基于模糊pid控制的锅炉汽包水位控制系统的研究

摘要本文首先分析了影响汽包水位的各种干扰因素，并对汽包水位的动、静态特性进行分析。介绍了传统的PID控制方式，由于锅炉汽包水位控制系统的调节器的输入端常加有三个不确定的输入量，极易引起水位控制偏差。所以本文提出了两种消除水位偏差的方法辅助信号自消方法和辅助信号对消方法。采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差，根据锅炉汽包水位控制实际要求，采用模糊PID控制，用MATLAB中的SIMULINK仿真工具箱设计了二输入单输出模糊控制器对锅炉汽包水位进行在给定值下仿真。并用常规PID和模糊PIDF方法去控制汽包液位，对比两种控制策略下的防真图像，仿真图像表明后者的抗干扰能力和鲁棒性更好，可以保证水位的稳定，并且能有效解决用常规PID无法解决的“虚假液位”问题。最后简单介绍几种由汽包水位测量方法及测量误差带来影响、及消除方法，通过现场实例解决了汽包水位测量不准的问题，减少了由于水位测量误差给汽包水位带来的不利影响。关键词汽包水位、虚假液位、PID控制、模糊PID控制、水位测量误差ABSTRACTTHISARTICLEFIRSTANALYZESTHEIMPACTOFTHEDRUMWATERLEVELOFTHEVARIOUSINTERFERINGFACTORS,ANDDRUMWATERLEVELOFTHEDYNAMICANDSTATICANALYSISFEATURESINTRODUCEDTHETRADITIONALPIDCONTROL,DUETOTHEBOILERDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMINPUTREGULATORHASTHREEREGULARINCREASEOFTHEINPUTUNCERTAINTYISVERYEASYTOCONTROLTHEDEVIATIONCAUSEDBYTHEWATERLEVELTHEREFORE,THISPAPERTWOMETHODSTOELIMINATETHEWATERLEVELDEVIATIONAUXILIARYSIGNALFROMTHEELIMINATIONMETHODANDAUXILIARYSIGNALCANCELLATIONMETHODTHEUSEOFAUXILIARYSTEAMFLOWSIGNALANDWATERFLOWRATEONTHEELIMINATIONMETHODTOELIMINATETHEWATERLEVELDEVIATIONOFTHEBOILERDRUMWATERLEVELCONTROLINACCORDANCEWITHPRACTICALREQUIREMENTS,THEUSEOFFUZZYPIDCONTROL,THEUSEOFMATLABSIMULATIONTOOLBOXSIMULINKDESIGNTWOINPUTSINGLEOUTPUTFUZZYCONTROLLERONTHEBOILERDRUMTHEWATERLEVELTOTHENEXTVALUEINAGIVENSIMULATIONUSINGCONVENTIONALPIDANDFUZZYCONTROLAPPROACHTOPIDFDRUMLEVEL,COMPAREDTOTWOCONTROLSTRATEGIESOFANTIREALIMAGES,SIMULATIONIMAGESSHOWTHATTHELATTERSANTIINTERFERENCEABILITYANDROBUSTNESSBETTER,CANGUARANTEETHESTABILITYOFTHEWATERLEVEL,ANDCANEFFECTIVELYSOLUTIONCANNOTBERESOLVEDWITHCONVENTIONALPID“FALSELEVEL“PROBLEMFINALLY,ABRIEFINTRODUCTIONBYTHEDRUMWATERLEVELOFSEVERALMEASUREMENTMETHODSANDABOUTTHEIMPACTOFMEASUREMENTERROR,ANDTHEELIMINATIONMETHOD,THROUGHONSITEEXAMPLEOFTHEDRUMWATERLEVELMEASUREMENTSOLUTIONTOTHEPROBLEMOFNOTALLOWEDTOREDUCEMEASUREMENTERRORDUETOTHEWATERLEVELTOTHENEGATIVEDRUMWATERLEVELIMPACTKEYWORDSDRUMWATERLEVEL、PIDCONTROL、FUZZYPIDCONTROL,、WATERLEVELMEASUREMENTERROR第一章绪论11课题背景与意义目前，我国现有工业锅炉几十万台，各种工业炉窑十万余台。锅炉和工业炉窑年耗标准煤约3亿吨以上，是国家的一个耗能大户。由于技术落后、设备陈旧、操作水平低，目前锅炉和工业炉窑普遍存在着热效率低、能耗高的问题。我国正面临能源紧缺的危机，锅炉和工业炉窑采用计算机控制是一项重要的节能措施。实践证明，炉窑采用计算机控制可以节能510。此外，锅炉和工业炉窑采用计算机控制，还具有减少环境污染、降低氧化烧损率、提高自动化水平、改善劳动条件等优点。计算机控制系统的主要任务是对锅炉生产的主要被控参量进行自动控制，使锅炉保持在所要求的良好工况下运行。锅炉是现代工业、企业、事业单位的工作生产动力之源，锅炉安全经济运行是保障国家财产及人民生命安全，促进国民经济发展，合理使用和节约能源的重要保证。锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其安全性尤为重要。只有在充分保证锅炉安全生产、保护环境和运行可靠的前提下，通过科学管理、技术改造、提高操作及运行水平，使锅炉实现热效率高的状态。