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锅炉汽包水位的智能控制研究 摘要 锅炉是多数工业过程中常用的热能动力设备，工业锅炉控制系统是复杂的控 制系统。由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好的工 况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。为确保安全，稳定生产，对锅炉的 自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水 位调节过程具有非线性、不稳定性、时滞性等特点，对锅炉汽包水位的控制提 出了更高的要求。 本文以丰华热力公司的3 5 t h 工业链条锅炉为背景，以m a t l a b 为仿真软件， 详细分析了锅炉汽包水位系统和它的动态特性并给出了锅炉汽包水位控制系统 的设计方案，同时还研究了锅炉汽包水位控制系统中智能控制算法的仿真。 锅炉汽包水位控制系统的设计方案主要有三种，即单冲量、双冲量、三冲量： 前两种方案有系统结构简单，成本低，不能有效的控制“虚假水位 现象等特 点；与前两种方案相比，最后一种方案有系统结构复杂，成本高但能抑制“虚 假水位现象，控制效果好等特点。本文采用了三冲量汽包水位控制系统方案 的基础上提出了智能控制算法，并较为系统地分析了p i d 控制、模糊控制和模 糊神经网络算法基本原理、理论和实现，并且在串级三冲量汽包水位控制系统 中做了三种控制算法的s i m u l i n k 仿真，最后对以上三种控制算法做了比较。 关键词：锅炉汽包水位，串级三冲量，模糊神经网络，s i m u l i n k 仿真 内蒙古人学硕i j 学位论文 r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o lf o r b o i l e r sd r u m ，a l t e r l e v e l a b s t r a c t b o i l e ri st h e r m a lp o w e rp l a n tu s u a l l yu s e di nm o s ti n d u s t r i a lp r o c e s s e sa n d i n d u s t r i a lb o i l e r sc o n t r o ls y s t e mi sac o m p l e xc o n t r o ls y s t e m b e c a u s eo fs c a t t e r e d e q u i p m e n t ，p o o rm a n a g e m e n to rt e c h n i c a lr e a s o n ，i ti sd i f f i c u l tt ow o r ki ng o o d c o n d i t i o nf o rt h e m a j o r i t y o fb o i l e r sa n di n c r e a s e dt h e i rf u e l c o n s u m p t i o na n d r e d u c e dt h ew o r ke f f i c i e n c y i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o lb o i l e ra u t o m a t i c a l l yi n s a f e t ya n ds t a b i l i z a t i o n ，a n db o i l e r sd r u mw a t e r - l e v e li sa ni m p o r t a n tv a r i a b l et ob e c o n t r o l l e d b o i l e r sw a t e ra d j u s t i n gp r o c e s sh a sn o n l i n e a r i t y , i n s t a b i l i t ya n dd e l a y c h a r a c t e r s ，s oi tm a k e sh i g h e rd e m a n df o rb o i l e r sd r u mw a t e r l e v e lc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , a n a l y s e st h eb o i l e r sd r u mw a t e r l e v e ls y s t e ma n di t sd y n a m i c c h a r a c t e ra n dd e s i g n st h em o d e lo fb o i l e r sd r u mw a t e r - l e v e lc o n t r o ls y s t e mw i t ht h e s i m u l a t i o n s o f t w a r e o fm a t l a ba c c o r d i n gt o3 5 t hi n d u s t r i a lc h a i nb o i l e ro ft h e f e n g h u ap o w e rc o m p a n y ，a n ds i m u l t a n e o u s l yr e s e a r c h e ss i m u l a t i o no fi n t e l l i g e n t c o n t r o la l g o r i t h mf o rt h eb o i l e r sd r u mw