（通信与信息系统专业论文）基于labview的锅炉自动控制系统设计与实现.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 在人类社会的各个领域，自动控制系统已被广泛应用，锅炉控制系统也包 含于其中。但是，我国锅炉的应用起步较晚，并且存在控制水平不高、算法粗 糙简单、控制效果不佳、输出易产生振荡和超调量大等问题。因此，针对锅炉 自动控制系统的研究具有十分重要的意义。 本文课题来源于黄冈伊利燃煤蒸汽锅炉p l c 控制系统。设计的是基于 l a b v i e w 的锅炉自动控制系统，以燃煤蒸汽锅炉为研究对象，通过实验，寻找 一种更佳的控制方案，以达到系统稳定调节时间短且超调量小的性能指标。锅 炉系统从总体上来说包括燃烧系统控制和水位汽包控制两部分。 锅炉燃烧系统，包括给煤系统、送风系统、引风系统三个重要环节。本文 以l a b v i e w 为开发平台，工控机为上位机，p l c 为下位机，通过传感器采集含 氧量，压力和炉膛温度，调整锅炉引风量、送风量、给煤量，从而达到最佳的 热效率。并且使用计算机控制的变频器来调速控制引风机，鼓风机和炉排电机 的速度，使它们协调工作，以实现快速反应，精确调整的控制效果。 水位汽包控制系统，本文采用模糊自整定p i d 控制，就是模糊控制和p i d 控制相结合。在模糊控制中，输入变量为汽包水位的偏差值e 和偏差值的变化值 e c ，输出变量为p i d 参数的校正值。而在p i d 控制部分，水位设定值和p i d 参 数设定值作为输入变量，输出则为给水量调节阀信号。 本文还对水位汽包系统采取各种控制方法进行了仿真，对仿真结果进行了 分析和对比。比较各种锅炉汽包水位控制系统的阶跃响应曲线可以得出，采用 模糊p i d 控制系统要比传统的p i d 控制系统和纯模糊的控制系统更具有实用性 和有效性。而且，基于l a b v l e w 开发的仿真程序，具有形象直观的控制界面， 使仿真过程变得更加灵活、便捷和实用。 l a b v i e w 具有强大的运算能力和分析能力，上位机使用l a b v i e w 软件作 为开发平台可以实现实时监控平台的图形显示。基于l a b v i e w 的锅炉自动控制 系统监控界面友好，操作方便，运行可靠。 关键词：锅炉系统；模糊p i d ：锅炉燃烧系统；水位汽包控制；l a b v i e w 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nv a r i o u sf i e l d so fh u m a ns o c i e t y , t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l y u s e d ，t h eb o i l e rc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e di ni t h o w e v e r , o u rb o i l e rl a t es t a r t , a n dt h e r e a r cs o m ep r o b l e m s ：t h el e v e lo fc o n t r o li sn o th i g h ，a l g o r i t h m si sr o u g ha n d s i m p l e ， i n e f f e c t i v ec o n t r o l ，t h eo u t p u ti s e a s yt op r o d u c eo s c i l l a t i o na n do v e r s h o o tl a r g e t h e r e f o r eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h es t u d yo ft h eb o i l e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l es u b j e c tf r o mt h eh u a n gg a n gy i l ic o a l - f i r e ds t e a mb o i l e rp l c c o n t r o ls y s t e m d e s i g no ft h eb o i l e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nl a b v i e w ：a c o a l f i r e ds t e a mb o i l e r , b ye x p e r i m e n t , l o o k i n gf o rab e t t e rc o n t r o ls c h e m et oa d j u s t t h et i m ei ss h o r ta n ds m a l io v e r s h o o tp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi ss t a b l e g e n e r a l l y s p e a k i n g ，t h eb o i l e rs y s t e mi n c l u