【正文】 ，汽水循環(huán)管路中的汽化強度增加，蒸發(fā)面以下汽包容積增加，因而在蒸汽負(fù)荷量突然增大的起始瞬間，液位不會下降，反而上升。出現(xiàn)“虛假液位”現(xiàn)象，只有當(dāng)汽包容積與負(fù)荷相應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才能反映出物料的不平衡，開始下降。因此，蒸汽流量擾動時，非但沒有自平衡能力，而且存在“虛假現(xiàn)象” ，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中必須予以考慮。3. 爐膛熱負(fù)荷對水位的干擾當(dāng)燃料量突然增大時，傳給鍋爐的熱量必然增加，上升管中的蒸發(fā)強度增大，蒸發(fā)面下的汽包膨脹，使得液位上升，因而帶來了蒸汽量及氣包壓力的增加，但此時給水量并未增加，因此，這種液位變化也屬于“虛假液位” 。但是熱負(fù)荷由蒸汽壓力控制系統(tǒng)來保證，因而它的影響是次要的。 水位控制系統(tǒng)實現(xiàn) 給定水位信號汽包水位控制：目的是確保生產(chǎn)安全并提供優(yōu)質(zhì)蒸汽，防止?jié)M水和缺水事故?？刂颇繕?biāo)，在給定值177。50～100mm。控制方案：由三沖量液位、給水流量、蒸汽流量共同控制，給水流量作為內(nèi)環(huán)隨動控制，而液位作為外環(huán)校正控制，由蒸汽流量作前饋補償及虛假水位補償。圖 42 三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖工作原理：當(dāng)負(fù)荷增加時，蒸汽流量 fD也增加，水位 H 下降，前饋補償系數(shù) α D會抵消該部分的水位下降，同時，由于汽壓的下降，出現(xiàn)了虛假水位的迅速上升，其負(fù)的微分前饋補償環(huán)節(jié)使給水量急劇減少，就能使水位的上升幅度減少；給水流量 fW的擾動，通過內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器使其穩(wěn)定；外環(huán)的負(fù)反饋通過水位誤差進(jìn)一步修正 PI 調(diào)節(jié)器的輸入，并使水位 H 達(dá)到給定值 H0；其總體控制結(jié)構(gòu)原理圖及符號說明如圖 42 所示。fD、f W——分別為蒸汽流量及給水流量的擾動；PI——水位調(diào)節(jié)器；K V——調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)；、G O1——給水流量的作用下，水位變化的傳遞函數(shù)；G F2——蒸汽流量擾動下水位變化的傳遞函數(shù)；α D、α W——分別為蒸汽流量及給水流量的分流系數(shù)；H 0——水位給定信號。其中，取 T1=300，T 2=15，T W=100，K W=10，T D=10，K D=1；并只對蒸汽流量干擾作靜態(tài)補償，即不考慮微分補償，由于內(nèi)環(huán)快速，其穩(wěn)態(tài)傳遞函數(shù)相當(dāng)于 1/α W，所以，為了對蒸汽流量作適當(dāng)?shù)难a償，須今取 α W＝１，那么，α D=；取 TC=8；對 PI 調(diào)節(jié)器，由經(jīng)驗公式，取TI=7，K P= WKV，當(dāng)取 KV=1，有 KP=，即 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為綜上所述，用 SIMULINK 畫出控制系統(tǒng)模擬圖如圖 43 所示。圖 43 三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定輸入對輸出響應(yīng)模擬結(jié)構(gòu)圖根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，每個輸入信號對輸出的作用可分別進(jìn)行分析，圖 43 為水位給定作階躍變化與輸出水位響應(yīng)的模擬結(jié)構(gòu)圖，其模擬響應(yīng)的曲線如圖 44 所示。)1(21??sGO )1(212??sTGDFOFWsG??)(12??.?圖 44 給定水位信號作單位階躍變化時，輸出水位的響應(yīng)模擬曲線從圖中看出，經(jīng)過 300 秒后，輸出能基本跟蹤輸入的信號，曲線輕微震蕩。 水流量干擾再考慮水流量干擾作單位階躍變化時，輸出水位的響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)模擬圖如圖 45 所示，其響應(yīng)曲線模擬圖如圖 46 所示。圖 45 水流量干擾對輸出水位的影響模擬結(jié)構(gòu)圖圖 46 水流量干擾對輸出水位的影響模擬曲線圖從圖中看出，當(dāng)水流量干擾作單位階躍變化時，輸出水位最大增加 ，經(jīng)過了大約 300 秒后，輸出水位又回到零，即干擾得到校正。 蒸汽流量干擾最后考慮蒸汽流量干擾作單位階躍變化時，輸出水位的 響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)模擬圖如圖 36 所示，其響應(yīng)曲線模擬圖如圖 47 所示。圖 47 蒸汽流量干擾對輸出水位響應(yīng)的模擬結(jié)構(gòu)圖圖 48 蒸汽流量干擾對輸出水位影響的模擬曲線圖從上圖看出，當(dāng)蒸汽流量干擾作單位階躍變化時，輸出水位先有輕微的下降 ()，之后又有一點上升()，最后，又回到零，由此看出，前饋補償效果較好，只有輕微波動，大約經(jīng)過 300 秒后，輸出又回到零，即干擾得到校正。第五章 總結(jié) 課題的主要研究內(nèi)容本課題的主要研究內(nèi)容是基于常規(guī)算法的 PID 控制理論及其對該算法進(jìn)行 MATLAB仿真實現(xiàn)。討論了常規(guī)數(shù)字 PID 控制算法，包括連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制算法、增量式 PID控制算法、與積分相關(guān)的 PID 控制算法、與微分相關(guān)的 PID 控制算法、帶死區(qū)的 PID 控制、基于前饋補償?shù)?PID 控制。