鉴于锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性，经济性，稳定性具有深远的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用。其中压力、水位、温度是锅炉运行质量的重要指标，水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，使水位严格控制在规定范围内。正常运行时的锅炉燃烧系统必护使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏过热蒸汽温度过低，降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。所以，在锅炉运行中必须保持过热汽温的稳定性。另外，压力过大容易带来危险。所以，要把压力、水位、温度控制在规定范围内。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下列自动调节任务1保持汽包水位汽包水位是工业锅炉正常运行的主要指标。水位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象水位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重力事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，把水位严格控制在规定范围内。2维持蒸汽压力蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力过高，会加速金属的蠕变，导致锅炉受损压力过低，就不可能提供给负荷设备符声质量的蒸汽。因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。3维持炉膛负压炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在2040PA的范围内，这时燃烧状况，锅炉房工作条件，炉膛的维护及安全运行都最有利。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。负压太大，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。因此，需要维持炉膛压力在一定的范田之内。4维持过热蒸汽温度恒定为了保证汽轮机正常工作，必须保证过热蒸汽温度恒定，蒸汽温度过高或过低都会影响汽轮机的安全运行，所以过热蒸汽温度是影响安全的重要参数，一般要求温度变化保持在士5的范围之内。5保证锅炉燃烧的经济性锅炉的热效率主要取决于空燃比。如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。因此，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，保持炉膛烟气出口处的过剩空气系数为最佳值，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道工业锅炉的汽包水位是正常运行的主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的被调参数。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包的汽水分离。产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。由此可见。锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要意义。因此本文就是以锅炉汽包水位控制为例来研究模糊自调整PID控制在锅炉控制中的应用。12锅炉控制的研究现状锅炉是电力工业发电的三大设备之一，同时也是工矿企业生产的重要热力设备，随着改革开放后国民经济的高速发展，锅炉工业得到了飞速发展，我国现有数十万套锅炉在运行，每年还有数十万套的新造工业锅炉投入运行。因为锅炉的燃烧是多输入多输出系统，并且各参数之间相互影响，相互制约，并且有时受负荷干扰严重，因此很难用精确的数学模型来表示，用经典控制理论难以实现有效的控制，目前在工程设计中经常采用的方法是具体分析生产过程的特点和要求，在设计单回路为主的基础上，考虑多叨，变量系统的特点，加以补充修正。因各回路之间的相互制约，控制效果也不近人意，并且设计复杂，造价高，这样中小型用户就难以负施。因此还有相当多的锅炉特别是中小型锅炉还在简单的启动停止的状态下运行，控制靠人工实现，这样锅炉运行好坏完全依靠工人的经验和责任心。这一方面造成经济效益差，不安全，还容易造成工业事故，另一方面，煤燃烧不充分也造成严重的环境污染。目前，也有一些科研人员运用一些控制理论来控制锅炉1基于PID控制的锅炉控制传统的PID控制用在锅炉控制中，原理简单，易于实现，鲁棒性较强，是应用最广泛的控制方法，但是也存在局限性性，超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。2基于模糊控制的锅炉控制模糊控制用在锅炉控制中，有效地克服复杂系统的非线性及不确定特性，因而与传统控制比较有较强的鲁棒性。但模糊控制的控制作用较粗糙，使得稳态控制精度较低。3基于模糊PID控制的锅炉控制模糊PID控制用在锅炉控制中，能对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID参数，的在线自整定，不仅保持了常规控制系统原理简单、使PKID用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更精确。近年来，人们对模糊智能PID控制器、神经网络智能PID控制器、混沌PID智能控制器及遗传算法神经网络PID智能控制器等，产生了浓厚的兴趣，研究者甚多。