锅炉汽包液位PID控制系统

摘要摘要锅炉是工厂生产过程中的重要动力设备。锅炉液位控制系统是锅炉生产控制系统中最为重要的环节。如果对锅炉的生产操作不合理，管理不善，处理不当，就往往会造成事故。这些事故中大部分是由锅炉液位控制不当引起的，可见锅炉汽包液位控制在锅炉设备控制系统中的作用非常大。而面对液位的控制不当，往往是汽包受到蒸汽流量干扰后，产生“虚假液位”，使控制器反向动作所导致的。本文就是针对锅炉汽包液位的动态特性，研究自适应模糊PID控制在锅炉控制中的应用。传统的锅炉汽包液位控制系统大都采用常规的PID控制，此方法的优点是系统结构较为简单，易于实现，是要求精确的数学模型对象首选的控制方法。但模糊控制不需要知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的丰富经验及操作数据，鲁棒性比较强，适用于非线性、滞后系统的控制，但是其静态性能不能达到要求，限制了其更深一步的应用。为了消除控制系统的稳态误差，本文将在锅炉汽包液位控制系统中引入模糊PID，同时利用Simulink分别在设定值以及干扰作用下对控制系统进行仿真分析。结果表明，和纯模糊控制和传统PID控制相比较，这种模糊PID控制效果更为理想，可以满足锅炉汽包液位的控制要求。关键词：汽包液位；PID控制；模糊控制；模糊PID控制；仿真AbstractThe boiler is the Power Plan that the whole factory is significant，that such is required providing competent steam ,causing the boiler amount delivering steam adapt to the burden necessaries. For this reason, production process every main technology parameter has to rigorously enforce the control. Segment that the boiler water lever control system is the most significant in the boiler. According to the feather of the drum water level, we research the using of the fuzzy selfadaptive PID control in the boiler. The tradition control mode of the drum water level mostly uses PID. The 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 does not meet the requirements, which limits its further application. It is usual mode of threevariable drum water lever in order to eliminate the static error that using FuzzyPID control, and the simulation with the action of setting value and noise . The result of simulation indicates that the effect of control improves comparing with simple fuzzy control and tradition PID control, which can satisfy the control requirement of the water level.Keywords: drum level; PID control; FUZZYPID control; simulation1I常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书目 录摘要IAbstractII第一章 绪论- 1 -1.1课题背景与意义- 1 -1.2 锅炉控制的研究现状- 1 -1.3 控制方法的分类- 2 -1.4 本文的主要研究内容- 3 -1.5本章小结- 4 -第二章锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析- 5 -2.1汽包液位的动态特性- 5 -2.1.1汽包液位在给水流量作用下的动态分析- 7 -2.1.2汽包液位在蒸汽流量作用下的动态分析- 9 -2.2 锅炉汽包液位控制方法的研究- 12 -2.2.1 单冲量控制系统- 12 -2.2.2双冲量控制系统- 12 -2.2.3 三冲量控制系统- 13 -2.3本章小结- 14 -第三章 控制理论分析- 15 -3.1 PID控制理论- 15 -3.1.1 PID控制器概述- 15 -3.1.2 PID控制器的结构- 15 -3.1.3 PID控制器的参数调节- 17 -3.1.4 PID控制器的优缺点- 18 -3.2 模糊控制理论- 19 -3.2.1 模糊控制的产生- 19 -3.2.2 模糊控制的基本思想- 19 -3.2.3模糊控制器的工作原理- 20 -3.2.4 模糊控制系统的组成- 23 -3.2.5模糊论域、量化因子和比例因子的选择- 24 -3.2.6模糊控制器的设计- 25 -3.2.7模糊控制器的特点- 26 -3.3 模糊PID控制- 27 -3.3.1自适应模糊PID控制- 28 -3.3.2 模糊PID控制器的设计步骤- 30 -3.4 本章小结- 31 -第四章 锅炉汽包液位控制系统设计及仿真研究- 32 -4.1 仿真工具的简介- 32 -4.1.1 关于MATLAB- 32 -4.1.2 关于SIMULINK- 33 -4.1.3 仿真实现- 33 -4.2 锅炉汽包液位的PID控制- 34 -4.2.1 汽包液位的PID控制- 34 -4.2.2 PID参数的整定- 34 -4.2.3系统模型的建立及仿真的实现- 36 -4.3 锅炉汽包液位的模糊控制- 43 -4.3.1 模糊控制器的设计- 43 -4.3.2 模糊控制器的仿真- 47 -4.4 锅炉汽包液位的自适应模糊PID控制- 53 -4.4.1 自适应模糊PID控制器结构的设计- 53 -4.5 几种控制效果的比较分析- 60 -4.6本章小结- 61 -第五章 结束语- 62 -致谢- 63 -参考文献- 64 -1第二章 锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析第二章 锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析1第一章 绪论 第一章 绪论1.1课题背景与意义在我国的工业生产和生活上，锅炉是应用面最广、应用数量最多的热力设备，是化工、发电、炼油、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备之一。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立能够使生产过程中的物料和能量获得更加合理地充分利用，它不仅可以为反应器、换热器、蒸馏塔以及其他设备、管道的保温提供热源，而且还可以为生产过程中的风机，泵类驱动，压缩机等提供动力来源。锅炉安全经济运行关系到国家财产以及人民的生命安全，是促进国民经济发展，合理使用资源和节约资源的重要保证。由于是受火焰加热，锅炉成了具有爆炸性危险的压力容器和特殊设备，因此其安全性尤为重要。对锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性、稳定性具有深远的意义，同时对工业现代化的实现也有一定的促进作用。在锅炉运行过程中，压力、温度、液位是锅炉运行质量的重要指标，其中液位控制最为重要。液位过高会影响汽包的汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会导致汽水循环，使金属局部过热而爆管，最终导致重大事故。因此，必须对汽包液位进行自动调节，把水位控制在规定的允许范围内，使锅炉安全地运行。正常运行的锅炉燃烧系统能够使出口的过热蒸汽温度维持在一定的范围内，该参数的控制质量将直接影响到机组运行的安全性和经济性。若过热蒸汽温度过低，将会降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀；若过热蒸汽温度过高，可能造成蒸汽管道、过热器及汽轮机的高压部分的金属损坏。所以，在锅炉运行当中必须保持过热蒸汽温度的稳定性。除此之外，压力过大也会带来危险，因此，要把压力、温度、液位控制在安全运行的范围之内。为了满足负荷设备的要求，来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：保持汽包液位恒定，维持蒸汽压力，维持炉膛负压，维持过热蒸汽温度恒定，保证锅炉燃烧的经济性。通过对工业锅炉自动调节任务的分析，汽包液位是最重要的被调参数，由此可见，锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它可减轻运行人员的劳动强度，并且对锅炉的安全运行具有重要的意义。1.2 锅炉控制的研究现状我国工业锅炉的自动化控制，经历了单参数仪表和单元组合式综合参数仪表控制，大概从六十年代起，人们对锅炉液位系统进行了很多更深入的研究，采用了更加先进的计算机智能控制方法，如最优控制、数字PID控制、自适应控制等。在控制结构有串级、前馈-反馈控制、前馈串级控制。现今，有许多研究者也在深入研究汽包液位的控制算法。1974年英国的EHMamdani将模糊控制理论成功地应用到锅炉和蒸汽机的控制中，此后，模糊控制便得到了广泛地发展并在现实生活中得到了成功的应用。