d i n gc o m b u s t i o ns y s t e mc o n t r o la n dw a t e rl e v e l d r u mc o n t r o lo ft w op a r t s t h ec o a lf e e d i n gs y s t e m a i rs u p p l ys y s t e ma n dw i n ds y s t e ma r et h r e ei m p o r t a n t a s p e c t so ft h eb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m i nl a b v i e wd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h eh o s t c o m p u t e ra sam a s t e rd e v i c ea n dc o l l e c t e db yt h es e n s o rf u r n a c et e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n do x y g e nc o n t e n tt oa d j u s tt h eb o i l e rt ot h ea m o u n to fc o a l ，a i rs u p p l y , a n d p u l l a i rv o l u m e ，s oa s t oa c h i e v et h eb e s tt h e r m a l e f f i c i e n c y a n du s e c o m p u t e r - c o n t r o l l e di n v e r t e rs p e e dc o n t r o lt h es p e e do fi n d u c e dd r a f tf a n ，b l o w e ra n d s t o k e rm o t o rc o o r d i n a t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v et h er a p i dr e s p o n s e ，p r e c i s ea d j u s t m e n t o ft h ec o n t r o le f f e c t d r u mw a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e mu s i n gf u z z y - p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n d p i dc o n t r 0 1 i nf u z z yc o n t r o l ，t h ep o s i t i v ec h a n g e si nt h ev a l u eo ft h ei n p u tv a r i a b l e s f o rt h ed r u mw a t e rl e v e ld e v i a t i o nea n dd e v i a t i o ne c t h eo u t p u tv a r i a b l ei st h e a d j u s t e dv a l u ef o r t h ep i dp a r a m e t e r s i np i dc o n t r o ls e c t i o n t h ew a t e rl e v e ls e t p o i n t a n dp i dp a r a m e t e rs e t t i n g sa si n p u tv a r i a b l e s ，a n do u t p u ti st h ew a t e rv a l v e s i g n a l l a b v i e wh a sas t r o n gc o m p u t i n gp o w e ra n da n a l y s i s c a p a b i l i t i e s t h eh o s t c o m p u t e ru s i n gl a b v i e ws o f t w a r ea sad e v e l o p m e n tp l a t f o r mt oa c h i e v et h e g r a p h i c a ld i s p l a yo fr e a l t i m em o n i t o r i n gp l a t f o r m b o i l e rc o n t r o ls y s t e mm o n i t o r i n g i n t e r f a c eb a s e do nl a b v i e wi sf r i e n d l y , e a s yt oo p e r a t e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n k e y w o r d s ：b o il e rs y s t e m ；f u z z yp i d ；b o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m ；w a t e rl e v e ld r u m c o n t r o l ；l a b v i e w l i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及目的意义 近年来，自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业应用 中，机械制造、化工、冶金及其他生产过程中遇到的各类物理量，包括相位、 频率、位置、压力、张力、厚度、速度，压力、流量、温度，都有相应的控制 系统【1 1 。