基于智能PID的锅炉汽包水位控制系统设计

目录HYPERLINK摘要 ⅠHYPERLINKABSTRACT ⅡHYPERLINK1引言 1HYPERLINK1.1课题背景 1HYPERLINK1.2国内发展概况 2HYPERLINK2锅炉汽包水位对象的特点和分析 3HYPERLINK2.1锅炉的工作过程 3HYPERLINK2.2“虚假水位”现象 3HYPERLINK3锅炉汽包水位控制系统的设计 5HYPERLINK3.1确定控制目标 5HYPERLINK3.1.1锅炉汽包水位控制系统中被控变量的选择 5HYPERLINK3.1.2锅炉汽包水位控制系统中的控制变量（操纵量）的选择 5HYPERLINK3.1.3锅炉汽包水位控制系统中的扰动 5HYPERLINK3.2确定控制方案 6HYPERLINK3.3设计模型的构造 7HYPERLINK3.3.1对象模型的构造 7HYPERLINK3.3.2汽包水位仿真系统的构造 10HYPERLINK4控制系统的介绍与设计 12HYPERLINK4.1串级控制系统 12HYPERLINK4.1.1串级控制系统的组成 12HYPERLINK4.1.2串级控制系统的特点 13HYPERLINK4.1.3串级控制系统的设计 13HYPERLINK4.2前馈控制系统 15HYPERLINK4.2.1前馈控制系统的特点 15HYPERLINK4.2.2前馈控制系统的结构 15HYPERLINK4.2.3前馈控制系统的设计 18HYPERLINK5串级三冲量给水控制系统 20HYPERLINK5.1串级三冲量调节系统的分析 20HYPERLINK5.2汽包水位串级三冲量PID控制系统 22HYPERLINK5.3锅炉汽包水位的串级三冲量PID控制系统MATLAB仿真 24HYPERLINK6.锅炉汽包水位的模糊控制 26HYPERLINK6.1模糊控制系统的组成 26HYPERLINK6.1.1模糊控制器的工作原理 27HYPERLINK6.1.2模糊PID控制器的设计 28HYPERLINK6.2模糊控制系统的建模及仿真 34HYPERLINK结束语 40HYPERLINK致谢 41HYPERLINK参考文献 42基于智能PID的锅炉汽包水位控制系统设计PAGE30基于智能PID的锅炉汽包水位控制系统设计摘要锅炉是一种复杂的热工系统，它广泛应用在化工业、发电、造纸业、石油业，是工业生产的重要动力设备。为了保证蒸汽的品质及锅炉本体及人身的安全，汽包水位是一个重要的参数。在锅炉中，汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，水位过低，严重时会引起锅炉爆炸，水位过高，会降低蒸汽质量，损坏汽轮机叶片，所以必须对汽包水位进行严格控制。汽包的作用是进行汽，水分离，汽包的出口为饱和蒸汽。随着锅炉的蒸发量及参数的日益提高，汽包相对蒸发量的尺寸越来越小;在负荷变化较为频繁的场合，汽包水位受到的扰动也非常剧烈；另外由于汽包中汽，液两相共存，大量的气泡存在于汽包的水中，导致了汽包水位的一个特殊现象“虚假水位”，这种“虚假水位”的现象给控制造成了许多困难。关键词汽包水位/PID控制/虚假水位基于智能PID的锅炉汽包水位控制系统设计BasedonIntelligentPIDboilerdrumwaterlevelcontrolsystemdesignABSTRACTTheboilerisatypicalproductionprocessmeans,hasawiderangeofapplicationsinvariousfieldsofelectricpower,chemical,metallurgy,buildingmaterials,civil.Itgeneratessteamcannotonlyprovideheatforindustrialproductionprocess,suchasdistillation,drying,evaporation,etc,alsoprovideapowersourceofcompressor,turbine,etc.Inordertoensurethequalityofthesteamboilerbodyandpersonalsafety,thedrumlevelisanimportantparameter.Intheboiler,drumwaterlevelisanimportantindicatoroftheboileroperation.keepthewaterlevelwithinacertainrangeistoensurethatthefirstconditionforsafeoperationofboilers,thewaterlevelistoolowcancausesevereboilerexplosion;thewaterlevelistoohighwillreducethequalityofsteam,damagetotheturbineblades,somuststrictlycontrolthedrumlevel.Theroleofthedrumissteam-waterseparatordrumexportsaturatedsteam.Withthetheboilerevaporationandparametersincreasing,gettingsmallerandsmallerthesizeofthedrumrelativeevaporation;theloadchangesmorefrequentoccasions;drumwaterlevelarealsoveryintensedisturbance;Inaddition,asthesteamdrumofgasolineandliquidtwo-phasecoexistence,alargenumberofbubblesexistinthedrumofwater,ledtoaspecialphenomenonofDrumLevel"falsewaterlevel","Falsewaterlevel"phenomenoncausedmanydifficultiestothecontrol.Keywords:Drumlevel,PIDcontrol,falsewaterlevel基于智能PID的锅炉汽包水位控制系统设计1引言锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，其作用就是有效的把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活中所需要的能量形式。而汽包水位是锅炉运行的重要指标，汽包的作用是进行汽、水分离，汽包的出口为饱和蒸汽，若要是对汽包水位进行控制则要克服“虚假水位”这一现象，采用以给水流量、蒸汽流量、汽包水位作为调节信号的串级三冲量控制，以克服“虚假水位”的影响以及各种干扰对水位的影响。本控制采用前馈串级控制，主副调节器配合进行控制，主副调节器均采用PID控制，主调节器采用PI调节规律，副调节器采用P调节规律。1.1课题背景锅炉控制中的重中之重就是对锅炉汽包水位的控制，汽包在锅炉中的作用是非常显著的，可以进行汽、水分离，输出饱和蒸汽。汽包水位是工业蒸汽锅炉安全稳定运行的的重要指标，水位过高将会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，甚至引起过热器爆管；水位过低会破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，液位的时间常数也很小，大容量锅炉若给水不及时，数十秒之内就可能达到危险水位，所以锅炉水位控制显得非常重要。本课题采用的是利用智能PID对锅炉汽包水位进行控制，对于汽包水位的控制也经历了好几个阶段的发展，首先是汽包水位经典控制阶段，经典汽包水位控制包括单冲量、双冲量和三冲量控制，由于单冲量、双冲量及单级三冲量控制比较简单，并且难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求，目前锅炉汽包水位大多数采用三冲量水位控制。第二个阶段是先进控制。第三个阶段是智能控制，智能控能高效的对汽包水位进行控制，本设计我采用的是串级前馈控制。1.2国内发展概况锅炉微机控制是近几年来开发的新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。而作为锅炉的控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。最近几年锅炉工业的发展非常快，虽然我们落后与国外的先进锅炉控制水平，但是通过科研人员的努力，我国在锅炉工业特别是控制方面的提高非常显著，锅炉的汽包水位是锅炉控制的关键，早些时候我们只用传统的PID对锅炉汽包水位进行控制，导致控制的效果不好，近些年来，智能控制已经在我国迅速发展，通过智能PID中的模糊控制、神经元网络控制、专家PID控制等一些智能控制，我们能够对汽包水位进行准确的控制。2锅炉汽包水位对象的特点和分析2.1锅炉的工作过程典型的锅炉给水系统如图2-1所示。其中，W为给水，能量较低的冷水或循环水由此进入锅炉，通常，给水量可以通过改变给水调节阀门开度或通过改变给水泵的转速进行调节；D为饱和蒸汽输出。