（机械工程专业论文）一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究.pdf

一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究 中文摘要 锅炉给水加药系统，加药过程中给水量、水质、加药量、加药点位置、药剂浓度 等工艺参数的变化，都会对给水加药控制系统产生影响。因此，锅炉加药系统是一个 典型的时滞控制系统，控制策略和控制器对其优化控制十分重要。 多年来国内外相关专家针对锅炉给水加药系统的控制策略和控制器控制问题进 行了大量的研究，取得了一系列成果，如微分先行、s m i t h 预估以及p i d 控制等控制方 法被应用到锅炉给水加药系统中。但是，这些先进的控制方法，在中、小型锅炉给水 加药控制应用中，由于锅炉给水加药控制系统具有大滞后、非线性、时变的特证，因 此在系统控制参数调整过程追求最优控制会导致锅炉给水加药控制过程调节时间长、 药剂用量大、生产效率低等问题。 本文针对锅炉给水加药控制系统存在的问题，通过对国内外锅炉加药系统控制方 法的研究，本着，智能、可靠、经济适用原则、提出了一种适合中、小锅炉给水加药 控制的模糊自适应控制策略和方法。对控制策略和模糊自适应p i d 控制器进行了较为 深入的研究探讨、研究设计了搿一种适用于中小锅炉加药系统智能控制器，在理论 研究的基础上对“智能控制器 进行了仿真实验研究。本论文共分六章，主要研究内 容如下： 第一章绪论本章是论文的总纲。该章先后介绍了课题来源及研究意义、国内 外锅炉给水加药系统控制方法研究现状，并指出了课题研究难点以及基本解决思路， 确立了本课题的主要研究内容和方向。 第二章锅炉加药系统控制方案设计本章首先通过对锅炉给水加药控制过程的 时滞型分析和现行锅炉给水加药系统( 微分先行、s m i t h 预估) 常规的控制方法的研 究，分析了这些控制方法的优缺点。针对中、小锅炉给水加药系统，提出了s m i t h 预 估优化控制、基于内模控制的p i d 控制和增量式p i d 控制三种方案。通过对三种方案的 比较分析，本着经济高效、稳定可靠的控制原则，最终确立了一种适用于中小锅炉加 药系统模糊自适应p i d 控制智能控制方案。 中文摘要一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 第三章控制策略设计在设计方案确立的基础上，通过对与本控制方法相关模 糊自适应p i d 控制等理论的学习研究，针对锅炉给水加药控制的要求，通过研究设计 了锅炉给水加药智能控制策略，为智能控制器的设计奠定了理论基础。 第四章模糊自适应控制器的设计本章根据锅炉给水加药智能控制要求，通过 对模糊规则、隶属度函数、模糊控制器以及智能控制策略等问题的研究，设计了一种 适合中、小锅炉给水加药的模糊自适应控制器。 第五章仿真研究为了更好的验证理论研究，本课题运用m a t l a b 对所研究设计 的中小锅炉加药系统智能控制器进行了仿真实验研究，先后对控制系统的阶跃响应、 惯性、系统延迟时间、静态增益、外部干扰等方面的分析研究，进一步验证了本课题 所设计的智能控制器先进性、可靠性和适用性，为该智能控制器的实际应用奠定了理 论和仿真实验基础。 第六章总结与展望本章先后对本课题研究的主要内容，创新点以及存在的问 题进行了回顾与总结，并对本课题今后研究的内容进行了展望。 本课题主要创新点： 。( 1 ) 针对中、小锅炉给水加药控制系统存在的问题，本文通过研究提出了一种 经济可靠的锅炉加药系统控制方法。 ( 2 ) 构建了适用于具有大滞后、非线性、时变特点的中小型锅炉给水加药系统 模糊自适应p i d 控制策略。 ( 3 ) 设计了一种适合中、小锅炉给水加药的模糊自适应控制器，并通过仿真实 验研究，为该智能控制器的实际应用奠定了理论与仿真实验基础。 关键词：时滞；锅炉加药；模糊自适应控制；m a t l a b 仿真 作者：钱华 指导老师：芮延年 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究英文摘要 t h es t u d yo ft h e i n t e l l i g e n tc o n t r o lo f c h e m i c a lf e e d i n g s y s t e ms u i t i n g f o rt h em e d i u ma n ds m a l ls i z e db o i l e r a b s t r a c t n ec h a n g eo fp r o c e s sp a r a m e t e r sd u r i n gt h ec h e m i c a l - f e e d i n gi nt h es y s t e m ，l i k et h e a m o u n ta n dq u a l i t yo fw a t e r , d o s a g e ，t i m e ，p o s i t i o na n dc o n c e n t r a t i o n , a l lw i i ll a yac e r t a i n i m p a c tu p o nt h es y s