在这些基础之上，通过使用数字计算机，还建立了更好的控制性能和自 动化程度较高的数字控制系统，和过程控制系统( 具有控制和管理的双重功能) 。 在农业中的应用，包括农业机械、水位自动控制系统等自动操作系统。 而锅炉在工业生产和人民生活中都有广泛的应用。锅炉产生热水或蒸汽可 以为工业生产和人民生活提供所需的热能，除此之外还可以转换为其他能量， 如机械能、电能等。在生活中，人们通常利用锅炉来提供热水，而在工业生产 应用中，则利用锅炉来提供蒸汽，这种蒸汽锅炉多用于牛奶企业、船舶、火电 厂、工矿企业和机电。如果锅炉产业能够结合自动控制理论，那将大大提高锅 炉应用的安全性和热效率。对锅炉产业的发展起到至关重要的作用，从而满足 国内工业建设的需要1 2 j 。 在传统的锅炉控制系统中大多采用普通p i d 控制，这种控制方法对于液位 变化不明显、系统不受干扰或干扰不频繁、幅度不强的情况是有效的。但在实 际工业生产中液位系统通常都是时变的，并且具有滞后特性。这是常规的p i d 或p i 控制很难保证控制精度，而且参数调整也比较麻烦。如果能在p i d 控制中 引入模糊控制，即f u z z y p i d 复合控制，这种控制方法既有模糊控制不依赖于被 控对象数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等优点， 又引入了p i d 控制稳态性好、无静差的优点，可使控制系统同时获得良好的动态 性能与稳态性能。模糊p i d 在工业生产中有大量的成功应用，但在锅炉水位控 制上还没形成系统的理论，还存在一些不足，有必要继续研究。凶此，积极开 展对锅炉自动控制系统的研究，有着重大的现实意义。 1 2 国内外现状研究 在这二、三十年里，控制理论和计算机技术都有了突飞猛进的发展，以及 武汉理工大学硕士学位论文 计算机性能的不断加强和价格的迅速下降，使得锅炉应用计算机技术控制很快 得到了普及和发展。现在的锅炉自动控制系统采用了大量的先进技术，利用软 件来完成各种算法的复杂的计算工作，大大提高了系统的集成度和综合进度， 并且通用性好，对不同型号但又是同一系列的锅炉，只要修改相应的软件参数 和传感器量程。此外，系统还具有自检的功能，如果遇到系统硬件或锅炉的运 行指标出现问题时，能够及时发出报警并显示故障原因，工作人员根据故障原 因进行妥当地操作以达到解决问题的目的。系统大多采用d c s ( 集散控制系统) 系统或工业p c 机，从而大大减少硬件的维护量，使锅炉运行的安全可靠性和锅 炉的热效率得到有效地提高，初步实现了锅炉自动控制系统p 】。 在国外，计算机自动控制已基本运用于锅炉自动控制系统，并且在控制方 法上都采用了现代控制理论中模糊控制、多变量频域、最优控制等方法，所以 锅炉的热效率比较高、锅炉运行也比较稳定，与此同时也减少了环境污染。在 丹麦，a n s a l d ov o l u n da s 公司生产的锅炉自动控制系统采用了s i e m e n s 的s 7p l c 作为控制系统，利用i g s s 3 2 分散控制系统配备数个p c 操作站组成， 具备远程监控的能力，从燃料的预处理开始系统控制锅炉运行的全过程，实现 了星期日无人值守【4 】。相比较，国内的锅炉自动控制系统研发仍然处于技术积累 阶段。虽然有一些公司推出了相关产品，但是总体技术仍与国际水平有较大差 距，还需要我们从事相关领域研究人员的不断努力，这也正是我选择此课题的 重要原因之一。 在国内，锅炉是工矿企业生产的重要热力设备，是电力工业发电的三大设备 之一。改革开放后，国民经济迅速发展，锅炉工业也得到了飞速发展，我们现 有的几十万套锅炉正在运行，每年还有数以十万套的新的工业锅炉投入运行。 由于锅炉的燃烧是一个多输入多输出系统，以及之间的相互影响，相互制约， 有时严重干扰负载的参数，很难用精确的数学模型来描述，采用经典控制理论 是难以实现有效的控制i 5 l 。现在常用的方法是全面分析生产过程的的要求和特 点，在设计单回路为主的基础之上，考虑多变量的特点，加以修改。由于每个 回路之间的相互作用，控制效果不尽人意，设计复杂，成本高，使小型和中型 的用户将难以负担。因此，有相当数量的锅炉，特别是小型和中小型锅炉的状 态仍然是一个简单的启动和停止操作，控制由人工实现。因此，锅炉运行好坏 完全取决于工人的经验和责任。锅炉控制的现状，如果不改善，一方面，将导 致较差的经济效益，且容易导致工业意外，另一方面，煤炭燃烧不充分，造成 2 武汉理t 大学硕士学位论文 环境的严重污染1 6 1 。 目前，应用于锅炉的一些控制理论有普通p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 控制、集散控制、神经网络控制等等。