国内的许多学者对汽包液位模糊控制也进行了深入的研究，如哈尔滨工程大学的夏国清等针对锅炉液位问题，提出了一种自学习模糊控制方法，并进行可仿真研究，验证了模糊控制对汽包液位模型参数变化不敏感，抗干扰能力强等优点，解决了控制对象数学模型不精确时控制器的适应性问题。同时，相关研究人员也在其它控制方法上做了研究，例如：基于集散控制系统的锅炉液位控制、基于神经网络控制的锅炉液位控制、基于专家控制的锅炉液位控制、混合PID 智能控制及遗传算法神经网络PID智能控制等。随着我国经济的不断发展，我国在科技和生产领域都取得了飞速的发展和进步，因此对锅炉汽包液位的控制研究也具有更加重大的意义。对于锅炉的汽包液位控制系统，传统的锅炉汽包液位控制系统大都采用常规PID控制方法，此方法的优点是系统结构较为简单，易于实现，是要求精确的数学模型对象首选的控制方法。但是对于锅炉汽包液位这一时变、死区、非线性、多变量，扰动大的复杂系统，常规的PID控制器就很难获得良好的控制效果。并且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。在汽包运行中出现的最大问题就是“虚假液位”现象，简单的PID控制方式控制汽包液位，在出现“虚假液位”时，控制系统将会减少汽包进水量，致使汽包中进水量进一步减少，因此常规的PID控制系统难以解决此类现象。而模糊控制是基于模糊集合论、模糊逻辑推理、并同经典控制理论相结合，用以模拟人类思维方式的一种计算机数字控制方法，它的核心是模糊规则和模糊推理。模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，摆脱了精确数学模型的束缚，它只需专家知识、操作人员的经验及相关的操作数据，鲁棒性强，非常适用于非线性、滞后系统的控制研究，但其静态性能不能令人满意，限制了它的广泛应用，因此研究新型的液位控制系统，使其能进一步提高液位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常必要的。现今研究领域模糊控制最为活跃，其中模糊PID控制技术更为重要，模糊PID控制器具有常规的PID控制和模糊控制的优点，并可成为未来研究与应用的热点之一。因此研究模糊PID控制技术更具有生产价值和生活价值。1.3 控制方法的分类在锅炉汽包液位控制中，由于控制信号的不同，可以分为单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。单冲量控制系统的唯一控制信号是汽包液位的测量值；双冲量控制系统主要的控制信号是汽包液位信号并加入蒸汽流量作为前馈信号；三冲量控制系统是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。现详细说明如下：（1）单冲量控制系统单冲量控制系统根据汽包液位测量值与给定值的偏差来控制给水调节阀来改变给水量从而保持汽包液位在允许的范围内。但在单冲量汽包液位控制系统中存在如下主要问题：首先，在当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于受“虚假液位”的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少进水量，但此错误举动反而增大了汽包进出流量的不平衡，使汽包液位和给水量的波动幅度增大，从而降低了调节质量。另外，在给水扰动时，调节器在液位改变了以后才动作，必须经过一段时间延迟后，才能影响到水位，导致汽包液位发生很大的变化，调节时间也比较长。（2）双冲量控制系统双冲量控制系统是以单冲量控制系统为基础，并加入了蒸汽流量用来作为前馈信号，此前馈信号能够使“虚假液位”对控制带来的不良影响得到消除,使控制系统的静态特性得到改善，控制质量得到提高。但双冲量控制系统调节存在的问题是对于给水侧的扰动不能及时地反应。（3）三冲量控制系统三冲量控制系统的主冲量信号是汽包液位，前馈信号是蒸汽流量，内反馈信号是给水流量。因此这个调节器接收三个输入信号，即主冲量信号，前馈信号，内反馈信号。1.4 本文的主要研究内容本课题是就锅炉汽包液位控制特性作为研究的重点，探求解决锅炉汽包液位控制所面临的问题。本课题通过分析，建立锅炉汽包液位控制特性的数学模型，分别采用常规PID控制算法、模糊控制算法和模糊-PID控制算法来设计锅炉汽包液位控制系统，利用MATLAB软件对控制效果进行仿真分析研究，并进行对比讨论，确定最优控制方案。首先，通过研究，锅炉汽包液位控制特性不仅与锅炉的给水流量有关，而且还与蒸汽流量有关。通过分析研究控制对象，得出传递函数以及特性曲线。汽包液位控制要克服的最主要问题是由于蒸汽流量与给水流量不平衡时产生的“虚假液位”现象。在汽包液位实际运行过程中，有经验的操作人员一般通过观察汽包液位和蒸汽流量的变化情况，采用手动操作，来有效地克服“虚假液位”现象。并由此归纳出了模糊控制论，就以此建立了汽包液位模糊控制系统。然后，本文分别采用常规PID控制算法、纯模糊控制算法和模糊-PID控制算法，来设计锅炉汽包液位控制，并利用MATLAB软件对控制效果进行仿真，最后，进行对比讨论，确定最优控制方案。1.5本章小结本章主要对课题的研究背景，研究现状进行了叙述，除此之外，还对相关的控制方法进行了分类。