【正文】 1 2 7 1 3 1 1。,[1,1,3])。,39。,3,39。trimf39。Z39。output39。,39。,1,39。 a=addmf(a,39。kp39。input39。,[3,1,1])。,39。 a=addmf(a,39。trimf39。NM39。)。 （ 2） 用 經(jīng)驗湊試法 整定 PID 控制器參數(shù)簡單易行。 42 圖 52 在線自校正 程序框 圖 取 鍋爐水位對象參數(shù)為： ?0 =， ? =100， ?f =， K=50， T=20。 智能 PID 控制 器把古典的 PID 控制與先進的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制，這種控制在精確的對象模型基礎(chǔ)上將操作人員（專家）長期實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，然后運用推理對 PID 參數(shù)進行最佳調(diào)整。但是，在 20%蒸汽流量干擾下，當 ? =105 時 ，仿真結(jié)果 如圖 449 所示，這時 系統(tǒng)輸出 開始產(chǎn)生波動， ? 若大于 105，波動會更嚴重。內(nèi) 當 T 大于等 于 100 時，假液位現(xiàn)象基本消失。雙沖量控制系統(tǒng)引入蒸汽流量的前饋信號，能夠克服蒸汽流量的干擾，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但是雙沖量控制系統(tǒng)仍不能克服流量的干擾。也就是說，給水流量干擾基本完全被克服。 可 以說 副回路對給水流量干擾 是完全克服 。可見雙沖量控制 系統(tǒng)對給水干擾仍不能克服，與單沖量控制系統(tǒng)是相同的。 如圖413， 在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下， 約經(jīng)過 800 秒，液位穩(wěn)定到 給 定值，其最大超調(diào)約為 65%，衰減比約為 8:1。 仿真結(jié)果如圖 48。 當 T 大于某一值時，假水位現(xiàn)象消失，當 T 小于某一值時，達到假水位時間最短，假水位最嚴 重，但是 T 再小，液位輸出將基本不變。圖 42 a） 是控制通道 階躍響應(yīng) 仿真結(jié)果， 當 給水流量突然增加 20%，汽包水位并不立即增加，而是延遲一段時間 （ 100 秒 ） ，這個時間 是純滯后時間 ? 。整定主控制器的的方法與單回路 控制時相同。數(shù)字 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，它將偏差的比例 （ P） 、 積分 （ I） 、微分（ D） 通過線形組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。Tables（函數(shù)和查詢表）等模型庫。 從字面上解釋 “ 仿真 ” 和 “ 模擬 ” 都是表示 “ 模擬仿真世界 ” 的意思 。不難看出 C1與控制器的放大倍數(shù)的乘 9 積相當于簡單控制系統(tǒng)中控制器放大倍數(shù) Kc的作用。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量減少， 使水位嚴重下降，波動很厲害， 這種情況 嚴重時會使汽包水位降到危險程度以致 發(fā)生事故。 圖 22 給水流量作用下水位的階躍響應(yīng)曲線 把汽包和給水看作單容無自 衡對象，水位響應(yīng)曲線如圖 中 H1 線。 （ 4） 過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。主要輸出變量 是 汽 包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度 ，爐膛負壓，過?？諝猓ㄑ鯕夂趿浚┑?。 （ 3） 按蒸發(fā)量 可 分為：小型鍋爐 ， 蒸發(fā)量小于 20 t/h；中型鍋爐 ， 蒸發(fā)量為 20 t/h 至 75 t/h；大型鍋爐 ， 蒸發(fā)量大于 75 t/h。汽包水位是鍋爐運行的主要指標，汽包水位過高過低都會影響運行的安全與經(jīng)濟性，必須嚴格加以控制。 鍋爐的種類 按鍋爐的容量、蒸汽壓 力、蒸發(fā)量、燃料種類的不同，鍋爐可以有多種分類。 圖 11 鍋爐設(shè)備的主要工藝流程圖 鍋爐的工藝參數(shù)和 主要 控制系統(tǒng) 鍋爐是 全廠重要的動力設(shè)備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)汽量適應(yīng)負荷的需要。 （ 3） 爐膛負壓的控制。蒸汽流量突然增加時，實際水位的變化 H，是不考慮水面下汽泡容積變化時水位變 化H1，與只考慮水面下汽泡容積變 化所引起水位變化 H2的疊加，即 12H H H?? （ 21） 用傳遞函數(shù)來描述可以表示為 12( ) ( )()( ) ( ) ( )S S SH S H SHSS S S??Q Q Q （ 22） f1KS T S??? ? ? 式中 f? —— 在蒸汽流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛生速度； K、 T—— 分別為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)和時間常數(shù)。單沖量控制系統(tǒng) 原理圖及方 塊 圖 如圖 31 所示。如果在現(xiàn)場湊試，那么應(yīng)在只有負荷干擾的條件下，調(diào)整到水位基 本不變。 