【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的保證。 本文的主要工作 本文以工業(yè)鍋爐控制為背景，主要以其中的汽包水位控制系統(tǒng)為對(duì)象，研究了三種控制算法并用 MATLAB 工具作了仿真并且對(duì)三種控制算法的結(jié)果作了比第 1 章 緒論 7 較，主要作了以下工作： 采用機(jī)理建模法建立鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)模型； 對(duì)鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析，并提出了單沖量、雙沖量、三沖 量等三種控制方案，對(duì)三種方案作比較后得出了適合于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求的控 制方案； 引入了三種汽包水位控制系統(tǒng)的控制算法，即： PID 控制、前饋控制和串級(jí) 控制； 建立汽包水位仿真數(shù)學(xué)模型，引進(jìn) MATLAB 仿真工具，建立仿真系統(tǒng)模型， 選定以上三種控制算法，進(jìn)行仿真，最后對(duì)它們進(jìn)行了對(duì)比分析。 8 第 2章 鍋爐 汽包水位 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 鍋爐控制系統(tǒng) [4][5][6] 應(yīng)該說(shuō)鍋爐控制問(wèn)題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長(zhǎng)期以來(lái)就是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型問(wèn)題。 伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐漸提高。鍋爐的自動(dòng)化控制，經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制幾個(gè)階段。隨著六十年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用以及此后計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸進(jìn)入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計(jì)算機(jī)很強(qiáng)的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計(jì)算功能為實(shí)現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。 鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖 [7] 從系 統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)，送引風(fēng)控制系統(tǒng)，給水控制系統(tǒng)，輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 鍋 爐 控 制 燃燒 控制 系統(tǒng) 給水 控制 系統(tǒng) 汽溫 控制 系統(tǒng) 輔助 控制 系統(tǒng) 燃 料 量 控 制 風(fēng) 量 控 制 負(fù) 壓 控 制 省 煤 器 控 制 空 氣 預(yù) 熱 控 制 水 位 控 制 過(guò) 熱 溫 度 控 制 除 氧 器 控 制 輸 渣 除 塵 控 制 第 2 章 鍋爐汽包水位 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 鍋爐燃燒控制系統(tǒng) 鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是既要提供適當(dāng)?shù)臒崃恳赃m應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，又要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的安全性。為此，燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)有三個(gè)控制任務(wù)： 維持主汽壓以保證蒸汽的品質(zhì)； 維持最佳的空燃比以保證燃燒的 經(jīng)濟(jì)性； 維持爐膛內(nèi)有一定的負(fù)壓以保證運(yùn)行的安全性。 因此燃燒控制系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分。 燃料量控制系統(tǒng) 根據(jù)鍋爐所使用的主要燃料的不同，其控制系統(tǒng)有所不同。當(dāng)使用煤粉時(shí)，鍋爐在啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)還是使用燃油，另外，燃油還用于點(diǎn)火和煤粉的穩(wěn)定燃燒，故對(duì)于煤粉爐，燃料量的控制又分為燃油控制和燃煤控制。在燃油控制中，包括燃油壓力的控制 (保證燃油壓力不低于油槍安全運(yùn)行所需要的最低油壓 )、燃油量控制 (保證燃油量滿足負(fù)荷的要求 )和霧化蒸汽壓力控制 (保證霧化蒸汽壓力總是大于燃油壓力以使燃油能充分霧化 )。在燃煤控制中， 主要是根據(jù)鍋爐指令并與送風(fēng)量相配合，產(chǎn)生各臺(tái)給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速指令。一方面，它與風(fēng)量控制系統(tǒng)一起，保證送入鍋爐熱量滿足負(fù)荷的要求和氣壓穩(wěn)定，另一方面，它將需求的燃料量平均分配給各臺(tái)給煤機(jī)。 風(fēng)量控制系統(tǒng) 風(fēng)量控制和燃料量控制一起，共同保證鍋爐的出力能適應(yīng)外界負(fù)荷的要求，同時(shí)使燃燒過(guò)程在經(jīng)濟(jì)、安全的狀況下進(jìn)行。燃燒需要的空氣由送風(fēng)機(jī)提供，鍋爐燃燒的總風(fēng)量為送風(fēng)機(jī)風(fēng)量和一次風(fēng)量之和。此外，在風(fēng)量控制系統(tǒng)中，還包括二次風(fēng)的分配控制 (燃料風(fēng)、輔助風(fēng)和過(guò)燃風(fēng) )。 爐膛壓力控制系統(tǒng) 爐膛壓力控制系統(tǒng)的任務(wù)是調(diào)節(jié)鍋爐的 引風(fēng)量，使之與送風(fēng)量相適應(yīng)，以維持爐膛具有一定的負(fù)壓力，保證鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 鍋爐氣溫控制系統(tǒng) 汽溫控制主要是過(guò)熱汽溫控制。由于大型鍋爐的過(guò)熱器是在接近過(guò)熱器金屬的極限溫度的條件下運(yùn)行的，金屬管強(qiáng)度的安全系數(shù)不大，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高會(huì)降低金屬管的強(qiáng)度，影響設(shè)備的安全；而溫度過(guò)低又會(huì)使熱效率下降。同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度也是影響安全生產(chǎn)的重要因素，維持過(guò)熱蒸汽溫度相對(duì)穩(wěn)定顯得極為重要。 10 鍋爐給水控制系統(tǒng) 鍋爐汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)，水位過(guò)高，會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重時(shí)將引起蒸汽 品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而損壞。尤其是大型鍋爐，相對(duì)來(lái)說(shuō)，汽包的容積很小，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在容許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行。 對(duì)蒸汽鍋爐而言，汽包水位是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)重要的被調(diào)節(jié)參數(shù)。由于汽包水位在蒸汽鍋爐運(yùn)行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產(chǎn)自動(dòng)化一般是從給水自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)始的。 輔助控制系統(tǒng) 輔助控制系統(tǒng)主要有：除氧器壓力控制系統(tǒng) ；空氣預(yù)熱器溫度控制系統(tǒng)；清渣除塵控制系統(tǒng)等。 第 3 章 鍋爐汽包水位特性及其控制 11 第 3章 PID 控制理論 PID 理論概述 這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。 PID(比例 積分 微分 )控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器 。 PID 控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 PID控制器由比例單元 ??P 、積分單元 ??I 和微分單元 ??D 組成。