其中與積分相關(guān)的討論了積分分離 PID 控制算法、抗積分飽和 PID 控制算法、變速積分 PID 控制算法，與微分相關(guān)的有不完全微分 PID 控制、微分先行 PID 控制。將普通 PID 控制進(jìn)行了改進(jìn)。以上都是單回路控制系統(tǒng)，之后又討論了串級控制系統(tǒng)、純滯后系統(tǒng)的大林控制算法和 Smith 控制算法。在討論了上述數(shù)字 PID 控制算法之后，將結(jié)果應(yīng)用于鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中。水位控制有單沖量、雙沖量、三沖量控制三種方案，由于時間不足，篇幅限制，在這篇論文中，只討論了三沖量控制。主要對給定水位信號，有水流量干擾和蒸汽流量干擾進(jìn)行了仿真。 關(guān)鍵技術(shù)本文所論述的常規(guī)數(shù)字 PID 控制和鍋爐汽包水位控制仿真研究需要有實現(xiàn)的方法，在這里，用到了 MATLAB 軟件。用 MATLAB 來仿真，這里用了 M 文件和 Simulink 仿真兩種方法。M 文件包括 M 命令集和 M 函數(shù)，M 函數(shù)需要用到輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)來傳遞信息，如同 C 語言的函數(shù)一樣。為能更直觀地技能型仿真，這里還用到 Simulink 仿真工具進(jìn)行仿真，它提供了一個圖形化的用戶界面，與其他仿真工具相比具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink 包含 Sink（輸出方式） 、Sources（輸入源） 、Continous（連續(xù)環(huán)節(jié)） 、Nonlinear（非線性） 、Discrete（離散環(huán)節(jié)） 、Signals System（信號與系統(tǒng)） 、Math（數(shù)學(xué)模塊）和 Functions Tables（函數(shù)和查詢表）等模型庫。這里用到了 Sink 、Sources 、Discrete 、Math 這幾個。 不足與改進(jìn)之處PID 控制算法由于其結(jié)構(gòu)簡單、物理意義明確、魯棒性強等顯著的優(yōu)點，使它在工業(yè)控制中處于主導(dǎo)地位，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。然而實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī) PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果；在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，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，對運行工況的適應(yīng)性很差。因此，常規(guī) PID 控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。針對這些問題，人們在使用 PID 控制的同時，也對其做了各種改進(jìn)工作，一方面對常規(guī) PID 控制器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，例如:積分分離 PID 控制算法、遇限削弱積分 PID 控制算法、不完全微分 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法和帶死區(qū)的 PID 控制算法等。在這篇文章中，比較詳細(xì)地進(jìn)行了仿真部分控制算法。另一方面，隨著現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)研究和應(yīng)用與深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。本文中只論述了常規(guī) PID 控制，至于還有的先進(jìn) PID 控制未討論，它們與常規(guī) PID 控制相結(jié)合，揚長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成智能 PID 控制。計算機控制系統(tǒng)的仿真是對實際控制實驗的一種有益的補充。本文將過程控制中常見對象鍋爐水位的控制與 MATLAB 有機結(jié)合，通過對鍋爐水位三沖量控制器的設(shè)計與仿真研究，針對各種干擾對鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，對實際的系統(tǒng)設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。鍋爐汽包水位的控制是鍋爐設(shè)備安全運行的重要手段，經(jīng)過多年的實踐，其水位控制方案已較為成熟，隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，會為鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改善提供有力的技術(shù)支持。SIMULINK 的運算功能、制圖功能很強，對傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn) PID 控制器尋優(yōu)及模擬，對一般的控制結(jié)構(gòu)也有模擬分析的功能，但對滯后環(huán)節(jié)的處理功能不夠，對純離散的數(shù)學(xué)模型或帶滯后的微分模型的控制結(jié)構(gòu)，除了標(biāo)準(zhǔn)型之外，不能自動對參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)；另外，它的界面不夠智能化，不利于屏幕操作；它的信號發(fā)生器太少，不利于用各種干擾信號對控制系統(tǒng)進(jìn)行測試；它也沒有控制結(jié)構(gòu)的總體參數(shù)設(shè)定功能，不利于對模型進(jìn)行模擬仿真。