为了提高锅炉整体的热效率，饱和蒸汽经布置在烟道中的过热器加热为过热蒸汽后送往下道工序做功。通常蒸汽流量的大小由负荷决定；Q为送入炉膛中的燃料。给水通过水冷壁吸收炉膛中燃料燃烧产生的热量；H为汽包水位，加热后的热水上升至汽包，饱和水在此完成汽，水分离，产生饱和蒸汽。图2-1汽包锅炉工作示意图2.2“虚假水位”现象在该系统中，稳定的工作状况应当是给水量（W）与输出蒸汽量（D）相等，即W=D。在该条件下，水位处于一种动态的平衡。这种平衡一旦被打破，汽包水位将发生变化。从物料平衡的角度看，当W>D时，流入的水大于流出的蒸汽，水位必将上升；W<D时，流入的水小于流出的蒸汽，水位将下降。但实验发现，当汽包已经处于正常工作状态是（进入饱和水，输出饱和汽，可完成汽，水分离），实际情况并不完全如此。在给水（W），蒸汽（D）分别扰动下，水位的变化的情况，如图2-2所示ttDtOtOHtH(a)给水扰动（b）负荷扰动HOWO图2-2给水扰动和负荷扰动下的汽包水位变化过程在给水扰动下，汽包水位并没有表现出立即上升，而是表现出滞后一段后上升的过程；在负荷扰动的情况下，水位也没有表现出立即下降的现象，而是表现出先上升后下降的过程。这种现象称“虚假水位”现象。其原因是由于汽包中是汽液两相共存，下半部是饱和水，上半部是饱和气，当给水增加时，大量低于饱和水温度的低温水进入，吸收了汽包中饱和水的能量，汽包汽水温度下降，饱和水中大量气泡破裂，汽水体积减小，水位下降。而负荷增加时，汽包压力瞬时下降，饱和水中大量汽包产生，体积增加，导致水位升高。3锅炉汽包水位控制系统的设计3.1确定控制目标3.1.1锅炉汽包水位控制系统中被控变量的选择在锅炉给水系统中，输出蒸汽的品质及安全是两个关键的要素，汽包水位过高，会导致出口的蒸汽带水，无法保证出口为饱和汽；汽包水位过低，可能会导致水冷壁缺水，水冷壁缺水后温度会急剧上升，造成水冷壁爆管的严重事故。因此，正常的汽包水位是锅炉安全，可靠工作的关键，据此，该系统选汽包水位为被控变量。3.1.2锅炉汽包水位控制系统中的控制变量（操纵量）的选择在该系统中，可以影响汽包水位的变量很多，输出蒸汽量（D）的变化，燃烧情况的变化，给水量（W）的变化都可以影响汽包的水位，但输出蒸汽量（D）的变化由负荷决定，燃烧系统要确保系统的能量和效率，这两个变量都无法作为正常情况下的控制参数，而给水量W不仅与被调变量直接相关，且以此控制汽包水位有足够的灵敏度，通常，该系统都选给水量W最为控制变量。3.1.3锅炉汽包水位控制系统中的扰动被控变量及控制变量确定，调节通道就被唯一确定，其他所有可以影响对象被控变量—汽包水位的参数均可视为扰动。这里，主要扰动有蒸汽负荷（D）的变化，燃烧情况的变化，给水压力的变化等均是系统的主要扰动。3.2确定控制方案根据以上分析，给水系统的主要目的就是稳定汽包水位，因此汽包水位是该系统的主被控变量；对该系统，从机理上看进出物料的平衡是保证液位的关键，汽包水位的变化是由于进出物料不平衡引起的，因此可以通过调整给水流量来满足物料的平衡，进而保证汽包的液位，通过这样的分析我们可以建立单回路控制系统。但在实际系统中，首先，给水流量不仅受给水阀开度的影响，还要受到给水压力变化的影响，给水压力又要受到给水泵转速、汽包压力、燃烧情况，以及给水系统中其他负荷的变化等诸多因素的影响；其次，汽包水位对象的时间常数也会对系统的调节时间及稳定性造成影响。因此，单回路给水系统的实际运行效果并不理想，为了克服各种引起给水流量变化的因素，通常引入给水流量作为副被控变量，构成流量-液位串级控制系统，实际运行表明，该系统可以及时克服对水流量的各类扰动。这样的串级控制系统当发生负荷（主蒸汽）变化时，由于虚假水位的现象，导致反馈控制系统被虚假水位的现象蒙蔽，做出完全相反的调节动作。例如，蒸汽增加时，汽包液位首先升高，据此，主调节器做出降低给水流量的调节动作，副调节器根据主调节器的指令，快速将给水流量降低，这种调节结果加剧了进出物料的不平衡，是系统的调节质量无法满足要求。因此，根据进出物料的不平衡是系统液位变化的内在原因，将表征负荷变化的蒸汽流量作为前馈信号引入，确保负荷变化时给水流量可以及时随之变化，这样，构成如图3-1所示前馈-串级控制系统。HHHD图3-1前馈—串级给水控制系统3.3设计模型的构造3.3.1对象模型的构造准确的给水对象模型是给水控制系统仿真的基础，由对象的给水流量-液位及负荷液位的阶跃响应曲线可看出，构造给水系统的模型的关键是如何构造“虚假水位”的部分。