a t e r - l e v e lc o n t r o ls y s t e m d e s i g n i n gm o d e l so fb o i l e rd r u mw a t e r - l e v e lc o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e s i l 内蒙古人学硕i ：学位论文 s i n g l e i m p u l s e ，d o u b l e i m p u l s ea n dt h r e e i m p u l s e ：t w of o r m e rm o d e l so fw h i c h h a v et h ef e a t u r e so fs i m p l i c i t ya n dl o w c o s t ，b u tc a nn o tc o n t r o lf a l s e - w a t e r l e v e l ；l a s t m o d e lo fw h i c hh a st h ef e a t u r e so fc o m p l e x i t ya n dh i g h c o s tc o m p a r e dw i t ht h et w o f o r m e rm o d e l s ，b u tc a nc o n t r o lf a l s e - w a t e r - l e v e la n dc a nr e a c hg o o de f f e c t i v ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , r a i s e st h ei n t e l l i g e n ta l g o r i t h mb a s e do nt h em o d e lo ft h r e e - i m p u l s e b o i l e r sd r u mw a t e r - l e v e lc o n t r o ls y s t e ma n da n a l y s e st h ep r i n c i p l e ，t h e o r ya n d r e a l i z a t i o no ft h ea l g o r i t h m so fp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n df u z z y n e u r a lc o n t r o l s y s t e m a t i c a l l y ；s i m u l a t e st h e s ea l g o r i t h m si nc a s c a d et h r e e i m p u l s eb o i l e r sd r u m w a t e r l e v e lc o n t r o ls y s t e mw i t hs i m u l i n k ；f i n a l l y , c o m p a r e sa b o v et h r e ea l g o r i t h m s k e y w o r d s ：b o i l e r sd r u mw a t e r - l e v e l ，c a s c a d et h r e e - i m p u l s e ，f u z z y - n e u r a l n e t w o r k ，s i m u l i n k i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得凼鏊直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：盘丛指导教师签名： 日期：兰咝：三：堑日期： 在学期间研究成果使用承诺书 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，即：内蒙古大学有权 将学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘， 允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：渔坚 日期：兰! ：! ：三型 指导教师签名：缄 日 内蒙古人学顾j ：学位论义 第一章引言 1 1 工业锅炉系统概述 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高 压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、 干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂 动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉 设备的控制系统就显得愈加重要 1 。工业锅炉的管理水平、运行水平和自动化水平大都很低， 就其设备来说，数量大、耗煤高、设备陈旧、热效率远远没有达到锅炉制造厂家的设计指标， 但也不能否认，以上现象与工业锅炉缺少必要的检测、控制手段等有关。可见，加速工业锅 炉的技术改造，迅速提高其自动控制水平是刻不容缓的任务。 一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成： 1 ) 汽包：由上下锅筒和三组沸水管组成。水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动， 并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。 