模糊控制己成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。本文就是对模糊PID控制在锅炉控制中的应用进行研究。13本文的主要研究内容本论文就锅炉水位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉水位控制特性所提出的问题。建立了锅炉水位控制特性的数学模型，分别采用PID控制手段和模糊控制方法来设计锅炉水位控制系统，并进行了对比讨论，仿真表明模糊控制方法要优于PID控制方法但是也存在缺点，最后采用模糊自调整PID控制来设计锅炉水位控制系统，仿真证明了采用模糊自调整PID控制优于PID控制和纯模糊控制。第二章控制方法分析21PID控制原理211在控制系统中，控制器最常用，最简单的控制规律是PID控制，它是一种比例、积分、微分并联控制器。常规PID控制系统的原理框图如下图21所示RTETUTYT图21PID控制系统原理图PID控制器的数学模型可用下式表示1DTETTEITKPTU其中UT控制器的输出ET控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号，即ETYTRT控制器的比例系数PK控制器的积分时间IT控制器的微分时间D212PID对控制的影响（1）比例P调节在P调节中调节器的输出信号与偏差信号成正比，即PUKE比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入信号成比例关系。由于控制器的输出和偏差成正比例关系，所以系统存在残余偏差余差。越大，余差越小，但是若过分大，系PKPK统容易振荡，甚至发散。（2）积分调节I只有存在偏差，积分部分的控制作用就会不断积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。但比例P积分I微分D被控对象积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能偏差，使闭环系统不稳定。对于积分时间T，当T较大时，则积分作用比较弱，这是有利于系统减少超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除静差的时间较长。当T较小时，积分作用较强。这是系统过渡过程有可能产生振荡，但消除静差所需时间较短。（3）微分部分微分作用的强弱由微分时间TD决定。TD越大，微分作用越强，即控制作用越强，但微分时间过长时，容易引起系统的不良振荡TD越小，微分作用越弱。由于微分作用的输出与偏差变化的速度成正比，这种根据偏差变化的趋势提前采取措施称为“超前”。因此，微分作用也称为超前作用，这是微分作用的一个特点。（4）PID控制器的参数整定如果曲线振荡很频繁，要把比例度适当调大，反之调小比例度；如果曲线偏离太大，而且回复较慢，应该把积分时间调小，如果曲线波动周期较长，应把积分时间加长；如曲线振荡频率太快，应把微分时间降低，如曲线动差大且波动慢，微分时间应该加长；理想的曲线是有两个波动的，前高后低，前面和后面的幅度比大约是4122模糊控制方法221模糊控制的起源与发展模糊控制理论是在美国加利福尼亚大学的扎德教授与1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展和需要分不开的。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而出于一系列原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量不完善等，难以建立被控对象的数学模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象的数学模型，但却能十分有效地对系统执行控制。人的经验是一系列含有语一言变量值的条件语句翁规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。因此，模糊集合理论用于描述人的经验就有着独特的优势。可以把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合理论对语一言变量进行量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这也就是模糊控制器的工作过程。222模糊控制的基本思想模糊控制的基木思想就是利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。如人工控制水槽水位的经验可以表达为若水槽无水或水较少时，则开大水阀若水位和要求的水位相差不太大，则把水阀关小若水位快接近要求的水位，则把阀门关得很小这些经验规则中，“较小”、“不太大”、“接近”、“开大”、“关小”、“关得很小”这些表示水位状态和控制阀门动作的概念都带有模糊性，这些规则的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需化成模糊IF用模糊逻辑推理的方法得出此刻的控制量。这正是模糊控制的基本思路。由于模糊控制器的模型不是山数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条件语句构成的语言形式，因此从这个角度上讲，模糊控制器又称模糊语言控制器。模糊控制器的模型是由带有模糊性的有关控制人员和专家的控制经验和知识组成的知识模型，是基于知识的控制，因此模糊控制属于智能控制的范畴。因此可以说，模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控制。