毕业设计（论文）-基于PLC工业锅炉汽包水位控制系统的设计.doc

毕业设计论文 基于 PLC 工业锅炉汽包水位控制系统的设计 The Design of the Boiler Drum Water Level Control System with PLC I 摘 要 锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备。因此，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，管理不善， 处理不当，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 。 锅炉汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数 学模型，具有非线形、不稳定性、时滞等特点。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都 采用 PID 控制，其控制效果还可以进一步提高。而模糊控制不要求知道被控对象的精 确模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，非常适合于非线性、滞 后系统的控制。 关键词: 汽包水位； 模糊PID； 三冲量 Abstract The boiler is numerous essential important power equipment of industrial department. So, the boiler has often become an indispensable part of many factories. Therefore, it is essential for automatic control system in the boiler equipment to research. The water level control system of the boiler is that the boiler produces the most important link in the control system. If the production operation of the boiler is unreasonable, it is improper to deal with, and will often cause the accident. The majority in these accidents is caused because of improper in control the water level of the boiler. That can see the importance in the equipment control system of the boiler of control of water level of steam dome of the boiler. The auto-control of the drum water level is very important. The drum water level is an important variable to be controlled, it is hard to get the mathematic model of t he water level with adjust process. It is characteristic of nonlinearity, instability and ti me lag. The traditional control mode of three-variable in the drum water level most u se PID, the effect of it can be improved. The fuzzy control does not need precise m athematic model of the controlled object, it only needs the experience of operator a nd the date of operating it has good robustness and it fit to control the system with nonlinearity and lag. Keywords: Drum water level, Fuzzy-PID, Three-variable II 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .I 1.引言 .1 2.工业锅炉的理论基础 .1 2.1 工业锅炉的控制要求与工艺流程.1 2.2 课题背景及本文研究内容.2 2.3 锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性.3 3 锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择.3 3.1 锅炉汽包水位控制对象的基本特性.3 3.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的动态特性.4 3.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性.5 3.1.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性.6 3.2 锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择.7 3.2.1 单冲量水位控制系统.7 3.2.2 双冲量水位控制系统.8 3.2.3 三冲量水位控制系统.8 3.2.4 三冲量模糊水位控制系统.9 3.2.5 汽包水位控制系统方案的选择.10 4锅炉汽包水位模糊控制系统的设计 .11 4.1 主回路模糊控制器的设计.11 4.1.1 确定模糊控制器的结构及输入、输出语言变量.11 III 4.1.2 确定各变量的隶属度函数和赋值表.11 4.1.3 模糊控制规则的确定.14 4.1.4 模糊控制响应表的生成.14 4.24.2 模糊动态前馈控制器的设计.16 4.34.3 PID 控制的设计 .16 4.3.1PID 控制的基本公式.16 4.3.2 PID 的参数设置.16 5. PLC 选型及资源分配.17 5.1 PLC 电气图和 I/O 分配表 .17 5.2 PLC 选型 .18 5.3 传感器选型 .18 5.4 特殊模块功能.18 6.