【文章內(nèi)容簡介】 減少給水量，這個錯誤舉動反而擴大了汽包進出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。(2)在給水擾動時，調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動作，又經(jīng)過一段時間延遲后才能影響到水位，導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時間長[2]。 雙沖量控制系統(tǒng)在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入蒸汽流量作為前饋信號。引入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對控制的不良影響。當蒸汽負荷變化時，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作，同時有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。圖中，G1為蒸汽流量擾動下汽包液位的傳遞函數(shù)。K為蒸汽流量的分流系數(shù)[2]。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)，這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點是：(1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量和液位的波動，縮短了過渡過程的時間。(2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達到調(diào)節(jié)要求的。 雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是：調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動。當給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。 汽包液位雙沖量控制原理圖及方框圖 三沖量控制系統(tǒng)一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高對汽包水位的控制。在雙沖量控制系統(tǒng)中，對于給水量的自發(fā)變化不能及時調(diào)節(jié)，只有在延遲一段時間后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。對于幾臺鍋爐并列運行時，幾臺鍋爐的汽包水位控制會相互影響，使得控制過程非常復(fù)雜。針對這個問題，三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又引進了給水量信號控制。這個調(diào)節(jié)器接受三個輸入調(diào)節(jié)信號：汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內(nèi)反饋信號。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負荷而言，容量較大，水位受到擾動后的轟應(yīng)速度比較慢，虛假水位現(xiàn)象不很嚴重。因此一般采用單沖量調(diào)節(jié)方法就可以滿足生產(chǎn)運行的要求，但是單沖量調(diào)節(jié)方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響，當蒸汽量大幅度增加時，由于假水位上升，調(diào)節(jié)器輸出信號不但不去開大調(diào)節(jié)閥增大給水流量，以維持物料平衡，反而去關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減小給水流量，等到假水位消失后，水位將更加迅速下降，在外擾作用下必將引起水位發(fā)生較大幅度波動。為了克服虛假水位對控制的不良影響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號，所以雙沖量控制比單沖量控制更好些。然而雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對水位的影響，因為當給水壓力波動時，給水流量將相應(yīng)變化，此時只有待水位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。為此再引入給水流量信號，即采用三沖量水位控制回路。所以，通過分析我們發(fā)現(xiàn)三沖量控制要比單沖量控制和雙沖量控制要優(yōu)越些[2]。，一是由給水流量W、給水分流器a w組成的內(nèi)回路。二是由液位調(diào)節(jié)對象G0、變送器、調(diào)節(jié)器Gc和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。當負荷變化時，液位可以保持無差。 汽包液位三沖量控制原理圖及方框圖本文就是采用這種三沖量的控制方式，將蒸汽流量作為前饋信號，把給水流量作為控制信號，組成汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)，同時考慮到傳統(tǒng)PID控制對汽包運行中出現(xiàn)的“虛假水位”嚴重時控制不夠及時，所以將模糊控制器和模糊PID控制器應(yīng)用到該鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐汽包水位的定值控制。第三章 控制理論分析 PID控制理論 PID控制器簡述PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間，盡管自上世紀80年代以來，電子計算機的快速更新?lián)Q代和計算技術(shù)的高速發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，出現(xiàn)了許多先進的控制算法，然而，以PID為原理的各種控制器仍是過程控制中不可或缺的基本控制單元。至今，仍有90%以上的控制回路采用PID結(jié)構(gòu)或其改進型。概括的說，PID控制器應(yīng)用如此廣泛主要有以下幾個原因：（1）只要設(shè)計和參數(shù)整定合適，PID控制器在許多應(yīng)用場合都能獲得較滿意的效果。（2）PID控制器有一個相對固定的結(jié)構(gòu)形式，一般僅有三個參數(shù)需要設(shè)置，不需要精確的數(shù)學(xué)模型；并且，PID控制器操作簡單、維護方便，對設(shè)備和技術(shù)人員的要求不高，因而在現(xiàn)有控制系統(tǒng)中使用容易。