基于MATLAB的锅炉汽包液位控制仿真研究.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于MATLAB的锅炉汽包液位控制仿真研究摘要锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。锅炉是工厂生产过程中重要的动力设备。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。对锅炉生产操作如果不合理往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。传统的锅炉汽包液位控制系统大都采用PID控制。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，适合用于非线性、滞后系统的控制，但其静态性能不能令人满意，限制了它的应用。为消除模糊控制的稳态误差，本文将FUZZY-PID引入锅炉汽包液位的控制系统中，并利用Simulink分别在设定值及干扰作用下对控制系统进行仿真，结果表明，较之单纯的模糊控制和常规PID控制，这种控制效果较为理想，可满足锅炉的汽包液位控制要求。关键词：汽包液位；PID控制；模糊控制；FUZZY-PID控制；仿真The simulation study of boiler drum level Control based on MATLAB AbstractThe boiler is absolutely necessary significant power plant of industry productions process such as the chemical industry，heat edible oil，generation of electrical energy，papermaking and refines sugar and so on .As a result，it is indispensable systematically to analyze research to the automatic control in the boiler installation.The boiler is the Power Plant that the whole factory, Segment that the boiler water level control system is the most significant in the boiler. To boiler production operation, if unreasonable will often cause the accident. The majority of these accidents are boiler water monitor causing improper, obviously the importance of boiler drum water level control in the Boiler device control system. The traditional control mode of the drum water level mostly uses PIDThe fuzzy control does not need precise mathematical model of the controlled object，it only needs the experience of operator and the data of operating，it has good robustness and is fit to control the system with nonlinearity and time lag，but its static characteristic is dissatisfied，which limits its applicationIt is usual mode of three-variable drum water level in order to eliminate the static error that using FUZZY-PID control，and the simulation with the action of setting value and noiseThe result of simulation indicates that the effect of control improves comparing with simple fuzzy control and traditional PID control，which can satisfy the control requirement of the drum water levelKeywords: drum level; PID control; fuzzy control; FUZZY-PID control; simulation目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 课题背景与意义11.2 锅炉控制的研究现状21.3 控制方法的分类31.4 本文的主要研究内容4第二章 锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析62.1 汽包水位的动态特性72.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性82.1.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性92.2 锅炉汽包水位控制102.2.1 单冲量控制系统102.2.2 双冲量控制系统112.2.3 三冲量控制系统12第三章 控制理论分析143.1 PID控制理论143.1.1 PID控制器简述143.1.2 PID控制器的结构153.1.3 PID控制的优缺点173.2 模糊控制理论173.2.1 模糊控制的基本思想183.2.2 模糊控制系统的组成193.2.3 模糊控制器的工作原理203.2.4 模糊论域、量化因子和比例因子的选择223.2.5 模糊控制器的优缺点233.3 模糊-PID控制243.3.1 模糊-PID控制器的基本结构253.3.2 模糊PID控制器的设计步骤26第四章锅炉汽包液位PID控制系统设计及仿真研究274.1仿真工具简介274.1.1 关于MATLAB274.1.2 关于SIMUL1NK274.1.3 仿真实现284.2锅炉汽包水位的PID控制284.2.1 汽包液位的PID控制系统的建立284.2.2 PID参数的整定30第五章 模糊-PID控制系统设计及仿真研究345.1 模糊控制系统的设计及仿真研究345.1.1 模糊控制器的设计345.1.2 模糊控制器仿真375.2 锅炉汽包液位模糊-PID控制415.2.1 模糊-PID控制器设计415.2.2 仿真实现425.3 几种控制效果比较分析43第六章 结束语44参考文献45致谢47第一章 引 言1.1 课题背景与意义锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器蒸馏塔换热器以及其他设备提供热源，而且还可以为生产过程中的风机压缩机泵类驱动提供动力来源。锅炉安全经济运行是保障国家财产及人民生命安全，促进国民经济发展，合理使用和节约能源的重要保证。锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其安全性尤为重要。只有在充分保证锅炉安全生产、保护环境和运行可靠的前提下，通过科学管理、技术改造、提高操作及运行水平，使锅炉实现热效率高的状态。鉴于锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性，经济性，稳定性具有深远的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用。其中压力、水位、温度是锅炉运行质量的重要指标，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制在规定范围内。