我们可以设想汽包水位的变化由两部分组成，一部分直接反映进出流量的不平衡，对于汽包，进出流量不平衡时，液位将持续升高或降低，这部分可以由一个积分环节描述；另一部分描述饱和水的体积，汽包压力变化、冷流体进入量的变化都将引起汽包水中汽包的数量的变化，引起汽水体积的变化，最终导致汽包水位的变化，气泡的产生或破裂最终会在新的状态下平衡下来，因此可以用一个惯性环节来描述。图示3-2和图示3-3表示了这个分解的过程。由于引起汽包产生或破裂的机理不同，这两个惯性环节H的时间，一般，表征负荷扰动的惯性环节时间常数要小一些，增益要大一些。OOWtOtDOHtOHt图3-2给水扰动响应的分解图3-3负荷扰动响应的分解由图3-2可以得到（3-1）式（1-1）表示给水扰动下的对象特性可以由一个积分环节和一个惯性环节并联或串联表示，如图3-4所示。WWHWH（a）并联（b）串联图3-4调节通道模型由于，给水扰动引起的虚假水位不太明显。主要表现为水位变化的延迟，为了便于仿真，有时用惯性加纯迟延描述这一特性，即(S)=（3-2）式中,称飞升速度，表示进出物料不平衡时水位变化的速度。式（1-2）可以由如图7所示纯滞后环节和积分环节串联构成。由图7可以看出，负荷变化引起的虚假水位现象十分严重，通常，用一个积分环节加一个反方向的，时间常数较小的惯性环节描述负荷与汽包水位的关系，即（3-3）式（1-3）可以由如图3-6所示惯性环节和积分环节并联构成DDHWH图3-5调节通道模型图3-6负荷扰动通道模型相对于其他环节，阀门的特性可以认为是一个比例环节。（3-4）副对象可以看做是一个时间常数很小的惯性环节（3-5）综合以上各部分，可以得出对象模型如图3-7所示uuqDH_图3-7汽包对象仿真模型针对一个蒸发量数百吨的锅炉，相应时间大约为30s（飞升速度0.0331/s），滞后时间与锅炉形式有关，在几秒到数百秒之间。大约在10—20s之间。结合仿真中时间比例尺的概念，可以取=1，，进行仿真。3.3.2汽包水位仿真系统的构造在构成前馈-串级给水控制系统时，通常取汽包液位为主变量，给水流量为副变量，主蒸汽流量为前馈变量，在此基础上构成的给水控制系统框图如图所示。其中：主对象（3-6）广义副对象（3-7）负荷干扰通道（3-8）图3-8前馈图3-8前馈—串级给水控制系统框图4控制系统的介绍与设计4.1串级控制系统随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求，串级控制系统应运而生。4.1.1串级控制系统的组成串级控制系统的标准框图如图4-1所示主控制器主控制器副控制器调节阀副对象主对象副测量变送器主测量变送器设定值二次干扰一次干扰图4-1串级控制系统框图4.1.2串级控制系统的特点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。4.1.3串级控制系统的设计首先是主、副回路的选择，串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，它的选择与简单控制系统类似。串级控制系统的种种特点都是因为增加了副回路的缘故。可以说，副回路的设计质量是保证发挥串级控制系统优点的关键所在。从结构上看，副回路也是一个简单控制系统，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个副控制回路，这也可以归纳为如何选择副控变量（副变量）。以下是关于副回路设计的几个原则。副被控变量（副变量）的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，并且反应灵敏。副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。然后是主、副控制器调节规律的选择。从串级控制系统的结构上看，主回路是一个定值控制系统，因此主控制器调节规律的选择与简单控制系统类似。但凡是需要采用串级控制的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许主被控变量（主变量）存在偏差，因此，主控制器都必须具有积分作用，一般都采用PI控制器。如果副回路外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路外面，就可以考虑采用PID控制器。主控制器的任务是准确保持主被控变量（主变量）符合生产要求。副回路既是随动控制系统又是定值控制系统。而副变量则是为了稳定主变量而引入的辅助变量，一般无严格的指标要求，即副变量并不要求无差，所以副控制器一般都选用P控制器，也可以采用PD控制器，但是这增加了系统的复杂性，并且没有很大的效果。在一般情况下，采用P控制器就足够了。如果主、副回路的频率相差很大，也可以考虑采用PI控制器。