2 ) 炉膛：是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。 3 1 过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件。 4 ) 省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。 5 ) 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的换 热器件。 锅炉设备是一个复杂的控制对象，是多输入，多输出多回路，非线性的输入输出变量之 间相互关联的对象。主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出变 量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气( 烟气含氧量) 等。这些输 入变量与输出变量之间相互关联。 锅炉的主要调节任务是：汽包中水位保持在一定范围内；锅炉供应的蒸汽量适应负荷变 化的需要或保持给定的负荷；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内；过热器蒸 汽温度保持在一定范围内；保持锅炉燃烧的经济性和安全性；炉膛负压保持在一定范围内。 锅炉控制中的调节任务之一是锅炉汽包水位的控制，也是难点之一。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 塑鍪吏叁兰竺! ：兰丝堡塞 包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。在锅炉控制系统中，汽 包水位的控制是最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任务是，使锅炉给水量始终跟着 蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的 多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下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式蒸汽流量和给水流 量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中 产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象， 此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控 制在规定的范围内。 在锅炉生产过程中，汽包水位控制常采用的方式有：单冲量控制、双冲量控制、三冲量 控制等。它们常采用p i d 控制算法。通过分析发现，单冲量和双冲量控制系统结构简单廉价， 系统的可靠性不高，控制效果差，不能避免“虚假水位 现象；三冲量控制系统控制效果好， 可靠性高，能有效的避免“虚假水位”现象。可见，“虚假水位”现象的存在给水位控制带来 了困难和挑战。本文所采用的是串级三冲量汽包水位控制系统。 1 2 智能控制算法的现状及研究 模糊控制和神经网络作为经典的智能控制算法，在面对不同的控制领域都有着很强的优 势。但同时，它们都存在着自身无法解决的问题。融合它们各自的优点，甚至与现代控制相 集成，是现在研究的热点。模糊逻辑推理具备处理模糊语言信息的能力，可模拟人类智慧进 行判断和决策，但是模糊逻辑推理不具备学习功能。人工神经网络恰恰相反，它具有并行计 算、分布式信息存储、容错能力强以及具备自适应学习功能等的一系列优点，但不能处理和 描述模糊信息。模糊系统和人工神经网络求解机理具有许多相似之处。例如，它们均可看成 是一种输入输出的非线性映射关系；模糊关系矩阵与人工神经网络的联接权矩阵具有一定的 对应关系。神经元输出的非线性映射变换与模糊系统的隶属函数具有相似性。因此将二者结 合起来，构成模糊神经网络( f u z z yn e u r a ln e t w o r k ) 2 。 随着模糊逻辑与神经网络技术研究的不断深入，在工业控制与民用电子产品中采用模糊 逻辑、神经网络和单片机结合的智能型产品正得到迅速的发展。产生这类智能型产品的核心 问题是：如何建立模糊逻辑的控制规则和隶属函数，这一工作过去主要依靠人们的经验来立， 而在建立规则和隶属函数之后，还要检查是否符合系统的性能要求。如果不符，还要通过试 探法对规则和隶属函数逐步进行调整，直到满足系统的性能要求为止，这一工作往往需要很 2 内蒙古人学坝i j 学位论义 长时间的摸索才能完成。为此，日本、美国、德国等许多大公司都与模糊逻辑专业公司合作， 致力于各种集成电路和控制器开发工具等的开发与推广工作。如美国国家半导体公司的新软 件n e n f u z 4 、日本n e c 公司的模糊推理软件、m o t o r o l a 公司与a p t r o n i x 合作推出的f i d e ( f u z z y i n t e r f a c ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 、美国i n f o r ms o f t w a r e 公司推出的f u z z yt e c h 3 0 等。这 些开发工具的主要作用是帮助开发人员完成模糊控制规则和隶属函数的选取和优化。国内由 清华大学研制出了基于w i n d o w s 的模糊神经网络控制器的自动生成系统，亦称为模糊神经网 络开发系统( f u z z yn e u r a ln e t w o r kd e v e l o p m e n ts y s t e m f n n d s ) 。