（船舶与海洋工程专业论文）大型油轮辅助锅炉水位控制策略及仿真研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工大学或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了谢意。 签名：f t 期：丝! ：兰：皇 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：名彳 导师( 捌：枷御日腑秒7 i， 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文的研究对象是大型油轮辅助锅炉的汽包水位。锅炉的主要功能是实现 能量转换。汽包水位的高低直接影响蒸汽的质量和锅炉的安全运行。因此对于 锅炉的汽包水位控制策略的研究是非常有必要的。 文章根据汽包水位的动态特征提出控制方案，给水流量和蒸汽流量是影响 汽包水位的主要因素。在分析了给水流量扰动和蒸汽流量扰动分别单独作用于 系统后，得到其动态特征方程。 在工程实践中运用广泛的p i d 控制方式本文也做了进一步学习，分析控制 规律，找出其优缺点。在智能控制方式规律的探讨下，对比模糊逻辑控制和神 经网络控制，扬长避短，总结出模糊神经网络控制规律。 最后在控制方式确定之下，在软件m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真。得出的结 论：在阶跃信号的作用下，蒸汽流量作为前馈信号、给水流量作为反馈信号的 系统中锅炉汽包水位可以得到很好的控制效果。 关键词：锅炉水位；控制策略；仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss t u d yi nal a r g et a n k e ra u x i l i a r yb o i l e rd r u ml e v e l t h em a i nf u n c t i o no f t h eb o i l e ri st oa c h i e v ee n e r g yc o n v e r s i o n d r u mw a t e rl e v e lw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e q u a l i t yo fs t e a ma n dt h es a f eo p e r a t i o no ft h eb o i l e r s of o rb o i l e rd r u ml e v e lc o n t r o l s t r a t e g yi sn e c e s s a r y a r t i c l eb a s e do nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd r u ml e v e lc o n t r o ls c h e m e p r o p o s e d ，w a t e rf l o wa n ds t e a mf l o wa r et h em a i nf a c t o r sa f f e c tt h ew a t e rl e v e l a n a l y s i so fw a t e rf l o wi nt h es t e a mf l o wd i s t u r b a n c ea n dt h er o l eo fd i s t u r b a n c ei n t h es y s t e ms e p a r a t e l y , w eg e tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n w i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e , t h ep i dc o n t r o la r t i c l ea l s om a k e sa f u r t h e rs t u d y , a n a l y s i so fc o n t r o ll a w s ，f i n do u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i n i n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h el a w , t h ec o m p a r i s o no ff u z z yl o g i cc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l ，w e a k n e s s e s ，s u m m a r i z e dt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ll a w f i n a l l y , u n d e rt h ec o n t r o li d e n t i f i e di nt h es o f t w a r em a t