副控制器的任务是要快动作以迅速抵消落在副回路内的二次扰动。最后是主、副控制器正、反作用的选择。与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成负反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式，只是将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。在假定副测量变送器的增益为正的情况下，副控制器正、反作用选择的判别式为（副控制器）（调节阀）（副对象）=（—）其中，调节阀的“”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“—”；而副对象的“”取决于控制变量和副被控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“—”。主控制器的作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节。由于副回路是一个随动控制系统，其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回路可看成为一个增益为正的环节。这样，在假定主测量变送器的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号。主控制器正、反作用方式选择的判别式为（主控制器）（主对象）=(—)由这个判别式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反，即当主对象的增益为正时，主控制器选反作用；而当主对象的增益为负时，主控制器选正作用。4.2前馈控制系统4.2.1前馈控制系统的特点a．前馈控制是一种开环控制。前馈控制有利于对系统中的主要干扰进行及时控制。b．前馈控制是一种按扰动大小进行补偿的控制。在理论上，前馈控制可以把偏差完全消除。c．一种前馈控制器只能克服一种扰动。由于前馈控制作用是按扰动进行工作的，而且整个系统也是开环的。因此根据一种扰动设计的前馈控制器只能克服这一扰动，而对于其他扰动，前馈控制器无法检测到。d.前馈控制只能抑制可测不可控扰动对被控变量的影响。如果扰动不可测，就无法采用前馈控制；而如果扰动可测又可控，则只要涉及一个简单的定值控制系统，而无需采用前馈控制。e.前馈控制使用的是视对象特性而定的专用控制器。一般的反馈控制系统中的控制器可采用通用类型的PID控制器；而前馈控制器的控制规律与被控对象控制通道和干扰通道的特性有关。4.2.2前馈控制系统的结构常用的前馈控制系统又单纯前馈控制系统、前馈-反馈控制系统和前馈-串级控制系统三种结构形式。首先是单纯前馈控制系统，单纯前馈控制系统时开环控制系统，一般单纯前馈控制系统的框图如图4-2所示。图中，D（s）和Y（s）分别为扰动量和被控变量的拉氏变换，为干扰通道的传递函数，为控制通道的传递函数，为前馈控制器的传递函数。确定前馈控制器的控制规律是实现对单纯前馈控制系统干扰完全补偿的关键。Y(s)Y(s)D（s）图4-2单纯前馈控制系统框图由图4-2可知，在扰动量D（s）作用下，系统的输出Y（s）为或者写为+系统对于扰动量D（s）实现完全补偿的条件是D（s）≠0，而Y（s）=0，即=0于是，可得前馈控制器的传递函数为（4-1）由式（4-1）可知，不论扰动量D（s）为何值，总有被控变量Y（s）=0，即扰动量D（s）对于被控变量Y（s）的影响将为零，从而实现了完全补偿，这就是“不变性”原理。可以看出，要实现对扰动量的完全补偿，必须保证等环节的传递函数是精确的；否则，就不能保证Y（s）等于零，于是，被控变量与设定值之间就会出现偏差。前馈控制分为静态前馈控制和动态前馈控制。所谓静态前馈控制，就是指前馈控制器的控制规律为比例特性，即（4-2）式中，称为静态前馈系数。在实际的过程控制系统中，被控对象的控制通道和干扰通道的传递函数往往都是时间的函数。所以采用静态前馈控制方案，就不能很好补偿动态误差，特别是在对动态误差控制精度要求很高的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。动态前馈控制的设计思想是，通过选择适当的前馈控制器，使干扰信号经过前馈控制器至被控变量通道的动态特性完全复制对象干扰通道的动态特性，并使它们的符号相反，从而实现对干扰信号进行完全补偿的目标。其传递函数一般可表示为（4-3）若实际系统的，则动态前馈控制器为（4-4）由于单纯的前馈控制是一种开环控制，它在控制过程中完全不测取被控变量的信息，因此，它只能对指定的扰动量进行补偿控制，而对其他的扰动量无任何补偿作用。