电厂锅炉蒸汽温度导前微分控制系统设计

本科毕业设计论文题 目 电厂锅炉蒸汽温度导前微分控制系统设计 专业名称学生姓名指导教师毕业时间西北工业大学明德学院本科毕业设计毕业设计任务书一、题目 电厂锅炉蒸汽温度导前微分控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。要求在毕业设计中： (1)分析研究火力发电厂锅炉蒸汽温度控制要求，特点及控制系统设计方法，设计锅炉蒸汽温度导前微分控制系统，达到要求的主要技术指标；(2)开展控制系统方案论证，建立系统数学模型，进行温度控制系统分析；(3)设计导前微分控制系统控制规律，进行参数整定；(4)进行数学仿真，验证设计； (5)撰写毕业设计论文。三、主要技术指标1350MW 机组锅炉过热蒸汽温度保持在 ；05C在减温水流量变化时，锅炉过热蒸汽温度控制系统能稳定运行，衰减系数 ；9.075.2过程动态性能指标为：(1)温度波动最大偏差不超过 ；04C(2)过渡过程时间不大于 ；min23. 锅炉稳定运行时，过热蒸汽温度应在给定值的 范围内02C西北工业大学明德学院本科毕业设计四、进度和要求（1） 1-3 周：收集查阅资料；（2） 4-6 周：完成总体方案设计和建模；（3） 7-8 周：完成系统分析和控制规律设计；（4） 9-11 周：完成仿真验证及修改；（5） 12-13 周：完成毕业设计论文.五、主要参考书及参考资料1 胡寿松主编.自动控制原理（第五版）.科学出版社.2007；2 张晓华主编.控制系统数字仿真与 CAD.机械工业出版社.1999；3 于海生主编.计算机控制技术. 机械工业出版社.2007；4 刘文定，王东林主编.过程控制系统的 MATLAB 仿真. 机械工业出版社.2009；5 薛定宇主编.控制系统计算机辅助设计MATLAB 语言与应用.清华大学出版社.2006；6 邵裕森，戴先中 过程控制工程 北京 机械工业出版社 ，2000；7 金以慧等， 过程控制 ，清华大学出版社，2000 年；8 张栾英，孙万云， 火电厂过程控制 ，中国电力出版社，2004 年；9 于希宁，刘红军， 火电场自动控制理论 ，中国电力出版社，2004 年.10 林德杰.过程控制仪表及控制系统.北京: 机械工业出版社，2004：西北工业大学明德学院本科毕业设计学生 指导教师 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计I摘 要本 文 是 针 对 锅 炉 蒸 汽 温 度 控 制 系 统 进 行 的 分 析 和 设 计 ， 而 对 锅 炉 蒸 汽 的 良好 控 制 是 保 证 系 统 输 出 蒸 汽 温 度 稳 定 的 前 提 ， 只 有 当 串 级 控 制 系 统 选 用 PID控 制 器 时 ， 其 系 能 才 优 于 导 前 微 分 控 制 系 统 ， 所 以 本 次 设 计 的 内 容 是 导 前 微 分系 统 的 研 究 和 设 计 。 火 电 厂 锅 炉 过 热 汽 温 控 制 系 统 是 火 电 厂 热 工 控 制 的 主 要 组成 部 分 ,过 热 器 的 主 要 任 务 是 保 证 锅 炉 所 产 生 的 蒸 汽 维 持 在 一 定 温 度 范 围 之 内 ，同 时 在 锅 炉 允 许 的 负 荷 波 动 变 化 范 围 内 以 及 工 况 变 化 时 保 持 过 热 蒸 汽 温 度 正 常 ，其 波 动 保 持 在 规 定 范 围 以 内 。对 于 过 热 蒸 汽 温 的 控 制 通 常 采 用 传 统 的 PID 控 制 如 串 级 控 制 和 导 前 微 分 控制 ， 这 两 种 控 制 方 法 对 于 具 有 非 线 性 、 大 滞 后 、 大 惯 性 和 不 确 定 性 的 汽 温 对 象 ，都 能 得 到 令 人 满 意 的 控 制 效 果 。 主 要 考 虑 的 部 分 是 锅 炉 温 度 蒸 汽 控 制 系 统 设 计 ，蒸 汽 过 热 系 统 包 括 一 级 过 热 器 、 减 温 器 、 二 级 过 热 器 ， 锅 炉 气 温 控 制 系 统 主 要包 括 过 热 器 和 再 热 蒸 汽 温 度 的 调 节 。 主 要 蒸 汽 温 度 与 再 热 蒸 汽 温 度 的 稳 定 对 机组 的 安 全 经 济 运 行 是 非 常 重 要 的 。本 文 设 计 了 火 力 发 电 厂 单 元 机 组 过 热 汽 温 的 控 制 系 统 。 通 过 介 绍 过 热 器 的工 作 原 理 和 结 构 特 点 ， 然 后 分 析 影 响 过 热 汽 温 的 各 种 因 素 ， 最 后 本 人 应 用 的 是导 前 微 分 控 制 等 效 为 串 级 控 制 系 统 进 行 的 参 数 整 定 和 仿 真 。 仿 真 结 果 表 明 ：统具有很强的抗干扰能力，当有扰动进入系统中时，系统能够快速的做出反应，消除干扰，保证系统的主蒸汽温度稳定，使得系统安全、高效。 关 键 词 ： 过 热 汽 温 ； 串 级 控 制 ； 导 前 微 分 控 制 ； PID 控 制西北工业大学明德学院本科毕业设计IIABSTRACT Of this article is in view of the boiler steam temperature control system analysis and design, and the good control of the boiler steam is the premise to guarantee the stability of the system output steam temperature, only when the PID controller is used in the cascade control system, the system can only better guide before the differential