l a b | s i m u l i n kf o r s i m u l a t i o n c o n c l u s i o n ：t h er o l eo ft h es t e ps i g n a l ，t h es t e a mf l o wa saf e 圮d f o r w a r d s i g n a l ，w a t e rf l o wa st h ef e e d b a c ks i g n a li nt h eb o i l e r f e e dw a t e rs y s t e me a r lg e ta g o o dr e s u l t k e y w o r d s ：w a t e rl e v e l ；c o n t r o ls t r a t e g y ；s i m u l a t i o n n ，i ， r i j ， 一 。 p 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题提出的背景1 1 2 国内外的研究现状2 1 2 1 控制的发展现状2 1 2 1 仿真的发展现状3 1 3 本文的主要工作及方法3 第2 章船舶锅炉汽包水位的数学模型及传统控制5 2 1 影响水位变化的因素及基本控制：5 2 1 1 影响水位变化的因素5 2 1 2 基本控制6 2 2 汽包水位的动态特征1 0 2 2 1 汽包水位的动态特性1 0 2 2 2 汽包水位在给水流量作用下的动态特性1 0 2 2 3 在蒸汽流量作用下锅炉汽包水位的动态特性1 2 2 3 船舶锅炉汽包水位传统控制1 4 2 3 1p i d 控制原理1 4 2 3 2p i d 控制器的数学模型1 5 2 4 本章小结1 7 第3 章智能控制方式18 3 1 模糊逻辑控制1 8 3 1 1 模糊控制概况1 8 3 1 2 模糊逻辑控制的原理1 9 3 1 3 定义量与模糊化2 0 3 1 - 4 模糊逻辑控制的算法：2 4 3 1 5 模糊判决2 7 3 2 神经网络控制2 8 3 2 1 神经网络的原理及特征2 8 3 2 2 神经元的模型2 9 3 2 3 神经网络模型3 4 i i i _ j 镬 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 神经网络的算法3 5 3 3 1b p 网络算法3 5 3 3 2r b f 网络算法3 7 3 4 模糊神经网络3 8 3 4 1 模糊神经网络的特征3 9 3 5 本章小结3 9 第4 章仿真试验与分析4 0 4 1m a t l a b s i m u l i n k 软件简介4 0 4 2 仿真对比4 1 4 3 仿真分析4 5 4 4 仿真结论4 6 4 5 本章小结4 6 第5 章总结与展望4 7 5 1 总结4 7 5 2 展望4 7 参考文献4 8 致谢5 1 i v 武汉理工大学硕士学位论文 户 1 1 课题提出的背景 j 、 月 第1 章绪论 锅炉作为一种动力设备，在各种行业中都有运用。锅炉的汽包水位是一个 非常重要的被控变量，在大型油轮上，维持锅炉的汽包水位在一定可控范围内 直接关系锅炉的安全运行、影响船舶的航行。而经过长期的工程实践，测不准 的现象在锅炉汽包水位的测量中总存在，这其中锅炉汽包水位的“虚假水位 现象就是主因。 汽包水位和管路中蒸汽的储存量，是以被控制变量汽包水位来显示的，通 常情况下汽包水位的流出量是蒸汽流量，流入量是给水流量，当蒸汽流量与给 水流量相当时，汽包水位就保持大体上的不变。当主要扰动因素蒸汽流量发生 变化时锅炉内汽包水位发生相应的变化，表征出来是给水流量的变化。当蒸汽 流量陡然增大，此时锅炉内汽包水位压力将急剧变小，在锅炉内由于饱和水的 压力下降，压强变小，将加快饱和水蒸发使得饱和水中产生大量的汽包，从而 导致汽包水位的上升，但此时给水流量并没有增加。这就产生了锅炉的虚假水 位现象。由此可知，锅炉中的汽包水位并不能表征锅炉中真实水位的情况。 在现代工程科技的高速发展的同时，各个行业对锅炉的要求增大，锅炉的 蒸发量大、汽包容积小将会成为各行业的发展目标，在大型船舶上主辅锅炉的 负荷变化频繁，扰动因素多，这样就增加了对锅炉控制策略研究的必要。 传统经典理论控制是建立在被控对象的数学模型精确的基础之上。实际上， 大多数工况中被控对象常常具有非线性、时变性。这样就难以建立数学模型， 即使对于这些复杂的工况建立起数学模型，模型也往往过于复杂，模型也会存 在考虑不周，难以得到有效控制。智能控制在这中状况下应运而生。 智能控制是当前的热门课题，在人工智能、电子、自动化、计算机等领域 中受到广泛的关注。近年来，越来越多的专家已经意识到在传统的控制中加入 逻辑、推理等智能控制方式。随着计算机技术的发展，其具备的超强运算能力 给智能控制带来了方便，但是计算机解决感知、识别、评判、决策等复杂工况 的能力却远不如人。计算机缺乏向环境学习和适应的能力，而工程技术经验丰 富的工程师在建立智能控制系统中就起到不可或缺的作用。 大型油轮锅炉辅助有着复杂的多输入，多输出被控对象。很多现代控制理 论和经典理论的控制系统运用于锅炉汽包水位的控制。如逻辑控制、p i d 控制【l 】、 模糊控制【3 】【4 】1 5 1 【引、专家控制、神经网络控制等。