【正文】 29 出控制量的比例因子 uu yK l?，其中 ex 為水位誤差值， cex 為水位誤差變化率， uy 為輸出控制量 n、 m、 l為論域值。 （ 2）對輸入與輸出變量進(jìn)行模糊化處理 水位誤差 e、誤差變化量 ec、給水閥門控制量 u 都是清晰量，不能進(jìn)行模糊運(yùn)算，將水位誤差 e、誤差變化量 ec、給水閥門控制量這些清晰量，變化成對應(yīng)的模糊量 E、 EC、 U。 （ 2）模糊推理 模糊控制算法多用語言規(guī)則表達(dá)，因此控制作用的產(chǎn)生是推理的結(jié)果。模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。只有將傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與模糊描述良好的搭配起來使用，構(gòu)成一條新的數(shù)學(xué)分支 —基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 26 模糊數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)才能自動實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則。 水流量和汽流量變送器的比例系數(shù)為 ?? WD KK 。所謂對消就是輔助信號滿足對消條件，設(shè)有兩輔助信號 )(1tX 和 )(2tX 。副回路的 主要作用是 消除內(nèi)擾，主回路 主要作用是糾正水位的誤差 ，而前饋通路 回路 則用于補(bǔ)償外擾， 并且 克服虛假水位現(xiàn)象 。 。高頻干擾對被控對象的影響非常明顯，特別是對純延遲時(shí)間小的流量控制對象，容易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)震蕩。 d. 擾動量雖然可控，但工藝要經(jīng)常改變其數(shù)值，進(jìn)而影響被控變量。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 16 由圖 42可知，在擾動量 D（ s） 作用下，系統(tǒng)的輸出 Y（ s）為 )()()()()()( sDsGsGsDsGsY pffd ?? 或者寫為 )()( )( sGsD sY d? + )()( sGsG pff 系統(tǒng)對于擾動量 D（ s）實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是 D（ s）≠ 0，而 Y（ s） =0，即 ?)(sGd )()( sGsG pff =0 于是，可得前饋控制器的傳遞函數(shù)為 )( )(sG sGG pdff —? （ 41） 由式（ 41）可知，不論擾動量 D（ s）為何值，總有被控變量 Y（ s） =0，即擾動量 D（ s）對于被控變量 Y（ s）的影響將為零，從而實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償，這就是“不變性”原理。 d. 前饋控制只能抑制可測不可控?cái)_動對被控變量的影響。 主控制器正、反作 用方式選擇的判別式為 （主控制器 ? ） ? （主對象 ? ） =(— ) 由這個(gè)判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對象的特性相反，即當(dāng)主對象的增益為正時(shí)，主控制器選反作用；而當(dāng)主對象的增益為負(fù)時(shí)，主控制器選正作用。因此，副控制器的作用方式與副對象特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式的選擇方法相同。 副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)。 副被控變量（副變量）的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，并且反應(yīng)靈敏。 串級控制系統(tǒng)的組成 串級控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖如圖 41所示 串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 對二次干擾有很強(qiáng)的克服能力。主要表現(xiàn)為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時(shí)用慣性加純遲延描述這一特性，即 PLG (S)= sessW sH ?? ??)( )( （ 32） 式中 , ?? aT1 稱飛升速度，表示進(jìn)出物料不平衡時(shí)水位變化的速度。例如，蒸汽增加時(shí)，汽包液位首先升高，據(jù)此，主調(diào)節(jié)器做出降低給水流量的調(diào)節(jié)動作，副調(diào)節(jié)器根據(jù)主調(diào)節(jié)器的指令，快速將給水流量降低，這種調(diào)節(jié)結(jié)果加劇了進(jìn)出物料的不平衡，是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量無法滿足要求。因此，正常的汽包水位是鍋爐安全，可靠工作的關(guān)鍵，據(jù)此，該系統(tǒng)選汽包水位為被控變量。這種平衡一旦被打破，汽包水位將發(fā)生變化。 最近幾年鍋爐工業(yè)的發(fā)展非?？?，雖然我們落后與國外的先進(jìn)鍋爐控制水平，但是通過科研人員的努力，我國在鍋爐工業(yè)特別是控制方面的提高非常顯著，鍋爐的汽包水位是鍋爐控制的關(guān) 鍵，早些時(shí)候我們只用傳統(tǒng)的 PID 對鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，導(dǎo)致控制的效果不好，近些年來，智能控制已經(jīng)在我國迅速發(fā)展，通過智能PID 中的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、專家 PID 控制等一些智能控制，我們能夠?qū)ζ贿M(jìn)行準(zhǔn)確的控制。 課題背景 鍋爐控制中的重中之重就是對鍋爐汽包水位的控制，汽包在鍋爐中的作用是非常顯著的，可以進(jìn)行汽、水分離，輸出飽和蒸汽。在負(fù)荷變化較為頻繁的場合，汽包水位受到的擾動也非常劇烈；另外由于汽包中汽，液兩相共存，大量的氣泡存在于汽包的水中， 導(dǎo)致了汽包水位的一個(gè)特殊現(xiàn)象“虛假水位”，這種“虛假水位”的現(xiàn)象給控制造成了許多困難。 在鍋爐中， 汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件，水位過低，嚴(yán)重時(shí)會引起鍋爐爆炸，水位過高，會降低蒸汽質(zhì)量，損壞汽輪機(jī) 葉片，所以必須對汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格控制 。 In addition, as the steam drum of gasoline and liquid twophase coexistence, a large number of bubbles exist in the drum of water, led to a special phenomenon of Drum Level false water level, False water level phenomenon caused many difficulties to the control. Key words: Drum level , PID control , false water level基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 1 1 引言 鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，其作用就是有效的把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活中所需要的能量形式。