t e m c o n s e q u e n t l y , t h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h eb o i l e ri sa t y p i c a lt i m e - d e l a ys y s t e m ，i nw h i c h , t h ec o n t r o lt a c t i c sa n dc o n t r o l l e rp l a ya ne s s e n t i a lr o l e i nt h eo p t i m i z a t i o n o v e ry e a r so fr e s e a r c hi n t ot h ec o n t r o lt a c t i c sa n dc o n t r o l l e ro ft h es y s t e ma th o m e a n da b r o a d , al o to fa c h i e v e m e n t sh a v eb e e nd o n e ；l i k ed i f e r e n t i a l a nt e c e d e n c e ，s m i t h e v a l u a t i o n , a n dp i dc o n t r o le t c h o w e v e r ，b e c a u s eo fl a r g eh y s t e r e s i s ，t i m ec h a n g ea n d n o n el i n e a r i t ye x i s t i n gi n t h es y s t e m , t h ep u r s u i to ft h eo p t i m a lc o n t r o ld u r i n gt h ea d j u s to f t h ep a r a m e t e r si nc o n t r o ls y s t e m ，w i l ll e a dt ot h el o n gt i m e ，e x c e s s i v ed o s a g e ，a n dl o w e f f i c i e n c y i nt h eu g h to ft h e s ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h eb o i l e r , b a s e do l lt h ep r i n c i p l e so fi n t e l l i g e n c e ，r e l i a b i l i t ya n de c o n o m i c s ，t h i st h e s i so f f e r st h e f u z z ys e l fa d a p t a t i o nc o n t r o lt a c t i c sa n dm e t h o d so ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e ms u i t i n g f o rt h em e d i u ma n ds m a l ls 泣e db o i l e rt h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o lm e t h o d sb o 廿la t h o m ea n da b r o a d f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c hi n t o t h ec o n t r 0 1 t a c t i c sa n df u z z y s e l f - a d a p t a t i o nc o n t r o l l e ra l s oh a sb e e nd o n e ，s oi st h ed e s i g no ft h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r s u i t i n gf o rt h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h em e d i u ma n ds m a l ls i z e db o i l e r o nt h e b a s i so f t h et h e o r y , t h es i m u i a t i o nr e s e a r c ho f t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r h a sb e e na c h i e v e d 啊1 ew h o l et h e s i sh a sb e e nd i v i d e di n t os i xc h a p t e r ss h o w i n ga sf o l l o w c h a p t e rlp r e f a c e ；t h i sc h a p t e ro f f