控制系统程序设计 .18 6.1 编程软件.19 6.2 控制系统流程图.19 6.2.1 控制系统总流程图设计.19 6.2.2 模糊控制流程图.19 6.2.3PID 控制流程图.20 6.2.4 动态前馈流程图.20 6.3 系统的程序设计.21 6.3.1 水位控制.21 6.3.2 模糊控制算法的 PLC 实现.21 IV 6.3.3 PID 控制的 PLC 实现.22 7 结束语 .23 致谢 .24 参考文献：参考文献： .25 附录： .26 1 1.引言 在锅炉运行中,水位是一个很重要的参数。若水位过高,则会影响汽水分离的效果,使 用电气设备发生故障;而水位过低,则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸。同时高性能 的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉水位控制显得非常重 要。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水 位在允许的范围内变化。 目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于 锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的 PID 算法对 “假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪 表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此研究新型的水位控 制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点， 还是非常必要的。 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和 模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把 人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种 方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象 进行有效的控制。三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制部分与蒸汽前馈控制部分 正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这 一过程的数学模型，这样就不能设计常规的控制器进行控制1。 2.2.工业锅炉的理论基础 2.1 工业锅炉的控制要求与工艺流程 锅炉是化工、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，它不仅能为反映器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管 道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平提供 动力来源。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡， 维持汽包水位在工艺允许的范围内，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。 2 所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本 相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图 2-1 所示。 图 2-1 工业锅炉工艺流程 首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经 过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸 腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸 汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中 被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的 缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同 时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入 锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除 尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。 2.2 锅炉设备控制系统 锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调 节仪表，控制装置（运算器，监控器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程 中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实 现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改 善劳动环境条件。 锅炉设备控制划分为若干个控制系统。主要控制系统如下。 1）锅炉汽包水位的控制 被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑汽包内部的物料平衡， 3 使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定 范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。 2）锅炉燃烧系统的控制 其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被 控变量） ；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧 效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控 制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量2。 3）过热蒸汽系统的控制 维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被 控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。 