在實際的系統(tǒng)中，對多級滯后的環(huán)節(jié)，要實現(xiàn)良好的控制系統(tǒng)模擬仿真，一般內(nèi)環(huán)采樣時間要短，以利于快速預(yù)測控制，而外環(huán)的采樣世間要長，用于誤差修正，這些都要求不同步的采樣時間設(shè)置，但 SIMULINK 很難做到；時間比例尺的設(shè)置能有效地加快、減慢或?qū)崟r地對系統(tǒng)過程進(jìn)行模擬仿真，目前，SIMULINK 沒有該功能；滯后環(huán)節(jié)的設(shè)置與過程現(xiàn)場管路的配置相對應(yīng)，它是一個必備的環(huán)節(jié)，但SIMULINK 沒有完善的滯后環(huán)節(jié)供組合使用。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .2022.[2] PID 控制及 MATLAB 仿真（第 2 版）[M ].北京：.[3]基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)計算機仿真 [M].北京：.[4] 全燃?xì)忮仩t群過程控制系統(tǒng) [J]..(26）：48～52.[5] 高級編程 [M].北京：.[6]—工程、運行與維護(hù) [M].北京：.[7] 控制工程工具箱技術(shù)手冊 [M].北京：.[8] [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .1993.[9] PID 在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用研究 [J].微計算機信息(測控自動化).2022.（22）: 72～74.[10] [J]..(2）: 66～69.[11]Stephen 著 MATLAB Programming for Enghineers(Second Edition)英文影印版[M].北京：.[12] [J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報.:104～109.[13] [J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2022.(3): 51～53.[14] MATLAB 的 PID 算法在串級控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)..(28):61～63.[15] [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報.:143～145.[16] [J].河北煤炭 2022(4):71～74.[17] [J].化學(xué)工程師，:67～68.[18] MATLAB 計算及仿真 [M]. 國防工業(yè)出版社，.[19] [J].(21):4. [20] [J].:40～44.[21] [J].西安科技大學(xué)學(xué)報.：511～515.[22] [M].長沙:.[23] PID 參數(shù)的整定 [J].:47～48.致 謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師程明的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。在這里首先要感謝我的老師。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料，到設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下自動化專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。最后感謝自動化學(xué)院和我的母?！暇┕I(yè)大學(xué)四年來對我的大力栽培。附 錄部分程序 PID 控制算法ts=20。sys=tf([1],[60,1],39。inputdelay39。,80)。dsys=c2d(sys,ts,39。zoh39。)。[num,den]=tfdata(dsys,39。v39。)。u_1=0。u_2=0。u_3=0。u_4=0。u_5=0。y_1=0。y_2=0。y_3=0。error_1=0。error_2=0。ei=0。for k=1:1:200time(k)=k*ts。%Delay plantyout(k)=den(2)*y_1+num(2)*u_5。%I separationrin(k)=40。error(k)=rin(k)yout(k)。ei=ei+error(k)*ts。M=2。if M==1 %Using integration separation if abs(error(k))=30amp。abs(error(k))=40 beta=。 elseif abs(error(k))=20amp。abs(error(k))=30 beta=。 elseif abs(error(k))=10amp。abs(error(k))=20 beta=。 else beta=。 endelseif M==2 beta=。 %Not using integration separationendkp=。ki=。kd=。u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)error_1)/ts+beta*ki*ei。if u(k)=110 % Restricting the output of controller u(k)=110。endif u(k)=110 u(k)=110。endu_5=u_4。u_4=u_3。u_3=u_2。u_2=u_1。u_1=u(k)。 y_3=y_2。y_2=y_1。y_1=yout(k)。 error_2=error_1。error_1=error(k)。endts=。%Plant