control system, so the content of this design is a leading research and design of differential system. Power plant boiler superheated steam temperature control system is the main part of power plant thermal control, the main task is to ensure that the boiler superheater steam generated by the maintain at a certain temperature range, at the same time in the boiler allowing load fluctuation range and keep the superheated steam temperature to normal working condition changes, the volatility remains within the prescribed scope.For superheated steam temperature control usually adopt the traditional PID control, such as differential control, cascade control and guide before the two control methods for nonlinear, large lag and large inertia and uncertainty of steam temperature object, can get satisfactory control effect. Part of the main consideration is the boiler steam temperature control system design, including primary superheater overheating steam system, attemperator and the secondary superheater, the boiler temperature control system mainly includes the superheater and reheat steam temperature regulation. The stability of the main steam temperature and reheat steam temperature is very important for safe and economic operation of the unit.This paper designed the coal-fired power plant unit of superheated steam temperature control system. Through the introduction of the working principle and structural features of superheater, and then analyzed the various factors influencing the superheated steam temperature, the final equivalent differential control before my application is a guide for the parameters of the cascade control system for setting and 西北工业大学明德学院本科毕业设计IIIsimulation. The simulation results show that the system has strong anti-interference ability, when there is a disturbance into the system, the system can react quickly to eliminate interference, guarantee the stability of main steam temperature of the system, make the system safe and efficient.Key words: the superheated steam temperature; Cascade control; Lead differential control; PID control西北工业大学明德学院本科毕业设计IV目 录第一章 前言 .71.1 选题的意义 .71.2 毕业设计的任务分析 .71.2.1 毕业设计的要求 .71.2.2 主要技术指标 .8第二章 概述 .92.1 过程控制 .92.2 MATLAB 软件 .112.3 锅炉温度控制技术国内外现状分析 .122.3.1 研究背景 .122.3.2 定值开关温度控制法 .122.4 PID 线性温度控制法 .132.5 智能温度控制法 .142.6 国内外实例 .15第三章 汽包锅炉蒸汽温度控制系统方案 .173.1 过热气温的调节方法 .173.2 过热汽温控制的难点及设计原则 .173.3 导前微分控制系统 .183.4 串级控制系统的特点 .193.5 过热气温控制系统方案基本方案 .20第四章 PID 控制器原理 .214.1 PID 控制器简介 .214.1.1 比例（P）调节 .21西北工业大学明德学院本科毕业设计V4.1.2 积分（I）调节 .214.1.3 微分（D）调节 .214.2 PID 控制系统 .224.3 PID 控制参数的整定及方法 .234.4 PID 控制参数整定方法 .23第五章 系统建模 .275.1 被控对象建模 .275.2 执行器的选择 .285.3 控制仪表的选择 .295.3.1 温度变送器的选择 .295.3.2 温度传感器的选择 .295.4 主、副控制器控制规律的选择 .295.4.1 控制器正反作用的选择 .315.4.2 导前微分控制系统的分析 .325.5 导前微分控制系统的参数整定 .345.6 两种汽温自动控制系统的比较 .375.7 系统控制参数的确定 .385.7.1 主变量的选择 .385.7.2 副变量的选择 .385.7.3 操纵变量的选择 .38第六章 控制器的设计及仿真 .396.1 设计控制系统框图 .396.2 Simulink 控制系统仿真 .406.2.1 等效为串级控制系统 .406.2.2 主调节器参数调整后的 Simulink 图和仿真图 .416.3 主调节器加扰动的 Simulink 图和仿真图 .42第七章 结论 .44西北工业大学明德学院本科毕业设计VI致 谢 .46参考文献 .47毕业设计小结 .49西北工业大学明德学院本科毕业设计7第一章 前言1.1 选题的意义随着现代工业生产的迅速发展 ,对工艺操作条件的要求更加严格 ,对安全运行及对控制质量的要求也更高。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至于烧坏过热器的高温段，严重影响安全。而单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求 ,在这样的情况下 ,导前微分控制系统就应运而生。目前广泛采用的过热汽温控制系统主要有：串级控制系统和导前微分信号的双回路控制系统。现阶段对过热汽控制系统的研究还有过热汽温智能控制，串级控制的 Smith 预估控制等。应用于实际生产之中的控制方式以传统方式为主，继续提高主气温、再热汽温的控制品质，仍有较高的理论与实用价值。我的设计采用导前微分控制算法对被控对象进行分析和整定，导前汽温微分信号的双回路系统较为简单，一般情况下完全能满足生产商的需求，是改善汽温控制系统调节品质的有效方案。选择此控制策略，从工程上讲是提高系统的稳定性，系统的运行参数能够及时掌握，进一步的提高生产工艺的成熟系数，提高生产效率。从控制思想上来讲是提高对自动化理论的认识，理论和实践结合起来。能够促进自己的进一步学习。1.2 毕业设计的任务分析1.2.1 毕业设计的要求1.设计电厂锅炉导前微分控制系统2.通过对锅炉温度的了解，提出控制系统的具体方案，进而分析影响温度的 西北工业大学明德学院本科毕业设计8因素。3.建立锅炉温度控制系统的数学模型；4.设计温度控制规律，进行参数正定；5.利用 MATLAB 软件进行仿真验证，修改设计；6.撰写毕业设计论文。1.2.2 主要技术指标1.锅炉汽包内径 1.8m,筒身长 20m；正常水位在汽包几何中心线下 100mmmm 处；给水流量 W=0450t/h，蒸汽流量 D=0500t/h；502.在给水流量变化和蒸汽流量扰动下，锅炉汽包水位控制系统能稳定运 行，衰减系数 ；9.075.3.过程动态性能指标为：(1)水位波动最大偏差不超过 mm；8(2）水位恢复到 mm 范围内的时间不大于 ；15min24. 锅炉稳定运行时，汽包水位应在给定值的 mm 范围内变化。15西北工业大学明德学院本科毕业设计9第二章 概述2.1 过程控制(1)工业过程控制的发展概况自本世纪 30 年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度、液位、压力、流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，导前微分控制、比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC） 。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。（2）过程计算机控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护西北工业大学明德学院本科毕业设计10的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过 A/D 转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经 D/A 转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象检测与执行装置外） 。(1)过程计算机系统的硬件部分：由中央处理器时钟电路 内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集数据处理逻辑判断控制量计算越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。包括各种控制开关数字键 功能键指示灯声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。通用外围设备包括打印机记录仪图形显示器闪存等，它们用来显示 存储打印记录各种数据。I/O 接口和 I/O 通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O 通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量 I/O 通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参西北工业大学明德学院本科毕业设计11数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。