这个软件可直接应用于 i n t e l 公司的微处理器，简单修改后可应用于其它微处理器。f n n d s 可使用户根据需要对 模糊逻辑控制器的各个组成部件进行修改，它的最终目的是形成一个开放的学习算法库。这 种特性使f n n d s 可充当研究模糊神经网络理论与方法的仿真平台 3 。 综合目前的研究情况来看，已具有较强自学习能力的神经网络与具有较强知识表达能力 的模糊推理构成的模糊神经网络的系统结构与框架、参数学习、在线学习、增强学习、数据 的分析与聚类等仍然是研究核心。锅炉汽包水位控制系统中模糊神经网络作为一种先进的现 代智能控制方法，实现工业锅炉汽包水位的智能控制。 1 3 课题来源 本课题来源于内蒙古丰华热力公司，内蒙古大学负责计算机控制系统的设计与实现。设 计依据主要为“3 5 t l l 蒸汽锅炉配电、自控仪表修改方案书 ，主要技术指标为： 保证锅炉汽包维持在1 5 3 5 m m 范围内稳定运行； 保证锅炉实现经济燃烧，运行过程中不出现冒黑烟现象； 维持蒸汽压力在1 2 1 3 m p a ，且蒸汽压力波动0 1 p a ，保证蒙牛集团的用汽需求，并且 在运行过程中，炉排调节平缓，防止炉链因突然加速而断裂。 1 4 本文的主要工作 本文以工业锅炉控制为背景，主要以其中的汽包水位控制系统为对象，研究了三种控制 算法并用m a t l a b 工具作了仿真并且对三种控制算法的结果作了比较，主要作了以下工作： 1 对锅炉汽包水位控制系统做了详细的分析，并提出了单冲量、双冲量、三冲量等三种 控制方案，对三种方案作比较后得出了适合于本项目设计要求的控制方案； 2 引入了三种汽包水位控制系统的控制算法，即：p i d 控制、模糊控制和模糊神经网络 内蒙古人学坝i ：学位论文 控制算法；并对三种算法做了深入的分析，设计出p i d 控制器，模糊控制器，模糊神经网络 控制器； 3 引进m a t l a b 仿真工具，用s i m u l i n k 建立仿真系统模型，选定以上三种控制算法， 进行仿真，最后对它们进行了对比分析。 4 内蒙古人学顾l ：学位论文 第二章锅炉汽包水位特性分析及控制方案 2 1 汽包水位系统介绍 锅炉汽水系统结构如图2 - 1 所示 4 。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是 以被调量水位表征的，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。 过熟器 图2 1 锅炉汽水系统结构 f i g 2 - 1b o i l e r ss t e a ma n dw a t e rs y s t e ms t r u c t u r e 锅炉汽水系统流程如图2 2 所示。汽水系统由省煤器、汽包、对流管束、水冷壁、过热器 等组成。给水系统由储水箱、给水泵、给水管路、省煤器等组成。经过软化的水进入储水箱 ( 有热力除氧系统，软化水经除氧后进入储水箱) ，由给水泵通过给水管打入省煤器后，经加 热温度升高到汽包工作压力下的沸点，成为饱和水进入汽包，然后又经下降管进入炉膛四周 的水冷壁，在此吸收炉膛中的热量汽化后又回到汽包。供汽系统由过热器、减温器、集汽包、 供汽管路等组成。由锅炉汽包引出的饱和蒸汽，通过过热器把整齐的温度提高一定程度，由 减温器温度控制所需温度，再由蒸汽管道送之用户。 汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定范围内变化。汽包水位是锅炉运行 中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保 持汽机和锅炉安全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工 作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会使过 热器温度产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性；汽包水位过低，则可能使锅 内蒙古人学硕，l ：学位论文 炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。 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： 1 ) 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 1 锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，是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，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性 更不宜满足控制系统的要求。 由此可见，随着锅炉的超大容量、高参数发展，给水系统采用自动控制是必不可少的， 它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。本文先介绍了汽水系统结构原 理的基础上再分析了汽水系统的动态特性。 图2 - 2 锅炉的汽水系统流程示意图 f i g 2 2b o i l e r ss t e a ma n dw a t e rs y s t e mf l o wd i a g r a m 2 2 汽包水位的动态特性分析 锅炉汽包水位不仅受到锅炉的给水流量( 输入量) 和蒸汽流量( 输出量) 之间平衡关系 的影响，同时还受到汽水循环管路中汽水混合物内汽水体积变化的影响。因为水位h 不仅反 6 堕茎壹叁兰! 塑：! ：兰丝笙塞 映了汽包( 包括水循环的管路) 中的蓄水体积，也反映了水面下汽泡的体积，而水面下汽泡 的体积又与锅炉的负荷及蒸汽压力有关。