【文章內(nèi)容簡介】 時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。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為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。如圖36，由于引入了蒸汽流量前饋信號，當(dāng)蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，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誤動作。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大的減小給水量和水位的波動，縮短過度過程時間。圖36 雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負(fù)荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務(wù)。在給水流量比較平穩(wěn)時，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位變化時才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動較大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。近代鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在1030秒內(nèi)就會發(fā)生危險水位，如果僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對水位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運行中經(jīng)常會有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺鍋爐并列運行時，還可能發(fā)生幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺鍋爐負(fù)荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動，而使其它鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中，對于給水量這種自發(fā)變化不能及時反映出來，要經(jīng)過一定的遲延時間之后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜。針對上述情況，為了把水位控制穩(wěn)定，鍋爐水位調(diào)節(jié)常輔助有蒸汽流量和給水流量動態(tài)補償，由水位、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖323 所示。在這個系統(tǒng)里，汽包水位H是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量、給水流量是兩個輔助沖量信號。、引入系統(tǒng)的符號，根據(jù)各自信號的增減對水位H的影響來定。如蒸汽流量，當(dāng)時，水位降低，要使水位不變就必須在原有給定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值，所以引入系統(tǒng)的符號為“+”。、引入系統(tǒng)的符號可用同樣的方法來確定。由于三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)都比單沖量、雙沖量調(diào)節(jié)要好，因此應(yīng)用也最多。圖37 三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖38 是三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖。從方塊圖上可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路；(l)是由給水流量W、給水分流器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路。(2)由水位調(diào)節(jié)對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量、分流器、對象：均在閉合回路之外它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量調(diào)節(jié)的實質(zhì)是前饋加反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖38 三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖在這個系統(tǒng)里，內(nèi)回路相當(dāng)于串級調(diào)節(jié)的副環(huán)，當(dāng)給水流量產(chǎn)生擾動時（給水流量的擾動也稱內(nèi)擾），由于副回路的快速調(diào)節(jié)作用，將對水位影響較小。在分析內(nèi)回路時可認(rèn)為主回路是開路，內(nèi)回路是一個隨動系統(tǒng)。內(nèi)回路的方塊圖可表示為圖39。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)都看作是調(diào)節(jié)對象，那么調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)，這樣調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間可設(shè)置得較小。PIΔI +WW圖39 水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)回路方塊圖其中,因此可認(rèn)為： (39) 則圖39進(jìn)一步簡化為圖310，在內(nèi)回路分析基礎(chǔ)上，可以畫出主回路的簡化方塊圖311，從圖311可以看出，主回路也是一個單回路系統(tǒng)。調(diào)節(jié)對象以給水量W 作為輸入，以水位H作為對象的輸出。等效調(diào)節(jié)器是比例調(diào)節(jié)器，等效比例帶。ΔI圖310 水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)回路等效方塊圖ΔIWHD++—+圖311 水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)主回路簡化方塊圖蒸汽流量信號不在調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉合回路之內(nèi)，因此它的大小不影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蒸汽流量信號的大小原則上可以這樣來定，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動時，就利用這個擾動信號作為調(diào)節(jié)信號，通過調(diào)整按水位H變化很小或基本不變。 (32)這樣就要求取值(3－2)式值時，就可實現(xiàn)蒸汽流量擾動下水位不變的設(shè)想。但這時的就不是一個簡單的系數(shù)，而是一個復(fù)雜的動態(tài)環(huán)節(jié)。一般情況，要是一個比例環(huán)節(jié)，在負(fù)荷變化時就能把鍋爐水位控制在允許的范圍內(nèi)。通常都根據(jù)蒸汽流量信號與給水流量信號靜態(tài)配合的原則來選擇、如果要求在整個負(fù)荷范圍內(nèi)，水位的穩(wěn)定值不變，則取： (33)即蒸汽流量信號的前饋系數(shù)等于給水流量信號的分流系數(shù)。由于在采用三沖量，在系統(tǒng)中控制器的輸入端有三個輸入信號，這就水位極易引起偏差，因此，本文根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運行情況，提出了消除三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個方法:(1)輔助信號自消的方法。