a） 第二種接法 b） 第三種接法 圖 35 三沖量控制系統(tǒng)其它接法 還可以 采用比較簡單的三沖量控制系統(tǒng) ，只用一臺加法器， 第二種接法加法器 接在控制器之前如圖 35 a） 所示， 這種接法使用 儀表少 ， 容易實現(xiàn) 。 SIMULINK 提供了一個圖形化的用戶界面，采用這種結(jié)構(gòu)化模型就像用筆和紙來畫一樣容易，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用位分方程核差分方程建模相比具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。此外， SIMULINK 還包括線性化和平衡點分析等模型分析工具 [4]。 也是本文所使用的方法。為了使輸出 統(tǒng)一在 2～ 2 范圍內(nèi)，把系統(tǒng)輸出用 Gain（增益）模塊進行調(diào)整。 K 對假水位現(xiàn)象影響最為明顯， K 越大假液位現(xiàn)象越嚴重且持續(xù)時間越長。 由圖看出 系統(tǒng)輸出振蕩 嚴重 。在 100 秒時刻系統(tǒng)受到 20%蒸汽流量干擾， 約經(jīng)過 800 秒 時間（即調(diào)整時間約 800 秒） ， 在約 900 秒時刻 液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 80%，衰減比約為 9:1。 仿真結(jié)果 如圖 417，約經(jīng)過 700 秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 40%，與圖 412 相比 ，它的調(diào)整時間和超調(diào)均明顯 減小 。仿真程序如圖 423 所示。 28 圖 428 20%給水流量和蒸汽流量同向共同干擾副回路仿真結(jié)果 P=1000， I=1000， D=0 圖 429 20%給水流量和蒸汽 流量同向共同干擾主回路仿真結(jié)果 P=， I=， D= 圖 430 20%給水流量和蒸汽流量反向共同干擾副回路仿真結(jié)果 P=1000， I=1000， D=0 29 圖 431 20%給水流量和蒸汽流量反向共同干擾主回路仿真結(jié)果 P=， I=， D= 第二種三沖量控制系統(tǒng)的仿真 仿真 程序如圖 428 所示，這個程序也相當于前饋和串級控制，只是它的副 控制器 是一個純比例 控制器 且比例為 1。對于蒸汽流量的干擾，它們的控制能力 與雙沖量控制系統(tǒng)的 基本相同，比單沖量控制系統(tǒng)要好得多 。三雙沖量控制系統(tǒng)與雙沖量控制系統(tǒng)的魯棒性差不多。所以雙沖量控制系統(tǒng)對 ? 的適用范圍也應(yīng)在 90～ 110 之間。 39 第 5章 用 模糊自適應(yīng)整定 PID控制 器實現(xiàn) 自適應(yīng) 控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場的鍋爐設(shè) 備，隨著負荷變化或干擾因素影響 ，其對象特性 參數(shù)或結(jié)構(gòu) 會發(fā)生變化，因此，要保證鍋爐設(shè)備始終安全穩(wěn)定運行，要求其控制系統(tǒng)要有自適應(yīng)能力才行。 { , }d d i i dk k e ec?? （ 55） 用 模糊自適應(yīng)整定 PID 控制 實現(xiàn)自適應(yīng)控制的初步 設(shè)計 在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理，查表和運算，完成對 PID 參數(shù)的在線自校正。K 越大，假液位現(xiàn)象越嚴重且持續(xù)時間越長。 close all。 a=addmf(a,39。,1,39。,39。input39。NS39。trimf39。 a=addvar(a,39。,39。,[,0,])。output39。zmf39。 a=addmf(a,39。,2,39。,[3,3])。output39。PS39。smf39。 1 5 5 3 1 1 1。,3,39。 a=addmf(a,39。zmf39。output39。,[,0,])。,39。 a=addvar(a,39。trimf39。NS39。output39。,39。,2,39。 a=addmf(a,39。PB39。input39。,[3,2,0])。,39。 它只適用于 汽包停留時間較長，假水位現(xiàn)象不顯著的 小型鍋爐。 由圖可以看出，調(diào)整時間約為 12 秒，超調(diào)約為 %。利用模糊控制規(guī)則在線對 PID 參數(shù)進行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊 PID 控制器，其結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。 再看單沖量控制系統(tǒng)，在 20%給水流量干擾下，當 ? =110 時，重新整定 PID 參 數(shù)，取最佳參數(shù) P=， I=， D=。液位輸出沒有超出液位允許波動范圍。 各控制系統(tǒng)魯棒性的 仿真 研究 影響 鍋爐汽包水位 對象 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 時間常數(shù) T 以及給水流量作用下 階躍響應(yīng)純滯后時間 ? 。與第一種 三 沖量控制系統(tǒng)的 仿真結(jié)果相比可知，兩種控制方案的控制效果相當。 由于副回路的快速作用，發(fā)生在副回路的干擾在影響主變量之前就被副控制器校正了 ， 改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率 。 