223模糊控制系统的组成模糊控制系统的基本原理可由图22表示A/D模糊控制D/A执行机构被控对象传感器图22模糊控制系统的基本原理框图224模糊控制的主要优点模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主要是1使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产过程很难获得过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。2对于具有一定操作经验、但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。3操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。4采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性23模糊PID控制规律231模糊PID的概念根据PID控制器的三个参数与偏差E和偏差的变化之间的模EC糊关系，在运行时不断检测E及EC，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。就我的理解而言，它最终还是一个PID控制器，但是因为参数可自动调整的缘故，所以也能解决不少一般的非线性问题，但是假如系统的非线性、不确定性很严重时，那模糊PID的控制效果就会不理想啦。232模糊PID的控制规律这个控制规则当然很重要，一般经验1当E较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的。与较小的，同时为避免系统响应出现较大的超调，应PKDK对积分作用加以限制，通常取0。IK2当E处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，应取得小些。在这种情况下，的取值对系统响应的影响PKD较大，的取值要适当。I3当E较小时，为使系统具有较好的稳定性能，与PK均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，IK值的选择根据|值较大时，取较小值，通常为中等DECDKD大小。另外主要还得根据系统本身的特性和你自己的经验来整定，当然你先得弄明白PID三个参数，各自的作用，尤PKID其对于你控制的这个系统。模糊PID参数自调整算法是在PID控制的基础上引入模糊控制的思想。采用模糊PID参数自调整算法,可以使控制器的参数在控制过程中能够自动地调整、修改和完善,从而使系统的控制性能不断完善达到最佳控制效果。第三章锅炉汽包水位控制特性31汽包水位调节对象的动态特性在热力生产过程中，汽包锅炉水位是正常运行的主要指标之一，是非常重要的被调量，在锅炉运行中占据首要地位。水位过高，会影响汽包内，蒸汽带水会使饱和蒸汽降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁上的结垢水位过低，则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏严重时会造成爆炸事故。所以，工业锅炉的自动化大多数都是从汽包水位自动调节开始的。其中锅炉汽包水位自动调节中的被调量和干扰因素包括被调量汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负荷、过剩空气系数；干扰因素蒸汽负荷、锅炉给水量、燃料量、减温水、送风和引风；一、给水自动调节系统的任务主要包括两个方面1、是使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围之内波动；2、是保持给水量的稳定。汽包水位的高低反映了给水量和蒸发量之间的物料平衡关系。汽包锅炉正常水位一般规定在汽包中心线以下100200MM处，允许波动范围为50MM。汽包水位的高低直接影响锅炉的安全运行和蒸汽的品质。水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作，严重时导致蒸汽带水量增加，使过热器管壁和汽轮机喷嘴、叶片结垢，甚至造成汽轮机发生水冲击而损坏叶轮；水位过低，则破坏了正常水循环，以致烧坏某些受热面，影响锅炉寿命，严重时会造成爆炸事故，危及人身和设备的安全。所以，及时调整给水流量，维持给水流量与蒸汽流量间的平衡关系，以适应负荷变化的要求，实现汽包锅炉水位自动调节十分必要。二给水自动调节的任务锅炉在正常运行时，如果给水流量剧烈波动，会影响省煤器和给水管道的安全运行，所以负荷不变时，给水流量不应出现剧烈波动。锅炉汽包水位的自动调节是根据汽包水位的动态特性来设计的。以汽包水位H作为被调量，以给水调节阀作为调节机构来改变调节量，即给水量，达到保持水位在允许的范围之内。引起水位变化的扰动因素很多，但主要扰动是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。引起水位变化的扰动因素很多，但主要扰动是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。根据锅炉的容量、负荷变化的快慢以及调节精度的要求，汽包水位调节系统可分为（1）以汽包水位为唯一调节信号的给水自动调节系统，称为单冲量给水自动调节系统；（2）以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量为补充信号的给水自动调节系统，称为双冲量给水自动调节系统；（3）以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量和给水流量为补充信号的给水自动调节系统，称为三冲量给水自动调节系统。汽包锅炉给水自动调节系统，根据使用厂家的要求和条件，可以选用电动仪表、气动仪表，也可以选用组装仪表或锅炉自控仪。