【正文】 ............................................... 25 模糊控制系統(tǒng)的組成 ............................................................... 25 模糊控制器的工作原理 ..................................................................... 26 模糊 PID 控制器的設(shè)計 ..................................................................... 27 .................................................... 34 結(jié)束語 .................................................................................................... 40 致謝 ........................................................................................................ 41 參考文獻 ................................................................................................ 42 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 I 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 鍋爐是一種復雜的熱工系統(tǒng)，它廣泛應用在化工業(yè)、發(fā)電、造紙業(yè)、石油業(yè)，是工業(yè)生產(chǎn) 的重要動力設(shè)備 。 為了保證蒸汽的品質(zhì)及鍋爐本體及人身的安全，汽包水位是一個重要的參數(shù)。汽包的作用是進行汽，水分離，汽包的出口為飽和蒸汽。在負荷變化較為頻繁的場合，汽包水位受到的擾動也非常劇烈；另外由于汽包中汽，液兩相共存，大量的氣泡存在于汽包的水中， 導致了汽包水位的一個特殊現(xiàn)象“虛假水位”，這種“虛假水位”的現(xiàn)象給控制造成了許多困難。 the water level is too high will reduce the quality of steam, damage to the turbine blades, so must strictly control the drum level. The role of the drum is steamwater separator drum export saturated steam. With the the boiler evaporation and parameters increasing, getting smaller and smaller the size of the drum relative evaporation。 drum water level are also very intense disturbance。而汽包水位是鍋爐運行的重要指標，汽包的作用是進行汽、水分離，汽包的出口為飽和蒸汽，若要是對汽包水位進行控制則要克服“虛假水位”這一 現(xiàn)象，采用以給水流量、蒸汽流量、汽包水位作為調(diào)節(jié)信號的串級三沖量控制，以克服“虛假水位”的影響以及各種干擾對水位的影響。 課題背景 鍋爐控制中的重中之重就是對鍋爐汽包水位的控制，汽包在鍋爐中的作用是非常顯著的，可以進行汽、水分離，輸出飽和蒸汽。高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對來說較小，液位的時間常數(shù)也很小，大容量鍋爐若給水不及時，數(shù)十秒之內(nèi)就可能達到危險水位，所以鍋爐水位控制顯得非常重要。第二個階段是先進控制。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 2 國內(nèi)發(fā)展概況 鍋爐微機控制是近幾年來開發(fā)的新技術(shù)，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。 最近幾年鍋爐工業(yè)的發(fā)展非?？欤m然我們落后與國外的先進鍋爐控制水平，但是通過科研人員的努力，我國在鍋爐工業(yè)特別是控制方面的提高非常顯著，鍋爐的汽包水位是鍋爐控制的關(guān) 鍵，早些時候我們只用傳統(tǒng)的 PID 對鍋爐汽包水位進行控制，導致控制的效果不好，近些年來，智能控制已經(jīng)在我國迅速發(fā)展，通過智能PID 中的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、專家 PID 控制等一些智能控制，我們能夠?qū)ζ贿M行準確的控制。其中， W 為給水，能量較低的冷水或循環(huán)水由此進入鍋爐，通常，給水量可以通過改變給水調(diào)節(jié)閥門開度或通過改變給水泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)； D 為飽和蒸汽輸出。通常蒸汽流量的大小由負荷決定； Q 為送入爐膛中的燃料。 圖 21 汽包鍋爐工作示意圖 “虛假水位”現(xiàn)象 在該系統(tǒng)中，穩(wěn)定的工作狀況應當是給水量（ W）與輸出蒸汽量（ D）相等，即 W=D。這種平衡一旦被打破，汽包水位將發(fā)生變化。但實驗發(fā)現(xiàn)，當汽包已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)是（進入飽和水，輸出飽和汽，可完成汽，水分離），實際情況并不完全如此。這種現(xiàn) 象稱“虛假水位”現(xiàn)象。而負荷增加時，汽包壓力瞬時下降，飽和水中大量汽包產(chǎn)生，體積增加，導致水位升高。因此，正常的汽包水位是鍋爐安全，可靠工作的關(guān)鍵，據(jù)此，該系統(tǒng)選汽包水位為被控變量。 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的擾動 被控變量及控制變量確定，調(diào)節(jié)通道就被唯一確定，其他所有可以影響對象被控變量 — 汽包水位的參數(shù)均可視為擾動。 確定控制方案 根據(jù)以上分析，給水系統(tǒng)的主要目的就是穩(wěn)定汽包水位，因此汽包水位是該系統(tǒng)的主被控變量；對該系統(tǒng)，從機理上看進出物料的平衡是保證液位的關(guān)鍵，汽包水位的變化是由于進出物料不平衡引起的，因此 可以通過調(diào)整給水流量來滿足物料基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 6 的平衡，進而保證汽包的液位，通過這樣的分析我們可以建立單回路控制系統(tǒng)。因此，單回路給水系統(tǒng)的實際運行效果并不理想，為了克服各種引起給水流量變化的因素，通常引入給水流量作為副被控變量，構(gòu)成流量液位串級控制系統(tǒng)，實際運行表明，該系統(tǒng)可以及時克 服對水流量的各類擾動。例如，蒸汽增加時，汽包液位首先升高，據(jù)此，主調(diào)節(jié)器做出降低給水流量的調(diào)節(jié)動作，副調(diào)節(jié)器根據(jù)主調(diào)節(jié)器的指令，快速將給水流量降低，這種調(diào)節(jié)結(jié)果加劇了進出物料的不平衡，是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量無法滿足要求。 