各种控制策略有着不同的控制 a 、 、- 幅 武汉理工大学硕士学位论文 效果，于是通过软件对于各种控制策略的仿真试验【6 l 【7 1 是有必需的。 本文的目的是横向对比各种控制系统，并对照其仿真试验【2 1 1 6 j 【7 l 。基本消除 扰动对汽包水位的影响，提高蒸汽的质量和产量，对节约成本提高效率有积极 意义。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 控制的发展现状 大型油轮锅炉水位控制是一种典型的过程控制对象。在2 0 世纪5 0 年代以 后随着现代控制理论的提出而迅猛发展。 在6 0 年代以前，自动控制、电子、计算机等技术的发展不成熟，这段时期 的锅炉一般采用人工手动操作，需要工程人员有极其娴熟的工作经验。只用简 单的测量设备，测量设备仅仅起到读、显的功能，一般不与别的仪表和系统联 接。 随着自动化技术的发展，7 0 年代以后出现了一些船用锅炉自动化仪表，其 具有较高的可靠性，使锅炉的热效应有所提高，事故率有所下降。再加上其具 备易于操作、维护和成本低的优点，在很多工业控制领域广泛应用。但随着工 业生产的规模化、连续化发展，对自动控制技术的要求越来越高，采用单元组 合仪表对硬件的依赖程度较高，对于复杂的控制算法难以实现。 8 0 年代，随着电子技术的发展，集成度高的微型计算机、单片机等工业控 制计算机的出现为锅炉控制开辟了新的天地。但对于多变量、复杂的控制规律、 实时控制等仍然达不到好的控制效果，各个控制系统间的通讯不便于实现。硬 件的高度集成化对于修改控制方案也比较麻烦。 9 0 年代以后由于现代控制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统控 制理论难以解决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并取得了前 所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。各种形式的控制系统、智 能控制器不断地开发和利用。目前常用的有：智能控制1 9 1 、专家控制系统、仿 人工智能控制系统、模糊智能控制系统、自适应控制系统、神经网络的控制系 统等。除此之外还有综合了几种控制形式的混合式智能控制系统，如以模糊和 神经网络控制为基础的模糊神经网络控制系统。 2 佃 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 仿真的发展现状 在国内外的研究中，最早有记录的仿真实验要追溯到1 7 7 3 年，法国学者用 仿真方法做物理实验。进入2 0 世纪7 0 年代以来，计算机、电子技术的发展， 仿真试验在科研中所处的地位日益增高。 在航天工业领域中，我国已经建有先进的仿真系统，对各种运载火箭、飞 船、飞机等可以进行精密的仿真试验。在航天领域中的仿真试验，可以替代一 些十分昂贵的现场试验。在化工领域，从新的药品、工艺到成品的功用，无不 穿插着仿真试验。交通领域，研究各种交通工具的动态特征也一直运用到仿真 软件。 可以看出，正确的仿真试验能够节省开支，替代费力、风险巨大的试验， 并能达到预期的效果。建模与仿真从领域的覆盖面上差不多包括现代社会的各 个专业领域，而且各领域中设计阶段、试验阶段、运行阶段直到人员培训都需 要建立数学模型进行仿真研究和试验。 当前，船用仿真系统的研发工作主要集中在轮机模拟器和液货船操纵模拟 器上。其中轮机模拟器主要模拟主推进装置、集控室、等设备，即使其中附带 一部分锅炉仿真的内容，而其仿真建模简单，操作功能不完善，针对性不强， 尤其是对大型油轮锅炉系统建模与仿真仍然处于摸索阶段。同时，大型油轮的 锅炉系统是一个复杂、设备众多的能量转换系统，具有参数多、动态过程变化 大、各个系统的关联和制约因素多的特点。因此，对大型油船燃油锅炉系统进 行模块化建模与仿真研究是必要的。 1 3 本文的主要工作及方法 课题的研究对象是大型油轮辅助锅炉，所要控制的量是汽包水位。大型油 轮的锅炉是一个复杂的对象，具有非线性、不确定性、延迟、大容量、高参数 等问题，一般工程领域中锅炉的汽包水位仅仅采用简单的p i d 控制，有的甚至 仅仅只有p i 控制根本无法达到对大型油轮辅助锅炉良好的控制效果，对此可以 采用模糊控制、神经网络控制等方案来解决。通过对几种控制方式的对比及研 究，对于特定的工况进行选择，在特定的控制环境下，提出相应的控制策略， 有利于节省成本，提高效益。 方法之一 建立对象的数学模型，对传递函数进行分解。分析传统控制方法的优劣， 3 够 武汉理工大学硕士学位论文 对比各种现代智能控制方法。 方法之二 在软件m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真。使用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，根据 已经建立的数学模型搭建相应的仿真模型，然后进行实时计算机仿真，对仿真 结果进行分析。 4 、 _ 一 o - 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船舶锅炉汽包水位的数学模型及传统控制 2 1 影响水位变化的因素及基本控制 2 1 1 影响水位变化的因素 在大型油轮上，锅炉的汽包水位被控制在一定范围内是船舶安全航行的重 要指标。