【正文】 氣之中，使燃燒效率降低。通過對工業(yè)鍋爐自動調(diào)節(jié)任務(wù)的分析，我們知道:工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運行的主要指標(biāo)之一，汽包水位是一個十分重要的被調(diào)參數(shù)。產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降、如果該蒸汽作為汽輪機(jī)動力的話，還會損壞汽輪機(jī)葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。鍋爐給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它對減輕運行人員的勞動強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運行具有重要意義。然而對于鍋爐汽包水位這一時變、死區(qū)、非線性、多變量、擾動大的復(fù)雜系統(tǒng)，這絕非一件易事。最大問題是在汽包運行中會出現(xiàn)“虛假液位”現(xiàn)象，若采用簡單的PID控制方式控制汽包水位，在出現(xiàn)“虛假液位”時，控制系統(tǒng)將會減少汽包進(jìn)水流量，致使汽包中供水量進(jìn)一步減少。模糊控制擺脫了精確數(shù)學(xué)模型的束縛，開辟了工業(yè)過程控制的一條新途徑。因此研究適應(yīng)性很強(qiáng)的模糊控制理論，以及它在鍋爐水位系統(tǒng)中的應(yīng)用是有非常重要意義的，不僅可以豐富完善模糊控制的理論體系，而且有廣泛的應(yīng)用前景。并且，在先前將模糊控制應(yīng)用到汽包水位控制系統(tǒng)的實踐中，常規(guī)的二維PD模糊控制存在比較大的靜態(tài)誤差和“多級繼電器”特性，降低了它的控制精度。同時，人們也在其它控制方法上做了很多研究，例如：基于集散控制系統(tǒng)的鍋爐控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的鍋爐控制、基于專家控制的鍋爐控制、混沌PID智能控制器及遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID智能控制器等。其中，模糊PID控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應(yīng)用的重點技術(shù)之一。 控制方法的分類在鍋爐汽包水位的自動控制中，針對不同的控制信號，可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。單沖量汽包水位控制系統(tǒng)存在兩個主要問題：①當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤舉動反而擴(kuò)大了汽包進(jìn)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)雙沖量控制系統(tǒng)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。當(dāng)蒸汽負(fù)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。當(dāng)給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。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)，只能在延遲一段時間后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。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(jìn)了給水量信號控制。 本文的主要研究內(nèi)容本論文就鍋爐汽包水位控制特性作為研究切入點，探討如何解決鍋爐汽包水位控制特性所提出的問題。首先，通過研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐汽包水位控制特性與鍋爐的給水流量和蒸汽流量有關(guān)。當(dāng)蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。在汽包實際運行過程中，經(jīng)驗豐富的操作人員往往能通過觀察汽包水位和蒸汽流量的變化情況，采用手動操作，有效地克服“虛假液位”現(xiàn)象，使汽包工作在良好的狀態(tài)下。然后,本文分別采用經(jīng)典PID控制算法、純模糊控制算法和模糊PID控制算法對鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，利用MATLAB軟件對控制效果進(jìn)行仿真，對比觀察它們的動態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾性、和對被控對象變化的抑制效果，最后確定要采用的控制方案。對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會引起事故，因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。其中以鍋爐缺水事故比例最高。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，同時鍋爐汽包水位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應(yīng)負(fù)荷設(shè)備的需要量，汽包水位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水，或者燒成干鍋。無論滿水或缺永都會造成事故。下面就汽包水位的動態(tài)特性和控制器的設(shè)計過程做具體的研究。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸；水位過高會影響汽包的汽水分離。鍋爐汽包給水自動控制的任務(wù)是維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化。(2)鍋爐容量的增大，顯著地提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷變化對水位的影響加劇了。由此可見。鍋爐水位自動控制(給水自動控制)的任務(wù)就是控制給水流量，使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使飽和蒸汽中含鹽量增高降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁上的結(jié)垢；水位過低，則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷管壁被燒壞嚴(yán)重時會造成爆炸事故。引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。經(jīng)省煤氣進(jìn)入汽包得給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽包減少讓出的空間。但水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才由于儲水量的增加而逐漸上升。因此，當(dāng)把汽包和給水看做單容無自衡對象時，水位響應(yīng)曲線應(yīng)為一條直線。既當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性(給水量不變)可直接從公式(2l)導(dǎo)出： (26)經(jīng)拉式變換后: (27)其傳遞函數(shù)為: (28)上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即: (29)在蒸汽流量F擾動下的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。但實際上，在擾動的初始瞬間，水位不但沒有下降反而是上升的，汽包水位不是H1而是H。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖2中H2所示，實際水位曲線H是H1和H2的迭加。由切線法可求得蒸汽負(fù)荷增加時的傳遞函數(shù)為:[1] (211)在鍋爐生產(chǎn)過程中，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)下降。這種現(xiàn)象常稱為“虛假液位”現(xiàn)象。(2)蒸汽流量增加，汽包汽壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高。當(dāng)蒸汽負(fù)荷量突然減小時，則汽包水位變化的情況相反，先降后升。在工業(yè)汽包水位的自動控制中，針對不同的控制信號可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。(2)在給水?dāng)_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]。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。圖中，G1為蒸汽流量擾動下汽包液位的傳遞函數(shù)。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(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。(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。 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。 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。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。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(dāng)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。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(dāng)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。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]。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。 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(yán)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。至今，仍有90%以上的控制回路采用PID結(jié)構(gòu)或其改進(jìn)型。（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(hù)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。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(fù)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。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。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。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。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控制規(guī)律由比例、積分、微分三部分組成。因此，比例系數(shù)選擇必須適當(dāng)，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。可見，積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(qiáng)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。當(dāng)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(dāng)TI較小時，則積分作用較強(qiáng)，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。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時間TD決定。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。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。當(dāng)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。 PID控制是迄今為止最通用的控制方法。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器。盡管自1940年以來，許多先進(jìn)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(jī)械等工業(yè)過程控制中。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。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。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(biāo)某一個方面的要求。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。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。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。微處理機(jī)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(jìn)算法的不斷涌現(xiàn)，為控制復(fù)雜系統(tǒng)開辟了新途徑[3]。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。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(jī)，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。把誤差信號e的精確量進(jìn)行模糊化轉(zhuǎn)變成模糊量。 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。但是在許多情況下無法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。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(qiáng)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(jìn)行控制，但有經(jīng)驗的操作人員進(jìn)行手動控制卻可以收到令人滿意的效果。如人工控制水槽液位的經(jīng)驗可以表達(dá)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)小；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。 由于模糊控制器的模型不是由數(shù)學(xué)公式表達(dá)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。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，用計算機(jī)來實現(xiàn)的一種智能控制。 模糊控制系統(tǒng)原理框圖(1)模糊控制器：它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。而在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)