【文章內(nèi)容簡介】 的導(dǎo)電率不同的原理測量水位，指示值不受汽包壓力變化影響。而其他水位計(jì)如差壓型低置水位計(jì)由“水位、差壓”轉(zhuǎn)換裝置等組成，轉(zhuǎn)換裝置包括熱套管、正壓室、漏斗傳壓管等，在啟動(dòng)初期由于正壓室還未充滿飽和水時(shí)，就不能正確反應(yīng)汽包內(nèi)水位。所以，啟動(dòng)初期應(yīng)以云母水位計(jì)和電接點(diǎn)水位計(jì)為準(zhǔn)，控制汽包水位。 軟測量技術(shù)主要 由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測量模型幾部分組成?；舅枷胧前炎詣?dòng)控制理論與生產(chǎn)過程知識(shí)有機(jī)的結(jié)合起來，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對難以測量或者暫時(shí)不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計(jì)，以軟件來替代硬件的功能。應(yīng)用軟測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)元素組分含量的在線檢測不但經(jīng)濟(jì)可靠，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、可連續(xù)給出萃取過程中元素組分含量 ,易于達(dá)到對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。 國內(nèi)外汽包水位監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外常用的汽包水位控制方式主要有三種：三沖量控制、模糊控制和PID 自校準(zhǔn)與自調(diào)整。尤其 是前兩種控制方式，最為常用。每種控制方式又會(huì)根據(jù)不同的形式有更為細(xì)化的分類。例如 ,就三沖量控制方式而言，有兩種種控制策略：選用總給水閥門作為汽包水位控制閥門、選用進(jìn)省煤器閥作為汽包水位控制閥門。 汽包水位經(jīng)典控制策略 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 經(jīng)典汽包水位控制策略包括單沖量、雙沖量和三沖量控制 ,由于單沖量、 雙沖量及單級三沖量控制策略比較簡單 ,并且難以適應(yīng)現(xiàn)代各種復(fù) 雜鍋爐的控制要求 ,目前各種鍋爐汽包水位控制絕大多數(shù)采用三沖量水位控制策略 ,本文僅對三沖量串級控制策略進(jìn)行詳細(xì)分析。在實(shí)際應(yīng)用中 ,由于選定的控制閥門不一 樣 ,串級三沖量作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就不一樣。 A選用總給水閥門作為汽包水位控制閥門 選用總給水閥門作為汽包水位控制閥門對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說 ,方案成熟 ,是典型的串級三沖量控制設(shè)計(jì) ,在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中最為廣泛。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是 :以鍋爐汽包水位測量信號(hào)作為主控制信號(hào) ,構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路 ,以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào) ,構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路 ,總給水流量作為串級信號(hào) ,構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路 ,由主調(diào)節(jié)回路、前饋調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路來共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)。引入蒸汽流量 前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”現(xiàn)象對自動(dòng)控制的不良影響 ,引 入給水流量串級信號(hào)可以消除給水側(cè)壓力擾動(dòng)對自動(dòng)控制的不良影響。其控制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。 圖 總給水閥作為控制閥系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是 : (1) 系統(tǒng)適合于對于汽包 水位要求嚴(yán)格或變化頻繁、 虛假水位嚴(yán)重的系 統(tǒng) 。(2)對信號(hào)的靜態(tài)配合要求沒有那么嚴(yán)格 ,主 調(diào)節(jié)器能自動(dòng)校正信號(hào)配合不準(zhǔn)所引起的誤差 。(3)可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié) (不存在穩(wěn)態(tài)配合問題 )。缺點(diǎn)有 :(1) 在整定參數(shù)時(shí)的步驟較多 。(2)尤其在無論主環(huán)還是副環(huán) ,只要是有一個(gè)環(huán)發(fā)生振蕩 ,就可能造成系統(tǒng)的崩潰。 B 選用進(jìn)省煤器閥作為 汽包水位控制閥門 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 選用進(jìn)省煤器閥作為汽包水位控制閥門對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說 ,系統(tǒng)相對獨(dú)立 ,控制思路也相對清晰。