2.3 锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性 锅炉是一种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，轻则停炉影响生产，重则 造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。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：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管 爆破，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。 3 3 锅炉汽包水位的基本特性和锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择汽包水位控制系统方案选择 3.1 锅炉汽包水位控制对象的基本特性 工业锅炉的汽水系统结构如图 3-1 所示。 4 图 3-1 工业锅炉汽水结构 1 给水母管；2调节阀；3省煤器；4汽包； 5下水管；6上升管；7过热器；8蒸汽母管 汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，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就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为： （公式 1） 2 1 21 2 ()() wd wwwddd dvdvd kdk TTTTk vTk v dtdtdtdt 式中 、 时间常数， 给水流量项时间常数， 蒸汽流量项时间常数， 1 T 2 T w T d T 给水流量项放大系数， 蒸汽流量项放大系数。 w K D K 3.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的动态特性 给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。把汽包和给水看作单容无自衡 对象，水位响应曲线应为一条直线。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，使汽包内气泡含量减少，导致水位下降。即当突然加大给水量后，汽 包水位一开始并不增加而要呈现一段起始惯性段3。 图 3-1-1 所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给水看作单容量 无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中 H1 线。 1 23 4 5 6 78 5 图 3-1-1 汽包水位在给水流量扰动下的阶跃响应曲线 但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和 水中吸取部分热量。这使得水位下汽包容积有所减少，使水位下降，单考虑这个因数， 水位的变化如图中曲线 H2，相当于一个惯性环节，实际上水位 H 的响应为 H1与 H2的和。 当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量 的增加而逐渐上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于 储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图 2 中 H 线。即当给水量作阶跃变 化后，汽包水位一开始不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述 时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。可表示为： ( ) ( ) ( )1(1) ow H s Ws W sssss 式中 :迟延时间(s); :响应速度，即给水流量改变一个单位流量时。 3.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性 蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性 在蒸汽流量扰动下，水位响应曲线如图 3-1-2。从图上可以看出，在燃烧不变的情 况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧， 水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓 “虚假水位” 现象。 “虚假水位”是由两个原因造成的： （1） 由于锅炉蒸汽负荷增加，使炉管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“虚假水位”的主要原因。 W Wo 6 （2） 蒸汽流量增加，汽包气压下降，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。 图 3-1-2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的阶跃响应曲线 当蒸汽流量 D 突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量 D 大于给水量 W， 水位应下降，如图中直线 H1所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间 必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包 容积增加而使水位变化的曲线如图 3-1-2 中 H2所示。而实际显示的水位响应曲线 H 为 H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一 开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时， 则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位” 。 应该指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的， 图中 H2的时间常数只有 1020S。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示 为： 2 2 ( ) ( ) ( )1 OD kH s Ws D sT ss 式中， :曲线 2 的时间常数 :曲线 2 的放大系数 :曲线 1 的响应速度 2 T 2 k “虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般 t/h 的中高压锅炉，当负荷变化时， “虚假水位”可达 mm。 “虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉的气压和蒸发量的变化 的大小有关，而与给水流量无关4。 3.1.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性 汽包水位在燃料量扰动下的响应曲线如图 3-1-3 所示，当燃料量增加时，锅炉 的吸热量增加，蒸发强度增大。如果气轮机侧的用汽量不加调节，则随着汽包压力的 7 增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工 质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于 燃烧率的增加也将气量缓慢增加，故虚假水位现象要比扰动下缓和得多5。 B 图 3-1-3 汽包水位在燃烧率扰动下的阶跃响应曲线 3.2 锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择 3.2.1 单冲量水位控制系统 单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号 经变送器送到水位调节器，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，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位 控制系统中最简单最基本的一种形式6。 图 3-2-1 单冲量水位控制系统 8 如图 3-2-1 所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制结构 简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合 下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。 然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。 这是由于：负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，负荷增大时 反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态 品质很差。负荷变化时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变 化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程 时间常数很小，偏差必然相当显著。 3.2.2 双冲量水位控制系统 双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为 前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。如图 3-2-2，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸 汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于 “虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就 向正确的方向动作。因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。 图 3-2-2 双冲量控制系统 双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控 制任务。在给水流量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。 双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面的扰动， 当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行器进行调节，滞 后时间长，水位波动较大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压 差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制。 9 3.2.3 三冲量水位控制系统 三冲量控制系统，以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流 量为反馈控制信号组成的控制系统。三冲量水位控制系统组成原理图如图 3-2-3。 图 3-2-3 三冲量控制系统 现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水 量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在很短的时间内就会 发生危险水位；如果仅是给水量和蒸汽量不相适应，也可能在几分钟呢出现缺水和满 水事故，这样对汽包水位要求就更高了。三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水 流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向 正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向 动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时， 调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开 大给水阀门，使给水流量保持不变。 3.2.4 三冲量模糊水位控制系统 由常规控制理论的局限性和模糊控制理论的特点可以看出，对于存在精确数学模 型的自动控制系统，常规控制理论发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。 但在实际系统中，工业生产过程是极其复杂的，无法得到描述这些过程的数学模型， 尽管通过各种测试手段及数据处理方法获得数学模型，但也很难得到确切描述这些过 程的传递函数或状态方程。这样常规控制理论就无法胜任，必须寻求新的控制理论来 取代常规控制理论进行控制。 三冲量系统可以克服“虚假液位”引起的反向动作，并且可以克服给水流量信号 变化而引起调节器动作做不及时而引起的水位波动。