（2）过程计算机系统的软件部分：系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集滤波程序控制量计算程序生产过程监控程序） ，应用软件的优劣将影响到控制系统的功能精度和效率。2.2 MATLAB 软件MATLAB 软件是由美国 MathWorks 公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB 最早发行于 1984 年，经过 10 余年的不断改进，现今已推出基于Windows 2000/xp 的 MATLAB 7.0 版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MATLAB 系统由五个主要部分组成：(1)MATALB 语言体系 MATLAB 是高层次的矩阵数组语言具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 西北工业大学明德学院本科毕业设计12(2)MATLAB 工作环境 这是对 MATLAB 提供给用户使用的管理功能的总称包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理 M 文件的各种工具。(3)图形图像系统 这是 MATLAB 图形系统的基础，包括完成 2D 和 3D 数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB 命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令，以及开发 GUI 应用程序的各种工具。 (4)MATLAB 数学函数库 这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB 应用程序接口 (API) 这是 MATLAB 为用户提供的一个函数库，使得用户能够在 MATLAB 环境中使用 c 程序或 FORTRAN 程序，包括从MATLAB 中调用于程序(动态链接)，读写 MAT 文件的功能。 MATLAB 还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。MATLAB 具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB 的控制系统工具箱 (Control System Toolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB 的系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。2.3 锅炉温度控制技术国内外现状分析2.3.1 研究背景温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自 18 世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉西北工业大学明德学院本科毕业设计13生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力。2.3.2 定值开关温度控制法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。2.4 PID 线性温度控制法1922年美国的 Minorsky 在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的设计方法1，标志了 PID 控制的诞生。随后，PID 控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。 20世纪3040年代，经典的域设计法得到了很快的发展。较为重要的是 Nyquist 和 Bode 在稳定性理论上所取得的重要成就。这种经典设计方法是设计一种反馈补偿器，以获得一定量的稳定裕度，重点考虑了模型的不确定性，并利用反馈来减少系统对干扰和模型误差的灵敏度。补偿器的设计主要是采用由 Nyquist 稳定准则引申出来的图解法。进入50年代以后，发展较快的是解析法，并且定义了一些瞬态性能指标。借助于模拟计算机的帮助，能较为方便的检测时域响应指标。然而，与此同时对控制系统的鲁棒性和灵敏度的关注有所降低。20世纪50年代中期，随着数字计算机的出现，用差分方程来描述控制系统模型的方法得到了应用。对人造地球卫星的控制促进了现代控制理论的发展，最优控制被用于去寻找非线性动态系统的最优轨迹。20西北工业大学明德学院本科毕业设计14世纪60年代，基于最优化技术的控制器设计方法在解决各种不同设计问题上显示出了其优势。现代控制理论开始应用于实际的过程控制，但这需要对过程对象建立精确的数学模型，所以实际上往往难以得到精确的数学模型。因此进入七十年代以后，鲁棒性问题得到了人们更多的关注。从20世纪80年代开始，在单回路 PID 控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID 控制理论从此进入了高速发展阶段。由于 PID 控制算法简单、可靠性高等特点，在控制技术高速发展的今天，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。由于 PID 调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现 PID 调节功能。前者称为模拟 PID 调节器，后者称为数字 PID调节器其中数字 PID 节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个 PID 参数（即比例值、积分值、微分值） 。