综合来看，影响锅炉汽包水位变化的因素有以下四 个主要方面： 1 ) 给水扰动，包括给水母管压力的变化和给水调节阀开度的变化； 2 ) 蒸汽负荷的变化； 3 ) 蒸汽压力的变化； 4 ) 燃料量的变化，包括影响燃料发热量变化的其它因素。 在蒸汽发生过程中，汽包内部容积可以看成由蒸发面( 即水面) 上方的蒸汽体积v d 、蒸 发面下方的汽包体积v s 和汽包内水的体积v w 三部分组成。由于燃料量对汽包水位的影响 有较大的传输滞后和容量滞后，变化十分缓慢，可以忽略不计；而蒸汽压力的变化往往是由 于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可以归并到蒸汽负荷中去。这样，压力的变化对 汽包水位的影响也可以忽略。 汽包水位调节对象的动态特性方程式，通过理论推导和化简后可写成 6 ： i t 百d 2 h + 王票- ( t w 鲁+ k w u w ) 一( t d 等+ k d u v ) ( 2 - 1 ) 式中，t w ：给水流量项的时间常数；t d ：蒸汽流量项的时间常数；k d ，k w ：分别为蒸 汽流量和给水流量的放大系数；u w ，u d ：分别为给水流量和蒸汽流量的标值；t a ，t 2 ：水位 的时间常数。 在蒸汽负荷不变而给水流量变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为： 王t i d 2 h + 王等一t w 等+ k w u w ( 2 2 ) 对上式进行拉普拉斯变换，可得： 王t 2 s 2 h ( s ) + t l s h ( s ) = t w s u w ( s ) + k w u w ( s ) ( 2 3 ) 于是，我们得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数： g r s ) ；旦盟：旦兰鉴型 ( 2 4 ) u w ( s )i s ( t 2 s + 1 ) 对于中压( 蒸汽压力 1 。 根据式( 2 1 3 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 可得： i f , 蕊w m a x 一础尚( 2 - 1 7 ) 些。口监( 2 1 8 ) i fw 二孙 1 3 内蒙古人学硕l j 学位论文 根掘静态前馈全补偿要求： a i f = c a i f 所以： c ：盟；塑业 a i fw m 。 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 图2 1 0 单级三冲量控制系统框图 f i g 2 - 1 0s i n g l e s t a g et h r e e i m p u l s ec o n t r o ls y s t e md i a g r a m 单级三冲量控制系统框图如图2 1 0 所示：三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。当 负荷( 蒸汽流量) 突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即 当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位引起的反向误动作。如给水 流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。另 外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使 用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调节过量，减少水位波动，防止失控。 从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量w 、给 水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。 蒸汽流量d 及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控制质量， 且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。 单级三冲量控制系统原理如图2 1 1 所示，其中g c ：调节器；w ：给水流量；d ：蒸汽流 量；g d ( s ) ：蒸汽流量扰动下水位变化的传递函数；g w ( s ) ：给水流量扰动下水位变化的传递函 数；) ，h ， ，d ， ，w ：水位、蒸汽流量、给水流量变送器的比例系数；口d ，口w ：蒸汽和给水 流量的灵敏度：k v ：调节器的比例系数。 1 4 内蒙古人学硕l 二学位论文 在单级三冲量给水控制系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号，都送到调 节器，静态时候这三个信号与水位给定值的信号相平衡。 v d - v w + v h - h 0 或h o - v h = v d v w 即在静态时如果使送入调节器的蒸汽流量信号与给水流量信号相等，则水位信号就等于 给定值信号：v d = v w ，汽包水位将稳定在给定值。如果静态时v d v w ，则汽包水位稳定 值将不等于给定值。一般情况下选择静态时v d = v w ，因而使控制过程结束后汽包水位保持 给定的数值。 图2 1 1 单级三冲量控制系统原理框图 f i g 2 - 1 1s i n g l e s t a g et h r e e i m p u l s ec o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好， 能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位 现象。