e r st h eg e n e r a li d e a ；i ti n t r o d u c e si no r d e r t h eo r i g i n o ft h i st o p i c ，t h es i g n i f i c a n c e ，a n dt h es t a t u sq u oo ft h er e s e a r c hi n t ot h ec h e m i c a lf e e d i n g s y s t e mo ft h eb o i l e r , p o i n t i n go u tt h ed i f f i c u l t yo ft h i sr e s e a r c ha n dt h eb a s i cs o l u t i o n s ， e n s u r i n gt h ec o n t e n ta n dt h ed i r e c t i o no ft h er e s e a r c h c h a p t e r2t h ec o n t r o ld e s i g n so ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h eb o i l e r ；f i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et i m e d e l a yt y p ed u r i n gt h ep r o c e s sa n dt h er e s e a r c ho ft h e c u r r e n t l yo r d i n a r yc o n t r o lm e t h o d si nt h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h eb o i l e r , a n a l y s i s o v e rt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o n t r o lm e t h o d sh a sb e e nd o n e a c c o r d i n gt o 1 1 1 英文摘要一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 t h es y s t e mo ft h em e d i u ma n ds m a l ls i z e db o i l e r , t h i st h e s i so f f e r st h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o l o ft h es m i t he v a l u a t i o n ，t h ep i dc o n t r o lb a s e do nt h ei n t e r n a lm o l dc o n t r o la n dt h e i n c r e m e n t a lq u a l i t yp i dc o n t r 0 1 t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h e s et h r e e m e t h o d s ，a n d s t i c k i n gt ot h ep r i n c i p l e so ft h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , t h ef u z z ys e l f a d a p t a t i o np i di n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e ms u i t i n gf o r 。t h em e d i u m a n ds m a l lb o i l e rf i n a l l yh a sb e e nc o n f i r m e d c h a p t e r3t h ed e s i g no ft h ec o n t r o lt a c t i c s ；b a s e do nt h ec o n f i r m a t i o no f t h ec o n t r o l m e t h o d s ，t h r o u g ht h er e s e a r c hi n t ot h ef u z z ys e l fa d a p t a t i o np h d c o n t r o lt h e o r ya n di nt h e l i g h to ft h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e m ；t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l t a c t i c so ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mh