【正文】 ... 4 的重要性 ............................................. 5 第三章 鍋爐汽泡液位的控制系統(tǒng)的設(shè)計 .................................................................................... 6 ............................................... 6 汽泡液位在給水?dāng)_動下的動態(tài)特性 ................................. 6 汽泡液位在蒸汽擾動下的動態(tài)特性 ................................. 7 汽泡液位在燃料量擾動下的動態(tài)特性 ............................... 8 ................................................. 9 鍋爐汽泡液位控制系統(tǒng)控制方案的選擇 .............................. 9 汽泡液位的串級三沖量 PID 控制系統(tǒng) ............................... 13 第四章 PID 控制系統(tǒng) .................................................................................................................. 15 原理 ........................................................................................................................... 15 PID 控制系統(tǒng)的仿真 ...................................................................................................... 17 第五章 模糊 PID 控制系統(tǒng) ......................................................................................................... 20 模糊控制的產(chǎn)生與發(fā)展 ................................................................................................. 20 模糊控制的基本原理 ...................................................................................................... 20 模糊控制系統(tǒng)組成 ............................................................................................... 20 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 21 PID控制器 ............................................................................................................. 26 PID控制系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................................................. 27 PID 控制與傳統(tǒng) PID控制仿真結(jié)果比較 ................................................. 37 結(jié)論 ................................................................................................................................................ 40 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................ 41 謝 辭 ............................................................................................................................................ 42 附 錄 ............................................................................................................................................ 44 第一章 緒論 1 第 一 章 緒論 來源背景 鍋爐是我們在生產(chǎn)和生活中的能量設(shè)備，同時在生產(chǎn)和生活中都起很重要的作用。也會使飽和的蒸汽中含鹽量增高，降低蒸汽品質(zhì)，增加結(jié)垢。因此維持汽泡液位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的 必要條件，也是其正常運行的主要指標(biāo)。 由于鍋爐汽泡液位經(jīng)常受到負(fù)荷變化、進(jìn)水速度、水質(zhì)等許多因素的影響 ,呈典型的時變、非線性特點 ,采用常規(guī)的 PID 控制往往不能得到理想的控制效果。 PID 控制本身具有結(jié)構(gòu)簡單、特性直觀、調(diào)試使用方便等優(yōu)點 ,但由于 PID 受其控制參數(shù)整定的限制 ,對于非線性、大滯 后系統(tǒng)難以達(dá)到滿意的控制效果。因此 ,結(jié)合上述兩種控制方法 ,設(shè)計出模糊 PID控制器 ,可實現(xiàn)對 PID 控制參數(shù)的調(diào)整 ,對復(fù)雜汽泡液位系統(tǒng)有較強的適應(yīng)性 ,本設(shè)計借助MATLAB/Simulink直觀便捷的構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)模型的能力對鍋爐汽泡液位的控制進(jìn)行仿真實驗。 （ 3）研究傳統(tǒng)的控制方法，設(shè)計模糊 PID 控制器。 研究的方法 根據(jù)工業(yè)鍋爐汽泡液位控制系統(tǒng)的特點，建立其數(shù)學(xué)模型，研究傳統(tǒng)的控制方法，設(shè)計模糊 PID 控制器，在 SIMULIMK 中搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，調(diào)整參數(shù)，完成仿真 研究應(yīng)用價值、改進(jìn)及創(chuàng)新 隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高。 并且工業(yè) 鍋爐燃燒過程有許多被控量和控制變量，這些變量間存在很強的耦合，并且互相關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的 PID控制方案在鍋爐液位的自動調(diào)節(jié)中通常都是單個變量的獨立控制回路，雖然 PID控制器的控制精度可以很高，但對于多變量且具有強耦合性的時變系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的局限性。汽泡液位的動態(tài)特性主要有：非線性、不確定性、時滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等。在實際運行中常常需要手工操作。 第二章 工業(yè)鍋爐的理論基礎(chǔ) 3 第二章 工業(yè)鍋爐的理論基礎(chǔ) 鍋爐的控制要求與流程 鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點，鍋爐的復(fù)雜特性使得采用常規(guī)方法難以獲得良好效果，近年來鍋 爐的建模和控制融入了智能化的手段。 模糊控制在 70年代才引入中國，研究起步較晚，但發(fā)展較快，目前在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類、模糊模式識別等領(lǐng)域取得很大成就。