- 59 -第二章 锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析第二章锅炉汽包液位系统特性与控制方法分析锅炉是工业生产中的常用设备，是一种既受压又直接受火的特殊设备。如果对锅炉生产操作过程不合理，处理不当，管理不善，往往会引起安全事故。因此，锅炉安全问题是一个非常重要的问题，要引起高度的重视。在工业锅炉生产中，存在着以下常见事故：锅炉满水，锅炉缺水，锅炉超压，炉膛爆破，汽水共腾，锅炉灭火，二次燃烧等。锅炉液位控制不当是引起这些事故的主要原因，由此可见，在锅炉设备控制系统中，锅炉汽包液位控制具有非常重要的作用。 汽包液位是影响锅炉安全运行的重要参数，并且锅炉汽包液位的高度与汽水分离的速度和生产的蒸汽质量有着密切关系。随着现在科技的快速发展和工业锅炉要求的不断提高，使得锅炉要向汽包容积相对减小，蒸发量大的趋势发展。因此，就要求锅炉的蒸发量能够随时适应负荷设备的需求量，这样汽包液位就会有很快的变化速度，也就很容易会造成汽包满水，或是烧成干锅。就算是缺水事故也是很危险的。这是由于水位过低，影响自然循环的正常进行，严重时就会使个别水管形成自由水面，产生流动停滞，从而导致金属管壁局部过热而爆管。所以不论是满水还是缺水都会引起事故。因此必须对汽包液位进行自动调节，将液位严格地控制在规定的范围内。以下就针对汽包液位的动态特性和控制方法进行分析研究。汽包液位是锅炉运行质量的重要指标。如果液位过低，则会导致汽水循环，使金属局部过热而爆管，最终导致重大事故；如果液位过高，就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而导致破坏。同时由于过热蒸汽温度急剧下降，将会降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀，影响运行的安全性和经济性。汽包液位间接地表示了锅炉负荷和给水之间的平衡关系，而锅炉液位自动控制的任务就是控制给水流量，使其适应蒸汽流量的变化，使汽包液位维持在允许的范围内。由此可见，锅炉给水系统采用自动控制是很有必要的，对保证锅炉的安全运行具有重要意义。 2.1汽包液位的动态特性工业锅炉给水自动调节的任务是给水量跟随蒸汽量的变化而变化并维持汽包液位在工艺规定的范围内。工业锅炉汽包液位控制系统以汽包液位作为被控量，以给水调节阀作为调节机构来改变给水量，从而达到保持汽包液位在允许范围内的目的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸发量，如果给水量等于蒸汽量，那么汽包液位就恒定不变。引起汽包液位变化的主要因素是给水量和蒸汽量的阶跃变化，调节器根据液位测量值与设定值的偏差去控制给水调节阀的开度，就能对汽包液位起到调节的作用。锅炉汽包液位不仅与给水量与蒸汽流量之间的平衡关系有关，还与汽水循环管路内汽水混合物中汽水体积变化有关。汽包液位既反映了水面下汽包的体积，又反映了汽包（包括水循环的管路）中的蓄水体积。锅炉负荷及蒸汽压力也影响水面下汽包的体积。综合来看，以下四个方面是影响汽包液位变化的主要因素：（1）锅炉蒸汽负荷的变化（2）锅炉蒸汽压力的变化（3）给水扰动的影响（4）燃料量变化的影响在蒸汽发生的过程之中，汽包内部体积由以下三部分组成，即水的体积，蒸发面以下的蒸汽的体积，蒸发面以上的蒸汽的体积。其中和构成了蒸发面下汽水的体积。燃料量对锅炉液位有很大的影响，即容量的滞后性以及传输的滞后性，变化较缓慢，可以忽略不计，蒸汽流量的变化往往会引起汽包的压力变化，因此压力变化可以归类到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包液位的影响也可以忽略不计。针对整个锅炉控制系统，根据物料平衡关系，有以下关系式（2.1）成立，即 （2.1） 式中，为汽包液位的变化量； 为给水流量； 为蒸汽流量；可将上式(2.1)表示为： （2.2） 式中，为锅炉截面积； 为锅炉水重度； 为液位； 为给水流量系数； 为蒸汽流量系数； 为流经给水流量的节流装置的差压； 为流经蒸汽流量的节流装置的差压；对上式取泰勒级数，化简可得：+ （2.3） 式中：时间常数，s； 给水流量项时间常数，s； 蒸汽流量项时间常数，s； 给水流量项的放大倍数； 蒸汽流量项的放大倍数； 汽包水位,(为稳定状态下的液位，为液位高度的变化)； 锅炉蒸汽流量，kg/s； 锅炉给水流量，kg/s； （为给水流量的变化，为最大蒸汽流量）； （为蒸汽流量）通过锅炉汽包液位的动态方程，我们可得出：影响汽包液位的主要因素是：给水流量和蒸汽流量的变化。由此，可将汽包液位变化的动态特性分开讨论，即分为：给水流量（内干扰）扰动和蒸汽流量（外干扰）扰动两种情况。