【文章內(nèi)容簡介】 在蒸汽流量干擾作用下，水位變化 的階躍響應(yīng)曲線會產(chǎn)生如圖 。 圖 蒸汽流量擾動作用下的水位相應(yīng)曲線 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 當(dāng)蒸汽流量 D突然增加，在燃料量不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量 D大于給水量 W，水位變化應(yīng)為 圖 H1所示呈 直線下降。但實際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間 必導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生閃蒸，水中氣泡迅速增加，因氣泡容積增加，而使水位變化的曲線 如圖 H2所示，先上升再趨于平緩。而實際水位則為二者疊加。從圖中可以看出， 當(dāng)蒸汽量加大時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始，水位 不僅 不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升。這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。蒸汽流量振動時，水位變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為： 1sT KsKD ( s )( s )HD ( s )( s )HD ( s )H ( s ) 2 2f21 ?????? （ 2 2） 式中， fK 飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量里水位的變化速度，htsmm ； 2K 響應(yīng)曲線 2H 的放大系數(shù)； 2T 響應(yīng)曲線 2H 的時間常數(shù)。 虛假水位的變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)。對于一般 110t/h～300t/h的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化 10%時，虛假水位可達(dá) 30～ 40mm。虛假水位現(xiàn)象屬于反向特性，給控制帶來一定的困難，在控制方案設(shè)計時，必須引起注意。 第 節(jié) 汽包水位的幾種常規(guī)控制方法 要控制汽包的水位主要通過對給水進(jìn)行控制，因為在影響汽包水位的因素中 ，給水最為主要，燃料量的擾動影響較小。在汽包水位控制中，常以汽包水位為被控制變量，以調(diào)節(jié)給水流量為控制手段。與此同時，汽包水位不僅受鍋爐側(cè)的影響，也受到汽輪機(jī)側(cè)的影響，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或汽輪機(jī)用汽量變化時，給水控制都應(yīng)能限制汽包水位在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化。 常用的方法多為三種：單沖量、雙沖量及三沖量控制。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路液位控制系統(tǒng) ： 圖 單沖量控制系統(tǒng) 這里沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包水位。 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對于汽包內(nèi)水的停留時間長，負(fù)荷變化 小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運(yùn)行。 但是，在停留時間較短，負(fù)荷變化較大時，此方式會存在一些問題： （ 1） 當(dāng)負(fù)荷變化產(chǎn)生虛假液位時，將使控制器反向錯誤動作。例如，蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時，虛假水位上升，此時控制器不但不能開大給水閥，增加給水量，反而減小控制閥，減少給水量。等到 虛 假水位消失時，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴(yán)重下降，波動厲害，嚴(yán)重時甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度而發(fā)生事故，因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來的嚴(yán)重后果。 （ 2） 對負(fù)荷變化不靈敏。負(fù)荷變化時，需引起汽包水 位變化后才起控制作用，由于控制緩慢，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。 （ 3） 對給水干擾不能及時克服。當(dāng)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，同樣需等水位發(fā)生變化時才起控制作用，干擾克服不及時。 為了克服上面的三個問題，除了依據(jù)汽包水位以外，也可依據(jù)蒸汽流量和給水流量的變化來控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和三沖量水位控制系統(tǒng)。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 針對單沖量控制系統(tǒng)不以克服假水位的，如果根據(jù)蒸汽流量作為校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且也能提前發(fā)現(xiàn)負(fù)荷的變化，從而大大改善了控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入 ，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。圖 統(tǒng)的原理圖及方塊圖。 圖 雙沖量控制系統(tǒng) 上圖所示雙沖量控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的前饋 反饋控制系統(tǒng)。這里的閃饋僅為靜態(tài)前饋，若要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，則還須引入動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 雙沖量的特點： （ 1）引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)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“虛假水位”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水位的波動，縮短了過渡過程的時間。 （ 2）引入了蒸汽量前饋信號，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。當(dāng)1C 、 2C 選擇匹配時，系統(tǒng)的靜態(tài)特性是無差的。 雙沖量調(diào)節(jié)由于有以上特點，所以能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平衡時，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)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，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。同時調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 雙沖量控制系統(tǒng)對于單沖量控制系統(tǒng)存在的第三個問題 對給水干擾不能及時克服，同樣不能解決。目前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 10~20秒內(nèi)就會發(fā)生危險；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。因此，對 水位的控制要求是很高的。 鍋爐給水量在運(yùn)行中經(jīng)常會有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺鍋爐并列運(yùn)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)過一定的延遲時間以后，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，大雙沖量水位調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上引入給水流量信號，由水位 H、蒸汽流 量 D和給水流量 W組成了三沖量汽包水位控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽包水位H是控制變量，是主沖量信號，蒸汽流量、給水流量是兩個輔助沖量信號。 （ 1） 前饋 反饋控制方式 原理圖及方框圖如下，易知此系統(tǒng)包含兩個閉合回路：第一個為給水流量 W、給水分流器 w? 、調(diào)節(jié)器 cG 、調(diào)節(jié)閥 vG 組成的內(nèi)回路 。第二個為水位調(diào)節(jié)對象 1G 和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量 D、分流器 D? 、對象 2G 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。所以該系統(tǒng)的實質(zhì)是前饋加反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了確保當(dāng)負(fù)荷變化時水位無余差，必須保證物料平衡，由此確定分流系數(shù)w? 、 D? 的值。 圖 前饋 — 反饋控制系統(tǒng) 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 （ 2） 前饋 串級控制方式 前饋 串級控制方式的原理圖及方框圖如下所示，與前饋 反饋相類似，僅僅是將加法器位置由調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。對于此方案不管系數(shù)如何設(shè)置，當(dāng)負(fù)荷變化時，液位仍可保持無差。 圖 前饋 串級控制系統(tǒng) 本文 擬在前饋 — 串級三沖量控制的基礎(chǔ)上加入模糊控制，通過模糊控制選擇合適的 PID中的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)來實現(xiàn) PID控制器的整定，實現(xiàn)優(yōu)化控制，避免了 傳統(tǒng) PID控制中的 難以 控制滯后、非線性及無法消除耦合 關(guān)聯(lián) 的缺點。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 第 3 章 模糊控制原理 在現(xiàn)代控制過程中，當(dāng)被控對象或過程存在非線性、時變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合和較大的隨機(jī)干擾，以及過程機(jī)理錯綜復(fù)雜、現(xiàn)場測量條件不足時，則不可能建立被控對象或過程的精確數(shù)學(xué)模型。因此，基于模型的控制方法，往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員用手動進(jìn)行控制的效果好。這就使得模糊控制逐漸形成。 第 節(jié) 模糊控制的形成與 提出 假設(shè)我們需要控制爐溫恒定，檢測儀表給出的是爐溫的精確量，操作人員將此精確量轉(zhuǎn)化為頭腦中的模糊的概念量，如“溫度較高”，他用此概念與控制中的經(jīng)驗相匹配，得到“溫度較高應(yīng)減少燃料”的結(jié)論，進(jìn)行工作。在這里， 較高 便是一個模糊的概念，它沒有確切的值。在生活中，這種情況也很常見，如“天很熱”、“真漂亮”、“個子很高”、“水流很急”等等。它們無法用經(jīng)典的數(shù)學(xué)方法來度量，但大家在使用過程中，也并不會產(chǎn)生誤解與歧義。為了對這些現(xiàn)象進(jìn)行描述便漸漸形成了模糊數(shù)學(xué)。 模糊邏輯的概念最早源于 美國加利福尼亞大學(xué)的 1965年提出的模糊集合。模糊控制是模糊集合論應(yīng)用的一個重要方向。模糊控制經(jīng)歷了 40多年的研究和發(fā)展已經(jīng)逐步完善，尤其在其應(yīng)用領(lǐng)域更是成果輝煌。自從 1974年 首先利用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行蒸汽機(jī)和鍋爐控制得到成功應(yīng)用后，模糊控制的研究和應(yīng)用就十分活躍。 1977年英國的 Pipps等人采用模糊控制對十字路口的交通管理進(jìn)行實驗，車輛的平均等待時間減少 7%。 1980年， Tong等將模糊控制用于潛水處理過程，取得較好的效果。 1983年，日本學(xué)者 Shuta Murakami研制成功了一種 基于語言真值推理的模糊邏輯控制器，并成功地用于汽車速度的自動控制。 