圖 31 前饋 — 串級給水控制系統(tǒng) )(sGcl )(2 sGc )(sGv )(2 sGp )(1 sGp )(sGw )(sGh )(sGd H H D 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 7 設(shè)計模型的構(gòu)造 對象模型的構(gòu)造 準確的給水對象模型是給水控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，由對象的給水流量 液位及負荷液位的階躍響應曲線可看出，構(gòu)造給水系統(tǒng)的模型的關(guān)鍵是如何構(gòu)造“虛假水位”的部分。圖示 32和圖示 33表示了這個分解的過程。 O W t O t D O H t O H t 圖 32 給水擾動響應的分解 圖 33 負荷擾動響應的分解 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 8 由圖 32可以得到 1pG ?)(s)()(sWsH ? )1(1 ???? ssss ?????? （ 31） 式（ 11）表示給水擾動下的對象特性可以由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)或串聯(lián)表示，如圖 34所示。主要表現(xiàn)為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時用慣性加純遲延描述這一特性，即 PLG (S)= sessW sH ?? ??)( )( （ 32） 式中 , ?? aT1 稱飛升速度，表示進出物料不平衡時水位變化的速度。 由圖 7可以看出，負荷變化引起的虛假水位現(xiàn)象十分嚴重，通常，用一個積分環(huán)節(jié)加一個反方向的，時間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)描述負荷與汽包水位的關(guān)系，即 ssTKsD sHsG d ????? 221)( )()( （ 33） 式（ 13）可以由如圖 36所示慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)并聯(lián)構(gòu)成 s? s????1 s??11 s? W H W H （ a）并聯(lián) （ b）串聯(lián) 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 9 相對于其 他環(huán)節(jié)，閥門的特性可以認為是一個比例環(huán)節(jié)。 2T 大約在 10— 20s 之間。 汽包水位仿真系統(tǒng)的構(gòu)造 在構(gòu)成前饋 串級給水控制系統(tǒng)時，通常取汽包液位為主變量，給水流量為副變量，主蒸汽流量為前饋變量，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的給水控制系統(tǒng)框圖如圖所示。 串級控制系統(tǒng)的組成 串級控制系統(tǒng)的標準框圖如圖 41所示 串級控制系統(tǒng)的特點 對二次干擾有很強的克服能力。 對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。 串級控制系統(tǒng)的種種特點都 是因為增加了副回路的緣故。從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個簡單控制系統(tǒng)，問題的實質(zhì)在于如何從整個對象中選取一部分作為副對象，然后組成一個副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副控變量（副變量）。 副被控變量（副變量）的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，并且反應靈敏。 應考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟性。從串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主回路是一個定 值控制系統(tǒng)，因此主控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇與簡單控制系統(tǒng)類似。如果副回路外面的容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副回路外面，就可以考慮采用 PID 控制器。 副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)。在一般情況下，采用 P控制器就足夠了。副控制器的任務(wù)是要快動作以迅速抵消落在副回路內(nèi)的二次擾動。與簡單控制系統(tǒng)一樣，一個串級控制系統(tǒng)要實現(xiàn)正常運行，其主、副回路都必須構(gòu)成負反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。因此，副控制器的作用方式與副對象特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式的選擇方法相同。 在假定副測量變送器的增益為正的情況下，副控制器正、反作用選擇的判別式為 （副控制器 ? ） ?（調(diào)節(jié)閥 ? ） ? （副對象 ? ） =（ — ） 其中，調(diào)節(jié)閥的“ ? ”取決于它的“氣開”還是“氣關(guān)”作用方式，“氣開”為“ +”，“氣關(guān)”為“ — ”；而副對象的“ ? ”取決于控制變量和副被控變量的關(guān)系，控制變量增大，副被控變量也增大時稱其為 “ +”，否則稱其為“ — ”。 在選擇主控制器的作用方式時，首先把整個副回路簡化為一個環(huán)節(jié)。因此，整個副回路可看成為一個增益為正的環(huán)節(jié)。 主控制器正、反作 用方式選擇的判別式為 （主控制器 ? ） ? （主對象 ? ） =(— ) 由這個判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對象的特性相反，即當主對象的增益為正時，主控制器選反作用；而當主對象的增益為負時，主控制器選正作用。前饋控制有利于對系統(tǒng)中的主要干擾進行及時控制。在理論上，前饋控制可以把偏差完全消除。由于前饋控制作用是按擾動進行工作的，而且整個系統(tǒng)也是開環(huán)的。 d. 前饋控制只能抑制可測不可控擾動對被控變量的影響。 e. 前饋控制使用的是 視對象特性而定的專用控制器。 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 常用的前饋控制系統(tǒng)又單純前饋控制系統(tǒng)、前饋 反饋控制系統(tǒng)和前饋 串級控制系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)形式。圖中， D（ s） 和 Y（ s） 分別為擾動量和被控變量的拉氏變換， )(sGD 為干擾通 道的傳遞函數(shù)， )(sGp 為控制通道的傳遞函數(shù)，)(sGff 為前饋控制器的傳遞函數(shù)。 基于智能 PID 的鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)設(shè) 計 16 由圖 42可知，在擾動量 D（ s） 作用下，系統(tǒng)