随着科学技术的发展，计算机控制技术在汽包锅炉自动控制中的应用越来越多。32给水流量的调节方式目前，给水流量的调节方式主要有两种一种是依靠改变调节阀门开度来改变给水量的节流调节方式，另一种是依靠改变给水泵的转速来改变给水量的变速调节方式。以往，由于受到变速水泵制造技术的限制，锅炉大都采用定速水泵供水。锅炉给水量改变是依靠改变调节阀门的开度来实现的，称为给水流量的节流调节方式，其系统示意图如图31所示13456图31给水流量系统图1给水母管2给水调节阀3省煤器4汽包5下水管6上升管7过热管8蒸汽母管工业锅炉汽水系统结构如图31所示。汽包及蒸汽管系中储藏着蒸汽和水，储藏量的多少，是以被控制量水位表征的，278汽包的流入量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。下面我们分别来讨论在这三种扰动作用下给水调节对象的动态特性。给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线如图32所示。当给水流量阶跃增加W后，水位的变化如图中曲线2所示。给水流量增加，一方面使进入锅炉汽包的给水量增加；另一方面使温度较低的给水进入省煤器、汽包及水循环系统，吸收了原有饱和水中的一部分热量，致使水面下汽泡体积减小。WOAAHOT213HTWB图32给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线（1）图中曲线1为不考虑水面下汽泡容积变化，仅考虑物料不平衡时的水位反应曲线。由于给水压力很高，汽包水位变化对给水流量的自平衡作用可以忽略不计，所以反应曲线1可以认为是无自平衡能力积分环节的特性。（2）曲线3是不考虑物料不平衡关系，只考虑给水流量变化时水面下汽泡体积变化所引起的水位变化。给水流量增加时，汽泡体积收缩，水位逐渐下降，直到汽泡体积不再变化，所以曲线3可以看作为是惯性环节的特性。在给水流量扰动下，实际的水位变化曲线2可以认为是曲线1和3的合成。通过上面对水位调节对象在给水流量扰动下的阶跃响应曲线分析，可以把水位调节对象以方框图33（A）表示，即把对象看成为是一个积分环节和一个惯性环节的并联。经过变换也可把它看作为积分环节和惯性环节的串联如图33（B）所示。W/S/1SHAB（A积分环节和惯性环节并联B积分环节和惯性环节串联图33给水流量扰动时水位调节对象方框图因此,给水流量扰动下的汽包水位的动态特性可用传递函数表示为1SSWHSG公式中迟延时间S给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度和可由水位响应曲线上求得。总之，当给水流量扰动时，水位调节对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力特征。也就是说，当给水流量改变后水位并不立即变化。动态特性参数和的数值将用来说明水位响应迟延时间的长短和响应速度的快慢。33给水流量的调节方式1S/SWH在蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图34所示。DDOTHH2OT图34蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线当蒸汽流量突然阶跃增加时，此时锅炉蒸发量大于给水量，只从物料守恒考虑，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降，如图中H1曲线所示。但从能量守恒看，先假定当锅炉蒸发量突然增加时，燃料量能及时跟上，由于燃烧强度增加，锅炉的蒸发强度增强，汽水混合物中的汽泡数量增加，水容积也迅速增大，使得汽水混合物体积膨胀，水位升高。H1H如果负荷变化时，燃料量来不及增加，由于蒸汽量的增加，使汽包内的汽压下降，相应地降低了汽水混合物的饱和温度，汽化加快，同样使汽水混合物体积膨胀，水位升高。所以不管燃烧强度是否增加，都会使水面下汽泡容积增大导致水位上升。因蒸发强度的增加是有一定限度的，当蒸发量满足负荷要求后，汽包压力不再变化，容积增大速度减慢而达到稳定，故汽泡容积的增大而引起的水位变化可用惯性环节特性来描述，如图中曲线H2所示。实际上水位变化曲线H如图34所示，它是曲线H1和H2的合成。由图中可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式（1）在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发流量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升，过一段时间后再下降。（2）反之，锅炉负荷下降时，水位反而先下降。这种现象称为“虚假水位”现象。这是因为在负荷变化的初始阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位变化起着主要影响作用的缘故。因此，汽包水位随汽泡体积的增大而上升，只有当汽泡容积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物料的平衡关系来决定，这时水位就随负荷的增大而下降，呈现无自平衡特性。34汽包水位的动态特性2/1KSDH图35汽包水位的动态特性蒸汽流量扰动下，汽包水位的动态特性可用图35方框图来表示，其传递函数为21HDKSGTS式中T2H2变化的时间常数；K2H2变化的传递函数；H2的响应速度。上面所讨论的蒸汽流量扰动下的水位调节对象的动态特性，只是从蒸发强度变化对汽泡容积的影响方面定性的说明水位变化的特点。实际上，改变汽轮机的用汽量引起的蒸汽流量的阶跃扰动，必定引起汽压的变化，汽压变化也会影响到水面下汽泡的体积变化，所以实际的虚假水位现象会更严重些。