（3）現(xiàn)在，隨著微處理器性價比的不斷提高，一些優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的復(fù)雜控制算法能夠得到實現(xiàn)，而且控制技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了控制系統(tǒng)的組合化。然而在這種情況下，為什么PID控制器依然能在過程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中一個原因，是許多高級控制策略都采用分層結(jié)構(gòu)，而PID控制被用于最底層；上層多變量控制器給底層的PID控制器提供設(shè)定值；另一個原因，是負責(zé)實際操作的技術(shù)人員要掌握復(fù)雜控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)比較難。（4）借助于電子管、半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)，PID控制器發(fā)生了許多變化，從過去的氣動式向今天的微處理器方向發(fā)展。微處理器的出現(xiàn)對PID控制器產(chǎn)生了重大影響，實際上今天幾乎所有的PID控制器都是建立在微處理器基礎(chǔ)上。這樣也就給傳統(tǒng)PID控制器提供了增加一些新功能的可能，這些新功能主要包括自整定、增益調(diào)度和自適應(yīng)。自整定技術(shù)對于工程師設(shè)置控制器參數(shù)非常有用，尤其體現(xiàn)在一些復(fù)雜回路的控制器參數(shù)整定上。PID控制器在功能和作用上，可以提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除靜態(tài)偏差，通過微分作用可以預(yù)測未來。它能解決許多控制問題，尤其在動態(tài)過程是良性的和性能要求不太高的情況下。 PID控制器的結(jié)構(gòu)PID控制器的基本控制規(guī)律有比例、積分和微分等幾種，工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合。比例、積分、微分調(diào)節(jié)器，是前述調(diào)節(jié)器中功能最全的一種。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： (31)式中，u（t）——控制器的輸出； e（t）——控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號； KP——控制器的比例系數(shù)； TI—— 控制器的積分時間； TD——控制器的微分時間。PID控制規(guī)律由比例、積分、微分三部分組成。分別介紹如下：(1) 比例部分比例部分數(shù)學(xué)式表示如下： (32)偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強弱取決于比例系數(shù)，越大，控制作用越強，則過渡過程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越??；但越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生震蕩，導(dǎo)致動態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，比例系數(shù)選擇必須適當，這樣才能取得過渡時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。(2) 積分部分積分部分數(shù)學(xué)式表示如下： (33) 從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除偏差?？梢姡e分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差，可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間TI，對積分部分的作用影響極大。當TI較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生震蕩，但是消除靜差所需的時間較長，當TI較小時，則積分作用較強，這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生震蕩，但消除靜差所需的時間較短。(3) 微分部分微分部分數(shù)學(xué)表達式表示如下： (34)微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質(zhì)，因為微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，具有及時性。微分部分的作用強弱由微分時間TD決定。TD越大，則它抑制e(t)變化的作用越強，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。因為微分作用的引入會把高頻干擾放得很大，反而可能使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)降低。TD越小，它反抗e(t)變化的作用越弱。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。 在計算機中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期很短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時間PID算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程，數(shù)字PID位置型控制算式，如下式所示： (35)式中：u(k)——k采樣周期時的輸出； e(k)——k采樣周期時的偏差； Ts——采樣周期。令: ， ，則有： (36)其中，KI，KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。 PID控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間。盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。 PID控制的優(yōu)缺點PID控制的特點，使它在過程控制中有很多優(yōu)點：第一，PID控制的原理簡單，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗豐富，使用起來比較方便；第二，PID控制對于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性；第三，在過程控制中的適應(yīng)性強，在多種生產(chǎn)部門都得到應(yīng)用，在生產(chǎn)過程控制發(fā)展歷程中，盡管控制器的實現(xiàn)幾經(jīng)換代，但基本的控制功能仍然是PID控制。