他们各有各的优缺点，如普通p i d 控制 原理简单，易于实现，但控制效果不是很好，而模糊控制、集散控制、神经网 络控制原理较复杂、运算量大，但却具有控制精度高、鲁棒性强、反应迅速等 特点。其中模糊p i d 控制器，神经网络智能p i d 控制器和遗传算法一神经网 络智能p i d 控制器等，都引起了很多研究者强烈的兴趣。而模糊控制已成为最 活跃，最富有成效的智能自动控制领域。其中，模糊p i d 在控制技术中起着非 常重要的作用，仍将是今后的研究和应用技术的重点1 7 。本文将对模糊p i d 控制 在锅炉控制中的应用的进行仿真和对比结果。 1 3 本论文的主要工作 本文分析和研究了锅炉自动控制系统的结构和动态特性，以及相应子系统 的算法设计。重点研究了锅炉水位汽包控制技术与现在应用较为广泛的模糊p i d 控制相结合的情况，并利用l a b v i e w 对水位汽包系统的三种算法进行了仿真和 对比。最后，还以l a b v i e w 为监控平台，设计出锅炉控制系统的监控界面，能 够醒目观测到锅炉的各个重要的运行参数。论文的具体结构安排如下： 第l 章阐述了锅炉自动控制系统的研究背景、本研究的主要意义，国内外 的发展现状以及本论文的主要研究工作。 第2 章介绍了锅炉自动控制系统控制方法的设计，包括系统的组成结构以 及如何划分成几个相对独立的调节对象，对应地设置几个相对独立的调节系统， 如给煤系统、送风系统、引风系统、水位汽包控制系统。 第3 章详细介绍了以l a b v i e w 为仿真工具，对水位汽包控制系统进行了仿 真和结果的对比，并在其中详细阐述如何在l a b v i e w 平台上将模糊p i d 控制运 用到水位汽包控制系统上。 第4 章介绍了锅炉控制系统的架构和p l c 的软件设计，在l a b v i e w 上实 现主监控画面和电机手自动、参数设定等其他画面。 第5 章总结了本课题研究所取得的成果及其不足之处，探讨了锅炉系统控 制方法的改进，并对未来发展趋势发表了一些看法。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章锅炉控制系统控制方法的设计 燃煤蒸汽锅炉结构如图2 1 所示，丰要包括炉膛、汽包、省煤器、炉排以及 给水泵、鼓风机、引风机、炉排电机等重要设备。煤炭通过斜皮带机和平皮带 机送至炉排，然后在炉膛内燃烧，最后随排渣电机排出。炉膛内的烟气则通过 省煤器交换热量以较低温状态被引风机排出。而给水泵则将储水库里的水先经 过省煤器送至汽包，其给水量可通过给水调节阀控制。汽包内的蒸汽通过蒸汽 管向外输送以供使用。锅炉系统主要输入变量是给水量、送风晕、给煤鼍、引 风量、蒸汽负荷等，主要输出变量是蒸汽压力、汽包水位、烟气含氧量和炉膛 负压、蒸汽流茸等。所以锅炉系统是一个多输入，多输出且相互关联的复杂的 控制对象。系统的输入变量其实就是我们控制方法的控制蔗，根据控制量的不 同可将锅炉系统划分为若干个子控制系统：给煤系统、送风系统、引风系统和 汽包水位系统。当然他们都有自己主要的调节对象，分别为：蒸汽压力、烟气 含氧量、炉膛负压、汽包水位。锅炉控制系统的控制指标为：蒸汽压力在期望 压力的l ，空气燃烧比应该保证0 4 的过量氧气，汽包水位应控制在 5 c m g 。其中给煤系统、送风系统、引风系统之间又有紧密的关系，三者共同 组成了锅炉燃烧控制系统。所以接下来分锅炉燃烧控制系统和水位汽包控制系 统两大部分来详细介绍锅炉控制系统。 置虹kt l。 i 、 图2 - 1 燃煤蒸汽锅炉结构图 4 l ， _ - 。，；籼。砂， 武汉理工大学硕士学位论文 2 i 锅炉燃烧控制系统 锅炉燃烧控制系统最重要的任务是保持锅炉蒸汽压力稳定。当负载量改变， 使蒸汽压力的变化，通过调节燃料量( 或送风量) ，从而改变炉膛发热量，最终 使蒸汽压力稳定。其次，我们应该保证燃料的经济燃烧，既不能因为空气不足 而冒黑烟，也不能因为空气过多而导致热量损失增加。所以燃料量和空气量应 保持一定的比例，或者说烟气中的氧气浓度应保持在一定的值。最后，鼓风量 还要和引风量要相配合，以保持恒定的炉膛负压。如果负压太小，炉烟气外冒 会影响设备和操作员工的安全；如果负压过大，使大量冷空气漏入炉中，导致 热损失增加，降低了燃烧效率p j 。 2 1 i 锅炉燃烧系统控制对象的动态特性 锅炉燃烧控制系统的主要控制量是汽包蒸汽压力，而给水量、送风量、燃 料量、燃烧工况、蒸汽流量的变化都会影响蒸汽压力。但其主要因素是蒸汽流 量的变化( 外部扰动) 和燃料量的变化( 内部扰动) 。 ( 1 ) 蒸气压力在燃烧量的干扰下的动态特性。 锅炉入炉燃料变化时，炉膛的发热量立即改变，几乎没有延迟和惯性，是 个比例环节。而汽包压力尸几乎可以完全反映炉膛的发热量q ，如果炉膛发热 量q 增加，但蒸汽流量d 没有改变的话，势必会造成汽包压力的增加。所以三 者的关系如下： ，p q d = c 兰 ( 2 一1 ) 一 班 式中：q一炉膛的发热量； d 一蒸汽流量所带走的热量； p一汽包压力； 如果蒸汽流量d 是不变的，但燃料量改变引起内部干扰时，蒸汽压力的动 态特性是一个有一定滞后的积分环节，如图2 - 2 所利1 们。 5 武汉理工大学硕士学位论文 m 0 d o p o 图2 2 蒸汽流量不变时，在燃料量扰动作用下蒸汽压力的响应曲线 m 0 d 0 p o 图2 3 蒸汽调节阀开度不变，在燃料量扰动下蒸汽压力的响应曲线 如果蒸汽流量调节阀不动，当燃料量改变引起内部干扰时，蒸汽压力的动 态特性是一个有一定滞后的一阶惯性环节，如图2 3 所示【l o 】。 ( 2 ) 蒸气压力在蒸汽流量的干扰下的动态特性。 蒸汽流量对蒸汽压力的扰动称为外扰。外扰可分为两种，- - j f l i 是负荷设备 蒸汽用量改变所引起，还有一种是蒸汽流量调节阀改变所引起。 6 武汉理丁大学硕一 二学位论文 如果蒸汽流量调节阀v 突然变化，锅炉蒸汽压力将立即改变，如图2 - 4 曲 线所示。 v 0 d o p 0 图2 4 蒸汽流量调节阀开度阶跃扰动作用下蒸汽压力的响应曲线 当蒸汽流量调节阀开度变大时，由于蒸汽压力还没改变，蒸汽流量将迅速 增加a d 。然而燃料量没有增加，所以蒸汽压力逐渐下降，蒸汽流量也将逐渐减 少，最后的蒸汽流量只能恢复原来的值。换句话说，蒸汽流量调节阀最终是改 变不了蒸汽流量制j 。 还有一种情况是，当负载设备蒸汽用量加大时，汽包蒸汽压力响应曲线如 图2 5 所示。从图中可以看到，汽包蒸汽压力随蒸汽流量的增加而下降。如果没 有增加燃料量，热量失衡，蒸汽压力将一直下降。所以此时应该增加燃料量来 使锅炉蒸汽压力上升，直到恢复原来的最佳值。 7 武汉理工大学硕士学位论文 d 0 图2 5 蒸汽用量阶跃扰动下蒸汽压力的响应曲线 在保证蒸汽压力恒定的前提下，还要保证燃烧经济性能指标和保持炉膛负 压在一定范围内。这两项可以通过送风量和引发量加以控制。测量燃烧经济性 比较麻烦，现在一般运用氧化锆测量烟气中的氧含量来进行衡量，相比于烟气 成分分析方法，缩短了滞后时间。 2 1 2 锅炉燃烧控制系统结构和算法设计 燃烧控制系统可分为三个子系统，分别为给煤系统、送风系统、引风系统。 给煤系统指的是主要通过调整燃料量，以保持恒定的蒸汽压力；送风系统指的 是调整送风量，以确保燃烧的经济性；引风系统指的是调节引风量，以保持稳 定的炉膛压力。关键问题在于送风系统，如何提高燃烧的经济性，如何调整送 风量，即如何确定系统的空气燃烧量的比例，因此，燃烧控制系统具有以下特 点： ( 1 ) 以燃料量的变化来满足负荷不断变化的需求，具有较大的延迟和惯性。 由于燃烧量的变化需要一定的运输，传热和燃烧时间，所以影响到蒸汽压力需 要一段时间。 ( 2 ) 保持炉排上的燃料量不变，瞬间改变送风量，加快燃烧，就能迅速满 足负荷不断变化的需求。所以当需要增加蒸汽流量提高负荷时，燃料量的变化 具有较大的延迟，不妨先增加送风量，使存储在炉排上燃料燃烧迅速，并很快 提高锅炉的蒸发，之后增加燃烧量以确保负荷的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 送风量虽然可以瞬间改变蒸汽压力，满足负荷的要求，但这只是给燃 料量引发改变带来过渡时间，送风量的主要任务还是保证燃烧的经济性，由于 燃料量之后必定改变导致烟气含氧量改变，送风量只是提前作了调整。燃烧的 经济性可用烟气含氧量来测得，采用氧化锆测氧器，其信号反应灵敏，可靠 1 2 - 1 4 】。 图2 - 6 锅炉燃烧控制系统框图 根据燃烧系统特性，设计燃烧控制系统框图如图2 6 所示的特点。由图可见， 由蒸汽压力控制炉排的速度，即多少燃料量。从蒸汽压力的动态特性分析中我 们可以看出蒸汽负荷或者说是蒸汽流量的变化，最终必将需要燃料量的变化来 保持锅炉燃烧的动态平衡。所以应该引入蒸汽流量作为的燃料量的前馈信号， 迅速满足蒸汽流量的要求。在这子系统中，是为了稳定汽包蒸汽压力在某个值 上，控制器可以采用p i d 控制。 为了确保燃料充分燃烧，送风量的大小应协调燃料量的变化。以及送风量 的迅速改变还可以解决给煤系统滞后的问题。所以在送风系统中，将炉排电机 的控制信号作为鼓风机的副调节器的前馈信号。而烟气中的含氧量作为主控调 节信号，而主调节器的输出信号和电机的控制信号以及送风反馈信号共同作为 副调节器的输入信号，副调节器的输出信号通过变频器来调整鼓风机的转速。 副调节器是粗调，可采用常规p i d 控制，而主调节器是细调，可以采用更加高 级的控制器，例如模糊p i d 控制器。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 锅炉引风机控制回路的工作原理是比较简单，控制目标是确保炉膛负压为 微负压。在引风系统中，将送风控制信号作为引风控制的前馈信号，是为了保 证引风量能够迅速跟上送风量，避免炉膛负压大幅度波动。 2 2 锅炉汽包水位控制系统 2 2 1 汽包水位控制系统介绍 工业锅炉汽包水位系统结构主要包括锅炉汽包、给水泵、省煤器、调节阀、 蒸汽管、给水管这几部分。给水泵不是直接将水送至锅炉汽包，而是先经过省 煤器加热之后到达锅炉汽包。省煤器的作用是将锅炉给水和锅炉尾部烟气进行 热量的交换，一方面可以给锅炉给水预热，另一方面烟气由于传热给给水，从 而较低了自己的温度，提高了能源的利用，提高了经济效益。在蒸汽管及汽包 中都有蒸汽和水的存在，汽包水位系统的输入量是给水流量，输出量则是是蒸 汽流量。如果给水流量等于蒸汽流量，那么就达成了物料平衡，汽包水位应保 持不变。汽包水位控制系统的目的就是保持汽包水位在允许范围内。 汽包水位是锅炉系统非常重要的调节对象，只有保持汽包水位在允许范围 内，锅炉才能够安全、健康地运行。原因如下： ( 1 ) 如果水位过低，由于汽包内的水少，水的汽化速度很快，所以汽包内 水位变化快速，如果不加以控制，它将使所有汽包内的水蒸发，造成锅炉燃烧 甚至爆炸。 ( 2 ) 如果水位过高，它会影响汽包气水分离，并会产生蒸汽带液现象，使 过热器结垢后导致损坏，同时过热蒸汽温度迅速下降，若蒸汽作为涡轮机动力， 还会损坏涡轮叶片，运行的安全性和经济性直接受到影响。汽包水位过高或过 低，其后果是极其严重，因此必须严格控制【l 孓1 7 】。 2 2 2 汽包水位的动态特性 汽包水位不仅受蓄水量的影响，而且也受水位下的汽泡体积的影响。而锅 炉负荷，蒸汽压力，炉膛负荷都会影响水位下的汽泡容积。因此，有许多因素 影响水位变化，而锅炉蒸发量和给水量是两个主要因素。下面重点介绍在给水 流量和蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性。 1 0 武汉理工大学硕：i ：学位论文 ( 1 ) 汽包水位在蒸汽流量干扰下的动态特性。 h 0 厂 魁 夕、乏 心7 图2 7 蒸汽流量扰动下的水位响应曲线 在恒定燃料的前提下，若蒸汽消耗量增加，单从物质平衡上计算，蒸汽流 量d 是大于给水流量w ，水位应下降，如图2 7 曲线h i 。但实际的情况却不是 这样，蒸汽消耗增加时，瞬时不可避免地会导致汽包压力下降，水的沸腾突然 加剧，汽泡数量快速增长，汽泡容积将会增加，水位也随之提高，如图2 7 曲线 h 2 。实际的水位在蒸汽流量扰动下的阶跃响应曲线变化如图2 7 曲线h 。从图 2 7 中，我们可以看出实际汽包水位在蒸汽流量增加时，在一开始并没有直接下 降，而是先上升一段时间，之后才直线下降，这种现象称之为“虚假水位”现 象【”t 1 。相反，如果蒸汽流量突然减少，实际汽包水位先下降一段时间，然后 才上升。造成“虚假水位”现象主要是以下两方面原因： 1 ) 当蒸汽流量增加时，导致蒸汽压力下降，汽包和蒸汽管道内的汽水混合 物汽与水的比例发生变化，汽的比例上升，从而导致汽泡体积变大，造成汽包 水位上升，这是“虚假水位现象的主要原因。 2 ) 除此之外，蒸汽压力的下降导致锅炉水的沸点下降，导致会有更多的水 汽化，使汽包水位上升 i g 2 1 j 。 所以当蒸汽流量增加时，不考虑水下汽泡体积变化时的水位变化岛和只考 虑水下汽泡体积变化所引起的水位变化仍的相加才足水位的实际变化，即： 武汉理工大学硕士学位论文 h = h i + h 2 ( 2 2 ) 若用传递函数来表示，可用两个动态环节的并联来表述： 旦盟：旦盟- 1 1 - 里盟：一量+ j ，l( 2 3 ) 一= ：一：一= 一 - ：一 、三一j ， d ( s ) d ( s ) d ( s ) 5 互s + 1 式中 毛 在蒸汽流量扰动下，水升速度 硒，乃水位变化的增益系数和时间常数 ( 只受水下汽泡体积影响时) 。 采用切线法可根据阶跃响应曲线可求取蒸汽干扰通道的近似传递函数： 旦：盟：一业丝+ - i 三堕( 2 4 ) 一：= - 一 一， d ( s ) j6 7 s + l ( 2 ) 汽包水位在给水流量干扰下的动态特性。 如果不考虑汽包进水温度和汽包内饱和水的温度差异，给水量和汽包是一 对单一无自容对象，水位响应曲线如图2 8 中的h 1 。但是由于进水温度要低于 汽包内水的温度，那么刚进入的水要吸收汽包饱和水的热量，汽包水整体温度 将下降，导致汽泡体积减少，汽包水位下降。所以在一开始阶段，水位上升并 不是很明显。当汽泡体积变化正逐渐平衡时，汽包水位才逐渐增加。只有当汽 泡体积恒定不变时，给水量和汽包水位才呈现出一对单一无自容对象的特性， 汽包水位随着给水量的增加而直线上升2 2 2 3 1 。所以实际水位响应线如图2 8 中 h 曲线，当给水流量增加时，汽包水位并没有马上上升，而是经过一段起始惯 性段才逐渐上升，最后才与给水量成比例上升。如果用传递函数来描述这一特 性，可以用一个积分环节和一个惯性环节的串联来表达： 塑：茎 ( 2 5 ) 一= 一 一 ， g ( s )s o + r s ) 式中k 一一水飞升速度； f 冷水加入水位滞后时间； 采用切线法求得给水调节通道的近似传递函数： 地：一旦：q 兰兰竺( 2 6 ) 一= = 一 、z nj g ( s )s ( 1 + 8 2 s ) 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 h 0 图2 8 给水流量扰动下的水位响应曲线 2 2 3 汽包水位控制系统结构与算法设计 由汽包水位的动态特性可知，汽包水位调节对象没有自我平衡能力且存在 一定滞后，因此需要采用闭环调节。根据汽包水位控制信号的不同，可以将控 制算法分为以下三种：单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制。 ( 1 ) 单冲量水位控制系统。 汽包水位测量信号是单冲量水位控制系统的唯一控制信号，也就是说输出 信号给水调节阀大小仅由锅炉汽包水位测量值和给定值的偏差来决定的，与其 他干扰信号没有任何关系。 但是单冲量汽包水位控制系统存在两个主要问题： 1 ) 当锅炉蒸汽流量增加，在调整过程中的出现“虚假水位”，减少给水量 来解决开始阶段的“虚假水位”上升，这一错误的举动将扩大物料的不平衡， 使汽包水位和水量的波动增加，明显减少了调整的质量。 2 ) 在给水干扰下，调节阀要等到水位变化后才发生行动，而其行动变化到 水位发生变化又需要一段时间，因此单冲量水位控制系统存在比较大的延迟。 ( 2 ) 双冲量水位控制系统。 