其輸入 ??et與輸出 ??ut的關(guān)系為 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?1 / * /u t Kp e t TI e t d t TD d e t d t? ? ? ?式中積分的上下限分別是 0和t 因此它的傳遞函數(shù)為： ? ? ? ? ? ? ? ?? ?/ 1 1 / * *G s U s E s K p T I s T D s? ? ? ? 其中 Kp 為比 例系數(shù)； TI 為積分時(shí)間常數(shù)； TD 為微分時(shí)間常數(shù) PID 控制及其控制算法 控制概述 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來(lái)糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。 在過(guò)去的幾十年里， PID 控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制 中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過(guò)程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，而且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。 PID 控制器由比例單元 ??P 、積分單元 ??I 和微分單元 ??D 組成，它的基本原理比較簡(jiǎn)單，基本的 PID 控制規(guī)律可描述為： 12 ? ? SKSKKSG DP ??? 1 ? ? PID 控制用途廣泛，使用靈活，已有系列化控制器產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù) ( PK 、 IK 和 DK )即可。在很多情況下，并不一定需要三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，不過(guò)比例控制單元是必不可少的。 PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 原理 簡(jiǎn)單，使用方便， PID 參數(shù) KP 、 KI 和 KD 可以根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化， PID 參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整與設(shè)定。 (2) 適應(yīng)性 強(qiáng)，按 PID 控制規(guī)律進(jìn)行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)，其基本控制功能也仍 然是 PID 控制。 PID 應(yīng)用范圍廣，雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，也可以將其變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，就可以進(jìn)行 PID 控制了。 (3) 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。但不可否認(rèn)PID 也有其固有的缺點(diǎn)。 PID 在控制非線性、時(shí)變、偶合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不缺點(diǎn)的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，效果不是太好；最主要的是：如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)作用都不大。 在科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法，但 PID 仍因其自身的優(yōu)點(diǎn)而得到了最 廣泛的應(yīng)用， PID 控制規(guī)律仍是最普遍的控制規(guī)律。 PID 控制器是最簡(jiǎn)單且許多時(shí)候最好的控制器。 在過(guò)程控制中， PID 控制也是應(yīng)用最廣泛的，一個(gè)大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達(dá)二三百個(gè)甚至更多，其中絕大部分都采用 PID 控制。由此可見(jiàn)，在過(guò)程控制中， PID 控制的重要性是顯然的，下面將講述 PID 控制。 PID 控制 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。比例控制器的傳遞函數(shù)為： ? ? KSG PC ? ? ? 式中， pK 稱為比例系數(shù)或增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)），一些傳統(tǒng)的控制第 3 章 鍋爐汽包水位特性及其控制 13 器又常用比例帶 (Proportional Band， PB)，來(lái)取代比例系數(shù) PK ，比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)，比例帶也稱為比例度。 對(duì)于單位反饋系統(tǒng)， 0 型系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)際階躍信號(hào) R0 1(t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開(kāi)環(huán)增益 K 近視成反比，即： ? ? KRtet ???? 1lim0 ? ? 對(duì)于單位反饋系統(tǒng)， I 型系統(tǒng)響應(yīng)勻速信號(hào) R1 (t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開(kāi)環(huán)增益 Kv近視成反比，即： ? ?KRteVt1lim ??? ? ? P 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對(duì)系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)中 P 控制一般不單獨(dú)使用。 系統(tǒng)的特征方程式為： ? ? 01 GKSD P?? ?? 0Hs? ? ? 比例微分 (PD)控制環(huán)節(jié) 具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱為 PD 控制， PD 的傳遞函數(shù)為： ? ? sKKSG PPC ??? ? ? 其中， Kp 為比例系數(shù)， ? 為微分常數(shù)， Kp 與 ? 兩者都是可調(diào)的參數(shù)。 PD 控制器的輸出信號(hào)為： ? ? ? ? ? ?dt tdeKteKtuPP ??? ? ? 在微分控制中，控制器的輸入與輸出誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制反映誤差的變化率，只有當(dāng)誤差隨時(shí)間變化時(shí)，微分控制才會(huì)對(duì)系統(tǒng)起作用，而對(duì)無(wú)變化或緩慢變化的對(duì)象不起作用。因此微分控制在任何情況下不能單獨(dú)與被控制對(duì)象串聯(lián)使用，而只能構(gòu)成 PD 或 PID 控制。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定，其原 14 因是由于存在有較大慣性的組件 (環(huán)節(jié) )或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用 ,其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差變化的作用 “超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 這就是說(shuō)，在控制中引入“比例”項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)” ,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有“比例 +微分”的控制器，就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性。另外，微分控制對(duì)純時(shí)控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)。 在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)定值有突變時(shí)，為了防止由于微分控制的突跳，常 將微分控制環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中，這種做法稱為微分先行，即微分運(yùn)算只對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行，而不對(duì)設(shè)定信號(hào)進(jìn)行。 積分 (I)控制 具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即 I 控制， I 控制的傳遞函數(shù)為： sKsG iC ?)(