过高的汽包水位的原因是锅炉内压强小，饱和水的蒸发量变大而产生 大量的汽包。此时饱和蒸汽带水量也会相应增多、蒸汽和水混合、使得管路中 结垢、热效率将会下降、蒸汽中带水量过多使蒸汽的热效应降低，当汽包水位 过低时，汽包水量太少，此时如若负载变化较大，锅炉内的水将会很快的汽化， 当锅炉内的水汽化加快将会导致锅炉内壁的烧坏，如果得不到及时的控制会发 生锅炉爆炸等不可估量的事故。可以得出这样的结论：锅炉内汽包水位的高低 会直接影响蒸汽的质量和锅炉的安全。因此，对于汽包水位控制策略的研究是 很重要的，对于工程创新也具有积极的意义。 在大型船舶的航行中，各种扰动以及机械振动会对于给水流量和蒸汽流量 的测量带来难度，但是，当下工程领域锅炉的汽包水位控制策略研究仅仅考虑 到了给水流量和蒸汽流量的补偿问题，有时这些测量的难度带来的误差对控制 系统的影响是巨大的。所以随着对锅炉要求提高，必须同时考虑到汽包水位、 给水流量的测量误差以及蒸汽流量和锅炉内水位波动及机械振动，平稳的给水 控制系统、精确的汽包水位测量成为必然。所以，汽包水位的控制策略研究很 有必要。 。 对于这种“虚假水位”在船舶辅助锅炉中，常采用单冲量或双冲量水位控制 系统。而船用主锅炉，大多数采用双冲量，甚至是三冲量( 水位、蒸汽流量和 给水量作为调节器的输入量) 的给水调节。 在一般工程领域中，对于锅炉，当锅炉的容积很大时，锅炉内水量相对就 较小，此时锅炉的蓄水量也相应的很小，此时对锅炉内的汽包水位的控制要求 更高。在一般单冲量与双冲量控制系统中，对于给水流量的变化不能及时调节， 这时给水流量的扰动通过汽包水位的变化反映出来，然而延时就出现在这里， 延时会带来控制“错觉”。针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的 基础之上，又引进了给水流量的控制信号。这个三个输入信号同时控制锅炉内 5 、 _ ， 一 a 0 武汉理工大学硕士学位论文 的汽包水位：锅炉内汽包水位作为主信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量 作为反馈信号。o o 2 1 2 基本控制 一、单冲量控制系统： 以汽包水位作为单独的控制信号的系统是单冲量控制系统。汽包水位的测 量信号h 经过变送器送回水位调节器，在汽包水位的一定范围内h 。水位调节器 装置根据汽包水位的测量值偏差，通过调节器与调节阀装置来改变水量，得以 保证锅炉内的汽包水位稳定在允许偏差范围之类。锅炉单冲量汽包水位控制系 统原理由汽包水位、变送器、执行器及调节阀等组成。系统方框图如下图2 1 所示。 图2 1单冲量控制系统方框图 这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽泡内 的停留时间较长，。且负载和扰动比较少；系统相对稳定的情况。锅炉汽包水位 控制系统中“虚假水位”现象出现较少或者在一定范围内不严重，采用单冲量汽 包水位控制系统，进行一般的p i 调节就能满足锅炉对生产的要求。 但是，在很多工况复杂的场合，特别是锅炉内水停留时问较短，并且扰动 和负载变动较大的锅炉中，单冲量的锅炉汽包水位控制系统就完成不了工况要求。 在复杂的工况中单冲量锅炉汽包水位控制系统存在以下问题： ( 1 ) 当“虚假水位”产生时，扰动发生变化，将会导致调节器和调节阀反向 误操作。例如：当系统要求蒸汽负载陡然增加时，锅炉内压强变小，饱和水中 将会有更多的汽包而“虚假水位”，此时测量的信号只能反映水位上升，因此就 会降低给水流量，但此时如果要使“虚假水位”现象消除，必须加大给水流量。 反之亦然。这种控制方式将使水位波动较大，控制品质变差。因此对于“虚假 水位”来说单冲量锅炉汽包水位控制系统不足以控制。 ( 2 ) 当系统扰动及负载发生变化时，单冲量汽包水位控制系统动作缓慢。 6 _ - ， 一 i 叠 武汉理工大学硕士学位论文 单冲量控制系统对系统的扰动变化不灵敏。从负载变化到汽包水位变化有一定 的滞后，再由汽包水位到调节阀的动作又有一段时间的延时，再加上系统中各 个变化控制器的时间控制常数不定，此时系统的控制偏差由此产生，导致单冲 量锅炉汽包水位控制当系统的控制品质下降。 ( 3 ) 在系统中给水流量的扰动变化时，单冲量控制系统不能及时控制。当 给水流量出现扰动变化时，锅炉的汽包水位还没来得及发生变化，当汽包水位 发生变化后给水流量才能根据相应的变化产生变化，因为此时控制器才根据汽 包水位的测量值作出相应的动作。因此单冲量锅炉汽包水位控制系统对于给水 量变化产生的干扰不能及时克服。 对于以上问题，单冲量系统不能克服，此时引进蒸汽流量和给水流量的测 量控制信号，来控制给水流量的调节，形成了双冲量或三冲量的锅炉汽包水位 控制系统。 二、双冲量控制系统： 在锅炉汽包水位的控制系统中，最主要的扰动因素是负载的变化。双冲量 汽包水位控制系统中，锅炉内的汽包水位测量值作为主信号，管路中的蒸汽流 量值作为前馈信号，构成“前馈、反馈”控制系统。其原理图、方框图如下图2 2 、 2 3 所示。 