2.1.1汽包液位在给水流量作用下的动态分析给水量是锅炉的输入量，当给水流量发生变化，蒸汽流量不变时，汽包液位对象的微分方程可以表示为： + （2.4）对式（22）进行拉氏变换，可得： （2.5）汽包液位调节对象在给水扰动的作用下的传递函数可由式（2.5）变化可得到： （2.6）根据以上公式，在给水流量是阶跃输入的作用下，汽包液位的反应特性曲线如图2-1所示，从图2-1的特性曲线变化可以看出：在蒸汽流量不变时，当突然增加给水流量，且给水流量大于蒸发流量时，开始汽包液位并不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。如果把汽包和给水看做单容无自衡对象时，液位响应曲线实为一条直线，如图2-1中的图（b）中的H1所示.因为给水温度比汽包内饱和水的温度低，因此在给水流量变化后，汽包内汽包含量就会减少，导致液位下降。所以实际的液位响应曲线应如图2-1中的图（b）中的H所示，即当给水流量突然加大时，汽包液位刚开始并不增加，而是要呈现出一段的起始惯性段。（a）给水流量的阶跃输入（b）液位响应曲线图 21 在实际工程中，对于蒸汽的压力小于2.0MPa的中压以下的锅炉，由于给水量项的时间常数一般很小，可以忽略不计，因此式（2.6）可以化简为： （2.7）式中，表示反应速度，即给水流量按单位流量变化时液位的变化速度，mm/s(t/h)。从式（25）可以看出，汽包液位在给水流量作用下的动态特性，是一个积分环节和一个惯性环节的串联。由切线法可以求得： （2.8）2.1.2汽包液位在蒸汽流量作用下的动态分析如果给水流量保持不变，当蒸汽流量发生阶跃变化时，可以直接由公式（2.3）导出汽包液位的动态特性微分方程，即： （2.9）对式（2.9）进行拉氏变换，可得： （2.10） 由式（2.10）可得蒸汽流量扰动下汽包液位调节对象的传递函数为： （2.11）式（29）可以用两个动态环节的并联来等效，即： （2.12）在蒸汽流量的扰动作用下，其阶跃响应的曲线如图22中的图（a）所示。当突然增加蒸汽流量时，若只是从物料不平衡的角度来考虑，汽包中的蒸发量是大于给水量的，汽包液位响应曲线应为下降直线，如图22中的图（b）中的H1所示。但是实际上，在扰动的初始瞬间，液位不但没有下降反而上升，汽包液位响应曲线如图22中的图（b）中的H2所示。这是因为当突然增加蒸汽流量时，使汽包压力瞬间下降，加剧了汽包内水的沸腾，气泡也迅速增加，气泡容积增大所致。由于汽泡体积膨胀而使液位变化的曲线如图22中的图（b）中的H所示。因此实际的液位曲线是HI和H2的迭加。（a）蒸汽流量的阶跃输入（b）液位响应曲线图 22可用传递函数表示为： （2.13） 式中，、分别为只考虑水面下汽泡体积的变化所引起的液位变化的放大倍数和时间常数，为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的上升速度。由切线法可以求得出蒸汽流量增加时的传递函数为： （2.14） 在锅炉实际生产过程中，当突然增加蒸汽流量时，若只是从物料不平衡的角度考虑，汽包中的蒸发量是大于给水量的，液位应该下降。但是因为在给水流量与蒸汽流量产生不平衡的初始阶段，水位下降还存在时间上的延迟，液位不但没有下降反而还迅速上升。这种现象通常称为“虚假液位”现象，此现象是因为汽水混合物中蒸汽的体积增加的太迅速而引起的。 总而言之，由于“虚假液位”现象的存在，当蒸汽流量突然增加时，汽包液位先上升后下降；当蒸汽流量突然减小时，汽包液位的变化情况刚好相反，即先下降后上升。2.2 锅炉汽包液位控制方法的研究在工业锅炉汽包水位的自动控制系统中，根据锅炉负荷变化的速度、锅炉的容量和调节的精度要求，把锅炉汽包液位控制方式分为三种类型（1）单冲量控制系统：以汽包液位测量信号作为唯一的控制信号。（2）双冲量控制系统：以汽包液位信号作为主调节信号，蒸汽流量作为副调节信号。（3）三冲量控制系统：以汽包液位信号作为主调节信号，蒸汽流量和给水流量作为副调节信号。下面对每一种控制方式进行逐一的介绍。2.2.1 单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包液位测量信号作为唯一的控制信号，其系统框图如图2-3所示。该系统的工作原理是：变送器把液位测量信号传送给液位控制器，液位控制器根据液位设定值与测量值之间的偏差来调节给水调节阀门的开度，从而改变给水量，这样就能够使汽包内的液位保持在允许的范围内。单冲量控制系统只是以汽包液位测量值作为反馈量，是典型的单回路控制系统。图 2-3 单冲量控制系统框图单冲量控制系统的优缺点如下：缺点：当锅炉蒸汽流量变化很大时，由于受“虚假液位”的影响，在调节过程刚开始时，液位“虚假”上升而减少给水量，这一错误举动增大了汽包进出流量的不平衡，增大了汽包液位和给水量的幅度，降低了调节质量；在给水扰动时，调节器要等到液位改变了以后才可以动作，再经过一段延迟时间后才能影响到液位，从而导致汽包液位产生较大变化，使调节时间变长。优点：结构简单；汽包液位在受到扰动时变化缓慢，一般用在“虚假液位”不太严重的场合。2.2.2双冲量控制系统双冲量控制系统是在单冲量控制系统的基础上，加入了蒸汽流量作为校正信号。其系统框图如图2-4所示。当蒸汽流量变化时，就会产生一个使给水流量与蒸汽流量同方向变化的信号，这样就可以补偿由于“虚假液位”现象而使给水流量与蒸汽流量向相反方向变化的误动作，还能够使给水调节阀及时动作。