与 单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。 随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互 关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求。为此，需要在单回路的基础上，采取其 它措施，组成复杂控制系统，下面引入三冲量串级控制系统。如图2 1 2 和图2 1 3 所示的三 冲量串级控制系统框图和原理框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号 去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量 信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时， 蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大， 从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流 量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出相应的调整。 1 5 内蒙古人学硕l 学位论文 图2 1 2 串级三冲量控制系统框图 f i g 2 - 1 2c a s c a d et h r e e - i m p u l s ec o n t r o ls y s t e md i a g r a m 图2 1 3 串级三冲量控制系统原理框图 f i g 2 1 3c a s c a d et h r e e - i m p u l s ec o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 2 3 4 锅炉汽包水位控制方案的比较 通过以上分析可以看出，控制系统越简单，系统所需的成本越低，控制效果越差。控制 系统越复杂，系统所需的成本越高，控制效果越好。三种控制系统的综合比较如下表所示： 表2 - 1 三种控制系统的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no ft h r e ec o n t r o ls y s t e m s 控制系统控制效果成本投入适应的环境虚假水位现象常用算法 负荷波动不大，控 单冲量较差 较低不能控制 p i d 制效果要求不高 负荷波动大，但给 双冲量较好较高能控制 p l d 水压力比较稳定 三冲量最好最高任意工况的系统能控制p i d 内蒙古人学硕i ：学位论文 第三章锅炉汽包水位的控制算法研究 3 1p i d 控制算法研究 p i d 控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一。许多年以来，在生产过程 的自动控制领域中，p i d 控制按照偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、和微分( d ) 进行控制的是历 史最久，生命力最强的基本控制方式。由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工 业过程并取得了良好的控制效果。 p i d 控制有以下几个优点： 1 ) 原理简单，使用方便，易于实现； 2 ) 适应性强，广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸建材等各种生产部门； 3 ) 鲁棒性强，稳态无静差，控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。 3 1 1 模拟p i d 算法 在模拟控制系统中，常规p i d 控制系统原理框图如图3 1 所示，系统由模拟p i d 控制器 和被控对象组成 1 3 。 图3 - 1p i d 控制系统框图 f i g 3 - 1p i dc o n t r o ls y s t e md i a g r a m p i d 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r ( t ) 与被控量输出值c ( t ) 构成的控制偏 差e ( t ) = r ( t ) c ( t ) ，将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被 控对象进行控制，故称p i d 控制器，其控制规律为： u ( t ) = k p 【e ( t ) + 缸e ( t ) d i + t d 掣】 ( 3 - 1 ) 式中：k ，为比例系数；i 为积分时间常数；t d 为微分时间常数。 1 7 内象古人学帧i ：学位论义 或写成传递函数的形式： g ( s ) = 器- - - - k p ( 1 + 瓦1 + t d s ) ( 3 - 2 ) 简单的说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 ) 比例环节：比例系数l ( p 增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度。 但过大会产生较大超调，导致系统不稳定；取得过小，可减少系统的超调量，使系统的稳定 裕度增大，但会降低系统的调节精度。 劲积分环节：积分作用的强弱取决于积分时间常数t i ，t i 越大积分作用越弱，反之则越 强。积分环节用于消除系统的静态误差。