a v eb e e na c h i e v e d , w h i c hh a sl a i dat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r c h a p t e r4t h ed e s i g n o ft h e f u z z ys e l fa d a p t a t i o nc o n t r o l l e r ；a c c o r d i n g t ot h e i n t e l l i g e n tc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h eb o i l e r , t h r o u g ht h e r e s e a r c hi n t os o m em a t t e r sl i k et h ef u z z yr u l e s ，m e m b e r s h i pf u n c t i o n , f u z z yc o n t r o l l e ra n d i n t e l l i g e n tc o n t r o lt a c t i c s ，af u z z ys e l fa d a p t a t i o nc o n t r o l l e rs u i t i n gf o rc h e m i c a lf e e d i n g s y s t e mo f t h em e d i u m a n ds m a l ls i z e db o i l e r s ，h a sb e e nd e s i g n e d c h a p t e r5s i m u l a t i v er e s e a r c h ；t ob e t t e rv e r i f yt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h , m a t l a bh a s b e e np u ti n t ot h es i m u l a t i v er e s e a r c ho ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro fc h e m i c a lf e e d i n g s y s t e mo fm e d i u ma n ds m a l ls i z e db o i l e r s t h es t e pr e s p o n s e ，i n e r t i a , t h et i m eo fd e l a y , s t a t i cg a i n , a n de x t e r i o ri n t e r f e r e n c eh a v ea l s ob e e np u ti n t oa n a l y s i si no r d e r , f u r t h e r v e r i f y i n g t h ea d v a n c e m e n t , r e l i a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h ed e s i g n e di n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r , w h i c hh a sl a i dt h ef o u n d a t i o no ft h e o r ya n ds i m u l a t i v ee x p e r i m e n tf o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n c h a p t e r6s u m n l a l ta n dp r o s p e c t ；t h i sc h a p t e rh a sr e v i e w e da n ds u m m a r i z e dt h em a i n c o n t e n t , c r e a t i v i t ya n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ；i ta l s oe x p e c t ss om u c ho ft h ef u t u r er e s e a r c h o ft h i st o p i c c r e a t i v i t yo ft h i st o p i c ： 1 i nt h el i g h to ft h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e mo ft h em e d i u m a n ds m a l ls i z e db o i l e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o no f f e r sa ne c o n o m i c a la n dr e l i a b l ec o