【正文】 主回路我們?cè)O(shè)計(jì)的是 PI 控制器和模糊控制器并聯(lián)的混合控制器，減小了 靜 態(tài)誤差， 改變對(duì)象參數(shù)后，模糊控制系統(tǒng)仍能使偏差在工藝允許范圍內(nèi)。 特殊模塊功能 系統(tǒng)同時(shí)配有 FX2N4AD 特殊功能模塊作為模擬量控制的輸入接口。標(biāo)準(zhǔn) PID的控制值與偏差 (實(shí)際值與設(shè)定值之差 )、偏差對(duì)時(shí)間的積分、偏差對(duì)時(shí)間的微分，三者之和成正比。 要算出模糊控制響應(yīng)表，必須選擇一種模糊推理算法。這樣就為該汽包液位控制系統(tǒng)選定了一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器。但在實(shí)際系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程是極其復(fù)雜的，無法得到描述這些過程的數(shù)學(xué)模型，盡管通過各種測試手段及數(shù)據(jù)處理方法獲得數(shù)學(xué)模型，但也 很難得到確切描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。 雙沖量水位控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了以 蒸汽流量信號(hào)為前饋信號(hào)的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，水位變化的動(dòng)態(tài)特性可用函數(shù)表示為： 22()() ( ) 1OD kHsWs D s T s s?? ? ?? 式中， 2T :曲線 2的時(shí)間常數(shù) 2k :曲線 2的放大系數(shù) ? :曲線 1 的響應(yīng)速度 “虛假水位”變化的幅度 與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時(shí)，水位變化就完全反映了由于儲(chǔ)水量的增加而直線上升。 工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛 爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。降溫后的煙氣 經(jīng)過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。 目前我國有各類鍋爐幾十萬臺(tái)，其中相當(dāng)大的部分還在使用常規(guī)儀表控制。 基于 PLC 工業(yè)鍋爐汽包 水位 控制 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) The Design of the Boiler Drum Water Level Control System with PLC I 摘 要 鍋爐是眾多工業(yè)部門必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位”現(xiàn)象，而常規(guī)儀表所常用的 PID 算法對(duì)“假水位”現(xiàn)象的控制效果并不理想，若要較好的控制“假水位”現(xiàn)象，采用常規(guī)儀表所構(gòu)成的控制器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性又會(huì)增加，造成成本較高。 鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng) 鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)，是指鍋爐生產(chǎn)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)。其中以鍋爐缺水事故比例最高。因此，實(shí)際水位曲線如圖 2中 H線。例如，一般１００～２００ t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化１０％時(shí)，“虛假水位”可達(dá)３０～４０ mm。 如圖 322， 由于引入了蒸汽流量前饋信號(hào)，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)與蒸汽量同方向變化的給水流量信號(hào)，可以減少或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯(cuò)誤動(dòng)作。這樣常規(guī)控制理論就無法勝任，必須尋求新的控制理論來取代常規(guī)控制理論進(jìn)行控制。輸入和輸出模糊集合的隸屬函數(shù)選為三角形的 [7]。當(dāng)模糊控制器采用查表法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用來離線設(shè)計(jì)查詢表，當(dāng)模糊控制器采用軟件推理法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用來在線進(jìn)行模糊推理。模擬量 PID控制器的輸出表達(dá)式為0()1( ) [ ( ) ( ) ]t DpiT d e tu t K e t e t d t MT d t? ? ? ??,式中 ()ut 為控制值 ()et 為偏差值， pK 為比例系數(shù)， iT 為積分常數(shù)， DT 為微分常數(shù)， M為積分部分的初始值 。其中 FX2N4AD模擬量輸入模塊接到 FX2N16MR 基本單元的最近位置，模塊編號(hào)為 0， CH1， CH2， CH3通 道分別與 應(yīng)力式渦街流量傳感器 、 應(yīng)力式渦街流量傳感器 、 連桿浮球式液位開關(guān) 。副回路用模糊控制器取代了常規(guī)控制器，解決了因?yàn)椤疤摷僖何弧痹斐傻牟荒艽_定精確的數(shù)學(xué)模型而無法采用常規(guī)控制器進(jìn)行自動(dòng)控制的問題并且實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)前饋 [13]。 圖 632 PID 控制的 PLC 實(shí)現(xiàn) 237 結(jié)束語 由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用可編程控制器 批 plc 作為鍋爐控制系統(tǒng)的控制核心，使該控制系統(tǒng)具有操作方便，運(yùn)行可靠，便于修改，擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)浮球受液體浮力作用而隨液位上升時(shí)，浮球向上移動(dòng)后壓縮彈簧， 并快速啟動(dòng)微型開關(guān)，輸出相應(yīng)觸點(diǎn)。 控制規(guī)則表如表 42所示 ： E NB MN NS Z PS PM PB U PB PM PS Z NS NM NB PID 控制 的設(shè)計(jì) 控制的基本公式 PID是比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)的縮寫， PID控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的閉環(huán)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。 主回路模糊控制器的設(shè)計(jì) 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(duì)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 。 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(diǎn)可以看出，對(duì)于存在精確數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)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。如果水位過程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。 應(yīng)該指出：當(dāng)負(fù)荷變化 時(shí)，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(shí)間常數(shù)只有 10~20S。當(dāng)水位下汽包容積的變化過程逐漸平 衡時(shí)，水位變化就完全反映了由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。因此，鍋爐的安全問題是一項(xiàng)非常重要的問題，必須引起高度重視。通過這種方式使 鍋爐 的熱能得到節(jié)約。鍋爐水位自動(dòng)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。因此，鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。因此研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進(jìn)一步提高水位控制的效果，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn) ，還是非常必要的 。即通過各種檢測儀表，調(diào)節(jié)儀表，控制裝置（運(yùn)算器，監(jiān)控器，執(zhí)行器）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)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(dāng)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。“虛假水位”現(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]。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動(dòng)作。 三沖量系統(tǒng)可以克服“虛假液位”引起的反向動(dòng)作，并且可以克服給水流量信號(hào)變化而引起調(diào)節(jié)器動(dòng)作做不及時(shí)而引起的水位波動(dòng)。 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(yùn)行時(shí)，偏差變化范圍為 [50cm， +50cm]，所以，設(shè)偏差 e 的基本論域?yàn)?[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}。該模糊控制系統(tǒng)采用 Mamdani 模糊推理算法。 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(dòng)作。 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/。 鑒于學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，未能將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 plc 梯形圖進(jìn)行模擬調(diào)試，所以系 統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的可行性未能得到實(shí)踐證明；鑒于系統(tǒng)建設(shè)資金龐大，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還停留于理論上的方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)尚待檢測、實(shí)踐。圖中， D0 和 D1 分別為 E和 Ec在模糊論域中所對(duì)應(yīng)的元素 [12]。 (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)。 （ 3）規(guī)則選用“ if e then u”的形式。而工業(yè)鍋爐在運(yùn)行時(shí)，需要提高安全性，就必須對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有較高的要求。 11 4． 鍋爐 汽包水位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 41 汽包鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊 控制器以實(shí)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(dāng)論域上的模糊子集； （ 2） 模糊控制算法的設(shè)計(jì)，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)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。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(hào)，開大給水閥門，使給水流量保持不變。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再有水位變化到閥動(dòng)作已滯后一段時(shí)間。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，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(shí)，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個(gè)因數(shù)，水位的變化如圖中曲線 H2，相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，實(shí)際上水位 H的響應(yīng)