只要 PID 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。它对大多数工业控制对象都能达到较好的控制效果，但它有明显的缺点，比如依赖于对象模型对于非线性、大滞后、时变系统控制效果不理想等。而且随着生产的发展，对控制的实时性与精度要求越来越高，被控对象也越来越复杂，单纯采用常规 PID 控制器己不能满足系统的要求，因此出现了许多新的控制方法。比如自适应控制、最优控制、智能控制、鲁棒控制、满意控制等，这些控制策略引入到PID 控制系统的设计当中极大地提高了系统的控制性能。其中，智能 PID 控制近几年引起了人们极大的研究兴趣。将智能控制方法和常规 PID 控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能 PID 控制器。它吸收了智能控制与常规 PID 控制两者的优点。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化;其次，它又具有常规PID 控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。2.5 智能温度控制法1971年，著名的美籍华裔科学家傅京孙教授最早公开指出了一个崭新的研究西北工业大学明德学院本科毕业设计15领域，并提出了相应的概念，这就是智能控制系统（Intelligent Control Systems） 。1985年8月，IEEE 在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统结构这一提法成为这次会议的主要议题。这次会议决定，在 IEEE控制系统学会下设立一个 IEEE 智能控制专业委员会。这标志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。智能控制作为一门独立的学科，已正式在国际上建立起来。在过去的20多年里，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新颖的控制理论。 智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系。智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常广泛的应用领域。智能可定义为:能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体力行为的综合。智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与 PID 控制相结合，实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应 PID 算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。2.6 国内外实例甘肃大学的赵紫静研究了一种基于 PID 温度控制技术的 X 射线发生器。这种发生器需要将其精度控制在0.5左右，才能保证器件输出的 X 射线波长不发生西北工业大学明德学院本科毕业设计16超出要求的飘移，否则，X 射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使用 7。在温控过程中，由于难以建立控制对象的精确数学模型，所以可以用 PID 技术根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围精度内的稳定动态平衡。模糊温度控制是基于模糊逻辑描述的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。武汉科技大学信息科学与工程学院的贾静云等将模糊 PID 温度控制技术运用在烟气加热炉炉温控制系统中，使得烟气加热炉的运行状况和维护条件得到了明显的改善，提高了喷煤比和设备开机率，降低了能耗和设备故障次数，很大程度地提高了生产效率8。中国内蒙古科技大学信息工程学院的董志学等研究了一种基于模糊 PID 控制系统的热分析仪控制策略，结合了模糊控制技术和 PID 控制技术，提高了对控制对象的适应能力，进而提高了温度控制的精度。数字 PID 控制则是一种是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的智能控制。海军航空工程学院基础实验部的李建海等设计了一种上位机监控采用组态软件，下位机采用西子PLC 的电路智能温度控制系统，实现了智能控制、闭环控制、多控制功能为一体的综合控制系统。昆明理工大学信息工程与自动化学院的王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络 PID 与 Labview 人及交互结合，实现对锅炉温度的数据采集、控制和现实，提高了锅炉温控系统的效率。英国的 Hamid 等将 PID 控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用 MATLAB/Simulink 软件仿真和误差分析图的方式与传统的 ON-OFF 控制做了细致的比较。结果表明，PID 控制无论是在精度和控制性能方面都优于 ON-OFF 控制。日本 Komatsu Electronics 公司的 Kazuhiro Mimura 对基于PID 控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法是可行的。西北工业大学明德学院本科毕业设计17第三章 汽包锅炉蒸汽温度控制系统方案3.1 过热气温的调节方法维持稳定的汽温是保证机组安全和经济运行所必须的。