該系統(tǒng)的思想是 ,以鍋爐汽包水位測量信號(hào)作為主控制信號(hào) ,構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路 ,以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào) ,總給水流量也作為前饋信號(hào) ,構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路 ,總給水流量減去減溫水流量 ,即進(jìn)省煤器的給水流量與前兩個(gè)控制回路的輸出構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路 (即串級回路 ),由主調(diào)節(jié)回路、前饋調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路來共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)。其控 制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。 圖 省煤器閥作為控制閥控制系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)實(shí)際是串級三沖量控制的一種變形 , 是在實(shí)際應(yīng)用過程中為更好地滿足工藝的要求而確立的 。給水總管閥全開 ,然后將減溫水閥與進(jìn)省煤器的閥分離開來控制 ,由控制算法和軟件來消除聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)所帶來的不便 。該系統(tǒng)適合于對汽包水位要求嚴(yán)格或變化頻繁 ,虛假水位嚴(yán)重的系統(tǒng)。 先進(jìn)控制策略的發(fā)展舉例 A 預(yù)測函數(shù)控制 預(yù)測函數(shù)控制 [3]由 Richalet 和 Kuntze 等人提出 ,并成功地應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的快速高精度控制。 PFC 把控制結(jié)構(gòu)的輸入作為關(guān)鍵 ,可以克服其他模型預(yù)測控制可能出現(xiàn)規(guī)律不明的控制輸入問題 ,同時(shí)具有良好的跟蹤能力、較強(qiáng)的魯棒性 ,抑制干擾能力好。 PFC 應(yīng)用到鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) ,并考慮負(fù)荷變化對汽包水位的影響 ,將蒸汽流量信號(hào)引入到 PFC 的預(yù)測模型中 ,用具有對負(fù)荷變化前饋補(bǔ)償?shù)钠幌到y(tǒng)預(yù)測函數(shù)控制策略。仿真結(jié)果表明 ,采用該新型汽包水位系統(tǒng)控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)和很強(qiáng)的魯棒性。汽包水位控制系統(tǒng)如圖 所示。與常規(guī)中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 PIDPID串級控制的不同之處在于 ,圖 中用 PFC 代替了常規(guī)外環(huán)的 PID控制器。 圖 預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)框圖 [4] 該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是 :(1)該方法綜合了預(yù)測控 制、串級控制和 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)。給水流量的擾動(dòng)在內(nèi)回路得以迅速消除 ,而蒸汽流量外擾及系統(tǒng)參數(shù)的變化主要由 PFC 的強(qiáng)魯棒性來保證； (2)采用 PFCPID 串級控制策略的水位系統(tǒng) ,與傳統(tǒng) PIDPID 串級控制相比 ,在參數(shù)整定上要簡單得多 ,相對于以往的模型預(yù)測控制 ,主要只有兩個(gè)參數(shù)需要整定 :參考軌跡時(shí)間常數(shù)一般取為主通道對象模型時(shí)間常數(shù)的 1/10， 1/5 即可。仿真研究表明 ,這兩個(gè)參數(shù)的取值自由度很大 ,對控制效果影響卻很小 ,而對于傳統(tǒng)的 PIDPID 串級控制 ,PID 的參數(shù)略有改變則對控制效 果影響甚大 ,因而其調(diào) 試工作量很大。雖然 PFCPID 控制需要確定預(yù)測模型 ,但對模型的精度要求不是很高 。(3)預(yù)測函數(shù)控制以其采用簡化的數(shù)學(xué)模型而得到運(yùn)算量很小的簡單算法 ,因而易于在廣泛使用的 DCS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和在對象特性變化情況下有很強(qiáng)的魯棒性因而完全能夠滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際需要 ,從而其具有良好的應(yīng)用前景。 B模糊控制 在鍋爐汽包水位控制中 ,模糊控制是主要控制策略之一 ,模糊控制 [5]是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯理論為基礎(chǔ)的一類計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法。模糊集合論是 20 世紀(jì) 60 年代中期由 L. A. Zadeh 提 出的。此后 ,模糊數(shù)學(xué)得到迅速發(fā)展 ,形成了一系列比較完整的基礎(chǔ)理論。模糊集合的引入 ,使得人們有可能用比較簡單的方法對復(fù)雜系統(tǒng)做出合乎實(shí)際的、符合人類思維方式的處理。 1973 年 ,L. A. Zadeh 繼續(xù)豐富和發(fā)展了模糊集合論 ,提出了一種把邏輯規(guī)則的語言表達(dá)轉(zhuǎn)化成相關(guān)控制量的思想 ,從而為模型控制的形成奠定了理論基礎(chǔ)。