虚假水位的变化幅值与锅炉负荷的大小有关，根据100230T/H中高压锅炉的资料，当负荷阶跃扰动10时，虚假水位的变化幅值可达3040MM。可见，虚假水位的幅值是相当大的。341虚假液位的原因在锅炉运行过程中，当蒸汽负荷突然增加时，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，水位应下降。但因蒸汽流量与/S给水流量产生不平衡的初始阶段，水位下降存在时间上的延迟，所以实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸汽流量，水位不但不下降，反而迅速上升，这是由于汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加造成的。这种现象常称为“虚假液位”现象。造成“虚假液位”的原因有两个，如图34所示图36“虚假液位”图1锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化汽容积增加而引起汽包水位上升，如图36中H2曲线所示。这是引起汽包“虚假液位”的主要原因。2蒸汽流量增加，汽包汽压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水汽化，使汽包水位随压力下降而升高，如图36曲线所2H示。虚假液位等于与之和。2H2H总之，由于存在“虚假液位”现象，当负荷蒸汽流量增加时，汽包水位开始不但不降反而上升，即先上升后下降；当蒸汽负荷量突然减小时，则汽包水位变化的情况相反，先降后升。H2H2HH2外扰动作用根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想1由于对象的内扰动动态特性存在一定的迟延和惯性，所以给水控制系统若采用以水位被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉主要考虑采用串级或其他控制方案。2由于对象在蒸汽负荷扰动外扰时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。正是因为用常规PID无法很好解决“虚假水位”现象，所以人们经过多年积累的经验，总结出把模糊控制算法加入在常规PID中去解决现实中无法解决的“虚假水位”问题，使锅炉汽包水位达到人们期望水平。35锅炉汽包水位控制汽包水位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。其中，单冲量控制系统以汽包水位测量为唯一的控制信号双冲量控制系统在汽包水位信号为主要控制信号的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制。351单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。单冲量汽包水位控制系统存在两个主要问题1当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少给水量，这个错误举动反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。2在给水扰动时，调节器要等到水位改变了以后才动作，又经过一段时间延迟后才能影响到水位，导致汽包水位发生较大变化，调节时间长。352双冲量控制系统在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号。引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对控制的不良影响。当蒸汽负荷变化时，使调节阀一开始就向正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制质量。353三冲量控制系统一般而言，锅炉容量越大，汽包容水量相对就越小，允许的蓄水量就更小，这就要求提高对汽包水位的控制。在双冲量控制系统中，对于给水量的自发变化不能及时调节，只有在延迟一段时间后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化反映出来。对于几台锅炉并列运行时，几台锅炉的汽包水位控制会相互影响，使得控制过程非常复杂。针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进了给水量信号控制。这个调节器接受三个输入调节信号汽包水位作为主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信一号。因此，对中小型锅炉，由于汽包相对负荷而言，容量较大，水位受到扰动后的轰应速度比较慢，虚假水位现象不很严重。因此一般采用单冲量调节方式就可以满足生产运行的要求，但是单冲量调节方法不能克服虚假水位对水位控制的不良影响，当蒸汽量大幅度增加时，由于假水位上升，调节器输出信号不但不去开大调节阀增大给水流量，以维持物料平衡，反而去关小调节阀，减小给水流量，等到虚假水位消失后，水位将更加迅速下降，显然这是帮倒忙，在外扰作用下必将引起水位发生较大幅度波动。为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号，所以双冲量控制比单冲量控制更好些。然而双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位的影响，因为当给水压力波动时，给水流量将相应变化，此时只有待水位发生变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，即采用三冲量水位控制回路。所以，通过分析我们发现三冲量控制要比单冲量控制和双冲量控制要优越些。