【正文】 4 4 5 5 5 5 5 E U U EC 16 該模糊控制器是解決鍋爐汽包控制系統(tǒng)在運行時，蒸汽負荷變化對汽包造成虛假液位問題的主要控制器。所以，離線算出模糊控制表，通過查詢方式找到控制量。 確定偏差 ec的基本論域在離散域 Y 上的隸屬函數(shù) 181。 主回路模糊控制器的設(shè)計 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)及輸入、輸出語言變量 根據(jù)控制對象 —— 汽包及控制精度，模糊控制器的結(jié)構(gòu)選為二輸入單輸出結(jié)構(gòu)，輸入語言變量選為汽包液位偏差 e 和偏差變化率 ec， e=AVSV， AV 為液位測量值， SV為液位設(shè)定值。對于中小型鍋爐，汽包的容量相對較大，則對汽包水位的控制要求就沒那么高，又由于常規(guī)三沖量控制系統(tǒng)很難實現(xiàn)汽包水位的自動控制，所以中小型鍋爐允許適當?shù)牟捎檬謩涌刂啤? 三沖量模糊水位控制系統(tǒng) 由常規(guī)控制理論的局限性和模糊控制理論的特點可以看出，對于存在精確數(shù)學模型的自動控制系統(tǒng)，常規(guī)控制理論發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當顯著。單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式 [6]。 應(yīng)該指出：當負荷變化時，水位下汽包容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中 H2 的時間常數(shù)只有 10~20S。從圖上可以看出，在燃燒不變的情況下，蒸汽用量突然增加，瞬時間必然導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂 “虛假水位”現(xiàn)象。當水位下汽包容積的 變化過程逐漸平衡時，水位變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。 汽包水位在給水流量擾動下的動態(tài)特性 給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。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。他主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使 3 給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。通過這種方式使 鍋爐 的熱能得到節(jié)約。尤其是在現(xiàn)代化的石油化工企業(yè)里，熱力站的設(shè)立可以使工藝生產(chǎn)過程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不僅能為反映器、蒸餾塔、換熱器以及其他設(shè)備、管道保溫伴熱提供熱源，而且還可以為生產(chǎn)過程中的風機、壓縮機、泵類驅(qū)動透平提供動力來源。鍋爐水位自動控制的任務(wù) ,就是控制給水流量 ,使其與蒸發(fā)量保持平衡 ,維持汽包內(nèi)水位在允許的范圍內(nèi)變化。 鍋爐汽包水位是一個非常重要的被控變量。因此，鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。而模糊控制不要求知道被控對象的精確模型，只需要操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強，非常適合于非線性、滯后系統(tǒng)的控制。因此研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進一步提高水 位控制的效果，同時又具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點，還是非常必要的。常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程圖如圖 21 所示。即通過各種檢測儀表，調(diào)節(jié)儀表，控制裝置（運算器，監(jiān)控器，執(zhí)行器）等自動化技術(shù)工具，對鍋爐生產(chǎn)過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進行自動控制的系統(tǒng)。為達到上述三個控制目的，控制手段也有三個，即燃料量、送風量和引風量 [2]。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。即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)一段起始慣性段 [3]。即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段。 △ WWo 6 圖 312汽包水位在蒸汽負荷擾動下的階躍響應(yīng)曲線 當蒸汽流量 D突然增加時，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量 D大于給水量 W，水位應(yīng)下降，如圖中直線 H1所示?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān) [4]。這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時間較長，負荷又比較穩(wěn)定的場合下 再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。 圖 323三沖量控制 系統(tǒng) 現(xiàn)代工業(yè)鍋爐都向著大容量高參數(shù)的方向發(fā)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。 三沖量系統(tǒng)可以克服“虛假液位”引起的反向動作，并且可以克服給水流量信號變化而引起調(diào)節(jié)器動作做不及時而引起的水位波動。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構(gòu)造數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。 確定各變量的隸屬度函數(shù)和賦值表 工業(yè)鍋爐在正常運行時，偏差變化范圍為 [50cm， +50cm]，所以，設(shè)偏差 e 的基本論域為 [50cm， +50cm]，選定 E 的離散論域 X 為 {6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， +1，+2， +3， +4， +5， +6}。的量化因子 ku=6/10=。該模糊控制系統(tǒng)采用 Mamdani 模糊推理算法。所以前饋控制器采用模糊控制器。 PID 的參數(shù)設(shè)置 P 增益： 設(shè)定范圍： ～ 倍 這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動作。 5. PLC 選型及資源分配 PLC 電氣圖和 I/O 分配表 圖 51 PLC I/0口分配圖 根據(jù)上述關(guān)于 PLC 控制系統(tǒng)的基本單元輸入和輸出信號統(tǒng)計，制定 I/O 分配表，具體對應(yīng)關(guān)系如下表 51所示。 19 編程軟件 編 程 軟 件 采 用 三 菱 公 司 為 其 生 產(chǎn) 的 PLC 開 發(fā) 的 編 程 軟 件 SWOPCFXGP/。具體梯形圖如 631。 鑒于學校實驗設(shè)備有限，未能將本系統(tǒng)設(shè)計的 plc 梯形圖進行模擬調(diào)試，所以系統(tǒng)軟件設(shè)計 的可行性未能得到實踐證明；鑒于系統(tǒng)建設(shè)資金龐大，本系統(tǒng)設(shè)計還停留于理論上的方案設(shè)計和驗證，本次設(shè)計尚待檢測、實踐。圖中， D0 和 D1 分別為 E和 Ec在模糊論域中所對應(yīng)的元素 [12]。當水位到最高位 (X3= 1) , 水泵電動機停止 。 (1) 應(yīng)力式渦街流量傳感器 : 一種既可以測蒸汽、氣體又可以測液體的傳感器 流速 : 氣（汽）體： 3 m/s ～ 90 m/s 液體： m/s ～ 9 m/s (2)連桿浮球式液位開關(guān) (IL1402):一 種基于自重原理工作的液位 開關(guān)。 積分時間： 設(shè)定范圍： ～ 3600s 操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動作，即輸出按偏差 積分的動作。 （ 3）規(guī)則選用“ if e then u”的形式。以下不再贅述。而工業(yè)鍋爐在運行時，需要提高安全性，就必須對控制系統(tǒng)的實時性有較高的要求。為語言變量 EC選取 PB， PM， PS， Z， NS， NM 和 NB 共 7 個語言值。 11 4．鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計 圖 41 汽包鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計一個模糊控制器以實現(xiàn)語言控制，必須解決以下稱為模糊控制器結(jié)構(gòu)的 3 方面問題： （ 1） 精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集； （ 2） 模糊控制算 法的設(shè)計，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系； (3)輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。因而，汽包水位控制就采用比較復(fù)雜而投資比較大的控制系統(tǒng)。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變。 雙沖量水位控制系統(tǒng)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(fā)生擾動時，要等到汽包水位變化時才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動較大。即使”虛假水位“現(xiàn)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。 △ B 圖 313 汽包水位在燃燒率擾動下的階躍響應(yīng)曲線 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)及控制方案選擇 單沖量水位控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)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(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，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，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。從圖上可以看出，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。 汽包水位在蒸汽負荷擾動下的動態(tài)特性 蒸汽負荷（蒸汽流量）對水位的影響，即干擾通道的動態(tài)特性 在蒸汽流量擾動下，水位響應(yīng)曲線如圖 312。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個因數(shù)，水位的變化如圖中曲線 H2，相當于一個慣性環(huán)節(jié)，實際上水位 H的響應(yīng)為 H1與 H2的和。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為： 21 2 12 (