加大积分系数，有利于减小系统静差，但过强的积 分作用会使系统的超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数虽然有利于系统的稳定，避免 系统产生振荡，减小系统的超调量，但对消除系统的静差是不利的。 3 ) 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，微分环节的作用在于改善系统的动态特性， 其主要是在响应过程中抑制偏差向任何地方的变化，并能在偏差信号变得太大之前，在系统 中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的调节速度，减少调节时间。但l ( d 过大，则 会使响应过程提早制动，从而延长调节时间。 3 1 2 数字p i d 算法 在计算机控制系统中采用的是数字p i d 算法，这就需要将模拟连续系统进行离散化。通 常的计算机p i d 控制算法有两种：位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法 1 7 。 ( 1 ) 位置式p i d 控制算法 按模拟p i d 控制算法，以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以矩阵法数值积分近 似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即： d e ( t ) e ( k ) 一e ( k - 1 ) 一_ 一 d tt ( 3 3 ) 式中t 为采样周期，k 为采样序号，e ( k ) 和e ( k 一1 ) 分别为第k 和第( k 1 ) 时刻所得的偏 差信号。 可得位置式离散p i d 表达式为： 1 8 内蒙古人学顾i ：学位论文 u ( k ) = k p e ( k ) + k ；善e ( j ) + k a ( e ( k ) 一e ( k 一1 ) ) ( 2 ) 增量式p i d 控制算法 ( 3 - 4 ) 当执行机构需要的是控制量的增量时，应采用增量式p i d 控制。根据递推原理可得： u ( k - 1 ) = k p e ( k - 1 ) + k ；e ( j ) + k a ( e ( k - 1 ) 一e ( k 一2 ) ) 写成增量的形式则为： a u ( k ) = k p ( e ( k ) 一e ( k 一1 ) ) + k i e ( k ) + k d ( e ( k ) 一2 e ( k - 1 ) + e ( k - 2 ) ) 3 1 3 常用p i d 参数整定方法 ( 3 5 ) ( 3 6 ) p i d 控制器中，l 【p ，k i ，l 【d 三个参数的不同组合，直接决定控制器的控制效果。为了得到 更好的控制效果，使被控对象工作在较好的状态，必须对其参数进行有效的整定。下面归纳 介绍了两类较为经典的、常用的参数整定方法。 ( 1 ) z n 经验公式法 。 从对象的开环响应曲线来看，大多数工业过程都能用一阶惯性环节加纯滞后模型来近似 描述。其传递函数为 g ( s ) = 去e 一 ( 3 - 7 ) 其中k ，t ，t 分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。 对于典型p i d 控制器的传递函数如( 3 2 ) 式，得到z i e g l e r - n i c h o l s 经验公式( 简记z n 经验公式) 为： ( 2 ) z n 临界比例度法 1 9 4 2 年，z i e g l e r 和n i c h o l s 提出了临界比例度法，这是一种非常著名的控制器参数整定 方法，曾在工程上得到广泛的应用 1 8 。同z n 经验法不同，该法不依赖于对象的数学模型 参数，而是总结了前人理论和实践的经验，通过实验由经验公式得到控制器的最优整定参数。 它用来确定被控对象的动态特性的参数有两个，临界增益k 和临界振荡周期t u 。 1 9 讶一h 打 l 暑 皇 辟亿 内蒙古人学帧i j 学位论文 临界比例度法是在闭环的情况下，将p i d 控制器的积分和微分作用先去掉，仅留f 比例 作用，然后在系统中加入一个扰动，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益 砩，重做实验，如果系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小岛。实验的最终目的，是要 使闭环系统做临界等幅周期振荡，此时的比例增益k ，就被称为临界增益，记为k ；而此时 系统的振荡周期被称为临界振荡周期，记为t u 。临界比例度法就是利用k 和t u ，由经验公 式求出p 、p l 和p i d 这三种控制器的参数整定值。表3 - 1 就是z n 临界比例度法参数整定经 验公式 1 3 。 表3 - 1z - n 临界比例度法参数整定公式 t a b l e3 - 1z - nc r i t i c a ls c a l em e t h o dp a r a m e t e ro p t i m i z ef o r m u l a p i d 控制器参数 砩 t it d p 型控制器0 5 k u p i 型控制器0 4 5 k0 8 3 t u p i d 型控制器 0 6k u 0 5 t u 0 1 2 5 1 , 3 1 4 串级p i d 控制 1 串级p i d 控制原理 随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数问相互 关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。 为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，也称多回路系统。