但是各种参数又存在不同程度的 10 时变性，且过程具有非线性，强耦合的特点，特别是蒸汽负荷变化对水位的影响，当 蒸汽负荷增加和减小时，汽包水位在蒸汽作用下的动态特性不一致，这样很难确定三 冲量控制系统中蒸汽前馈系统的精确数学模型，这就使得三冲量控制系统的控制规律 很难找到，即使找到控制规律也很难作的精确。这样想采用三冲量水位控制系统来实 现锅炉水位的自动控制而又达到规定的工艺要求异常困难。 对于大型锅炉，汽包的容量相对较小，则对锅炉汽包水位的要求更高，汽包水位 就必须实现全自动控制才能满足。因而，汽包水位控制就采用比较复杂而投资比较大 的控制系统。对于中小型锅炉，汽包的容量相对较大，则对汽包水位的控制要求就没 那么高，又由于常规三冲量控制系统很难实现汽包水位的自动控制，所以中小型锅炉 允许适当的采用手动控制。这样对于中小型锅炉就可以考虑用模糊控制系统来取代常 规的三冲量 PID 控制系统。 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和 模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把 人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种 方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象 进行有效的控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来 得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的 数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。 3.2.5 汽包水位控制系统方案的选择 通过以上方案的比较，常规的三冲量控制系统中，由于“虚假液位”的原因使得 蒸汽负荷上升和下降时的动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变性，不能求出准 确的数学模型，也就不能设计出准确的前馈控制器，能实现静态前馈，但对动态性能 控制不好。考虑到模糊控制器的设计不需要知道该过程的数学模型以及它的其他特点 都适合于这种水位控制，所以选择了汽包水位模糊控制系统。 11 4 4锅炉汽包水位模糊控制系统的设计锅炉汽包水位模糊控制系统的设计 图 4-1 汽包锅炉水位模糊控制系统的结构图 设计一个模糊控制器以实现语言控制，必须解决以下称为模糊控制器结构的 3 方 面问题： （1） 精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集； （2） 模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模 糊控制规则决定的模糊关系； (3)输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量的转化。 4.1 主回路模糊控制器的设计 4.1.1 确定模糊控制器的结构及输入、输出语言变量 根据控制对象汽包及控制精度，模糊控制器的结构选为二输入单输出结构，输入 语言变量选为汽包液位偏差 e 和偏差变化率 ec，e=AV-SV，AV 为液位测量值，SV 为 液位设定值。这样就为该汽包液位控制系统选定了一个双输入单输出的模糊控制器。 输入和输出模糊集合的隶属函数选为三角形的7。 4.1.2 确定各变量的隶属度函数和赋值表 工业锅炉在正常运行时，偏差变化范围为-50cm，+50cm，所以，设偏差 e 的基 本论域为-50cm，+50cm，选定 E E 的离散论域 X X 为-6，-5，-4，-3，-2，- 1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6。则得偏差 e 的量化因子 ke=6/50=3/25=0.12，为语 言变量选取 7 个语言值：PB，PM，PS，Z，NS，NM 和 NB。 12 确定偏差 e 的基本论域在离散域 X X 上的隶属函数 (x) 如下： 图 4-1-2 偏差 e 的隶属函数 根据上面隶属函数建立语言变量 E 的赋值表如下： 表表 4-1-2 语言变量语言变量 E 的赋值表的赋值表 设偏差变化率 ec 的基本论域为-15，+15，选定 EC 的离散论域 Y=-6，-5，- 4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，得偏差变化率 ec 的量化因子 kec=6/15=0.4。为语言变量 EC 选取 PB，PM，PS，Z，NS，NM 和 NB 共 7 个语言值。 确定偏差 ec 的基本论域在离散域 Y Y 上的隶属函数 (y) 如下： 图 4-1-3 偏差 ec 的隶属函数 13 建立偏差变化率 ec 的语言变量 EC 的赋值表： 表 4-1-3 语言变量 EC 的赋值表 设控制量变化 的基本论域为-10，+10，选定 U 的离散论域为 Z=-6，-5，- 4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，则得控制量变化 的量化因子 ku=6/10=0.6。同样，为语言变量 U 选取 PB，PM，PS，Z，NS，NM 和 NB 共 7 个语言值。 确定出控制量 U 的隶属函数，再建立语言变量 U 赋值表如下： 图 4-1-4 控制量 u 的隶属函数 表 4-1-4 语言变量 U 赋值表 14 4.1.3 模糊控制规则的确定 对于双输入单输出模糊控制器，规则选用“if e and ec then u”的形式8。根据 控制经验，列出控制规则表如下： 表 4-1-5 控制规则表 4.1.4 模糊控制响应表的生成 模糊控制器在线计算推理模糊关系时，需要耗费大量时间，占用大量内存。而工 业锅炉在运行时，需要提高安全性，就必须对控制系统的实时性有较高的要求。所以， 离线算出模糊控制表，通过查询方式找到控制量。 要算出模糊控制响应表，必须选择一种模糊推理算法。当模糊控制器采用查表法 实现时，用来离线设计查询表，当模糊控制器采用软件推理法实现时，用来在线进行 模糊推理。该模糊控制系统采用 Mamdani 模糊推理算法。对求得的输出模糊集合用加 权平均法解模糊，得到精确量，即模糊控制响应表。 当输入偏差 E=-6，EC=3 时，根据隶属函数，查得对应两条规则： if E=NB and EC=PS then U=PM if E=NB and EC=PM then U=Z 应用 Mamdani 模糊推理算法如下图 4-1-5： 4-1-5 Mamdani 模糊推理算法 应用重心法（加权平均法）解模糊，得到控制器输出的精确量。同理，应用上述 算法算出 169 个离散点的输出。以下不再赘述。