图 2-4 双冲量控制系统框图从本质上看，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，这种系统具有如下优缺点：缺点：给水侧的扰动被调节作用及时反映，当给水母管时常有压力波动时，给水调节阀的前后压差就会很难保持允许的在正常值内；当加入给水流量扰动时，调节系统就变为单冲量调节；给水调节阀就不一定会有线性工作特性，因此就会给静态补偿带来很大困难。优点：该系统引入了蒸汽流量，并将其作为控制系统的前馈信号，使系统的调节质量得到提高。2.2.3 三冲量控制系统三冲量控制系统是以双冲量控制系统为基础，又引进了给水量信号的控制。该调节器接受三个输入调节信号：汽包液位作为主控制信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号。其系统框图如图2-5所示。图 25 三冲量控制系统框图由以上可知：单冲量调节方法不能克服“虚假液位”对锅炉液位控制的不良影响；双冲量调节方法不能很好的克服给水压力变化对锅炉液位的影响；而采用三冲量液位控制回路可以补偿单冲量调节方法和双冲量调节方法所不能解决的问题。本文就是采用三冲量控制方式：即将汽包液位作为主调节信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号组成的汽包液位的三冲量控制系统。2.3本章小结本章主要对锅炉汽包液位系统特性与控制方法进行了详细的分析。通过分析，确立了影响汽包液位的主要因素，有助于传递函数的确立。另外，通过不同控制方式的对比，确定三冲量控制系统为本文所要采用的系统。第三章 控制理论分析第三章 控制理论分析3.1 PID控制理论3.1.1 PID控制器概述 多年来，PID控制方式在自动控制领域一直占有重要的地位。是历史上应用历史最久，生命力最强的基本控制方式。PID控制器产生并发展于1915-1940年期间，自上个世纪80年代以来，随着电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论的深入研究，涌现出许多新的控制方式。但是以PID为控制原理的各种控制器仍旧是过程控制中不可缺少的基本控制单元，至今，PID控制方式由于自身的特点在控制领域仍得到广泛的应用。3.1.2 PID控制器的结构 PID控制器的基本控制规律有比例（proportional）、积分（integral）、微分（differential）等几种。比例、积分、微分控制规律之间的不同组合广泛应用在工业中。常规PID控制器的结构图如图31所示。 PID控制器是一种负反馈闭环控制，它通常与被控对象串联连接，设置在负反馈闭环控制的前向通道上。图 31 常规PID控制器的结构图系统偏差信号可定义为： （3.1）式中:为系统偏差信号，即偏差值。为系统给定输入信号，即给定值。为系统被控量，即测量值。 在PID控制器调节作用下，对偏差信号分别采用比例、积分、微分控制规律进行运算，三个控制规律作用之和作为控制信号输出给被控对象。PID控制器的数学模型可用下式来表示： （3.2）式中，比例系数； 积分时间； 微分时间； PID控制器的输出；PID控制器的输入； PID控制调节器的传递函数为： （3.3）现在分别介绍PID控制器基本控制规律的各个部分，即比例部分、积分部分、微分部分。（1）比例部分比例部分可用以下数学表达式表示： （3.4）比例控制能迅速地反应偏差，并且能够使控制量朝着偏差量减小的方向进行，从而达到减小偏差的目的。控制作用的强弱与比例系数有关， 越大，控制作用越强，就会使过渡时间越短，控制结果的稳态误差也越小；但是如果太大，超调量也越大，并且越容易产生振荡，还可能导致动态性能变坏，甚至引起闭环系统不稳定。所以，比例系数必须选择适当，这样才能取得过渡时间短、稳态误差小和系统性能稳定的控制效果。（2）积分部分积分部分可用以下数学表达式表示： （3.5）积分控制的作用是，只要系统存在偏差，积分控制作用就不断地积累，积分项对应的控制量会不断增大，以消除偏差。只要有足够的时间，积分控制将能完全消除偏差。积分控制是靠对偏差的积累进行控制的，其控制作用缓慢，即积分作用具有滞后性。如果积分作用太强，会使系统超调加大，甚至是系统出现振荡，影响系统的动态性能。对于积分控制，积分时间，对积分部分的作用影响最大。当积分时间较大时，积分作用则较弱，但这有利于系统减小超调，使过渡过程不易产生振荡，但会使消除静差所需的时间加长。当积分时间较小时，积分作用则较强，这时有可能使系统过渡过程产生振荡，但会使消除静差的时间减小。（3）微分部分微分部分可用以下数学表达式表示： （3.6）微分控制具有预测误差变化趋势的作用，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性得到提高，同时可以加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。引入微分作用是为了改善高阶对象的控制品质。微分部分控制作用的强弱由微分时间决定。