串级 控制就是其中之一。串级控制是改善控制系统品质的有效方法之一，在工业过程控制中应用 很广泛。串级控制系统如图3 2 所示。串级系统在结构上形成两个闭环。串级系统的计算顺 序是先主环后副环。副环在控制过程中起着“粗调”作用，主环用来完成“细调”的任务， 以最终保证被调量满足工艺要求。串级控制系统具有较好的控制性能，原因主要是：对二次 干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条 件的变化有一定自适应能力。 2 串级控制系统的参数整定 串级控制系统从主回路来看是一个定值控制系统，对主变量有较高的质量要求，其控制 质量指标与单回路定值控制系统是一样的。从副回路看，是一个随动控制系统，对副变量的 控制质量一般要求不高，只要能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。因此串级控制系 统两个回路参数的整定根据各自的作用和对主、副变量的要求确定主、副控制器的参数。在 2 0 内蒙古人学坝j j 学位论文 工程实践中，串级控制系统的主要整定方法有：逐步逼近法、两步整定法 2 9 。 ( 1 ) 逐步逼近法的具体步骤：首先整定副回路，此时断开主回路，按单回路控制系统整定 方法确定副回路参数，记第一次整定值 w c 2 】1 ；然后整定主回路，此时，主副回路都闭合， 把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按单回路控制整定方法，确定主控制器的 整定参数，记为【w c l 】l ；再次整定副回路，此时，主回路闭合，主副控制器整定参数为【w c l 】1 及【w c 2 】2 。至此，完成一个逼近循环。若控制质量达到要求，主副控制器的整定参数分别取 【w c l 】1 和【w c 2 】2 。若控制质量仍不能达要求，继续整定求取【w c l 】2 ，循环进行直至达到要求。 ( 2 ) 两步整定法具体步骤：先整定副回路，此时，主、副回路均闭合，主、副控制器都置 于纯比例作用的条件下，先将主控制器的比例带放在1 0 0 处，按单回路控制系统整定副回路， 逐渐降低副控制器的比例带，得到副变量在4 ：1 递减比下的副控制器的比例带d 2 s 和副变量振 荡周期t 2 。；然后整定主回路，主、副回路仍闭合，将副控制器的比例带置于d 2 。值上，将副 回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，即逐渐降低主控制器的比例带， 得到主变量4 ：1 递减比下的主控制器比例带d 1 。和主变量振荡周期t l 。：按上面得到的值，结 合控制器的选型，利用z n 临界比例度法参数整定计算公式( 表3 - 1 ) ，分别计算主、副控制 器的整定参数值：比例带d 、积分时间t i 、微分时间t d ；先副后主，先比例次积分后微分的 顺序，将计算出的参数值设置到相应的控制器上。 主参数 二次扰动一次扰 图3 - 2 串级p i d 控制系统框图 f i g 3 - 2c a s c a d ep i dc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 2 1 内蒙古人学顾l ：学位论义 3 2 模糊控制算法研究 3 2 1 模糊控制器 1 模糊控制的特点 模糊控制是以模糊数学理论为基础的一门控制学科，它反映了人们在对被控过程中进行 调节时，不断将观察到的过程输出的精确量转化为模糊量，通过人脑的思维和逻辑推理取得 模糊判决后，再将所得到的模糊量转变成精确量，来模拟手动控制的整个过程。模糊控制在 控制过程中概括来讲，具有以下几个特点 2 7 3 2 ： 1 ) 它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，适合于非线性系统的控制。 2 ) 它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验 知识来设计模糊控制器完成控制任务。 3 ) 它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感。 4 ) 算法简单，执行快，容易实现。 2 模糊控制器组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数 字控制系统，其框图如下图3 3 所示： 图3 3 模糊控制系统 f i g 3 - 3f u z z yc o n t r o ls y s t e m 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模 糊控制器结构形式，其组成框图如图3 4 所示。这类系统的误差e 和误差变化率e c 为输入 语句变量，因此它具有常规p d 或p i 控制器的作用。 内蒙古人学硕i ：学位论义 图3 _ 4 模糊控制器的组成框图 f i g 3 _ 4f u z z yc o n t r o l l e rs t r u c t u r ed i a g r a m 3 2 2 模糊控制器的具体实现 1 模糊化处理 将精确量( 数字量) 转换为模糊量的过程称为模糊化。经过计算机计算出来的控制变量 都为精确量，必须经过模糊量化处理，才能实现模糊控制算法。 本系统中的汽包水位e 、水位变化率e c 和控制输出量u 都为精确量，为了进行模糊控制 需要将它们的值转化为模糊论域上的模糊值。 设误差的基本论域为卜x 。，+ x 。】，误差变化率的基本论域为【一x 。，+ x 。】。 设误差变量所取的模糊子集的论域为 一万，一疗+ 1 ，0 ，n 一1 ，以) 误差变化量所取的模糊子集的论域为 - m ，一所! + 1 ，0 ，m 一1 ，m