图2 2 双冲量汽包水位控制系统图 上图中，输出加法器： i = c l i c c 2 l f i o 式中i r 一水位调节器； i ，一蒸汽流量调节阀( 开方器) 的输出： i n 初始值偏置； 7 蒸汽 武汉理工大学硕士学位论文 c ，、c ：一加法器的比例系数。 图2 3 双冲量锅炉汽包水位控制系统方框图 蒸汽流量信号值不仅可以补偿“虚假水位”所引起的反向误动作，并且能够 使的给水调节控制器的操作及时有效，因而使得“虚假水位”变得可控。但此时 前馈信号仅仅只是静态前馈信号，若要考虑到蒸汽流量和汽包水位两个信号值 处于动态时的差异，还需将动态补偿调节器的引进。 在对于一般系统中，在扰动及负载变化稍微频繁的工况下，双冲量锅炉汽 包水位控制系统能够有一定质量的完成汽包水位的控制。对于工况的判断选择 最优于当前工况的控制系统是有必要的，这里考虑到成本和效益的因素。 当然对于相对更加复杂的锅炉来说，双冲量锅炉汽包水位控制系统仍然是 不够的。一下是其存在的问题是： ( 1 ) 在给水流量扰动下双冲量控制系统不能直接进行补偿。系统中给水流 量发生变化时，仍然要等到锅炉- 内汽包水位变化韵信号值反馈到调节器时才能 进行动作进行调节，滞后性很长，此时锅炉以及管路内水位的波动很大。从而 造成给水管路调节阀前后压差变大； ( 2 ) 在对于静态补偿中，如果因为工况扰动变化急剧，调节阀的控制将不 会是线性的，此时静态补偿就很难实现。 综上两点所述，给水流量值作为信号引入，形成三冲量锅炉汽包水位控制 系统。 三、三冲量控制系统 三冲量锅炉汽包水位控制系统，是以锅炉内的汽包水位的测量值为主信号 h ，前馈信号是管路中蒸汽流量的测量值d ，反馈控制信号是给水控制阀中的 给水流量测量值w 。由“主、前馈、反馈”三组信号组成的锅炉水位控制系统， 称为三冲量锅炉汽包水位控制系统。 - e 武汉理工大学硕士学位论文 原理及方框图如下2 - 4 、2 - 5 所示： 汽 给 蒸汽 图2 - 4 三冲量锅炉汽包水位控制系统原理图 图2 5 三冲量锅炉汽包水位控制系统方框图 。 一 在系统中采用蒸汽流量测量值作为信号进行前馈控制，在三冲量锅炉汽包 水位控制系统中，当负载陡然变化时，此时反映到的是蒸汽流量的测量值发生 变化，蒸汽流量信号反映到调节器中，给水流量的调节阀作出相应的方向移动。 具体是：当蒸汽流量增加时，给水调节阀同方向移动，也加大，这是“虚假水位” 得以控制，避免了反方向的误动作。当锅炉内的压强变化时，给水流量发生变 化，调节器能迅速动作，消除锅炉内压强变化带来的干扰。如：当给水流量由 于锅炉内的压强减少，调节器会接收到根据给水流量变小的信号立即控制加大 大给水阀，从而确保给水流量保持在一定范围内。此时，给水流量值的测量信 号也充当调节器作出相应动作后的反馈信号，此时的给水流量值的测量信号能 提供给调节器，优化调节的效果，从而使水位的波动得到控制。这一点是三冲 量锅炉汽包水位控制系统明显优于单冲量和双冲量的。【】【1 z 】 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 汽包水位的动态特征 锅炉的汽包水位的扰动是各种参数共同作用的，分析汽包水位动态特征， 了解各个工况的运行情况。 定义物理量： 互正一时间常数； 巧一给水流量时间常数； 财一蒸汽流量时间常数； k w 一给水流量的放大系数； k d 一蒸汽流量的放大系数； 矗= 筹( - 稳定状态下的水位，一水位高度的变位) ； = 丢三( w 一给水流量的变化, d m x - 最大蒸汽负荷量) ； v d ：竽( a d 一蒸汽负载量) 。 d 嗽 7 2 2 1 汽包水位的动态特性。 、一。 引起水位变化的主要扰动因素是蒸汽流量、给水流量的变化。在主要扰动 因素下汽包水位动态特性方程式为： 五正争五瓦d k 娟警喁 ( t aa 讲f a + 尉肋 ( 2 - 1 ) 2 2 2 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， 如果蒸汽负载保持在恒定的一定范围不变，当在给水流量发生变化的时候，汽 包水位特征微分方程式为： 1 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 正正窘+ 正警= ld 讲v w + k w 拉普拉斯变换可得： t , t 2 s 2 日( s ) + 互鲫了( s ) = t w s v w ( s ) + k 矽( s ) 可得锅炉汽包水位在给水流量扰动作用下的传递函数： 2 器= 揣 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 巧可忽略不计，对于在给水流量增大时，在较长一段时问，汽包水位并不 增加，有一段延时。这时用以下的公式近似计算： 2 器2 意南 协5 ， 给水流量因素变动下的水位特征曲线如下图2 - 6 所示。 h 图2 - 6 给水扰动下的水位特征 在传递函数中可知，给水流量因素变动下的水位特征相当于一个积分和一 个惯性环节的串联，可用以下公式来表述： 2 器= 丽g 丽w = 丽k ( 2 - 6 ) g “驴器2 丽0 0 3 7 ( 2 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 在蒸汽流量作用下锅炉汽包水位的动态特性 蒸汽流量对锅炉汽包水位的影响是必须作为一个重要因素来考虑的，在给 水流量给定的情况下，锅炉的汽包水位在蒸汽流量变动下的动态特性。 