因此，在实际应用中，通常采用前馈控制与反馈控制相结合的复合控制方式。前馈控制器用来消除可测扰动量对被控变量的影响，而反馈控制器则用来消除前馈控制器不精确和其他不可测干扰所产生的影响，典型的前馈—反馈控制系统结构如图4-3所示。Y(s)Y(s)D（s）H（s）图4-3前馈—反馈控制系统框图根据图4-3可得，扰动量D（s）对被控变量Y（s）的闭环传递函数为在扰动量D（s）作用下，对被控变量Y（s）完全补偿的条件是D（s）≠0，Y（s）=0，因此有（4-5）由式（4—5）可知，从实现对系统主要扰动量完全补偿的条件看，无论是采用单纯的前馈控制或是采用前馈—反馈控制，其前馈控制器的特性不会因为增加了反馈回路而改变。4.2.3前馈控制系统的设计（1）扰动量的选择。前馈控制器的输入变量时扰动，扰动量选择的依据如下。a．扰动量可测但不可控，例如换热器进料量和供汽锅炉的负荷变化等。b.扰动量应是主要扰动，变化频繁且幅度较大。c.扰动量对被控变量影响大，用反馈控制较难实现所需控制要求。d.扰动量虽然可控，但工艺要经常改变其数值，进而影响被控变量。（2）系统引入前馈控制的原则。一般来说，在系统中引入前馈必须遵循以下几个原则。a.系统中的扰动量是可测不可控的。如果前馈控制所需的扰动量不可测，前控制也就无法实现。如果扰动量可控，则可设置独立的控制系统予以克服，也就无须设计较为复杂的前馈控制系统。b．系统中的扰动量的变化幅值大、频率高。扰动量幅值变化越大，对被控变量的影响也就越大，偏差也越大，因此，按扰动变化设计的前馈控制要比反馈控制更有利。高频干扰对被控对象的影响非常明显，特别是对纯延迟时间小的流量控制对象，容易导致系统产生持续震荡。采用前馈控制，可以对扰动量进行同步补偿控制，从而获得较好的控制品质。c.控制通道的纯迟延时间较大或干扰通道的时间常数较小。当系统控制通道的纯迟延时间较大，采用反馈控制难以满足工艺要求，这时可以采用前馈控制，把主要扰动引入前馈，构成前馈-反馈控制系统。d．当工艺上要求实现变量间的某种特殊关系，需要通过建立数学模型来实现控制时，可选用前馈控制。这实质上是把扰动量代入已建立的数学模型中去，从模型中求解控制变量，从而消除扰动对被控变量的影响。（3）前馈控制系统的选用原则。当决定选用前馈控制方案后，还需要确定前馈控制系统的结构，其结构的选择要遵循以下原则。a.优先性原则。采用前馈控制的优先性次序为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈控制和前馈-串级控制。b.经济性原则。由于动态前馈的设备投资高于静态前馈，而且整定也比较复杂，因此,当静态前馈能满足工艺要求时，不必选用动态前馈。c.控制系统精确辨识原则，在采用单纯前馈控制系统中，要求构成系统的任何一个环节都应尽可能精确辨识，因为开环控制系统中的任一环节对系统的控制精度有一定的影响。5串级三冲量给水控制系统5.1串级三冲量调节系统的分析串级三冲量给水控制系统的结构图如图5-1所示。这个系统包含三个回路分别为主回路、副回路和前馈通道回路。为了保证被控制的变量没有静态误差，主调节器采用PI控制规律，副调节器采用PI或P控制规律，副调节器接受三个输入信号，但系统的静态特性由主调节器决定，所以蒸汽流量的信号并不一定和给水流量的信号一样。副回路的主要作用是消除内扰，主回路主要作用是纠正水位的误差，而前馈通路回路则用于补偿外扰，并且克服虚假水位现象。图5-1串级三冲量给水控制系统结构图串级三冲量给水控制系统原理框图如图5-2所示。从方框图中可以看出，这个系统有两个闭合回路：（1）是由给水流量W，给水分流器，调节器，调节阀组成的内回路。（2）由水位调节对象G（o1）和内回路构成主回路。蒸汽流量D、分流器，对象G（o2）均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。K2K2DHH0图5-2串级三冲量水位调节系统原理图5.2汽包水位串级三冲量PID控制系统根据汽包水位控制系统的运行情况，介绍消除三冲量调节系统消除水位控制偏差的两个方法：辅助信号自消的方法。自消就是辅助信号X（t）经一个不完全微分环节得到信号再加至控制器。辅助信号对消的的方法。所谓对消就是辅助信号满足对消条件，设有两辅助信号和。汽包水位控制系统采用三冲量PID串级控制系统如图5-3所示。与一般串级系统不同的是引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，是一个带有静态前馈的串级控制系统。串级系统比三冲量系统多用了一个调节器，但它对信号的静态配合要求不严格，这是因为主调节器能自动校正信号不准所引起的误差。