模糊控制方法與通常中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 系統(tǒng)分析所用的定量方法有著本質(zhì)的區(qū)別。它有如下 3 個(gè)主要特點(diǎn) :(1)用語言變量代替數(shù)學(xué)變量或者兩者結(jié)合應(yīng)用； (2)用模型條件語句來刻劃變量間的函數(shù)關(guān)系； (3)用模糊算法來刻劃復(fù)雜關(guān) 系。工業(yè)鍋爐汽包水位模糊控制系統(tǒng)通常是由汽包、水位變送器、模糊控制器 (一般由微機(jī)組成 )和進(jìn)水調(diào)節(jié)閥等部件組成 ,如圖 所示 ,圖中 Hd 水位給定值 ,H 是水位實(shí)際高度 ,當(dāng)汽包水位連續(xù)變化時(shí) ,水位變送器信號(hào)也不斷改變 ,由此測定值和水位給定值進(jìn)行比較 ,得出其誤差量。經(jīng)采樣和 A/D轉(zhuǎn)換 ,送入模糊控制器 ,模糊控制器的輸出控制量經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換 ,與信號(hào)功率放大器控制給水閥門 ,從而改變進(jìn)水量 ,保持水位在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。 圖 汽包水位模糊控制系統(tǒng) [6] 模糊控制的特點(diǎn) :(1)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí) ,可以不要求知道對象精 確的數(shù)學(xué)模型 ,但要對受控對象的特性有充分了解 ,是以現(xiàn)場操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)的總結(jié)和歸納而建立知識(shí)模型的； (2)用語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量 ,或兩者結(jié)合運(yùn)用 ,來構(gòu)造形成專家的知識(shí)庫； (3)控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng) ,適應(yīng)于常規(guī)控制難以解決的非線性、變性、多層次、多干擾的滯后系統(tǒng) (汽包水位具有這樣的性質(zhì) )。應(yīng)用在汽包水位控制上存在的缺點(diǎn)有 :系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整定困難、仍舊存在 誤差 。模糊控制規(guī)則的制訂 ,依賴于人們的操作經(jīng)驗(yàn) ,往往帶有很大的主觀片面性 ?？刂埔?guī)則— 旦確定 ,在控制過程中就不會(huì)改變 。普通模糊控制由于在模糊量化過 程中的信息丟失和制定模糊規(guī)則時(shí)人為因素的制約 ,必然會(huì)影響到控制的精度 。過多的規(guī)則數(shù)目使得其推理過程較為繁瑣 。最后鍋爐現(xiàn)場其他一些隨機(jī)干擾、噪音、過程時(shí)變性等等因素 ,有時(shí)會(huì)造成控制規(guī)則較粗糙 ,而影響控制品質(zhì)。 C模糊控制典型模型 —— 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (FNN)[7] 實(shí)際上模糊控制器是一種“語言控制” ,它通過模擬人類智慧進(jìn)行判斷和決策 ,能較好的處理模糊信息。但是 ,模糊控制不具備學(xué)習(xí)功能 ,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (NN)恰恰相反 ,它具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、聯(lián)想、識(shí)別等功能 ,但只能處理數(shù)值型數(shù)據(jù) ,不能處理中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 和描述模糊信息。那么 ,使二者結(jié) 合起來 ,使模糊控制具備學(xué)習(xí)功能 ,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備處理模糊信息功能 ,進(jìn)行判斷和決策 ,從而得到一種既具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、自適應(yīng)性 ,又能進(jìn)行模糊思維的新型結(jié)構(gòu) ,這就是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 (FNN)的基本出發(fā)點(diǎn)。直接將一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)模糊控制器 ,用一些已獲得的、能近似反 映控制器輸入 / 輸出關(guān)系的具體數(shù)據(jù)對其進(jìn)行訓(xùn)練 ,希望訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)的輸入 / 輸出關(guān)系能夠滿意地作為所需要的模糊控制函數(shù)。這樣 ,FNN 實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)模糊控制函數(shù)估計(jì)器 ,它直接將普通模糊控制器中的各種結(jié)構(gòu)化關(guān)系和數(shù)值運(yùn)算關(guān)系融于網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部描述之中。