n t r o lm e t h o d t h r o u g hr e s e a r c h 2 1 1 l ef u z z ys e l fa d a p t a t i o np i dc o n t r o lt a c t i c so ft h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e i i l w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h em e d i u ma n ds m a l ls i z e db o i l e r sw h o s ec h a r a c t e r i s t i c sa r el a r g e i v 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究英文摘要 h y s t e r e s i s ，t i m ec h a n g ea n dn o n el i n e a d t y , h a sb e e ne s t a b l i s h e d 3 ak i n do ff u z z ys e l fa d a p t a t i o nc o n t r o l l e rs u i t i n gf o rt h ec h e m i c a lf e e d i n gs y s t e m o ft h em e d i u ma n ds m a l ls i z e db o i l e r s ，h a sb e e nd e s i g n e d , w h i c ht h r o u g ht h es i m u l a t i v e r e s e a r c h , h a sl a i dt h ef o u n d a t i o no ft h e o r ya n ds i m u l a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t t m e - d e l a y , c h e m i c a lf e e d i n go ft h eb o i l e r , f u z z ys e l fa d a p t a t i o nc o n t r o l ， 嘣n a bs i m u l a t i o n v w r i t t e n b yq i a n s u p e r v i s e db yr 缸y a n n i a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：趣华 e l 研究生签名：秘耸 i 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 这经： 日 期：童生2 丛：兰! 一 导师签名：高啦日 期：二鲨生型 一种适用于中小型锅炉加药系统智匏控科器的研究 第一章绪论 11 课题来源及研究意义 第一章绪论 锅炉作为提供动力的系统设备，被广泛地用于生产与生活中。对于工作压力和工 作温度高的锅炉来说，水质十分重要不良水质会使锅炉内受热的金属表面形成水垢， 发生金属腐蚀，影响蒸汽品质，所以通常锅炉给水要对水质进行加药处理。固此，锅 炉给水加药系统是锅炉系统设备的重要组成部分，常见的锅炉给水加药系统如图卜1 所示。 图卜l 崭炉给承加药系统 由圈卜1 可见进入加药搅拌器的水通过加药来调整水质，根据水质不同往往需要 投加2 种以上不同的药剂，在搅拌机的作用下，使承与药剂充分混合反应后流经过滤 器，再经水泵将水打入锅炉。在工作过程中，需要对补给水流量的变化、药液浓度的 变化及工质循环做功时p h 值的变化等参数进行自动监控，根据监控数据反馈控制药 剂的投放量和给水量，其实质就是根据监测量豹反馈来控制相关的周门开启量及电机 第一章绪论一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 运行状态。 上述锅炉给水加药系统可以看出，从加药点到锅炉给水系统具有时滞的特征，这 使得中小型锅炉给水加药系统的控制变得比较复杂，在实际生产中很难取得满意的控 制效果。虽然，目前电厂补给水处理系统的自动化技术比较完善，但是，锅炉给水系 统的水质监测、调节、控制的综合自动化过程进展较慢，尤其是一些中小型锅炉的加 药装置是通过人工加药对水质进行调节，这样的加药给水方式不能很好的对p h 值进行 控制，不但保证不了水质，浪费药剂，而且会对热力系统造成的电化学腐蚀，甚至导 致事故的发生。 综上所述可以看出，有由于锅炉加药过程具有不确定性、非线性、时滞性等特点， 要想获得精确的数学模型是十分困难的，因此，目前锅炉给水加药控制多为基于时滞 系统的控制。为提高加药控制系统的准确性、快速性和鲁棒性，研究设计开发一种适 应于中小型锅炉加药系统智能控制技术是具有很好现实意义的课题。 1 2 国内外研究现状 国内研究锅炉给水加药系统自动控制始于8 0 年代后期，进入9 0 年代后加药系统 自动控制技术的发展速度较快，研究的单位越来越多，如甘肃工业大学、甘肃省电 力公司和郑州大学【2 j 等单位都投入大量的人力物力进行研究，并取得了一系列成果。 