水位偏差控制采用蒸汽流量与给水流量对消的方式来消除偏差，即取DDWH图5-3串级三冲量PID控制系统框图5.3锅炉汽包水位的串级三冲量PID控制系统MATLAB仿真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“虚假水位”。同时通过实际的测量建立系统模型，试验得到系统传递函数。（1）水流量的传递函数（5-1）（2）汽流量的传递函数（5-2）（3）变送器的比例系数水位变化范围为50mm。水位变送器的电流变化为0-10mA，所以水位变送器的比例系数为：。水流量和汽流量变送器的比例系数为。通过估算及仿真实验得到：根据，给水流量信号和气流量信号的分流系数为：0.21。PID控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：主控制器的PID参数为：副控制器的PID参数为：3汽包水位串级三冲量PID控制系统图图5-4汽包水位串级三冲量PID控制系统图图5-5500s加入给水流量扰动时的仿真结果6.锅炉汽包水位的模糊控制6.1模糊控制系统的组成模糊控制是一种新兴的控制手段，自问世以来，得到了迅速的发展，在很多领域都有了成功的应用。以模糊集合理论为基础的，它是模糊技术与自动控制技术与模糊系统理论相结合的产物。模糊控制利用模糊集合理论，把人的语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，一些无法构造数学模型的被控对象模拟人的思维方式控制。模糊控制的控制规律是语言规则，基本形式是“如果…”，“则”…，是一个逻辑推理过程，前半部分语句是条件，后半部分语句是结果。模糊控制的语言规则的所有部分都是对事物的一种模糊描述。例如“衣服很脏则要多洗一会”这个规则描述中，“衣服很脏”和“多洗一会”都是一种模糊语言描述。只有将传统数学与模糊描述良好的搭配起来使用，构成一条新的数学分支—模糊数学，计算机才能自动实现控制规则。A/DA/D计算控制变量模糊量化处理模糊控制规则模糊决策逆模糊化处理D/A执行机构被控对象传感器图6-1模糊控制系统的原理图如图6-1所示，它的核心部分为模糊控制器，模糊控制器由计算机语言实现。执行机构一般由各种调节阀组成，一般控制作用比如使角度、位置、电压等发生变化。检测装置一般由传感器和变送装置组成，对温度、压力、转速等变化放大为标准的电信号，包括模拟信号和数字信号。被控对象是一种设备或装置或若干个组成的对象，工作在一定的约束条件下，实现人们的某种目的。6.1.1模糊控制器的工作原理模糊控制器是一种仿人控制规则中的条件。一般为描述偏差，其本质是反馈控制。是一种用模糊控制算法的控制器。模糊控制系统的核心是模糊控制器。它的工作过程如下：用模糊条件语句来表示人的经验，用模糊理论对语言变量进行量化，然后利用模糊推理对控制系统的实时输入状态进行处理，根据分析处理结果做出相应的控制决策。模糊推理、模糊化、反模糊化构成模糊控制器。反模糊化模糊化模糊推理反模糊化模糊化模糊推理图6-2模糊控制器的组成（1）模糊化模糊化的作用就是将测量到的清晰数转化为模糊量。如果对某个模糊变量的隶属度为0，则这个模糊变量为前提条件的规则在控制中不起作用。论域上定义若干个语言变量，作为规则的条件或者结果。模糊化的首先就是进行论域变换，然后是讲求得的输入对应于语言变量的隶属度。语言变量的隶属函数有两种表示方法，连续方式和离散方式。（2）模糊推理模糊控制算法多用语言规则表达，因此控制作用的产生是推理的结果。模糊规则的基本形式是“如果则”，模糊规则的数学表示即模糊关系有多种形式，使用较多的是转移关系和合成关系。（3）解模糊将模糊集合变成清晰值的过程称为解模糊。解模糊的算法有两种：最大隶属度法和区域重心法。6.1.2模糊PID控制器的设计模糊控制器的设计内容一般包括一下几个方面：首先确定模糊控制器的结构，其次设计控制器的控制规则，确定输入、输出变量的论域以及隶属度等这些模糊控制器参数，解模糊化以及模糊化的方法。（1）模糊控制器输入与输出变量也就是汽包实际水位与给定水位值之差e以及汽包水位偏差变化ec作为输入变量。输出变量为给水阀门控制量u。，u（k）直接影响水位变化，输出控制量u(k)对应阀门开度变化，当阀门开大时为“正”，即给水流量增加，反之，则阀门关闭为“负”。（2）对输入与输出变量进行模糊化处理水位误差e、误差变化量ec、给水阀门控制量u都是清晰量，不能进行模糊运算，将水位误差e、误差变化量ec、给水阀门控制量这些清晰量，变化成对应的模糊量E、EC、U。