越大，对偏差的抑制作用越强，这样就有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但是减弱了系统对扰动的抑制能力。越小，它对偏差的抑制作用越弱。PID控制器以及改进型的PID控制器，是工业过程控制中最常用的控制器。虽然随着现代科技的飞速发展，许多新的控制方法不断涌现，但是PID控制器以其独特的优点，仍被广泛应用于冶金、电力、轻工、化工和机械等工业控制中。由此可见，PID控制器三大参数选择的好坏直接影响到系统控制效果的好坏。合理的参数会使系统达到很好的控制效果；不合理的参数选择会使系统的动静态性能变差，甚至有时还会使闭环系统不稳定。因此，探究一种精确的参数整定方法有着重要的理论意义和现实的工程意义。3.1.3 PID控制器的参数调节PID 控制器有很多参数选择的方法，例如临界比例度法、凑试法、扩充临界比例度法等。但对于PID 控制器来说，参数的选择是一件很繁琐的工作，需要通过不间断地调整，修改才可以得到较为满意的控制效果。根据经验，常规的PID控制器的参数确定步骤如下：(1)比例系数的确定比例系数确定时，PID 的积分项和微分项要先去掉，可以令、，使其成为单纯的比例调节。系统允许输出最大值的6070设定为输入量，比例系数从0 开始并逐渐地增大，直到系统出现了振荡。然后再进行反过来调整，从此时的 逐渐减小，直到消失了系统的振荡。记下此时的，并设定的值为此时刻值的6070。(2)积分时间的确定比例系数确定后，就把积分时间设定为一个比较大的数值，然后再逐渐地减小，直到系统出现了振荡，就反过来再进行调整，并逐渐地增大，直到系统的振荡消失。记下此时的，取此时刻值的150180为要设定的值。(3)微分时间的确定一般可以不进行设定，为0 就行，这样此时的PID调节就转变成为PI调节。如果要求设定，则与确定 的方法是相同的，确定微分时间常数为不振荡时其值的30。3.1.4 PID控制器的优缺点 PID控制是迄今为止最通用的控制方法，其优点和缺点如下：优点：（1）PID控制的工作原理简单，各个参数的物理意义比较明确，便于使用；（2）PID控制对于大多数过程控制都具有良好的控制效果，并且具有较强的鲁棒性；（3）PID控制在过程控制中的适应性比较强，被广泛应用于化工、炼油、冶金、热工以及造纸建材等生产部门。缺点：常规的PID控制无自整定能力，主要表现在两个方面:（1）常规PID控制器的参数整定必须是相对于某一模型已知，系统参数已知的系统；（2）PID控制器的参数一旦整定结束，就只能适用于一种工作情况。由于现在的大多数生产过程都具有时变性，非线性，很显然这种固定的参数很难满足这种无规律的变化；另外，常规的PID控制器参数只可以被整定成为仅仅达到生产过程的控制目标的某一方面的要求，而对于实际的控制系统的设计生产过程中人们关心的“干扰抑制特性”与“设定值跟踪特性”等主要问题，使用常规的PID控制器就只能够整定出一组PID控制参数来到达某一方面要求，由此就要采用折中的方法来整定控制器参数，这样做得不到最佳的控制效果。3.2 模糊控制理论3.2.1 模糊控制的产生随着控制对象的复杂性、非线性、滞后性和耦合性的增加，人们获得精确知识量的能力相对减少，运用传统精确控制的可能性也在减少。正像“L.A.Zadeh不相容原理”所说的那样：“当一个系统复杂性增加时，人们能使其清晰化的能力将会降低，达到一定阀值时，复杂性和清晰性将相互排斥”，这是便产生了模糊控制。模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是一种计算机智能控制，且以模糊逻辑推理、模糊集合论和模糊语言变量为基础。其基本概念是由美国著名教授L.A.Zadeh首次提出的。模糊控制的任务是要用计算机来模拟人的思维和决策方式，对这些复杂的生产过程进行控制和操作。模糊控制是基于专家的知识以及操作人员丰富的经验来总结得出来的，并且用自然语言来表示控制策略，通过归纳总结大量的操作实验数据得出的模糊规则，用计算机得以实现的一种自动控制。另外，它与常规控制的区别在于对控制对象精确的数学模型不需要清楚地知道，而需要对设备的控制操作的经验和数据进行积累。但是模糊控制系统的结构和一般的控制系统没有太大区别，只是传统的控制器被模糊控制器所取代了。在理论上，模糊控制器是连续型的控制器，但是在工程上，模糊控制器控制都是采用计算机进行实现的，因此在实际的应用中，模糊控制器又是一种离散型的控制器。3.2.2 模糊控制的基本思想模糊控制是将人类自然语言变量的概念用来作为手动控制策略的基础来进行实现的。 模糊控制的基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验，但是人的控制经验一般都是由语言表达的，并且这些控制规则又被表达的具有相当的模糊性。比如：l 如果液位正好，则进液阀门开度不变；l 如果液位偏低，则增大进液阀门开度；l 若果液位快要接近要求的液位时，则把阀门管得很小；这些经验规则中，“正好”、“偏低”、“接近”、“增大”、“很小”等这些表示液位状态和控制阀门动作的词语都带有一定的模糊性，这些模糊规则形式就是模糊的条件语句形式，像控制作用以及过程控制这类模糊概念还有它们之间的关系也都可用模糊数学方法来进行描述，也可依据它们之间的模糊关系和某一时刻的过程变量检测的值并且用模糊逻辑推理方法来得出此时刻的控制量。