90年代以來，模糊控制的領(lǐng)域更加廣泛，除了以往的工業(yè)過程應(yīng)用以外，各種商業(yè)民用場合也大量采用模糊控制技術(shù)，如模糊控制洗衣機(jī)、模糊微波爐、模糊空調(diào)、地鐵運(yùn)行的模糊控制、機(jī)器人控制等。模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用對于那些測量數(shù)據(jù)不確切、要處理的數(shù)據(jù)量過大以致無法判斷它們的兼容性、一些復(fù)雜可變的被控對象等場合是有益的，利用模糊逼近來表示北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 它們是非常合適的。 在控制工程中，人們加以總結(jié)，可以把憑經(jīng)驗所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，如水位太高則減小給水量，溫 度太低則增加燃燒量等等。由這些規(guī)則所構(gòu)成的控制器對復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，由于這些規(guī)則基于模糊邏輯，是模糊數(shù)學(xué)與控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，這種控制就是模糊控制。 第 節(jié) 模糊控制的優(yōu)缺點 由于模糊控制不必建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入和輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗，就可以對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，實際是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。它具有以下幾方面的優(yōu)勢： （ 1） 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據(jù)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象 的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略容易與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。 （ 2） 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易用掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 （ 3） 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個系統(tǒng)語言規(guī)則卻具有相對獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制 的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng) 能力，使之具有一定的智能水平。 （ 4） 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。 相對于它的優(yōu)點，它依舊有一些缺陷： （ 1） 精度并不是太高。這主要是由于模糊控制表的量化等級有限而造成的，通過增加量化等級數(shù)目雖可以提高精度，但增加量化等級的同時會使數(shù)據(jù)量大大增加，運(yùn)算時間也大大延長。其實，模糊控制器在不引入積分機(jī)制的條件下，誤差是必然存在的。 （ 2） 自適應(yīng)能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當(dāng)對象參數(shù)隨環(huán)境的北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 變遷而變化時，它不 能對自己的規(guī)則進(jìn)行有效的調(diào)整，從而使其良好的性能不能得到充分的發(fā)揮。 （ 3）易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。若構(gòu)造的查詢表存在不合理性時，或量化因子和比例因子選擇不當(dāng)，都會導(dǎo)致振蕩。 鑒于以上優(yōu)缺點，人們提出了許多解決方案，其中 FuzzyPID控制就是常用且較為有效的一種形式。 第 節(jié) 模糊控制的基本原理 圖 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 以上為模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，易得模糊系統(tǒng)由 5個主要部分組成： （ 1） 輸入 /輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入 /輸出接口從被控對象獲取數(shù)字 信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象。 在 I/O接口裝置中，除 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換外，還包括了必要的電平轉(zhuǎn)換電路。 （ 2） 模糊控制器：模糊控制的核心部分。一般為一臺微型計算機(jī)，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，既可選用系統(tǒng)機(jī)、又可選用單板或單片機(jī)。隨著近幾年日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。模糊控制系統(tǒng)中的控制器采用的是基于知識表示和規(guī)則推理的語言型控制器，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別與其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 （ 3） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括了各種交、直流電動機(jī)，伺服電 動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)，氣動調(diào)節(jié)閥，液壓機(jī)構(gòu)等。 （ 4） 被控對象：被控對象是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，或是一個生產(chǎn)、自然、社會的生物等等的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。它可以是線性或非線性的、定常