针对单冲量控制系统存在的第一个问题无法克服“虚假水位”现象， 双冲量控制系统则引入蒸汽流量作为前馈信号加以解决。当蒸汽流量增加时， 武汉理t 大学硕士学位论文 蒸汽压力变小，汽泡容积变大，水位会产生水位升高的虚假现象，在单冲量控 制中，调节阀自然收到开度调小的“错误”信号。但在双冲量控制中，前馈信 号蒸汽流量将发挥预先通知的作用，立刻调节给水阀开度变大来消除“虚假水 位”现象，降低了水位的波动，提高了控制效果。但双冲量水位控制系统仍存 在一个问题，无法克服给水干扰。当给水压力发生变化时，给水量发生改变， 导致水位也产生变化，再等到水位变化来调节给水调节阀控制给水量，这存在 的延迟实在有点大。 ( 3 ) 三冲量水位控制系统。 为了解决给水干扰的问题，需要引入给水流量作为反馈信号，当给水压力 发生变化时，给水调节阀立即发生改变来保持给水量不变以此来消除给水干扰。 这样就形成了以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三冲量水位控制系统【2 4 】。 汽包水位串级三冲量控制系统结构框图，如图2 - 9 所示。 图2 - 9 汽包水位串级三冲量控制系统结构 在图2 - 9 系统结构图中，控制给水调节阀的副控制器将接受三个信号：主调 节器的输出信号、蒸汽流量的前馈信号以及给水流量的反馈信号，而输出信号 则是给水阀的调节信号。引入给水流量作为反馈信号和蒸汽流量作为前馈信号， 可以有效消除给水压力波动和蒸汽干扰产生的给水量的自发性干扰，从而保持 了蒸汽流量和给水流量的物料平衡。当蒸汽流量上升时，给水调节阀调大，从 而抵消了虚假水位造成相反的效果，使水位和给水流量的波动幅度减少。给水 流量信号作为反馈信号，尽快做出调整，提高了控制效果。给水流量信号其实 也起着前馈的作用，对于给水流量的扰动能够迅速地做出反应1 2 引。所以副控制 器只要对蒸汽流量干扰和给水流量干扰尽快做出反应就可了，故采用普通p i d 控制即可。而主控制器的任务是消除水位的静态偏差，起到细调的作用，所以 对控制器的品质要求较高，需要采用控制效果更佳的模糊p i d 调节器。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要研究了锅炉自动控制技术中的汽包水位控制和燃烧控制。详细阐 述了汽包水位控制系统和燃烧控制系统的结构、动态特性和算法的设计。这部 分的内容，特别是汽包水位控制，无论是对于本文之后优化策略的提出，还是 对于后期仿真平台的搭建工作都是十分必要的。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章汽包水位控制系统的l a b v i e w 仿真 在上一章中，通过对锅炉汽包水位系统的动态分析，选择采用串级三冲量 控制方法来控制汽包水位，有效消除了“虚假水位”和信号滞后现象。并对实 际锅炉系统进行测量，得到水位的响应曲线，得出传递函数。 给水流量调节通道传递函数： 厂1 0 0 5 2 9 ，2 l 、 s ( 1 4 - 8 2 s ) 蒸汽流量干扰通道传递函数： g 。：坐一0 0 7 4 7 ( 3 2 )u l = l j - z ， ” 1 + 6 7 ss 接下来本章利用这两个传递函数搭建l a b v i e w 仿真系统，并采用三种不同 的控制方法对汽包水位进行控制。在这三种控制方法中，副控制器都采用p i d 控制调节( 其中劫= l ，t = 1 0 0 ，t d = 0 ) ，而主控制器将分别采用普通p i d 控 制，模糊控制，模糊p i d 控制，然后得到各种方法的仿真结果，并在最后对仿 真结果进行对比。 本文采用的仿真工具是l a b v i e w2 0 11 ，在l a b v i e w 2 0 1l 环境下进行仿真 需要安装工具包l a b v i e wc o n t r o ld e s i g na n ds i m u l a t i o nm o d u l e 。在此包中包含 了控件与仿真循环、信号生成、信号运算、画图工具、连续线性系统、离散线 性系统等函数。l a b v i e w 的仿真必须在控件与仿真循环函数中进行，该函数可 以控制仿真的一些参数，如采集速度、仿真时间等等。信号生成包括生成阶跃 信号、脉冲信号、斜坡信号等，在本章中将会绘制系统的阶跃响应曲线，自然 需要用到阶跃信号生成函数。信号运算则包括信号增益、相加、相乘三个函数。 画图工具可以为最后得到的动态数据勾勒出曲线图，形象的描绘了仿真结果。 连续线性系统包括连续信号在复频域内的积分函数、微分函数以及可以供用户 者自己编辑的传递函数。l a b v i e w 有了这些函数，为系统仿真提供了方便。 3 1 普通p i d 控制 如果主控制器采用普通p i d 控制，其系统框图如图3 1 所示。主控制器以液 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 位的偏差作为输入信号，输出信号将和蒸汽前馈信号和给水反馈信号叠加作为 副调节器的给水量的设定值( 即副调节器的输入信号) 。 邕“2 萨崮” i t t f t 口r 酉 图3 - 1 普通p i d 控制系统模型 陟 ：，_ “i n1 5s _ 。 