所謂自消就是輔助信號經(jīng)一個不完全微分環(huán)節(jié)(或帶濾波器的微分環(huán)節(jié))得到信號再加至控制器，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時有： (34)(2)輔助信號對消的方法所謂對消就是輔助信號滿足對消條件。設(shè)有兩輔助信號和,滿足對消條件： (35)本文汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量PID串級控制系統(tǒng)如圖312 所示。與一般串級系統(tǒng)不同的是引入了蒸汽流量作為靜態(tài)前饋信號，是一個帶有靜態(tài)前饋的串級控制系統(tǒng)。串級系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用了一個調(diào)節(jié)器，但它對信號的靜態(tài)配合要求不很嚴(yán)格，這是因為主調(diào)節(jié)器能自動校正信號配合不準(zhǔn)所引起的誤差。水位偏差控制采用蒸汽流量與給水流流量對消方式來消除偏差即取。其中,、分別為蒸汽流量、給水流量、水位變送器的傳遞系數(shù)。為靜態(tài)前饋系數(shù)。HDW+++++——圖312 汽包水位串級控制系統(tǒng)，由相關(guān)文獻(xiàn)資料可得，汽包水位控制通道傳遞函數(shù)為： (36)蒸汽量擾動下干擾通道的傳遞函數(shù)為： (37)變送器的比例系數(shù)：水位變化范圍為177。50mm，水位變送器的電流變化為0－10mA ，所以水位變送器的比例系數(shù)為： 水流量和汽流量變送器的比例系數(shù)為：。2．通過估算及仿真實驗得到：根據(jù),給水流量信號和汽流量信號的分流系數(shù)為：。PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過仿真實驗得到：(1)主控制器的PID參數(shù)為：(2)副控制器的PID參數(shù)為：3．汽包水位三沖量串級PID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)如圖2－13所示，在水位傳遞函數(shù)為仿真結(jié)果如圖3－14所示。4．汽包水位三沖量PID控制系統(tǒng)若汽包水位采用雙沖量單級PID控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)如圖3－15 所示。對其在無、有干擾情況下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果與雙沖量PID進(jìn)行比較如圖2－12－16所示。圖313汽包水位三沖量串級PID控制系統(tǒng)圖(a) 水位給定值階躍跟蹤響應(yīng)時的仿真結(jié)果(b) 在0秒加入蒸汽流量擾動時的仿真結(jié)果(c) 在0秒加入給水流量擾動時的仿真結(jié)果圖214(a)(b)(c)在水位傳遞函數(shù)為時的仿真結(jié)果圖315 汽包水位雙沖量單級PID控制系統(tǒng)圖1 為三沖量PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，2 為雙沖量PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖316系統(tǒng)無擾動時仿真結(jié)果比較圖1 為三沖量PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，2 為雙沖量PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖318 系統(tǒng)在0秒加入擾動時仿真結(jié)果比較圖從控制系統(tǒng)仿真曲線圖可以看出:采用PID控制器，系統(tǒng)的靜態(tài)特性較好。三沖量控制與雙沖量，采用三沖量系統(tǒng)對干擾有很好有控制能力。當(dāng)對象參數(shù)發(fā)生改變時，系統(tǒng)發(fā)生巨大響應(yīng)，超調(diào)量明顯變大，上升時間變長，系統(tǒng)振蕩加劇，可以看出當(dāng)控制對象不明確時，PID控制效果不好。串級系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)的干擾有較強的控制能力?？梢?，采用PID控制器，系統(tǒng)的靜態(tài)特性較好。但當(dāng)對象參數(shù)發(fā)生改變時，系統(tǒng)發(fā)生較大響應(yīng)，超調(diào)量明顯變大，上升時間變長，系統(tǒng)振蕩加劇，當(dāng)控制對象不明確時，三沖量的常規(guī)PID控制效果不好。以下，我們將嘗試采用自適應(yīng)模糊控制的方法，來改善上述不足。第四章 模糊控制 模糊控制的產(chǎn)生與發(fā)展模糊理論的創(chuàng)始人是美國加利福尼亞大學(xué)的自動控制專家扎德()，在他的第一篇論文《模糊集合》中，首先引入了隸屬函數(shù)的概念。扎德建立了模糊集合論的基礎(chǔ)。模糊理論一出現(xiàn)就表現(xiàn)其強大的生命力和滲透力。20 世紀(jì)70 年代以后，在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到了很快的發(fā)展[10]。在控制系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計中，都需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型。但是，對于一些生產(chǎn)過程，要獲得既有足夠的精確性，又便于系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的。這使現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用受到限制。扎德的模糊理論為控制理論開辟了新的發(fā)展方向，提供了新的控制系統(tǒng)設(shè)計方法。，這一開拓性的工作標(biāo)志模糊控制工程的誕生。此后，模糊控制在化工、機(jī)械、冶金、工業(yè)窯爐等多個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。我國的模糊控制理論及其應(yīng)用研究是從工作1979 年開始的。1979—1980 年我國的李寶綬、劉志俊等人設(shè)計了一類缺乏數(shù)學(xué)模型的控制器，對模糊控制器的特性進(jìn)行了仿真，與PI控制器進(jìn)行比較，結(jié)果表明，模糊控制器對單位階躍響應(yīng)具有速度快、精確度較高以及對參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點。近年來在工業(yè)基礎(chǔ)上應(yīng)用模糊控制己取得了許多成果。模糊控制實際上是一種非線性控制，是以模糊理論模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種控制方法，從屬于智能控制的范疇。模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分，如圖4—1所示：給定A/DD/A模糊控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器+－被控量被控對象圖41 模糊控制系統(tǒng)圖模糊控制器，是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分；輸入／輸出接口，模糊控制器通過輸入／輸出接口從被控制對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在I/ O接口裝置中，除A/D 、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路；執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各類電動機(jī)、調(diào)節(jié)閥等；被控對象，對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制；傳