在自適應(yīng)模糊 PID控制器方面，我國的許多學(xué)者研究提出了采用模糊邏輯的非常規(guī)的 PID控制器，研究表明自 適應(yīng)、自調(diào)整以及模糊 PID不僅可以解決簡單線性問題，而且對于許多復(fù)雜非線性、高階、時延等系統(tǒng)具有很好的效果。 汽泡液位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的引起過熱器爆管；液位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。對鍋 爐汽泡液位控制方法大多采用傳統(tǒng)的 PID 控制方式，由于傳統(tǒng) PID控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定不變，在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動，但在系統(tǒng)運行動態(tài)大幅度變化的情況下，系統(tǒng)不能適應(yīng)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至失控。 自適應(yīng)模糊控制就是運用模糊的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊表來表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存入知識庫中，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況運用模糊推理即可自動調(diào)整最佳參數(shù)。提出了三沖 量輔助信號對消方法消除液位偏差。仿真結(jié)果表明三沖量自適應(yīng)模糊 PID控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)抗干擾能力及魯棒性，改善控制效果。其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式，長期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。其中電站鍋爐主要用于發(fā)電，工業(yè)鍋爐主要用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而生活鍋爐主要用于供熱取暖。為確保生產(chǎn)生活安全，對鍋爐設(shè)備的自動控制就顯得十分重要。 鍋爐汽泡液位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽泡的液位在工藝允許的范圍內(nèi)。液位過高，會影響汽泡內(nèi)汽水分離效果，使汽泡出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封 破損、葉片斷裂等事故。液位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時會造成爆炸事故。隨著鍋爐容量的增加，液位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽泡液位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng) 鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)，是指鍋爐生產(chǎn)過程的自動化系統(tǒng)。自動控制的目的是實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，減輕勞動強度，提高經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率，節(jié)約能源，改善勞動環(huán)境條件。主要控制系統(tǒng)如下。他主要考慮汽泡內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維 持汽泡液位在工藝允許范圍內(nèi)。 2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制 其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比例，以保證最經(jīng)濟(jì)燃燒，提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)。 3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制 維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。 第二章 工業(yè)鍋爐的理論基礎(chǔ) 5 鍋爐液位控制系統(tǒng)的重要性 鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中的常用設(shè)備，生產(chǎn)過程中如果操作、管理、處理不當(dāng)，往往會引起工業(yè)事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡等，后果十分嚴(yán)重。 在鍋爐生產(chǎn)過程中中最常見的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。并且這些事故中的大部分是由于鍋爐液位控制不當(dāng)引起的，由此可見鍋 爐汽泡液位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。并且引起液位變化的主要擾動就是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。 汽泡液位在給水?dāng)_動下的動態(tài)特性 給水流量對液位的影響（即控制通道的動態(tài)特性）。但由于給水溫度 比汽泡內(nèi)飽和水的溫度比較低，因此給水量變化時，使汽泡內(nèi)氣泡含量減少，導(dǎo)致汽泡液位下降。 圖 是給水流量作用下，液位的階躍響應(yīng)曲線。 圖 △ WWo第三章 鍋爐汽泡液位的控制系統(tǒng)的設(shè)計 7 由于給水溫度比汽泡內(nèi)飽和水的溫度低，給水流量增加后，從原有飽和水中吸取部分熱量。當(dāng)汽泡容積的變化過程逐漸平衡時，液位變化就完全反映了由于汽泡中儲水量的增加而逐漸上升。因此，實際液位曲線如圖 1中 H線。用傳遞函數(shù)來描述時，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。 ? 為響應(yīng)速度，即給水流量改變一個單位流量時。從圖上可以看出，在燃燒不變的情況下，蒸汽流量突然增加，必然導(dǎo)致汽泡壓力下降，汽泡內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，將整個液位抬高 ，形成虛假的液位上升現(xiàn)象，即所謂 “虛假液位”現(xiàn)象。 （ 2） 蒸汽流量增加，汽泡氣壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽泡液位隨壓力下降而升高。但實際情況并非是這樣的，由于蒸汽用量的增加，瞬間必然導(dǎo)致汽泡壓力的下降。而實際顯示的液位響應(yīng)曲線 H為 H1+H2。 因為當(dāng)蒸氣流量變化時，由于液位以下的汽泡容積 變化而引起液位的變化速度是非?？斓模瑘D中 H2的時間常數(shù)只有 10～ 20S。如，一般 100～200t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)蒸汽流量 D 變化 10％時，“虛假液位”可達(dá)到 30～ 40mm。 汽泡液位在燃料量擾動下的動態(tài)特性 汽泡液位在燃料量 B擾動下的響應(yīng)曲線如圖 所示，當(dāng)燃料量增加時，相對的鍋爐的吸熱量就會增加，蒸發(fā)強度也會隨之增大。伴隨著水面下的蒸汽容積的增大，這個時候也會出現(xiàn)虛假液位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將氣量 D緩慢增加，因此，虛假液位現(xiàn)象要比 D擾動下緩和得多。單沖量液位控制系統(tǒng)，是汽泡液位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式 。 然而，在停留時間較短，負(fù)荷變化較大時，采用單沖量液位控制系統(tǒng)就不能適用。②負(fù)荷變化時，控制作用緩慢。如果液位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。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。因而能