放到 MATLAB 的工作空間內(nèi)，供以后的計(jì)算、分析之用。 使用 SIMULINK 可以很容易地創(chuàng)建一個(gè)新的模型，或者是修改舊的模型。 SIMULINK 不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在 MATLAB 環(huán)境中運(yùn)行。為此，要用仿真的方法整定 出 它們的 最佳 參數(shù)，然后再 應(yīng)用到 實(shí)際設(shè)備及控制器上 ，再經(jīng)過(guò) 對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而得到 實(shí)際控制的 最佳參數(shù)。水位控制器和流量控制器的參數(shù)整定方法與一般串級(jí)控制系統(tǒng)相同。 由于 水位上升與蒸汽流量增加時(shí)，閥門動(dòng)作方向相反，所以一定是信號(hào)相減。 C2的數(shù)值應(yīng)考慮達(dá)到穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。 這是一個(gè)前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。 這里指的單沖量即汽包水位。 給水溫度越低，純滯后時(shí)間 ? 越大。 圖 21 蒸汽流量干擾下水位的階段響應(yīng)曲線 5 當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象，在開(kāi)始階段水位不僅不會(huì)下降，反而先上升 ，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降 ，然后上升）。用實(shí)驗(yàn)測(cè)定法建立數(shù)學(xué)模型是對(duì)系統(tǒng)施加一定的激勵(lì)（輸入），測(cè)得它的輸出，根據(jù)輸入輸出的數(shù)據(jù)（或曲線）結(jié)果，通過(guò)一定的處理方法，得到反映系統(tǒng)輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模式。 為達(dá)到上述三個(gè)控制目的 ，控制手段也有三個(gè)， 即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。所以鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象，目前工程處理上作了一些假設(shè)后，將鍋爐設(shè)備控制劃為若干控制系 統(tǒng)。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣 [1]。在化工、造紙、制糖等工藝過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生各種毫無(wú)規(guī)則的 聚合物、殘?jiān)取榱舜_保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐設(shè)備的控制系統(tǒng)就顯得愈加重要 。 關(guān)鍵詞： 鍋爐 汽包水位；控制系統(tǒng)；仿真研究； Matlab Abstract Boiler is a essential power equipment in chemical industry, oil refining, electricity generation and other industrial production process. Boiler drum water level is a chief indicator of Boiler working, drum water level too high or too low will affect the safe operation and the economy, it must be strictly controlled. This article is mainly about the simulation study of boiler drum water level control system,established the mathematical model and control system of boiler drum water level, and made the simulation programs of boiler drum level control system using Matlab Language on the puter. Through the simulation study of object properties and the Best PID parameters tuning and the Analysis and parison of control system and robust research, This article acquainted the object characteristics of the drum water level and found out the best PID parameters, summed up the characteristics of kinds of control programs, and proposed the control program of using fuzzy adaptive tuning PID controller . Key words: boiler drum water level。本文主要是 用 MATLAB 對(duì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。 附 錄 ................................................................. 45 1 第 1章 概述 鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。 （ 4） 按燃料種類分，在各個(gè)工業(yè)部門中，應(yīng)用最多的有燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t和 燃煤鍋爐。 由圖可知，燃料和熱空氣按一定的比例送入燃料室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽 Ds。這些輸入和輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。維持汽包水位在給定 范圍內(nèi)是保證鍋爐、氣輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件之一，是鍋爐正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。 維持過(guò)熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。 蒸汽負(fù)荷對(duì)水位的影響 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對(duì)水位的影 響 ， 即 干擾 通道的動(dòng)態(tài)特性 。但由于給水溫 6 度比汽包 內(nèi)飽和水溫度 低，所以給水量變化后，使汽包中汽泡 含量減少，導(dǎo)致水位下降。汽包水位過(guò)高過(guò)低的后果極為嚴(yán)重，所以必須嚴(yán)格加以控 制。 a） 原理圖 b） 方塊圖 圖 31 單沖量控制系統(tǒng) 原理圖 及方塊圖 8 雙沖量控制系統(tǒng) 在汽包水位的控制中，最主 要的干擾是負(fù)荷的變化。控制閥的氣開(kāi)與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。 C0 是個(gè)恒值，設(shè)置 C0 的目的是在正常負(fù)荷下，是控制器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中的數(shù)值。 a） 原理圖 b） 方塊圖 圖 34 三沖量控制系統(tǒng)原理圖 及方塊圖 10 系 數(shù) 設(shè)置是這樣的， 系數(shù) C1通?？扇?1 或稍小于 1 的數(shù)值。 雖然人們很早就采用了模型來(lái)分析與研究真實(shí)世界的方法亦即 “ 仿真 ” 或 “ 模擬 ” 的方法 ,但嚴(yán)格地講 ,只有在世界 20 世紀(jì) 40 年代末計(jì)算機(jī) (模擬計(jì)算機(jī)及數(shù)字計(jì)算機(jī) )的問(wèn)世 ,才為建立模型及對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的支持 ,仿真技術(shù)也才獲得了迅速的發(fā)展并逐步成為一門獨(dú)立的學(xué)科 . 仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用 物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。 MATLAB 的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。隨著該軟件的發(fā)展，模型庫(kù)不斷得到豐富和發(fā)展。在模型創(chuàng)建以 后，用戶可以通過(guò) SIMULINK 的菜單命令或MATLAB 的命令窗口輸入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。 比例作用的特點(diǎn)是控制及時(shí)，具有自適應(yīng)性，但是存在余差。按液位、流量、壓力、溫度來(lái)分。 由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。用 Scope 顯示 仿真結(jié)果 。 圖 42 b） 是干擾通道 階躍響應(yīng) 仿真結(jié) 果 ， 蒸汽流量突然增加 20%，在開(kāi)始階 段水位不但不下降，反而先上升，然后下降，這 是虛假液位現(xiàn)象 。 當(dāng) T 小于 1 時(shí)， 假液位 對(duì)輸出幅值 和 液位上升 速度 的影響沒(méi)有太大區(qū)別。對(duì)于參數(shù) ? ，? 越大，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短。 為了明顯看出干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響和分析的方便，干擾信號(hào)和輸出信號(hào)同時(shí)顯示在 Scope 中 。系統(tǒng)輸出振蕩減弱，但是余差很大。 仿真結(jié)果如圖 411。液位輸出曲線 同樣達(dá)到了比較令人滿意的效果 。 PID 控制器參數(shù)為： P=， I=， D=。 圖 419 20%蒸汽流量和 給水流量 同向共同 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 當(dāng) 蒸汽流量和給水流量同時(shí)突然增加 20%，由于 雙沖量控制系統(tǒng)對(duì) 蒸汽流量 干擾的克服增強(qiáng)，而對(duì)給水干擾的克服基本沒(méi)變，從而使 二者相互抵消 的作用減小 。經(jīng)過(guò)多次各種試驗(yàn)，得到的結(jié)果都與單沖量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果 基本一樣， 很難調(diào)出更好的控制效果。 如圖 425，主回路液位輸出始終保持在給定值上，幾乎沒(méi)受到給水干擾的影響。有沒(méi)有給水干擾控制效果都是基本一樣的。如圖 434，當(dāng) 蒸汽流量 同時(shí) 突然增加 20%， 30 經(jīng)過(guò)約 950 秒，液位輸出基本穩(wěn)定在給定值上。 31