本文就是采用这种三冲量的控制方式，将蒸汽流量作为前馈信号，把给水流量作为控制信号，组成汽包水位的三冲量控制系统，同时考虑到传统P工D控制对汽包运行中出现的“虚假水位”现象无能为力，所以将模糊自整定PID控制器应用到该三冲量控制系统中，实现工业锅炉汽包水位的定值控制。36本章小节锅炉汽包水位控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量有关。本章通过对锅炉汽包水位动态特性的研究，得出传递函数以及特性曲线。当蒸汽流量与给水流量不平衡时，会产生“虚假液位”现象。并通过对锅炉汽包水位的单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制的分析，本文打算用三冲量的控制系统来研究锅炉汽包水位的控制。第四章锅炉汽包水位控制方法设计与仿真研究41仿真工具简介411关于MATLABMATLAB语言是由美国的CLEVERMOLER博士于1980年开发，以后又经多位专家加以补充、添加，成为功能强大、内容广泛的计算机辅助设计的软件工具。MATLAB语一言设计者的初衷是为了解决数学中“线性代数”课程的矩阵运算问题而进行开发的。之后控制学者们注意到了它特有的矩阵处理功能，并发现了用于控制理论研究的功能丰富的控制系统专用工具箱和结构图程序设计的SIMULINK仿真环境，使得MATLAB语言成为控制界计算机辅助设计的有利工具。其他诸如信号处理、应用数学等学科，也纷纷向MATLAB中加入了各种实用的专用工具，使得MATLAB语言越来越完善，功能越来越强大。例如在信息与控制学科中相当活跃的模糊逻辑、小波分析、人工神经元网络技术、ARMA模型技术等，在MATLAB中都有专用的工具箱可以说，迄今为止MATLAB语言的扩展开发远远没有结束，各学科的相互促进、相互渗透使得M尤TLAB语言的应用越来越广泛，越来越实用。MATLAB语言的主要特点如下1强大的矩阵运算功能MATTICS2广泛的符号运算功能SYMBOLIC3高级与低级兼备的图形功能FIGURE4图形化控制仿真程序设计功能SIMULINK5可靠的容错功能ERRORCOMPATIBILITY6应用灵活的兼容与接口功能INTERFACE7信息量丰富的联机检索功能INFORMATION412关于S1MUL1NKSIMULINK是MATLAB环境下的数字仿真工具，其文件类型为MDL，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，也支持具有多种采样速率的多速率系统仿真。SIMULINK提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。与传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直观、方便、灵活的优点。SIMULINK还提供了封装和模块化工具，尤其适用币复杂、多层次、高非线性的系统仿真。它简化了设计过程，减轻了设计负担，提高了仿真的集成化和可视化程度。在SIMULINK环境中，用户将摆脱理论演绎时需做理想化假设的无奈，观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在SIMULINK环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。由于SIMULINK环境使川户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐过程的困扰，囚此用厂，在此环境中会产生浓厚的探索兴趣，引发活跃的思维，感悟出新的真谛。413仿真实现本文在MATLAB65下的SIMULINK仿真工具对锅炉汽包水位控制系统进行仿真，因为MATLAB提供了基本模糊逻辑工具箱FUZZYLOGICTOOLBOX，使得建立和设计模糊控制器变得方便。模糊逻辑工具箱提供了模糊逻辑控制器及系统设计的各种途径。工具箱提供了生成和编辑模糊推理系统FIS常用的工具函数，如NEWFIS，ADDVAR，ADDMF，ADDRULE，SETFIS，WRITEFIS等，它包括了产生新的FIS，给FIS加入变量、隶属函数、规则、设置解模糊方法及存储FIS等功能，用户可以用命令调用这些函数的方式生成和编辑模糊推理系统，工具箱还提供了GUI图形用户界面编辑函数，利用它用户可以更直观迅速地生成系统。交互式的模型输入与仿真环境SIMULINK工具箱是MATLAB软件的扩展，主要用于动态系统的仿真。它的WINDOWS中提供了建立系统模型所需的大部分类型方块。用户只需用鼠标器选择所需模块在模型窗口上“画出”模型双击任何模块，即可代开该功能块来完成参数的设定，然后用鼠标器将它们连接起来，就可以构成一个系统的框图描述，亦即得出系统的SIMULINK描述。建立起系统模型后，用户可通过选择仿真菜单设置仿真控制参数，启动仿真过程，然后通过输出SCOPE示波器观察系统的仿真结果。42锅炉汽包水位的PID控制通过对实际系统的分析，采用三冲量控制系统有利于消除系统的时滞现象和虚假液位。同时通过实际的测量建立系统模型，得到系统传递函数。1给水流量主通道传递函数0371GS2蒸汽流量干扰通道传递函数360715S水位变化范围为50MM,水位变送器的电流变化为010MA,所以水位变送器的比例系数为1025HK给水流量和蒸汽流量变送器的比例系数为015DWK1通过估算及仿真实验得到根据给水流量信号和NK蒸汽流量信号的分流系数为021。PID控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到（1）主控制器的PID参数为03500020001PKIDK2副控制器的PID参数为51500001I3、汽包水位串级三冲量PID控制系统控制系统如图51所示在水位传递函数为仿真结10371GSS果如图43所示_控制器调节阀汽包对象1GSD2给水扰动蒸汽扰动_图41串级三冲量控制系统图该系统中，、及分别为蒸汽流量变送器、给水流DWH量变送器、差压变送器的转换系数。