汽包水位 FNN模型控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 汽包水位 FNN 模型控制系統(tǒng)框圖 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模糊控制就形成了 FNN,通過將 FNN 和優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來 ,實(shí)現(xiàn)對模糊控制器的隸屬函數(shù)、模糊控制規(guī)則、模糊邏輯和比例因子的綜合優(yōu)化整定 ,避免了只憑經(jīng)驗(yàn)和試湊法設(shè)計(jì)模糊控制器所存在的困難和盲目性 ,有效地提高了模糊控制器的控制品質(zhì) ,FNN 的結(jié)構(gòu)考慮了模糊推理及模糊規(guī)則 ,所以其學(xué)習(xí)結(jié)果很容易理解 ,可以實(shí)現(xiàn)不同形式的模糊模型 ,同時(shí)又具有學(xué)習(xí)、計(jì)算能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力 ,在處理和解決問題時(shí)不需要對象的 精確模型 ,FNN 通過其結(jié)構(gòu)的可變性 ,逐步適應(yīng)外部環(huán)境的各種因素的作用。當(dāng)汽包的輸入輸出平衡時(shí) ,水位處于穩(wěn)定狀態(tài) ,當(dāng)汽包水位受到燃料量和蒸汽量的擾動(dòng)時(shí) ,根據(jù)偏差 ,FNN 的輸出通過變頻器 ,調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速 ,從而改變給水流量 ,使水位恢復(fù)到給定值。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 課題意義及主要工作 火電廠汽包水位是火電廠鍋爐運(yùn)行很重要的參數(shù)，對電廠安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有很重要的意義。因此，對于汽包水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)節(jié)顯得尤為重要。基于 VB 設(shè)計(jì)汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)，簡單、易操作且能夠?qū)崿F(xiàn)汽包水位實(shí)時(shí)監(jiān)控，對所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用考究很實(shí)際，對于將來的工 作和學(xué)習(xí)具有深遠(yuǎn)意義。 本課題針對火電廠汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)，基于 VB 可視化應(yīng)用程序，進(jìn)行火電廠汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。可視化界面，直觀的進(jìn)行汽包水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本課題的主要研究工作可概括為以下幾點(diǎn)： (1)汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)； (2)基于 VB汽包水位監(jiān)測界面設(shè)計(jì)； (3)硬件選型； (4)硬件單片機(jī)設(shè)計(jì)； (5)Modbus串口通訊協(xié)議。 本章小結(jié) 本章節(jié)對汽包水位傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的概況、控制元件、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行了簡要的介紹和分析。針對現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)，提出了本文的工作內(nèi)容并闡明了課題的意義。 2 火電廠汽包水位監(jiān) 測系統(tǒng)總述 鍋爐是大型設(shè)備，在火電廠中要注意安全生產(chǎn)?；痣姀S中要求鍋爐有一定的安全運(yùn)行環(huán)境，所以鍋爐可靠及安全運(yùn)行非常重要。有很多因子影響其安全運(yùn)行，而汽包水位影響尤為重要。作為重點(diǎn)監(jiān)控參數(shù)，它直接關(guān)系到鍋爐負(fù)荷和給水的相互持衡。水位太高了，會(huì)使汽間的距離縮小，蒸汽帶有大量的水，汽水間的分離效果變差，這樣會(huì)使蒸汽質(zhì)量變壞，過熱管內(nèi)會(huì)積累大量的鹽分，熱阻變大，管子太熱，金屬強(qiáng)度會(huì)降低，所以會(huì)發(fā)生爆管現(xiàn)象；水位變地太低，會(huì)使順循環(huán)不暢通，這樣的話，水冷壁的溫度會(huì)很高，當(dāng)嚴(yán)重的缺水時(shí)，會(huì)使得鍋爐變地干鍋，甚 至發(fā)生爆炸，設(shè)備就會(huì)損壞。所以，要時(shí)時(shí)刻刻保持水位的監(jiān)控與調(diào)節(jié)正常，保證鍋爐能夠良好的運(yùn)行，生產(chǎn)出合格的蒸汽，來滿足電廠的發(fā)電需要。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 汽包水位的影響因素 如圖 所示，汽包水位決定于汽包內(nèi)汽、水的量，如果這兩者發(fā)生變化的話，會(huì)直接影響水位變化，那么，能夠使這兩者發(fā)生變化的因素，都會(huì)間接地使水位產(chǎn)生波動(dòng)。其中主要擾動(dòng)有：上水管段的流量 W、鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生的蒸發(fā)量 D、汽包內(nèi)部環(huán)境壓力 Pb、還有爐膛的熱負(fù)荷量等。 省 煤 器過 熱 器水 冷 壁汽包變頻器 圖 給水示意圖 [8] 表面上 看起來，汽包水位動(dòng)態(tài)性質(zhì)和單體水箱差不多，給水量與蒸汽量影響汽包水位的高低 。 可是實(shí)踐中有所不同，舉個(gè)凸顯的例子來說，水循環(huán)過程中的水?dāng)y帶者大量的蒸汽泡，隨著汽包壓力和爐膛負(fù)荷的變化，蒸汽包的大小也會(huì)跟著變化，不管是什么原因引起氣泡體積改變，即使沒有改變水循環(huán)的總水量，但