从上一小节的公式可以导出： 互乏窘十五瓦d h - - ( 财百d v d + k d v d ) ( 2 - 8 ) 拉普拉斯变换： r , r s 2 日( s ) + t l s h ( s ) = 一乃s ( s ) + k d ( s ) ( 2 9 ) 可得其传递函数： 哪，= 器一茄舞 协 由传递函数可知在给水流量给定的情况下，两个动态环节变量可以并联来 等效： 唧，= 器一去+ 南 像 其中： k ? 半乃亍丢 略 管路中的蒸汽流量在时间t 。陡然增加凹扰动下，锅炉汽包水位阶跃反应曲 线如下图2 7 所示： 。 d 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 h h 2 人 七一 一 图2 7 汽包水位的阶跃反应曲线 此图可用传递函数进行描述： 唧，2 器一去+ 畚一号+ 畚协 岛为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度： 因给水流量给定 局为由于水面下汽包变化而引起汽包水位的变化倍数 五为由于水面下汽包变化而引起汽包水位变化的时间常数。 用切线法可传递函数： 文西二器二一半嵩( 2 j ，4 j 在锅炉工作过程中，当蒸汽流量负载变大时，汽包水位的平衡就打破，锅 炉内中蒸发流量多于给水流量，水位相应的下降。但在蒸汽流量与给水流量的 平衡被打破的初始阶段，在时间上水位下降有延迟，即在实际工况中，当蒸汽 负载增大，虽然锅炉的给水流量相对蒸汽流量来说要小，但出现水位不但不降， 反而陡升，这是由于锅炉内的压强小，汽包水位下的汽包迅速增加造成液面上 升。这就是“虚假液位”现象的产生。前文已经阐述，在此不赘述。造成“虚假液 位”的原因如下图2 8 ： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 加入 扰动 h 七 图2 8 “虚假液位”的原因 蒸汽流量负载增大，锅炉内的压强变小，锅炉炉水的沸点降低使饱和水的 汽化变快，这时汽包水位液面下将产生更多的汽包是液面升高，这是其一。当 锅炉的蒸汽管路中的负载突然增加时，炉内和管路内的汽水比例发生变化，对 于汽的容积变大，从而致使汽包水位上升。这是其二。这时“虚假液位”产生。 上图可知两个因素导致“虚假液位”的升高。 当管路内蒸汽流量的负载突然增加时，汽包水位不但不降反而升，并且往 往是先升后降。当管路内蒸汽流量的负载突然减小时，锅炉内的汽包水位变化 情况正好相反先降后升。 2 3 船舶锅炉汽包水位传统控制 对于一些对锅炉要求不高，蒸发量较小的的锅炉，允许水位和汽压在一定 范围内波动，可以采用简单可靠的单冲量和双冲量控制。对于蒸发量较大的锅 炉，要求水位和汽压相对稳定，一般采用控制精度更高的控制方式，譬如p i d 控制。 2 3 1p i d 控制原理1 6 l 1 1 2 l 在控制系统中，往往被控对象的参数会有一定惯性和时间上的滞后。在船 舶航行的过程中，负载的变化及其他扰动会对控制带来影响，造成系统参数的 变化，从而影响控制性能。 引入p i d 调节，因为在p i d 控制算法中，存在着比例、积分、微分三种控 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 制作用。 ( 1 ) 比例控制作用特点 当系统产生误差时，比例控制器立刻作用，控制器朝着减小误差的方向控 制对象，比例系数是控制器的控制作用强弱的指标。这种控制也有其弊端，当 被控对象具有自平衡能力时存在静差，所谓自平衡能力是指系统阶跃响应为一 确定有限值。对于比例系数的变化可减小其静差，增大比例系数可减小静差。 但过大的比例系数，会影响系统的动态性能，因为过大的比例系数会使超调量过大。 ( 2 ) 积分控制作用特点 能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作 用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态性能变坏，以至于导致闭 环系统不稳定。 ( 3 ) 微分控制作用特点 通过对系统调节误差进行微分，通过微分对误差进行分析，能很好判断出 系统调节误差的走势，如想加快系统响应动作可增大微分控制作用，可以使得 超调量变小。缺点同样是对系统的扰动非常敏感，使系统抗干扰能力下降，鲁 棒性差。一些实际工况中对于控制的灵敏度要求不高，变化缓慢的系统可以不 需要微分控制。 根据被控对象的不同，适当地调整p i d 参数，对于一般相对稳定的锅炉汽 包水位的控制可以获得相对满意的控制效果。因为其算法简单，参数调控方便， 并且有一定的控制精度，因此它已成为当前最为普遍采用的控制方法。 见如下p i d 控制方框图2 - 9 ： 图2 - 9p i d 控制系统原理图 2 3 2p i d 控制器的数学模型 在大型船舶的锅炉汽包水位控制中p i d 控制作为一种经典理论的控制策略 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 应用较广，因为其系统的建立简单，无需确定的精确系统模型。