圖 420 20%蒸汽流量和 給水流量 反向共同 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 當 蒸汽流量突然增加 20%， 同時 給水流量突然 減小 20%， 如圖 420，約經(jīng)過 800秒，液位穩(wěn)定到 給 定值，其最大超調(diào)約為 85%。 如圖 414， 可以看出 在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，約經(jīng)過 700 秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 40%。仿真結(jié)果如圖 49。 用 MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 編制 汽包 水位 單沖量控制系統(tǒng) 仿 真程序如圖 46 所示 。與 42 b） 比較， 可 以發(fā)現(xiàn) K 越大假液位現(xiàn)象越嚴重且 持續(xù)時間越長。 定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最佳曲線一般是三個半波，且衰 減比為 10:1 到 4:1。積分作用越強，余差越小，穩(wěn)定性越低。 SIMULINK 的使用對象廣泛，既支持連續(xù)與離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線性與非線性系統(tǒng)，還支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率進行組合，以仿真 較大較復(fù)雜的系統(tǒng)。 在實際中，控制系統(tǒng)及設(shè)備在投運使用之前其控制器的 最佳 參數(shù)是不知道的，若直接在線調(diào)整控制器參數(shù)，效率太低， 更主要的是 會影響產(chǎn)品質(zhì)量。 還可以 采用另一種接法， 將加法器放在控制器之前，如圖 33 所示。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)，圖 32 是典型 的雙沖量控制系統(tǒng) 原理 及方 塊 圖 。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為 0() e() sWHSSS?? ??Q （ 23） 式中 0? —— 給水流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛生速度； ? —— 純滯后時間。 4 第 2章 鍋爐 汽包水位 對象 數(shù)學模型的 歸納 數(shù)學模型是描述對象內(nèi)部個物理量（或變量）之間的數(shù)學 表達式或圖形表達式。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還 會影響汽包水位、過熱蒸汽溫 度、過?？諝夂蜖t膛負壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽 壓力、 過熱蒸汽溫度等亦有影響 ；減溫水的變化會導(dǎo)致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、 汽 包水位等的變化；等等。為充分利用這些燃料，所以有油、氣混合燃燒鍋爐和油、氣、煤混合燃燒鍋爐。 通過對象特性、 最佳 PID 參數(shù)整定、 控制系統(tǒng) 比較分析及 魯棒性 仿真 研究， 本文 了解了 汽包水位 對象特性、 整定出 了 最佳 PID 參數(shù)、 總 結(jié)出了各種 控制 方案 的特點 與適用場合 ，并提出用模糊自適應(yīng)整定 PID 控制器實現(xiàn)自適應(yīng)控制 的 方案。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽， 既 可作為風機、壓縮機、大型泵類的驅(qū)動透平的動力源，又可作為蒸餾、化學反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)過程的熱源。然后經(jīng)過熱器，形成一定汽溫的過熱蒸汽 D，匯集至蒸 汽母管。 （ 2） 鍋爐 燃燒系統(tǒng)的控制。在燃料量不變 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，水中汽泡 迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂假水位現(xiàn)象。 鍋爐 汽包水位 控制 系統(tǒng)主要有以下三種。如果高壓蒸汽是供給 蒸汽透平壓縮機等，那么為保護這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為加熱及工藝物料用時，為保護鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。假設(shè)采用氣開閥 ，C2就去正值。 MATLAB環(huán)境 下的 SIMULINK是 Mathworks 公司開發(fā)的一個有重要影響力的軟件產(chǎn)品。通過 Scope 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的同時，可以觀察仿真結(jié)果。屬同一 13 類別的系統(tǒng)對象特性比較接近，其控制器形式和整定的參數(shù)均可相互參考。 在 實際的 控制系統(tǒng) 中， 干擾信號是電信號，給定值是電信號 ， 測量液位儀表 的 輸出 也是電 信號 ，其電 信號 的范圍都轉(zhuǎn)換成 1～5V，它 們 的變化范圍 都 是 4V。 a)T=100時 仿真結(jié)果