图42汽包水位串级三冲量控制仿真模块系统图WH图43水位给定值串级三冲量阶跃跟踪响应时的仿真图从MATLAB的仿真曲线可以看出，三冲量控制系统具有如下特点相对PID控制系统，其控制品质好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。但超调量过大，前期震荡过大。然而，无论何种形式的串级控制系统，其不足都是显而易见的。主要是系统复杂，成本较高，参数整定不容易。43模糊PID控制典型PID只能利用一组固定参数进行控制,这些参数不能调整动态性能和静态性能之间的矛盾。为此,控制系统引入模糊推理,在PID控制参数初值基础上通过增加修正量进行整定,改善系统动态性能和稳态性能。在锅炉汽包的水位控制系统中，水位的给定初值为H。为1000MM，由水位传感器测量到的水位值记为HT，则可以得到水位误差E和水位误差的变化EC为0ETH1CT将ET和ECT作为水位控制器的输入变量，输出变量U为执行器电动阀门的开度。根据锅炉汽包的实际工作情况，考虑到实际操作中，干扰因素众多，传感器的误差要求将水位误差E的范围在一5OMM到十50MM之间，水位误差变化率EC的范围在1OMM到LOMM之间。水位控制量,即为输出变量U，即电动阀的开度的范围在0到10之间。因此，锅炉汽包水位模糊控制器的误差E的基本论域为50MM，50MM误差变化EC的基本论域为10MM，L0MM误差E所取的模糊子集的论域为6,6误差EC所取的模糊子集的论域为6，6模糊PID控制系统框图如图44所示,模糊控制器以偏差E和偏差变化率作为输入,修正参数、为输出,则PIDECPKIDK控制器的参数、为式43所示,其中KP0、KI0、KD0为PIDPKID初值。则430PPKK0IIIK0DDK图44模糊PID原理框图本系统PID控制器4411212PIDUKKEKEKEK其中UK为当前时刻的控制量，UK1为上一时刻的控制量，EK为当前时刻的给定量和检测量的偏差，EK1为上一时刻的偏差，EK2为两个时刻前的偏差。在偏差论域E、偏差变化论域EC、比例系数修正参数论域KP、积分系数修正参数论域KI和微分系数修正参数论域KD上分别定义模糊子集为负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，并简记为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB，模糊语言变量采用三角隶属度函数。从PID控制特点知道积分作用强，系统超调大，响应快；微分作用强，系统稳定性好，超调小，抑制干扰能力下降。依据人锅炉对象数据采集计算EKEK计算ECK计算模糊控制规律A模糊控制规律B模糊控制规律C0IIK0PPK0DDKKPIDPKIDK执行机构们通过对PID控制理论的认识和长期人工操作经验的总结列出一组以模糊语句进行描述的参数调整规则,针对不同的E和EC经过清晰化处理后的，得到、的模糊变量赋值表如表4PKIDK4、45、46所示，使用加权平均原则将、经过清PIKD晰化转换后，代入式44得出的、参数经过下位机的PIDPKID控制器模块计算并输出当前的控制量。对于锅炉汽包水位的模糊控制系统，我们采用常见的二维模糊控制器，即它的输入变量是给定水位和实际水位的偏差及偏差的变化（45）REKYK（46）1CE公式45表示水位的偏差，其中YK代表设定水位。当水位YK高于YRK时，即实际水位高于给定水位，偏差为“负”，水位高得越多则偏差负得越大相反，YK低于YRK时，即实际水位低于给定水位，偏差为“正”，水位低得越多，则偏差正得越大。公式46表示水位偏差的变化。当K时刻的水位偏差高于KL时刻的水位偏差，说明水量变化在增大，即实际水位有上涨趋势，偏差变化为“负”；相反，当K时刻的水位偏差低于K1时刻的水位偏差，偏差变化为“正”。输出控制量U对应阀门开度变化，阀门开大为“正”，表明注水量加大反之，则阀门关闭为“负”。输入变量及输出变量的模糊化进行模糊控制，要将上述输入变量（精确量）和输出变量用模糊语言变量的模糊子集表示。设输入水位偏差用模糊语言变量的模糊集E表示，即ENB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB其中NB表示实际水位比给定水位很高，NM表示实际水位比给定水位高，NS表示实际水位比给定水位有点高，ZE表示实际水位于给定水位相等，PS表示实际水位比给水位有点低，PM表示实际水位比给定水位低，PB实际水位比给定水位很低。则输入偏差对应的模糊论域为E6，5，4，3，2，1,0,1,2,3,4,5,6设输入的水位偏差变化用模糊语言变量的模糊集EC表示，即ECNB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB对应的模糊论域为EC6，5，4，3，2，1,0,1,2,3,4,5,6设阀门控制量U的变化用模糊语言变量的模糊集U表示，即UNB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB其中,NB表示给水阀门关得很快，NM表示给水阀门关得快，NS表示给水阀门关得有点快，ZE表示给水阀门保持正常开度，PS表示给水阀门关得有点慢，PM表示给水阀门关得慢，PB表示给水阀门关得很慢。对应的模糊论域为U7，6，5,4，3，2，1,0,1,2,3,4,5,6,7,现场操作人员调节控制汽包水位需要的过程参数有三个汽包实际水位与水位设定值的偏差、给水量的变化值和蒸汽量的变化值。操作人员根据以上参数观察水位。估计入水量与蒸汽流量间的平衡关系，然后操作主控入水阀以决定入水量是否需要增加或减少。表41、42、43分别是水位变化E、水位变化率EC、阀门控制量U的隶属度函数赋值表。表41模糊变量E的隶属度赋值表NBNMNSZEPSPMP