现将最后算出的模糊控制响应表列出 如下表 4-1-6 -6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6 E U U EC 15 -65554444400000 -55554444400000 -45554444400000 -35554444-3-3-3-3-3-3 -2555444000-4-4-4-4 -15554444-4-4-4-4-4-4 05554444-4-4-4-4-4-4 +14444000-4-4-4-4-4-4 +24440000-4-5-5-5-5-5 +3333000-4-4-5-5-5-5-5 +40000-2-2-4-4-5-5-5-5-5 +50000-2-2-4-4-5-5-5-5-5 +60000-2-2-4-4-5-5-5-5-5 4.24.2 模糊动态前馈控制器的设计 该模糊控制器是解决锅炉汽包控制系统在运行时，蒸汽负荷变化对汽包造成虚假 液位问题的主要控制器。原始的 PID 控制系统不能实现动态前馈，且静态前馈控制效 果也不尽如人意。而模糊控制不需要了解蒸汽负荷变化时，汽包的外扰特性，即数学 模型，且鲁棒性好，对于非线性和参数时变系统有较好的控制能力9。所以前馈控制器 采用模糊控制器。 在图 4-1 中，模糊动态前馈控制器采用单输入单输出结构，输入变量为：正常工 况下蒸汽母管流量与扰动后蒸汽母管流量之差 e，输出语言变量为阀门开度变化量 u， 模糊动态前馈控制器的设计步骤如下： （1）输入变量 e、输出变量 u 的论域均取为-4 4，输入变量 e 的语言值取为 PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB，输出变量 e、输出变量 u 的语言值的隶属函数都选择 三角形的隶属度函数。 （2）此控制器仍是离线算出控制表，通过查询方式找到对应的控制量。应用 Mamdani 模糊推理算法，加权平均法解模糊。 （3）规则选用“if e then u”的形式。 控制规则表如表 4-2 所示： ENBMNNSZPSPMPB UPBPMPSZNSNMNB 16 4.34.3 PID 控制的设计 4.3.1PID 控制的基本公式 PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)的缩写，PID控制器是目前应用最为广泛的闭环 控制器。标准PID的控制值与偏差(实际值与设定值之差)、偏差对时间的积分、偏差对 时间的微分，三者之和成正比。模拟量PID控制器的输出表达式为 0 ( )1 ( ) ( )( ) t D p i T de t u tKe te t dtM Tdt ,式中为控制值 为偏差值，为比例( )u t( )e t p K 系数，为积分常数， D T为微分常数，M为积分部分的初始值。 i T 4.3.2 PID 的参数设置 P 增益： 设定范围：0.0110.0 倍 这是操作量和偏差之间有比例关系的动作。增益取大时，响应快，但过大将产生 振荡。增益取小时，响应迟后。实际中本设计取 0.5。 积分时间： 设定范围：0.13600s 操作量（输出频率）的变化速度和偏差成比例关系的动作，即输出按偏差积分的 动作。积分时间大时，响应迟后，另外，对外部扰动的控制能力变差。积分时间小时， 响应速度快，但过小将产生振荡10。实际中本设计取 50s。 5. PLC 选型及资源分配 5.1 PLC 电气图和 I/O 分配表 17 图 5-1 PLC I/0 口分配图 根据上述关于 PLC 控制系统的基本单元输入和输出信号统计，制定 I/O 分配表， 具体对应关系如下表 5-1 所示。模拟量模块输入地址分配表如表 5-2 所示。 表 5-1 PLC I/O 分配表 输入信号 输入点编号输入点名称输入点编号输入点编号 X0 系统启动按钮 X3 最高水位 X1 停止按钮 X4 最危险水位 X2 最低水位 X5 警铃消声 输出信号 输出点编号输出点名称输出点编号输出点名称 Y0 工作指示灯 Y2 警铃控制器 Y1 水泵接触器 Y3 报警灯控制器 表 5-2 模拟量模块输入地址分配表 通道 1应力式涡街流量传感器 通道 2应力式涡街流量传感器 通道 3浮球式液位开关传感器 通道 4关闭 18 5.2 PLC 选型 根据系统的 I/O 点数，并考虑富裕量及今后系统的扩展升级和工艺控制等问题， 本系统设计采用三菱公司的 FX2N-16MR 型作为主机，FX2N-48MR 型是三菱公司的典型产 品，具有功能强大，处理速度快、容量大等优点，属于高性能小型机，系统 I/O 总点 数为 16 点，输入、输出均为 8 点，配置扩展单元后可增加 I/O 点数。 5.3 传感器选型 各传感器主要用于水位、蒸汽流量、给水流量等测量。 (1) 应力式涡街流量传感器: 一种既可以测蒸汽、气体又可以测液体的传感器 流速: 气（汽）体：3 m/s 90 m/s 液体： 0.27 m/s 9 m/s (2)连杆浮球式液位开关(IL-140-2):一种基于自重原理工作的液位开关。当浮球 受液体浮力作用而随液位上升时，浮球向上移动后压缩弹簧，并快速启动微型开关， 输出相应触点。 5.4 特殊模块功能 系统同时配有 FX2N-4AD 特殊功能模块作为模拟量控制的输入接口。其中 FX2N-4AD 模拟量输入模块接到 FX2N-16MR 基本单元的最近位置，模块编号为 0，CH1，CH2，CH3 通道分别与应力式涡街流量传感器、应力式涡街流量传感器、连杆浮球式液位开关。 6.控制系统程序设计 6.1 编程软件 编程软件采用三菱公司为其生产的 PLC 开发的编程软件 SWOPC-FXGP/WIN- CVERSINON2.11。 6.2 控制系统流程图 6.2.1 控制系统总流程图设计 19 图 6-2-1 控制系统总流程图 6.2.2 模糊控制流程图 图 6-2-2 模糊控制流程图 6.2.3PID 控制流程图 20 图 6-2-3 PID 流程图 6.2.4 动态前馈流程图 图 6-2-4 动态前馈流程图 6.3 系统的程序设计 21 6.3.1 水位控制 当输入起动的指令时(X0= 1) , 辅助继电器 Y0 被激励, 给出系统运行指示(Y0= 1) , 并且工作指示灯亮。为锅炉水位双位控制。当水位到最低位(X2= 1) , 辅助继电 器 M 0 被激励(M 0= 1) , 同时给水泵电动机起动运行(Y1= 1)。当水位到最高位(X3= 1) , 水泵电动机停止; 当水位到最低位(X2= 1) 时重复上述过程, 实现锅炉水位双位 控制。当双位式控制失灵, 锅炉内水位低至过低限后(X4= 1) , 辅助继电器 M 1 被激 励(M 1= 1) 实现声光报警, 警铃声音应报警(Y2= 1) , 答后(X5= 1) 消音; 报警灯仍 以 1s (T1、T2) 为周期闪烁, 直至故障消除11。具体梯形图如 6-3-1。 图 6-3-1 6.3.2 模糊控制算法的 PLC 实现 首先将模糊化过程的量化因子、存入 PLC 的保持继电器中，然后利用 e k ec k u k A/D 模块将输入量采集到 PLC 的