他们的研究多为p i d 调节控制电机【3 1 ，这种调速方法虽然不复杂，但是由于被控对象 的延迟性以及系统干扰因素多，在实际应用中控制系统的稳定性及自我调节能力效 果不理想。 近年来，如武汉大学【3 】、北京科技大学的研究者将交流变频技术运用到火电厂 给水加药系统控制中，他们针对加药系统自身的特点，提出了一些新的控制策略， 如p i d 优化控制，模糊控制以及人工神经网络控制等，取得了较好的控制效果【4 7 1 。 但是关于对于中小型给水加药系统智能控制的研究报道不多。 从国外的一些文献报道情况来看，针对锅炉水质调节方面的报道主要体现在高 温高压电站锅炉方面，如文献【8 】中提到将模糊神经网络用于调峰机组的锅炉给水加 药系统中，取得了较好的控制效果。但是有关中小型给水加药系统智能控制的研究 报道较少。 纵观国内外锅炉给水加药系统控制方法可以归纳为：有基于模型控制和无模型控 2 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究第一章绪论 制两大类。 1 2 1 基于数学模型的控制方法 基于模型的锅炉给水加药系统控制方法有p i d 控制、s m i t h 预估计控制、大林 ( d a h l i n ) 控制算法：最优控制、自适应控制、预测控制i 鲁棒控制等。： ( 1 ) p i d 控制 p i d 控制是迄今为止在锅炉给水加药控制应用最广泛的一种方法。该方法的主要 优点是原理简单、通用性强、鲁棒性好，但是p i d 控制对于时滞较大的锅炉给水加药 系统的控制效果不理想。 ( 2 ) s m i t h 预估器【9 】 虽然s m i t h 预估器是比较适合大滞后系统控制的，但是s m i t h 预估器一是对控制对 象的模型要求较高，二是外部干扰对其影响较大，且系统的扰动响应较慢，所以也不 太适合锅炉给水加药系统的控制。 ( 3 ) 微分先行控制【1 0 】 在锅炉给水加药系统对控制要求一般的情况下，p i d 控制策略仍有它自己独特的 优点。但当系统对控制指标要求比较高时，基于p i d 控制策略之上的控制方法其控制 效果有所改进，这就是微分先行控制方法。 利用微分先行控制方法对锅炉给水加药系统控制是有益的，但微分作用也不能太 强，否则将会破坏系统的动态性能或者降低系统的动态品质；另外，在给定作用下， 微分先行缺少了个零点，所以微分先行系统的超调量较小，特别是当负荷扰动一样时， 微分先行控制方案还是比较可取的，但是微分先行是以牺牲上升响应时间来换取较小 的超调量的，并且系统的动态性能的改变不显著。 1 2 2 无模型的控制方法 无模型时滞系统控制方法有模糊控制、模糊神经网络、专家系统等。近年来，工 业过程时滞系统的控制方法也己经由传统控制转向智能控制，或者是二者的、结合的 方向发展。如武汉大学【3 】曾提出模糊神经网络控制在电厂自动加药系统中应用的一种 方案，但是，无模型的锅炉给水加药控制工程应用还处于研究探讨中。 随着科技的发展，锅炉给水加药的控制手段也要向自动化和智能化方向发展。特 别是中小型锅炉给水加药系统智能控制要求的呼声越来越高，用户迫切需要能有一种 第一章绪论一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 新型、经济、可靠的智能控制方法。基于上述原因，本课题拟对中小型锅炉加药系统 智能控制器开展研究，以期望能获得一种经济实用型智能型控制器。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 在时滞系统控制策略学习的基础上，通过对锅炉给水加药系统常规控制方法 的研究，针对中小锅炉给水加药控制系统存在的问题，构建一种中小型锅炉给水加药 系统智能控制方案； ( 2 ) 基于智能控制方案，构建种适用于具有大滞后、非线性、时变等特征的中 小型锅炉给水加药系统模糊自适应p i d 控制策略； ( 3 ) 基于模糊自适应p i d 控制策略，设计了一种适用于中小型锅炉给水加药系统 的模糊自适应p i d 智能控制器。 ( 4 ) 运用m a t l a b 软件对所设计的中小型锅炉给水加药智能控制器进行阶跃响应、 外部干扰等方面动态性能仿真实验研究。 1 4 本章小结 本章首先分析介绍了锅炉给水加药系统的工作过程及相关工艺，指出该系统具有 不确定性、非线性和时滞性等特点；然后对国内外锅炉给水加药系统常规的控制方法 和研究现状进行了简要介绍，并对锅炉给水加药系统基于模型和无模型两种控制方法 进行了概括总结；由于现行中小型锅炉给水加药系统控制方法大多对系统的数学模型 过于依赖，存在着系统动态性能不稳定、自适应性差等缺陷。随着科技的不断发展， 锅炉给水加药系统的控制手段有向自动化、智能化方向发展的必然趋势。针对以上情 况，本章在总结国内外锅炉给水加药系统控制方法的研究现状的基础上，提出了本课 题要研究的四项主要内容。 4 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究第二章锅炉加药系统控制方案设计 第二章锅炉加药系统控制方案设计 2 1 锅炉给水加药系统时滞性概述 在工业过程生产过程中，锅炉作为热力系统被广泛应用着，其给水加药系统对各 个工艺过程的工艺变量有着一定的控制要求。