这就是模糊控制的基本思想。3.2.3模糊控制器的工作原理 模糊控制的原理框图如图3-2所示。将现模糊控制算法的实现作以下描述：计算机由中断采样来获得被控量精确的值，再将此值与给定值进行比较后得出误差信号。一般将误差信号当作糊控制器的输入量之一，然后对误差信号的精确量再模糊化，将其变成为模糊量。就可以用相对应的模糊语言进行对误差信号的模糊量标示，得到一个子集,称为误差的模糊语言集合的模糊矢量子集，依据模糊推理合成的规则,再由和模糊关系来进行模糊决策，得到模糊控制量，即图3-2 模糊控制原理框图 在模糊控制系统中，模糊控制器为其核心，模糊决策、模糊控制器结构、合成的推理算法、所采用模糊控制的规则方法等影响因素决定了模糊控制系统的性能优劣程度。由于模糊控制器所采用的模糊规则是由条件语句来叙述的，并且此条件语句是在模糊理论中产生的。因此，模糊控制器也称为模糊语言控制器。模糊控制器由5部分组成，即输入量的模糊化接口、规则库、数据库、模糊推理机以及输出量的解模糊接口。其组成框图如图3-3所示，。下面对其进行详细说明。图3-3 模糊控制器的组成(1)模糊化接口在模糊控制器中，其输入须经过模糊化后才可以用来对其求解，所以，实际上模糊化接口就是模糊控制器的输入接口，其作用主要是把确定的输入的量转化成为模糊矢量。定义一个模糊语言映射并将其作为从数值域至语言域的模糊关系，这被称为模糊化的基本思想。模糊化与自然语言的不确定和含糊相联系。把测量值（数值量）转换为主观量值（模糊量）的过程称为模糊化，也即把物理量的精确值转换成语言变量值。由此，它可以定义为在确定的输入论域中将所观测的输入空间转换为模糊集的映射，以便实现模糊控制算法。在实际系统中，模糊化等级不应该划得过细、过密，否则它可能不仅会失去某些信息，体现不出来模糊量的长处，而且也可能会大大增加运算与推理过程的工作量，使之计算机实现更为困难。模糊化是实现模糊控制的一个重要环节，目前常用的方法主要有以下几种：线性划分法、非线性划分法、语义关系生成法和训练法。（2）数据库数据库所存放的是隶属度矢量值，这些隶属度矢量值是全部的模糊子集，这全部的模糊子集是所有输入变量和输出变量的。如果论域是连续域，则是隶属度函数。并且在模糊规则的推理模糊关系的方程中，能够向推理机来提供有效数据。在模糊化接口进行模糊化和解模糊接口进行解模糊时数据库也向它们提供相应论域的必要数据。（3）规则库模糊规则是以专家知识和操作熟练人员长期积累的经验为基础的，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式，对被控对象进行控制的一个知识模型。模糊控制器性能的好坏取决于模型建立的准确性。在实际应用中，相应输入论域和输出论域的模糊子集常用有标志性的符号标记。如：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）等来表示。模糊规则是设计模糊控制器的核心。通常由一系列关联词来构成模糊控制规则。如：if-then、else、also、and、or等。关系词只有经过“翻译”，才能将模糊规则进行数值化。全部的模糊控制规则都存放在规则库中。在推理时便于为“推理机”提供模糊控制规则。模糊控制器的知识库是由规则库和数据库这两部分组成的。（4）推理机在模糊控制器中，推理机是根据输入的模糊量，由模糊规则来完成模糊推理求解模糊关系的方程，并取得模糊控制量的功能部分。模糊推理是模糊逻辑中最基本的问题，模糊推理具有模拟人的运用模糊概念进行推理的能力，其作用就是采用合理的推理方法，将输入变量的模糊向量与模糊关系进行合成，并由此得到被控制量的模糊向量。常用的模糊推理方法是最大最小推理法。（5）解模糊接口模糊值是模糊推理得到的结果，模糊值不能直接用作被控对象控制的量，需要把它转化成能够被执行机构可操作的精确量，这个过程可称作解模糊的过程。它还可以看作为是一种映射，这种映射是由模糊空间映射到清晰空间的。解模糊的目的是根据模糊推理结果，求得最能反映控制量的实际分布。目前常用的解模糊的方法有以下几种：l 重心法重心法，亦称力矩法，它是把推理结论的模糊集合的隶属函数曲线与横坐标轴所围成的面积的重心作为代表点。l 最大隶属度法所谓最大隶属度法，就是指在推理结论模糊集合中对具有最大隶属度的元素进行选取，并将其作为确定精确控制量的一种方法。若在论域上,有很多个元素同时地出现了最大隶属度的值，那么，解模糊判决的结果就取它们的平均值。这种方法最大的优点是能够突出主要信息，简单易行，但概括的信息量比较少。只能用于控制系统性能要求一般的系统。l 系数加权平均法所谓系数加权平均法，就是指输出的执行量是输出量的模糊集合中各个元素加权平均之后的输出值。l 中位数法中位数法就是把横坐标与隶属函数的曲线围成的面积进行分割成两部分，并且在两部分都相等的情况下，再将两部分的分界点对应论域中的元素用来作为判决的结果。这种方法能够对输出模糊集合所包含的信息进行充分的利用。3.2.4 模糊控制系统的组成模糊控制系统通常有模糊控制器、输入