(6-1)(6-2)(6-3)论域设置{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}为模糊控制器各模糊控制器语言变量E、EC、U。{正大、正中、正小、零、负小、负中、负大}为模糊子集。分别对应为{PB,PM,PS,0，NS,NM,NB}。（3）模糊变量的模糊子集的制定在选择描述模糊变量的各个模糊子集时，应使它们较好地覆盖整个论域。水位偏差的变化范围是[-50，+50]。将水位偏差和水位误差率模糊语言变量量化到整数论域均为：｛-3、+3｝。输出变量的整数论域为：{-33｝。各变量隶属函数曲线采用曲线型，水位误差、误差变化率的隶属度曲线，输出控制量的隶属度曲线如图6-3所示图6-3模糊规则的建立量化因子的选择：误差的量化因子，误差变化率的量化因子输出控制量的比例因子，其中为水位误差值，为水位误差变化率，为输出控制量n、m、l为论域值。对系统的影响：越大，调节死区越小，上升速率变大，过大系统变会产生较大的超调量，调节时间t增大，使系统不能稳定工作。越大，反应时间比较慢。过小引起大的超调，使调节时间长，严重时系统不能工作。当于常规的比例增益，大，上升速度较快，过大将产生较大超调，影响稳态工作，不影响系统的稳态误差。（4）模糊控制规则的语言描述控制规则一般由模糊条件语句来表达：IFE=NBandEC=NB,thenU=NBIFE=NMandEC=NB,thenU=NBIFE=NSandEC=NB,thenU=NBIFE=ZEandEC=NB,thenU=NBIFE=PSandEC=NB,thenU=NMIFE=PMandEC=NB,thenU=NSIFE=PBandEC=NB,thenU=ZEIFE=NBandEC=NM,thenU=NBIFE=NMandEC=NM,thenU=NBIFE=NBandEC=NM,thenU=NMIFE=NMandEC=NM,thenU=NMIFE=NSandEC=NM,thenU=NSIFE=ZEandEC=NM,thenU=ZEIFE=PSandEC=NM,thenU=PS当考虑模糊控制规则时，选取控制量变化的原则是：当控制系统误差大的时候，控制量的作用是消除误差；当控制系统误差较小时，选择控制量要以防止为主，最根本的是使保证系统稳定性。因此，当EC为负值时，水位有上升的趋势，如果此时水位过高，则应关闭给水水阀以减少入水量，使水位下降；反之，应开大水阀。据此，得到如表所示的四十九条规则。由规则知，模糊规则表如下图。Kp表6-2的控制规则表KpeceNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表6-3的控制规则表KIKIeNBNMNSZOPSPMPBNBNBZONMNMNSZOZONMNBZONMNSNSZOZONSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBPAGE42表6-4的控制规则表KDKDeNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPMPSPB上表由模糊条件语句表示的四十九条控制规则，组成的这四十九条控制规则就是汽包水位控制时用的模糊控制算法，实际是用分段条件语句，一个离散式的模糊控制模型，取代了传统的动态数学模型，可应用于复杂控制系统的模糊控制中。（5）模糊推理模糊控制系统中，采取正向推理，易于实现的数据驱动，采用max-min推理算法。（6）输出量的去模糊化将汽包水位偏差e和汽包水位偏差变化ec量化为论域中的某个等级。经过相关的合成算法，计算控制量的模糊子集。然后按照最大隶属度法得到模糊控制表。上面的求解过程就是max-min推理合成法。推理合成法易于实现，实用有效，简单快捷，大多数模糊控制都用推理合成法。在汽包水位控制，汽包水位偏差和汽包水位偏差变化量通过查找模糊控制规则表得到校正量，然后乘以比例因子得到，，。整定的瞬态PID参数由，，分别加上PID基准值得到。6.2模糊控制系统的建模及仿真（1）双击MATLAB图标，进入MATLAB编程环境，输入fuzzy,出现FIS编辑器。对有关输入输出，变量名称进行编辑。如图6-4所示。图6-4FIS编辑器（2）语言变量隶属度的定义双击FIS编辑器输出变量与输入变量的方框，进入隶属函数编辑器，对模糊变量的隶属函数进行编辑。定义变量的论域，模糊集，隶属函数的类型。如图6-5所示。图6-5隶属度函数编辑器（3）模糊控制规则的定义FIS编辑器的View菜单下的编辑规则子菜单，即可进入模糊规则输入。当模糊规则编辑好以后，文件后缀加入为.fis。如图6-6所示。图6-6模糊控制规则的编辑（1）输出预览选择FIS编辑器主菜单的Viewsurface