诸如给水量及药剂量等工艺变量直接表 征生产过程，对锅炉给水品质的数量和质量起着决定性的作用；有些工艺变量如响应 时间虽然不直接决定产品的数量和质量，然而保持其稳定是生产获得良好控制的前 提；又有些工艺变量如压力是决定能否安全生产的因素；另还有些工艺变量如p h 值直 接决定产品的质量。对于以上各种类型的变量，在锅炉给水生产中都必须加以必要的 控制。 在锅炉给水加药的过程中，由于加药点到锅炉给水需经过一些列的工艺环节，致 使从加药点到锅炉给水需要一定的输送时间后才能到达工艺设备，这一段时间就称为 纯滞后时间。由于过程通道中存在的纯滞后，使得被控量不能及时的反映系统所承受 的扰动。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间，被公认为较 难控制的过程，其控制难度将随滞后时间f 占整个过程动态时间参数比例的增加而增 加。另外，测量装置也会存在较大的纯滞后，这在成分分析仪表及质量仪表中较常见。 ? 这种纯滞后常可分为两大类：一类是取样脉冲导管较长而引起的纯滞后，这和上述传 输滞后相类似；另一类是测量系统中取样后进行分析处理和切换等待所造成的纯滞后 时间，这种纯滞后同样会使调节系统的动作不及时而造成调节质量的恶化。 锅炉给水加药是一个具有时滞特点的工业过程，为了对锅炉给水加药过程实施控 制，必须对控制对象进行全面的了解。通过研究加药控制过程现场的相关数据，参阅 其它一些较成熟的水汽运行资料和常规知识后得出锅炉给水加药系统的控制对象是 一个大滞后、非线性、时变对象。主要原因如下： 第一，热力系统的水汽分析是通过取样管将水汽引入取样架然后降温降压，再将 水样流经化学检测仪器或仪表进行检测，整个过程传输距离较长引起时间上的纯滞 后，称之为传输滞后； 第二，测量系统在取样后进行的分析处理和切换等待所造成的纯滞后时间，这种 第二章锅炉加药系统控制方案设计一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 纯滞后会使调节系统的动作不及时而造成调节质量的恶化，称之为测量滞后； 第三，水质调节是一个化学反应的过程，只有在加药后经过一定时间的混合与反 应后，所取的样品经分析测试后的值才具有准确性，而这个过程也造成较大的惯性和 滞后和非线性； 第四，在工艺过程中系统模型的参数是一个变数而非常数。如药液浓度发生变化， 对象特征也随着变化；系统的负荷发生变化时，会引起给水流量发生变化，使得控制 对象模型也将相应地改变。 具体来说，纯滞后环节就是当输入一个信号后，输出不能立即有所反应，而是经 过一定的时间后才反应出来，且输入和输出在数值上并无不同，仅是时间上有一段滞 后，而这段等待时间称为纯滞后时间或死时间，这里我们可以用f 来表示。例如在某 一水流控制系统中，如用y ( ，) 来表示输出，而用，( ，) 来表示输入，则有： y ( ，) = r ( t f ) ( 2 一1 ) 其中：r = l v ，表示管长，1 ，表示液体的流速。对式( 1 1 ) 两边同时取拉氏变换 可得： 】，o ) r ( j ) = g ( j ) = 口嵋 ( 2 2 ) 在控制系统中，常将调节系统概括为广义对象和工业调节器两个部分，广义对象 除工艺对象外，还包含测量变送器、一调节阀等。结合第二章的研究，此时的广义对 象可以近似为具有纯滞后的标准形式： g 咖器 ( 2 - 3 ) 或者是二阶系统： g ( j ) ：j 兰二一 ( 2 4 ) 、7 e s + 1 ) ( 疋s + 1 ) 足、丁和f 分别表示系统的增益、时当然在实际的锅炉给水加药系统中，系统的 阶次可能是三阶或者更高，但在系统的控制要求范围内，可以将高阶系统近似为如上 的两种标准形式，这两种数学模型虽能较好的描述控制对象，但是这只是工程上的近 似，若要获得精确的数学模型几乎不可能，它必定是一个高阶系统，且系统参数是随 时间、外部干扰等因素而变化的。 间常数及滞后时间。 6 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究第二章锅炉加药系统控制方案设计 虽然，锅炉给水加药系统控制采用常规的p i d 控制算法，可以取得一定的效果， 但却不能对系统进行精确控制，容易出现超调和欠调，甚至振荡现象。为了使控制系 统调节具有更好的快速性、稳定性和鲁棒性，在对锅炉自动加药系统传统控制方法学 习的基础上设计更优的加药系统控制方案十分必要，从而满足锅炉给水加药系统稳定 可靠、智能经济的控制要求。 2 2 纯滞后对系统控制质量的影响 在线性闭环控制系统【l l 】中，主要存在干扰通道、前向通道和反馈通道，而纯滞后 环节处在不同的位置对系统的影响也有很大不同。如所示的图2 1 中，g c ( s ) 是调节 器传递函数，g o ( s ) 是被控对象传递函数，日( s ) 是测量变送器传递函数，倪0 ) 是干 扰通道等效传递函数。由图2 - 1 可有下式： 塑：g 盟鱼盟 ( 2 5 ) r ( s )1 + g c ( s ) g o ( s ) 日( s ) 塑：鱼塑 ( 2 6 ) d ( s )1 + g 。