正常运行时的锅炉燃烧系统必须使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低，降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。所以，在锅炉运行中必须保持过热汽温的稳定性。另外，压力过大容易带来危险。所以，要把压力、水位、温度控制在规定范围内。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下列自动调节任务:1保持汽包液位汽包液位是工业锅炉正常运行的主要指标。液位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重力事故。因此，必须对汽包液位进行自动调节，把水位严格控制在规定范围内。2维持蒸汽压力蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。3维持炉膛负压炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在20-40Pa的范围内，这时燃烧状况，锅炉房工作条件，炉膛的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。负压太大，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛压力在一定的范田之内。4维持过热蒸汽温度恒定为了保证汽轮机正常工作，必须保证过热蒸汽温度恒定，汽温过高或过低都会影响汽轮机的安全运行，所以过热蒸汽温度是影响安全的重要参数，一般要求温度变化保持在士5的范围之内。5保证锅炉燃烧的经济性锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。因此，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，保持炉膛烟气出口处的过剩空气系数为最佳值，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道:工业锅炉的汽包水位是正常运行的主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的被调参数。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离。产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。由此可见。锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要意义。1.2 锅炉控制的研究现状对锅炉的汽包水位，传统的控制方法如PID控制是目前较为流行也运用较多的控制方法，其优点是系统结构较为简单，易于实现，对于有精确的数学模型的对象，是首选的控制系统。然而对于锅炉汽包水位这一时变、死区、非线性、多变量、扰动大的复杂系统，这绝非一件易事。水位对象的特征随着锅炉运行工况的改变而改变，没有确定的数学模型。最大问题是在汽包运行中会出现“虚假液位”现象，若采用简单的PID控制方式控制汽包水位，在出现“虚假液位”时，控制系统将会减少汽包进水流量，致使汽包中供水量进一步减少。因此，常规的PID控制器难以获得良好的控制效果。模糊控制摆脱了精确数学模型的束缚，开辟了工业过程控制的一条新途径。模糊控制的优点就是不需要建立对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。因此研究适应性很强的模糊控制理论，以及它在锅炉水位系统中的应用是有非常重要意义的，不仅可以丰富完善模糊控制的理论体系，而且有广泛的应用前景。由此看来，将模糊控制引入锅炉水位控制系统已是势在必行。并且，在先前将模糊控制应用到汽包水位控制系统的实践中，常规的二维PD模糊控制存在比较大的静态误差和“多级继电器”特性，降低了它的控制精度。所以有必要对模糊控制进行更深入地研究，以便提高对汽包水位系统控制的性能。同时，人们也在其它控制方法上做了很多研究，例如：基于集散控制系统的锅炉控制、基于神经网络控制的锅炉控制、基于专家控制的锅炉控制、混沌PID智能控制器及遗传算法-神经网络PID智能控制器等。但应用最活跃的是模糊控制。其中，模糊-PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。本文就是对模糊-PID控制在锅炉控制中的应用进行研究4。1.3 控制方法的分类在锅炉汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号，可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。其中，单冲量控制系统以汽包水位测量为唯一的控制信号；双冲量控制系统在汽包水位信号为主要的控制信号的基础上，加入蒸汽流量为潜亏信号；三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制，下面分别加以详细说明：(1)单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。单冲量汽包水位控制系统存在两个主要问题：当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少给水量，这个错误举动反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。在给水扰动时，调节器要等到水位改变了以后才动作，又经过一段时间延迟后才能影响到水位，导致汽包水位发生较大变化，调节时间长。(2)双冲量控制系统双冲量控制系统在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号。加入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对控制的不良影响。当蒸汽负荷变化时，使调节阀一开始就向正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。(3)三冲量控制系统一般而言，锅炉容量越大，汽包容水量相对就越小，允许的蓄水量就更小，这就要求提高汽包水位的控制。在双冲量控制系统中，对于给水量的自发变化不能及时调节，只能在延迟一段时间后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化反映出来。对于几台锅炉并列运行时，几台锅炉的汽包水位控制会相互影响，使得控制过程非常复杂。针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进了给水量信号控制。这个调节器接受三个输入调节信号：汽包水位作为主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号。1.4 本文的主要研究内容本论文就锅炉汽包水位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉汽包水位控制特性所提出的问题。本文建立了锅炉汽包水位控制特性的数学模型，分别采用传统PID控制手段和模糊-PID控制方法来设计锅炉汽包水位控制系统，并进行了对比讨论。首先，通过研究发现，锅炉汽包水位控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量有关。通过对现场锅炉汽包水位的研究，得出传递函数以及特性曲线。当蒸汽流量与给水流量不平衡时，会产生“虚假液位”现象。这是汽包水位控制最主要克服的问题之一。在汽包实际运行过程中，经验丰富的操作人员往往能通过观察汽包水位和蒸汽流量的变化情况，采用手动操作，有效地克服“虚假液位”现象，使汽包工作在良好的状态下。因此，只要将他们的操作经验和知识正确地进行归纳、总结，找出相应的模糊控制规则，就可以在此基础上建立汽包水位模糊控制系统。