汽温过高会使金属应力下降，将影响机组的安全运行；汽温降低则会机组的循环的效率。据计算，过热器在超温10到20下长期运行，其寿命会缩短一半；而汽温降低10会使循环若效应降低0.5，运行中一般规定汽温额定值的波动不能超过10+5。因此，要求锅炉设置适当的调温手段，以修正运行因素对汽温波动的影响。对汽温调节方法的基本要求是：调节惯性或延迟时间小，调节范围大，对热循环热效率影响小，结构简单可靠及附加设备消耗少。汽温的调节可归结为两大类：蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。所谓蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。例如喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水的加热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷入的水量，可以达到调节汽温的目的。烟气侧的调节，使通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例的方法（例如调节燃烧器的倾角，采用烟气再循环等）或改变流经过热器的烟气量的方法（如调节烟气挡板）来调节过热蒸汽温度。3.2 过热汽温控制的难点及设计原则过热汽温调节系统的难点在于:西北工业大学明德学院本科毕业设计18(1) 发生扰动后，时滞较大。此外，测量温度的传感器也有较大的惯性。(2) 设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。从调节的角度来看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使调节作用的时滞最小，但是从设备安全的角度看，减温设备应安装在过热器入口的地方。(3) 造成过热汽温扰动的因素很多，各钟因素之间有相互影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口汽温改变的因素有：蒸汽流量的变化、燃烧工况耳的变化、锅炉给水温度的变化、进入过热汽温热焙的变化、流经过热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。综上所述，过热汽温控制系统设计原则可归纳为：（1）从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（如改变烟温或烟气流速）的调节手段是比较理想的，但具体现实比较困难的，所以一般很少被采用。（2）喷水减温对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛使用的过热汽温调节方法。采用喷水减温时由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得好的调节品质。针对过热汽温调节对象调节通道惯性延迟大、被调节信号反馈慢的特点，应该从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。（3）使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映过热气温的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。3.3 导前微分控制系统在温度控制系统中，常用的一种便是导前微分控制系统。这种控制系统的结构特点是：只用了一个调节器，调节器的输入取了两个信号。一个信号是主汽温经变送器直接进入调节器的信号，另一个信号则是减温器后的温度经微分器后送入调节器的信号。在时间和相位上，后一个信号超前于主信号（主汽温信号） ，因此把这种系统称为导前微分控制系统。又因为它有两个信号直接送入到调节器，所以也称这样的系统为具有导前微分信号的双冲量控制系统。微分作用能反映输西北工业大学明德学院本科毕业设计19出量的变化趋势，因而能提前反映输出量的变化，把这种作用用于控制系统，能改善控制性能。 导前微分控制系统的组成及原理:采用导前微分信号的过热汽温控制系统如 3-1 所示。这个系统引入了导前汽温 的微分信号作为调节器的补充信号，以改善控制质量。因为 和主汽温 的2 21变化趋势是一致的，切 的变化比 快的多，因此它能迅速反映 的变化趋势。21 1引入了 的微分信号后。将有助于调节器的动作快速性。在动态时，调节器将根2据 的微分信号和 与 的给定值之间的偏差而动作；但在静态时， 的微分信1 2号消失，过热汽温 必然等于给定值。如果不采用导前信号 的微分信号，则在 2静态时，调节器将保持 等于给定值，而不能保持 等于给定值。12()1由图 10 所示的系统结构图我们可以画出导前汽温微分信号控制系统的原理方框图，如图 11 所示。它包括两个闭合的控制回路： (1)由控制对象的导前区 ，导前汽温变送器 、微分器 、调节02()Ws2r()dWs器 、执行器 和减温水调节阀 组成的副回路（导前补偿回路） ；()TWsZKK(2)由控制对象的惰性区 、主汽温变送器 和副回路组成的主回路。01()s1r西北工业大学明德学院本科毕业设计20图 3-1 导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统3.4 串级控制系统的特点串级控制系统具有以下特点: (1)串级控制系统具有很强的克服内扰的能力系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个优点越显著。 (2)串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率，当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副调节器都采用比