第三個(gè)階段是智能控制，智能控能高效的對汽包水位進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)我采用的是串級前饋控制。給水通過水冷壁吸收爐膛中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量； H 為汽包水位，加熱后的熱水上升至汽包，飽和水在此完成汽，水分離，產(chǎn)生飽和蒸汽。其原因是由于汽包中是汽液兩相共存，下半部是飽和水，上半部是飽和氣，當(dāng)給水增加時(shí)，大量低于飽和水溫度的低溫水進(jìn)入，吸收了汽包中飽和水的能量，汽包汽水溫度下降，飽和水中大量氣泡破裂，汽水體積減小，水位下降。但在實(shí)際系統(tǒng)中，首先，給水流量不僅受給水閥開度的影響，還要受到給水壓力變化的影響，給水壓力又要受到給水泵轉(zhuǎn)速、汽包壓力、燃燒情況，以及給水系統(tǒng)中其他負(fù)荷的變化等諸多因素的影響；其次，汽包水位對象的時(shí)間常數(shù)也會對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)定性造成影響。由于引起汽包產(chǎn)生或破裂的機(jī)理不同，這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié) H的時(shí)間，一般，表征負(fù)荷擾動的慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)要小一些，增益要大一些。結(jié)合仿真中時(shí)間比例尺的概念，可以取 2K =1， ?? ， 1,2,1,1 222 ???? ?pp TKT 進(jìn)行仿真?？梢哉f，副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。但凡是需要采用串級控制的場合，工藝上對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許主被控變量（主變量）存在偏差，因此，主控制器都必須具有積分作用，一般都采用 PI 控制器。 最后是主、副控制器正、反作用的選擇。由于副回路是一個(gè)隨動控制系統(tǒng)，其副回路的輸入信號與輸出信號之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。 c．一種前饋控制器只能克服一種擾動。 （ 1） 首先是單純前饋控制系統(tǒng)，單純前饋控制系統(tǒng)時(shí)開環(huán)控制系統(tǒng)，一般單純前饋控制系統(tǒng)的框圖如圖 42所示。所以采用靜態(tài)前饋控制方案，就不能很好補(bǔ)償動態(tài)誤差，特別是在對動態(tài)誤差控制精度要求很高的場合，必須考慮采用動態(tài)前饋控制方式。 a．?dāng)_動量可測但不可控，例如換熱器進(jìn)料量和供汽鍋爐的負(fù)荷變化等。如果擾動量可控，則可設(shè)置獨(dú)立的控制系統(tǒng)予以克服，也就無須設(shè)計(jì)較為 復(fù)雜的前饋控制系統(tǒng)。這實(shí)質(zhì)上是把擾動量代入已建立的數(shù)學(xué)模型中去，從模型中求解控制變量，從而消除擾動對被控變量的影響。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 20 5 串級三沖量給水控制系統(tǒng) 串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 51所示。 汽包水位串級三沖量 PID 控制系統(tǒng) 根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，介紹消除三沖量調(diào)節(jié) 系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個(gè)方法： （ 1） 輔助信號自消的方法。同時(shí)通過實(shí)際的測量建立系統(tǒng)模型，試驗(yàn)得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 模糊控制的控制規(guī)律是語言規(guī)則，基本形式是 “ 如果 ?” ， “ 則 ”? ，是一個(gè)邏輯推理過程，前半部分語句是條件，后半部分語句是結(jié)果。 模糊控制器的工作原理 模糊控制器是一種仿人控制規(guī)則中的條件。論域上定義若干個(gè)語言變量，作為規(guī)則的條件或者結(jié)果。 （ 1）模糊控制器輸入與輸出變量 也就是汽包實(shí)際水位與給定水位值之差 e以及汽包水位偏差變化 ec 作為輸入變量。水位偏差的變化范圍是 [50， +50]。 （ 4）模糊控制規(guī)則的語言描述 控制規(guī)則一般由模糊條件語句來表達(dá)： IF E=NB and EC=NB, then U=NB IF E=NM and EC=NB, then U=NB IF E=NS and EC=NB, then U=NB IF E=ZE and EC=NB, then U=NB IF E=PS and EC=NB, then U=NM IF E=PM and EC=NB, then U=NS IF E=PB and EC=NB, then U=ZE IF E=NB and EC=NM, then U=NB IF E=NM and EC=NM, then U=NB IF E= NB and EC=NM, then U=NM IF E= NM and EC=NM, then U=NM IF E= NS and EC=NM, then U=NS IF E= ZE and EC=NM, then U=ZE IF E= PS and EC=NM, then U=PS 當(dāng)考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)控制系統(tǒng)誤差大的時(shí)候，控制量的作用是消除誤差；當(dāng)控制系統(tǒng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要以防止 %? 為主，最根本的是使保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。然后按照最大隸屬度法得到模糊控制表。 圖 64 FIS 編輯器 （ 2）語言變量隸屬度的定義 雙擊 FIS 編輯器輸出變量與輸入變量的方框，進(jìn)入隸屬函數(shù)編輯器，對模糊變量的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯。 首先，能夠了解到汽包對于鍋爐重要的作用，通過汽包來對鍋爐的水位進(jìn)行控制，通過我的這個(gè)設(shè)計(jì)能夠解決汽包水位的“虛假水位”的現(xiàn)象，更加方便對鍋爐汽包水位的控制。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 42 參考文獻(xiàn) [1]潘煉，方康玲，吳懷宇主編 .過程控制與集散系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 教程 .武漢：華中科技大學(xué)出版社，2020 [2]李國勇 .過程控制系統(tǒng) .北京：電子工業(yè)出版社， 2020. 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