然后,本文分别采用经典PID控制算法、纯模糊控制算法和模糊-PID控制算法对锅炉汽包水位进行控制，利用MATLAB软件对控制效果进行仿真，对比观察它们的动态响应特性、抗干扰性、和对被控对象变化的抑制效果，最后确定要采用的控制方案。第二章 锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析锅炉是一种既受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中最常见的事故有：锅炉缺水，锅炉超压，锅炉满水，汽水共腾，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小的方向发展。这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺永都会造成事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。下面就汽包水位的动态特性和控制器的设计过程做具体的研究。汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离。产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽葬机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。锅炉汽包给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。汽包水位间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系，随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：(l)汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度。(2)锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。(3)提高了锅炉的工作压力，给水管道系统相应复杂，流量特性更不易满足控制系统的要求。由此可见。锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要意义。锅炉水位自动控制(给水自动控制)的任务就是控制给水流量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。2.1 汽包水位的动态特性维持锅炉汽包水位在规定的范围内是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使饱和蒸汽中含盐量增高降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁上的结垢；水位过低，则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏严重时会造成爆炸事故。汽包水位与蒸汽含盐量的关系如图2.1所示: 图2.1汽包水位与蒸汽含盐量的关系工业锅炉的汽包及蒸发管中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示: （2-1）式中，时间常数；给水流量项时间常数；蒸汽流量项时间常数；给水流量项的放大系数；Kd蒸汽流量项的放大系数； 为稳定状态下的水位，H为水位高度的变化)；(w为给水流量的变化，Dmax为最大蒸汽负荷量)；(D为蒸汽负荷量)。2.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量发生变化时，汽包水位对象的微分方程式可以表示为：经拉式变换后得 (2-2)从而可得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数： (2-3)根据以上公式，在给水流量阶跃输入作用下，汽包水位的反映特性曲线如图2.2所示，从图2.2的特性曲线上可以看到，当突然加大给水流量(蒸汽量不变)，给水量大于蒸发量，但汽包水位开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低的更多地给水进入了水循环系统，它从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和热水管路中由于热量的“损失”，汽包体积减少。经省煤气进入汽包得给水，首先必须填补由于汽水管路中汽包减少让出的空间。这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。但水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化，完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。因此，当把汽包和给水看做单容无自衡对象时，水位响应曲线应为一条直线。如图2.2中H1所示。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内汽泡含量减少，导致水位下降。因此实际水位响应曲线如图2.2中H所示，既当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现出一段起始惯性段。图2.2给水流量扰动下的水位特性曲线用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个惯性环节的串联，可表示为： (2-4)由切线法求得：1 (2-5)2.1.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性蒸汽负荷(蒸汽流量)对水位的影响，其干扰通道的动态特性。汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性(给水量不变)可直接从公式(2-l)导出： (2-6)经拉式变换后: (2-7)其传递函数为: (2-8)上式可以用两个动态环节的并联来等效，即: (2-9)在蒸汽流量F扰动下的阶跃响应曲线如图2所示。当蒸汽流量突然增加时，若单从物料不平衡角度考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位如图2.3中H1所示，液位应当直线下降。但实际上，在扰动的初始瞬间，水位不但没有下降反而是上升的，汽包水位不是H1而是H。这是由于蒸气用量突然增加时，瞬间导致汽包压力下降，汽包内水沸腾加剧，气泡迅速增加，气泡容积增大造成的。汽泡体积膨胀而使水位变化的曲线如图2中H2所示，实际水位曲线H是H1和H2的迭加。 图2.3汽包水位的阶跃反应曲线图用传递函数来描述可以表示为: (2-10)式中，为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度: ，分别为只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位变化H2的放大倍数和时间常数。由切线法可求得蒸汽负荷增加时的传递函数为:1 (2-11)在锅炉生产过程中，当蒸汽负荷突然增加时，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，水位应下降。但因蒸汽流量与给水流量产生不平衡的初始阶段，水位下降存在时间上的延迟，所以实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸汽流量，水位不但不下降，反而迅速上升，这是由于汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加造成的。这种现象常称为“虚假液位”现象。造成“虚假液位”的原因有两个：(l)锅炉蒸汽负荷增加使炉膛和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化(汽容积增加)而引起汽包水位上升，这是引起汽包“虚假液位”的主要原因。(2)蒸汽流量增加，汽包汽压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水的汽化，使汽包水位随压力下降而升高。