工程领域的控 制过程中到处都有p i d 控制理论的身影。 由于p i d 控制是线性控制，在p i d 控制器中对于控制对象的实际输出值和 给定值之间的偏差可按照比例、微分、积分来构成线性关系，从而对控制对象 进行控制。如下式 比) = ，o ) 一y ( t ) ( 2 1 5 ) 其中： ，( f 沩给定值； p o ) 为实际输出值。 被控对象的偏差由此式的线性关系组成被控量。 p i d 控制的控制规律及数学模型如下式： 妣比m 黔黔+ 宁 协 嘶) = 粥瑙旧1 母 其中。 ( f ) 为控制器的输出； p ( f ) 为控制器的输入； k 为控制器的比例系数；。 。 。 z 为积分时间常数； 乃为微分时间常数。 ( 1 ) 在比例过程中，比例系数的引进是为了有效的控制系统的偏差信号， 及时有效的使偏差信号往减小的方向变化，达到控制的作用。k 的取值可以反 映调节精度，上文已有表述。 表达式为：k e ( t ) ( 2 ) 在积分过程中，积分过程的引进是为了消除系统的静差。由上式可知 积分时间常数z 对积分过程是反比例影响的，时间常数z 的长短对系统控制过 程的会有影响，需要根据具体工况统筹好时间和控制过程稳定性。同时可知在 过程中当控制器输入的偏差值p o ) = 0 时积分值为常数，这是一种理想状态。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表达式为：参弘。胁 ( 3 ) 在微分过程中，微分过程的引进是为了了解系统信号偏差的变化速率， 更好的判断出系统调节误差的走势，加快系统的调节速度即灵敏度。微分时间 常数7 = f 大小来决定微分过程的强弱，与微分过程成正比例关系。 表达式为：k t a a e v d t 当然p i d 控制策略也有它的局限性和不足，在参数实时变化的系统中，p i d 控制策略的稳定性能比较差。因为p i d 控制只有在控制系统参数既定的情况下， 才能获得良好的控制效果。当一个参数调整既定的p i d 控制器应用到参数实时 变化的系统中时，系统的鲁棒性不好，甚至不稳定。另外，在对p i d 参数进行 整定的过程中，p i d 参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性 的最优值，因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。 2 4 本章小结 本章主要分析了锅炉汽包水位分别在给水流量和蒸汽流量等扰动变化情况 下的动态特性，并对锅炉给水系统的单冲量，双冲量，三冲量进行分析。 同时对船舶锅炉汽包水位传统控制即p i d 控制进行分析，从分析中找到p i d 控制的优缺点，在下文的智能控制方案中得到改进。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章智能控制方式 经典控制理论主要用来解决单变量系统的反馈控制，现代控制理论主要用 来解决多变量系统的优化控制。现代控制方式即“智能控制”包括“模糊逻辑控 制”、“神经网络控制”与“专家控制”是三种典型智能控制方式。 实际工况中往往是几种控制方式结合在一起，用于一个实际的智能控制系 统或装置，从而建立起混合的智能控制系统。 3 i 模糊逻辑控制 3 1 1 模糊控制概况 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 的简称 1 3 1 1 4 1 ，模糊控制是模拟人类的思维方式非线性的一种智能控制方式，以模糊的 集合论、语言变量和逻辑推理为基础的集合计算机技术的智能控制技术。1 9 6 5 年，美国的“模糊数学之父”l a z a d e h 提出了用模糊集合的思想来描述客观事件 发生的不确定性，为模糊逻辑控制理论的发展提供了理论基础。于1 9 7 3 年 l a z a d e h 论证出模糊逻辑控制的相关的定理和定义。从此模糊逻辑控制理论在 工业控制领域作为智能控制的一种方式应用相当广泛。在各种工业控制领域中， 传统的控制方式无法解决和达到的高度，运用模糊逻辑控制理论收到很好的效 果。 自从z a d e h 发展出模糊数学之后，对于不明确系统的控制有极大的贡献。当 然对于不明确的系统，其复杂性和不确定因素增多，这时计算机技术的发展给 研究不确定性系统带来了方便。自从上世纪七十年代以后，电子和计算机技术 的发展，一些相当实用的模糊系统控制器相继的投入使用，使模糊逻辑控制理 论在控制领域中又发展了一大步l ”l 。 模糊逻辑控制是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。模糊控制的一大 特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的基本思想 是利用计算机来模拟人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模 糊性的控制规则。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 模糊逻辑控制的原理 模糊逻辑控制的核心部分是对模糊控制器的设计，包括模糊化、建立模糊 规则、模糊推理、去模糊化等。