( s ) g o ( s ) 日( j ) 由上面的表达式可知，系统在正常输入及干扰输入的情况下，系统的闭环特 征方程都是： 1 + q ( s ) g o ( s ) h c s ) = 0 ( 2 - 7 ) 从特征方程的形式中可以看出，只要瓯( d 、g d ( s ) 和日( j ) 中任一个含有纯滞后 环节都将使特征方程变为： 1 + g c ( s ) h ( s ) g o ( s ) e 一= 0 ( 2 8 ) 从上式也可看出，当前向通道和反馈通道中都含有纯滞后环节时，此时系统的闭 环特征方程所含有的总的纯滞后时间是两者之和，这时滞后时间变大；由于特征方程 中不含嘭( 占) 环节，所以干扰通道的滞后对特征方程是无影响的。 7 第二章锅炉加药系统控制方案设计一种适用子中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 图2 1 控制系统基本结构图 由于系统的特征方程决定了系统的动态特性及稳态特性，势必将影响系统的性 能，这是由于在简单的滞后环节g ( s ) = p 嵋中，从系统的频率特性可知： 舻( 埘i = l ( 2 - 9 ) i 么g ( j 彩) = 一彻 上式表明，滞后环节的幅相频特性是一个以坐标原点为中心，以1 为半径的圆。 从滞后环节的相频特性可以看出，滞后的相角与彩成正比，f 值愈大，所引起相位滞 后也愈大，这样也使得闭环响应对周期性扰动也更为敏感，从而使系统更接近稳定边 界，其具体表现在： ( 1 ) 交界频率降低：这意味着进入系统的即便是低频周期性扰动，闭环响应也将 更为灵敏。 ( 2 ) 临界增益降低：这就表示为了保证闭环响应的稳定，必须降低控制器的增益， 从而造成最大偏差加大，调节过程变慢。 所以，由于滞后环节的存在，为了使系统稳定，必须使开环系统的增益降低，但 这样又会导致被调参数的最大偏差增大，调解质量下降。特别是当滞后时间f 增加时， 由于当国专变化时，滞后相角将很快趋向于无穷大，这对于系统的稳定性是很不 利的。 另外，过程纯滞后对控制系统品质的影响不仅仅取决于滞后时间f 的大小，而且 还与过程惯性时间常数t 有关，工程中常用衫丁来衡量过程是否具有大滞后就是当r 很大时，f 稍大点也不要紧，尽管过渡过程慢一点，不过系统很容易稳定；反之，当 丁较小时，即使f 不大，影响却可能很大，系统很容易振荡；通常认为，当以0 5 8 一种适用于中小型锅炉加药系统智能控制器的研究第二章锅炉加药系统控制方案设计 时，应作为大时滞过程，应采用特殊的控制方法：当吖丁o 3 时，系统较易控制，可以采用常规方法来进行控制。 2 3 锅炉自动加药系统传统控制方法 2 3 1 微分先行控制算法 在当今工业生产的控制方案中，有很大一部分是采用p i d 或改进的p i d 控制。目前， 许多这类控制器通过采用微处理器，都转变成了数字型p i d 控制器。在我国大部分电 厂自动加药控制系统中，无论是串级控制还是反馈控制，最终还是通过p i d 控制器实 现的。p i d 控制器的价值在于它们对大多数控制系统的广泛适用性。众所周知，在过 程控制系统领域，基本的和变形的p i d 控制器已经被证明具有良好的适用性，它们可 以提供满意的控制；然而，p ! d 控制器不能对一些比较复杂的对象模型进行严格准确 的控制。例如在被控对象特性随时间有变化或变化较大时，用p i d 控制很难得到满意 的控制，从而导致控制系统性能会很差。因此，针对某些特定而又复杂的模型，当系 统对控制指标要求比较高时，探讨基于p i d 控制策略之上的控制方法其控制效果可能 会有所改进，这就是微分先行控制方法， l 、微分先行控制器构成 在经典的p i d 控制方案【1 2 】中，微分环节对系统的动态性能影响很大，它能很好的 阻止偏差的变化，有助于减少系统的超调量，克服震荡，使系统趋于稳定，但其对午 干扰比较敏感，不利于系统的鲁棒性。 图2 2 为一个比例积分p i 调节的时滞系统结构图，图中d ( s ) 为干扰环节，g 口( s ) 为 被控对象，设嘭( j ) 的形式为：g p ( 占) 2 西了i a 页p e 丽- ，由图2 1 可得到式2 1 一 h j ) k c ( 正s + 1 ) ( t d s + 1 ) g p ( j ) r ( s ) 正s + k c ( 互s + 1 ) ( 7 ：s + 1 ) g p ( s ) ( 2 一1 0 ) y ( s ) t , s g p ( s ) d ( s ) t , s + k c ( z s + 1 ) ( 乃s + 1 ) g p ( s ) 9 第二章锅炉加药系统控制方案设计一种适用子中小型锅炉加药系统智能控制器的研究中文摘要 d ( s ) 一珊匆一聃1 h 以s ，旧 图2 - 2 加入微分后的结构图 在比较理想的情况下，可以使乃= 瓦( 七= 1 , 2 ) ，此时被控对象将变为_ 阶惯性加 纯滞后的g p ( j ) ，时间常数为t u = 2 ，1 ) ，其形式如下： 五7d 一霉 g p , ( 沪( 乃州) q ( 沪斋 2 - 1 1 ) 从上式可以看出，通过合适的选择微分环节的时间常数，就可以使被控对象从原 来的二阶加纯滞后变成简单的一阶加纯滞后。此时只需要调节p i 环节中的k 。和z 就 能保证系统有一定的衰减度，从而改善系统的动态指标，如超调量、调节时间等，最 终保证系统的稳定性。 因此，适量