总之，由于存在“虚假液位”现象，当负荷蒸汽流量增加时，汽包水位开始不但不降反而上升，即先上升后下降;当蒸汽负荷量突然减小时，则汽包水位变化的情况相反，先降后升。2.2 锅炉汽包水位控制汽包水位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。其中，单冲量控制系统以汽包水位测量为唯一的控制信号；双冲量控制系统在汽包水位信号为主要控制信号的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号；三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制。2.2.1 单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。如图 2.4 汽包液位单冲量控制原理图及方框图 图 2.4 汽包液位单冲量控制原理图及方框图单冲量汽包水位控制系统存在两个主要问题:(1)当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少给水量，这个错误举动反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。(2)在给水扰动时，调节器要等到水位改变了以后才动作，又经过一段时间延迟后才能影响到水位，导致汽包水位发生较大变化，调节时间长2。2.2.2 双冲量控制系统在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号。引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对控制的不良影响。当蒸汽负荷变化时，使调节阀一开始就向正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制质量。如图2.5所示。图中，G1为蒸汽流量扰动下汽包液位的传递函数。K为蒸汽流量的分流系数2。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制系统的复合控制系统，这种调节系统的特点是：(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和液位的波动，缩短了过渡过程的时间。(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。 双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。 图2.5 汽包液位双冲量控制原理图及方框图2.2.3 三冲量控制系统一般而言，锅炉容量越大，汽包容水量相对就越小，允许的蓄水量就更小，这就要求提高对汽包水位的控制。在双冲量控制系统中，对于给水量的自发变化不能及时调节，只有在延迟一段时间后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化反映出来。对于几台锅炉并列运行时，几台锅炉的汽包水位控制会相互影响，使得控制过程非常复杂。针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进了给水量信号控制。这个调节器接受三个输入调节信号：汽包水位作为主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号。因此，对中小型锅炉，由于汽包相对负荷而言，容量较大，水位受到扰动后的轰应速度比较慢，虚假水位现象不很严重。因此一般采用单冲量调节方法就可以满足生产运行的要求，但是单冲量调节方法不能克服虚假水位对水位控制的不良影响，当蒸汽量大幅度增加时，由于假水位上升，调节器输出信号不但不去开大调节阀增大给水流量，以维持物料平衡，反而去关小调节阀，减小给水流量，等到假水位消失后，水位将更加迅速下降，在外扰作用下必将引起水位发生较大幅度波动。为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号，所以双冲量控制比单冲量控制更好些。然而双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位的影响，因为当给水压力波动时，给水流量将相应变化，此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，即采用三冲量水位控制回路。所以，通过分析我们发现三冲量控制要比单冲量控制和双冲量控制要优越些2。三冲量控制控制系统如图2.6所示，一是由给水流量W、给水分流器a w组成的内回路。二是由液位调节对象G0、变送器、调节器Gc和内回路构成的主回路。当负荷变化时，液位可以保持无差。 图2.6 汽包液位三冲量控制原理图及方框图本文就是采用这种三冲量的控制方式，将蒸汽流量作为前馈信号，把给水流量作为控制信号，组成汽包水位的三冲量控制系统，同时考虑到传统PID控制对汽包运行中出现的“虚假水位”严重时控制不够及时，所以将模糊控制器和模糊-PID控制器应用到该锅炉汽包液位控制系统中，实现工业锅炉汽包水位的定值控制。第三章 控制理论分析3.1 PID控制理论3.1.1 PID控制器简述PID控制器产生并发展于1915-1940年期间，尽管自上世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论研究的深入开展，出现了许多先进的控制算法，然而，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。至今，仍有90%以上的控制回路采用PID结构或其改进型。概括的说，PID控制器应用如此广泛主要有以下几个原因：（1）只要设计和参数整定合适，PID控制器在许多应用场合都能获得较满意的效果。（2）PID控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要精确的数学模型；并且，PID控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高，因而在现有控制系统中使用容易。（3）现在，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统PID控制的复杂控制算法能够得到实现，而且控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化。然而在这种情况下，为什么PID控制器依然能在过程工业中得到广泛应用，其中一个原因，是许多高级控制策略都采用分层结构，而PID控制被用于最底层；上层多变量控制器给底层的PID控制器提供设定值；另一个原因，是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。（4）借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向发展。微处理器的出现对PID控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的PID控制器都是建立在微处理器基础上。这样也就给传统PID控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器参数整定上。PID控制器在功能和作用上，可以提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。它能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。3.1.2 PID控制器的结构PID控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种，工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。比例、积分、微分调节器，是前述调节器中功能最全的一种。PID控制器的数学模型可以用下式表示： (3-1)式中，u（t）控制器的输出； e（t）控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号； K