9 卧一 图3 2 普通p i d 控制l a b v i e w 程序流程图 存图3 2 普通p t d 摔制l a b e w 程序流程图中，副挣制器采用了 l a b v i e w 2 0 1 1 模糊逻辑和p i d 控制工具包中的p i d 模块函数，其接线端主要包 括变最设定值、变量值、p i d 参数( 比例系数砌、积分时间常数乃、微分时问 常数t e l ) 以及输出信号和输出信号的范围控制。现在将主控制器信号的输出信 号、蒸汽前馈信号、给水反馈信号叠加作为变量设定值，变量值设为0 ，p i d 参 数有前面板的数字滑竿控件输入，输出信号的范围控制为默认( 1 0 0 - 1 0 0 ) 。 主控制器并没采用l a b v i e w 2 0 1 1 提供的p i d 模块，而是依据p i d 的基本原 理、公式，将各个变量进行相乘和叠加。这样做的主要目的是在模糊p i d 程序 设计中，采用自制的p i d 比采用p i d 模块更加简洁直观些，所以为了使普通p i d 控制和模糊p i d 控制采用的控件相同才这样设计。另一方面，自制p i d 也并不 复杂，而且能够更加深入理解p i d 控制的原理。普通p i d 控制系统由微分单元 武汉理工大学硕士学位论文 ( d ) 、积分单元( i ) 和比例单元( p ) 组成。输出信号“( f ) 与输入信号已( f ) 的天 系为： u ( t ) = k p e ( r ) + ( 1 7 7 ) i e ( t ) d t + t d 牛a e ( t ) l d t 】 ( 3 3 ) 根据拉式变换公式，可以得到传递函数： g ( s ) = u ( s ) e ( s ) = k p 1 + 1 ，( 订掌s ) + 磁j 】 ( 3 - 4 ) 展开得： g ( s ) = u ( s ) e ( s ) = g p + ( g p r i ) 1 s + k p t d 宰s ( 3 5 ) 也可化为： g ( s ) = u ( s ) e ( s ) = 勋+ 髓幸l s + k d 幸s ( 3 6 ) 式中勋为比例系数，鼢为积分系数( k i = 卸1 7 ) ，k d 为微分系数 ( k d = g p t d ) ，而死为积分时间常数，纠为微分时问常数。 根据以上公式，就可以运用线性连续系统函数和运算函数实现p i d 控制，当 然l a b v i e w 的p i d 模块要比自己实现的p i d 复杂很多，功能也十分齐全，如入 参的校验和输出变量的范围控制等。主控制器的p i d 参数为k p = 6 ，t i = 4 0 0 ， t d = 0 。由于程序最后需要将三种控制方法的仿真结果进行对比，而每一种控制 方法都需要蒸汽干扰和给水干扰的值，如果采取连线的方法，势必使程序流程 图更加杂乱。幸好l a b v i e w 里也提供了全局变量和局部变量，像蒸汽干扰和给 水干扰多处被访阎的量，可以通过局部变量函数对他们进行取值。在无蒸汽干 扰和给水干扰的情况下，仿真结果如图3 3 。 图3 3 普通p i d 控制阶跃响应曲线 4 2 l 8 6 4 2 o l l o o 0 o ；，、 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 模糊控制 模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。它采用用计算机 来实现人的控制经验，而人的控制经验一般是由语言来表达的，这些语言表达 的控制规则又带有相当的模糊性，如当水位太低时，需要开大水阀。而这些规 则形式正是模糊条件语句的形式，可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控 制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系及某时刻 过程变量的检测值用模糊逻辑推理的方法得出此刻的控制量。这就是模糊控制 的基本思路2 6 , 2 7 1 。 3 2 1 设计模糊控制器 模糊控制主要包括定义变量、模糊化、建立模糊控制规则、模糊推理、解 模糊这几部分。下面结合汽包水位控制系统来设计模糊控制器： ( 1 ) 确定输出变量和输入变量 水位模糊控制器的输入变量可选为实际水位与设定水位的偏差以及该偏差 的变化率，输出变量则是给水量设定值，即： p ( 七) = y r ( k ) - y ( k ) ( 3 - 7 ) e c ( k ) = p ( 七) - e ( k 1 ) ( 3 - 8 ) 在公式( 3 7 ) 中，p ( j i ) 表示实际水位与设定水位的偏差，其中 ( 尼) 代表实 际水位值，而y ( k ) 则为设定水位值。当y a k ) 大于y ( k ) 时，说明实际水位高于给 定水位，偏差结果为“正”，水位越高则偏差“正”得越大；如果v r ( k ) 小于y ( k ) 时，说明给定水位高于实际水位，偏差结果为“负”，水位越低则偏差“负 得 越大。 在公式( 3 - 8 ) 中，e c ( k ) 表示偏差变化率。当e c ( k ) 为正时，表明水位在升 高，e c ( k ) “正”得越大则表示水位上升越快；当e c ( k ) 为负时，表明水位在下降， e c ( k ) “负”得越厉害则表示水位下降越慢。 输出量给水量设定值u ( k ) 将直接影响副调节器p i d 控制的给水设定值，但 两者不想等，前者还要与蒸汽干扰量和给水反馈量相