模糊逻辑控制的控制过程由计算机程序辅助实现。 ( 一) 定义输入输出变量，即定义w 、c 、u 。 ( 二) 模糊化，即确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数。 ( 三) 建立模糊控制规则及算法，以及建立资料库和规则库。 ( 四) 模糊推理，常见的模糊推理方法：最大最小推理、最大乘积推理两 种，对于特定的工况视具体情况选择。 ( 五) 去模糊化，去模糊化有如下方法：隶属度法、中位数法、加权平均、 重心法、求和法和估值法等，同样也要根据具体的工况来选择，目的是将模糊 量经过上述方法转变成可供最后实施控制的精确量，通过上述方法转化成精确 量后对于相应的控制方式可更好的实施。 模糊控制策略是人类智能的模仿。模糊性是人类思维解决问题和客观事件 普遍存在的特定属性。模糊逻辑控制系统是模糊集合和信息的计算机处理技术 共同作用的产物，模糊逻辑控制系统的核心思维是要有效地利用计算机采样、 编译的模糊信号对复杂的控制对象进行模糊度量、识别、推理、学习、检索、 控制以及决策等，这一步骤中充分的模拟了人脑的思维方式，人脑思维的发散 性、模糊性得以充分的体现。当然这一系列步骤都在经验丰富的工程技术人员 的判断下完成。换言之，模糊系统是模拟人类思维、执行智能信息处理的有效 工具。 模糊控制的原理结构图如下图3 1 。 s e模糊u 模糊u被控 + 彳瞌幂 模糊化 _ 控制 推理 过程 区 算法 一l l 一 i 图3 1模糊控制系统原理结构图 图示为f u z z y 控制系统结构框图。其中f u z z y 控制器以误差e 和误差变化爸 双变量为输入，控制作用u 为单变量输出的双入单出f u z z y 控制器。常见的 f u z z y 控制器结构还有以误差输入e 和控制作用u 为输出的单入单出形式；以 误差e 、误差变化和误差变化速度三变量为输入，控制作用u 为单变量输出的 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 - - a 单出f u z z y 控制器；以及多变量输出f u z z y 控制器。应用中可依控制对象 的操作复杂性而确定不同的f u z z y 控制器结构。 3 1 3 定义量与模糊化 ( 1 ) 模糊控制的语言变量 语言变量在模糊逻辑控制中是相对于输入和输出变量来说的，因为是模拟 人类的思维模式，语言变量是以自然语言形式表述，与传统的数值形式给出的 变量不符，因此必须得把传统的数值形式给出的变量“模糊化”。这是设计模糊 逻辑控制器的首要条件。 在模糊逻辑控制器的设计中控制规则是根据人类的控制经验总结而来。在 模糊逻辑控制的实际操作中计算机通过测量得到被控对象指标的数据精确值， 这时将此数据与给定值相比得到一个误差信号，将此比值定义为e 。这是把数 据精确值进行模糊化，将得到误差信号e 的模糊变量用模糊语言来表述，可以 由此得出误差信号集合e 。这时，模糊逻辑控制器的输入语言变量取决于系统 误差e 的集合。 这种模糊控制的结构反映模糊控制器具有比例、微分( p d ) 控制规律，从 而有利于保证系统的稳定性，并可减少响应过程的超调量并削弱其振荡现象。 但也有取系统误差e 以及e 为输入语言变量的，这种结构则反映模糊控制器的 比例、积分( p i ) 控制规律。 ( 2 ) 量化因子与比例因子。 一 一 1 。 在模糊控制过程中，将误差信号模糊化后的e 的变化范围和变化率芒，误 差信号的随机变化范围及变化率的模糊语言变量的集合称作基本论域【1 6 】，采用 集合的方法记为【- 琶，朝及【- e ，e 】。 误差信号的基本论域定为 e ，e 】，根据误差信号采样所得的模糊集合的论 域为x = n ，n + 1 ，0 ，* e o l p n 1 ，n ) ，其中e 表示为误差信号大小的精确 值，由于系统的不确定性n 在系统变化范围内连续变化的误差信号的测量值为 离散值，将这些离散值测量后量化归档，形成集合x 的元素，( 一般n = 6 、7 ) 。 在模糊控制的工程实际中，误差信号的变化一般不在论域集合元素之中，这是 出现e n 的情况。这时，量化因子所起到的作用就是进行论域的转化。其中被 数量化因子屯的定义是： 屯兰n e ( 3 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 量化因子屯选定后，系统的制定任何误差岛总可以在论域量化为x 上的某 个元素。 从式屯兰n e 中给出的被量化因子的定义可得出，一旦给定论域x ，即选 定基本论域卜e ，c 】的量化等级( 档) 数n 之后，量化因子屯的取值大小范围中 可使基本论域的取值 - e ，e 】发生不同程度的缩与放，即当t 大时。基本论域【- e ， e 】缩小；而当屯小时，基本论域 e ，e 】放大，成反比例关系，从而充分的降低 了误差信号控制的灵敏度。 同理，对于误差信号变化率的基本论域【- 爸，司，若构成另一论域y = 1 1 ， - n + 1 ，0 ，n - 1 ，n 1 的元素的量化级( 档) 数n ，这时误差信号变化率芒 的量化因子也的定义就变为： 屯兰行孝 ( 3 2 ) 这是，两个量化因子屯与恕具有相同的特