但傳統(tǒng)的PID控制也存在許多不足，最突出的一點就是有關(guān)PID參數(shù)的問題。首先，傳統(tǒng)PID控制無自整定能力，這主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，PID控制器的參數(shù)整定必須相對于某一模型已知、系統(tǒng)參數(shù)已知的系統(tǒng)。第二，PID控制器參數(shù)一旦整定完畢，便只能固定地適用于一種工況。但事實上大多數(shù)的生產(chǎn)過程都具有非線性，且其特性隨時間的變化而變化，顯然固定的一組參數(shù)是不能滿足這種變化的。其次傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)只能整定為滿足生產(chǎn)過程控制目標某一個方面的要求。在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中人們主要關(guān)心的問題是“設(shè)定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”。而傳統(tǒng)的PID控制器，只能通過整定一組PID參數(shù)來滿足一個方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù)，這樣得到的控制效果顯然不是最佳的。但是，PID三大參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞：合理的參數(shù)會使控制效果優(yōu)良，不合理的選擇會使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變差，有時甚至使系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。所以，探求一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。在實際生產(chǎn)過程中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行環(huán)境的適應(yīng)性較差。針對上述問題，長期以來，人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標的控制要求。微處理機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應(yīng)用，以及近年來各種先進算法的不斷涌現(xiàn)，為控制復(fù)雜系統(tǒng)開辟了新途徑[3]。 模糊控制理論模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面取得了重大成功。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和一般的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)沒有多大區(qū)別，只是用模糊控制器取代了傳統(tǒng)的控制器。從理論上講模糊控制器應(yīng)是連續(xù)型的控制器，但在工程上實現(xiàn)模糊控制都是采用數(shù)字計算機，所以在實際應(yīng)用中，模糊控制器又是一種離散型的控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下:微機經(jīng)過中斷采樣獲得被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號e，一般選誤差信號e作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號e的精確量進行模糊化轉(zhuǎn)變成模糊量。誤差e的模糊量可用響應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差e的模糊語言集合的一個子集E(E是一個模糊矢量)，在由E和模糊控制規(guī)則R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量U。 模糊控制的基本思想控制理論的發(fā)展和數(shù)學(xué)有著密切的關(guān)系，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，這種關(guān)系就更為密切。無論是采用經(jīng)典控制理論還是采用現(xiàn)代控制理論去設(shè)計一個自動控制系統(tǒng)，一般需要了解被控對象數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)、階次、參數(shù)等等，然后在此基礎(chǔ)上合理地選擇控制策略。但是在許多情況下無法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。如煉鋼爐的冶煉過程、工業(yè)鍋爐的燃燒過程等等。此類過程的變量多，各種參數(shù)又存在不同程度的時變性，并且過程具有非線性、強耦合等特點，因此建立這一類過程的精確數(shù)學(xué)模型困難很大，難以進行控制，但有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制卻可以收到令人滿意的效果。模糊控制的基本思想就是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而人的控制經(jīng)驗一般是由語言來表達的，這些語言表達的控制規(guī)則又帶有相當?shù)哪：浴Ｈ缛斯た刂扑垡何坏慕?jīng)驗可以表達為：若水槽無水或水較少時，則開大水閥；若液位和要求的液位相差不太大，則把水閥關(guān)??；若液位快接近要求的液位，則把閥門關(guān)得很??；．．．這些經(jīng)驗規(guī)則中，“較小”、“不太大”、“接近”、“開大”、“關(guān)小”、“關(guān)得很小”這些表示液位狀態(tài)和控制閥門動作的概念都帶有模糊性，這些規(guī)則的形式正是模糊條件語句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時刻過程變量的檢測值(需化成模糊變量)用模糊邏輯推理的方法得出此刻的控制量。這就是模糊控制的基本思路。 由于模糊控制器的模型不是由數(shù)學(xué)公式表達的數(shù)學(xué)模型，而是由一組模糊條件語句構(gòu)成的語言形式，因此從這個角度上講，模糊控制器又稱模糊語言控制器。模糊控制器的模型是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員和專家的控制經(jīng)驗和知識組成的知識模型，是基于知識的控制，因此，模糊控制屬于智能控制的范疇。因此可以說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計