锅炉水位模糊控制仿真与研究分析 电子信息工程专业

锅炉水位模糊控制仿真与研究摘要：锅炉属于我国工业生产与生活上应用面最广、数量最多的生活设备之一。其中，锅炉的水位控制环节是锅炉控制系统当中的一个十分重要的环节。保证锅炉的水位是否处于一个标准的范畴之内，对于锅炉是否能持续的安全可靠的工作是一个关键保障。也是对锅炉能不能够正常生产工作的一个重要考察。锅炉的汽包水位系统具有强非线性，时变大，强耦合，多哥变量等一些复杂特性。在构建锅炉汽包的水位调节的数学模型基础上，应用模糊控制理论来设计锅炉汽包水位控制系统。应用模糊控制来控制锅炉水位。同时，介绍了控制器的构建和仿真分析。MATLAB上位机用于水位控制系统的仿真。模糊控制算法与传统方法的结果显示，模糊控制器明显的改善了锅炉水位控制系统特性。所以，完成了锅炉汽包水位的最优实时控制。基于模糊控制的应用，本课题设计了一种模糊控制器。同水平PID控制器与单级PID控制器比较，状态水平控制器由于具有较小的超调量，较短的建立时间等特点。更加适用于锅炉液位控制。工业锅炉的汽包水位控制是锅炉控制系统中主要技术指标之一。由于假水位现象（FWL），根据人工调整中的人为思维过程，引入了三个测量信号，即鼓水位，供水流量和蒸汽流量，并采用模糊控制算法计算控制体积，构成前向级联三脉冲模糊控制系统。基于MATLAB的建模和仿真结果表明，该算法比传统PID控制具有更好的效果。关键词：锅炉水位，模糊控制，MATLAB仿真AbstractBoileristhemostextensiveandlargestnumberofthermalequipmentinindustrialproductionandlifeinChina.Intheboilercontrol,theboilerwaterlevelcontrolsystemisthemostimportantlink.Maintainingtheboilerwaterlevelwithinthespecifiedrangeisanecessaryconditionforensuringthesafeproductionandoperationoftheboiler,andisalsooneofthemainindicatorsforthenormalproductionandoperationoftheboiler.Thewaterleveloftheboilerdrumhasnonlinear,time-varying,strongcoupling,multi-variableandothercomplexcharacteristics.Onthebasisofestablishingthemathematicalmodelofboilerdrumwaterleveladjustment,thefuzzycontroltheoryisusedtodesigntheboilerdrumwaterlevelcontrolsystem,andthefuzzycontrolisusedtocontrolthedrumwaterlevel.Atthesametime,thedesignandsimulationanalysisofthecontrolleraredescribed.MATLABsoftwareisusedforverificationandsimulationofwaterlevelcontrolsystems.ThecomparisonbetweenthefuzzycontrolmethodandthetraditionalmethodshowsthatcomparedwiththePIDcontrol,thefuzzycontrolsignificantlyimprovesthestaticanddynamiccharacteristicsofthedrumwaterlevelcontrolsystem.Therefore,theoptimalreal-timecontrolofthewaterleveloftheboilerdrumisachieved.Basedontheapplicationoffuzzytheory,thispaperdesignsastate-levelfuzzycontrollerformarinesteampowersystem.ComparedwiththehorizontalPIDcontrollerandthesingle-stagecascadePIDlevelcontroller,thestatelevelcontrollerismoresuitableforthemarineboosterboilerliquidlevelcontrolduetoitssmallerovershootandshortersettlingtime.Industrialboilerdrumwaterlevelcontrolisoneofthemaintechnicalindicatorsoftheboilercontrolsystem.Duetothefalsewaterlevelphenomenon(FWL),accordingtotheartificialthinkingprocessinthemanualadjustment,threemeasurementsignals,namelythedrumwaterlevel,thewatersupplyflowrateandthesteamflowrate,areintroduced,andthecontrolvolumeiscalculatedbythefuzzycontrolalgorithmtoformtheforwardcascadethreepulses.Fuzzycontrolsystem.ThemodelingandsimulationresultsbasedonMATLABshowthatthealgorithmhasbettereffectthantraditionalPIDcontrol.Keywords:Boilerwaterlevel,fuzzycontrol,MATLABsimulation目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 41.1研究背景及意义 41.2国内外研究现状 51.3本文安排 6第2章锅炉水位控制系统介绍 72.1锅炉系统的组成 72.2传统控制方法 82.3现代控制方法 83.模糊控制器设计 93.1锅炉水位模糊控制原理 103.2建立模糊关系 103.3状态点的设定 124.仿真分析 134.1MATLAB软件平台介绍 134.2动态数学模型建立 144.3汽包水位数学模型 154.4水扰动实验 175.总结 20致谢 21参考文献 221绪论研究背景及意义锅炉工业是我国的传统大型的行业之一。随着经济的迅速发展，以科技力量作为后盾的中国在锅炉方面的发展也从未间断。而且由于绿色环保观念的深入人心，资源短缺，环境恶劣等等方面的要求，新型锅炉的开发和研究迫在眉睫，这个项目也正式成为我国研究的重点项目之一。但因为目前我国的工业锅炉行业与企业都面临着各种各样的挑战和机遇。工业锅炉的制造公司是市场竞争的主体，应当对自身所处的外部机遇与自己待遇的内部条件有清醒的认识。清楚自己的市场位置，而且从战略的角度加以管理，明白该做的与不该做的。必须保证市场的导向战略，牢牢依靠科技的进步，立足于的科技创新。在国家的能源与环保政策的指引下，整合企业的结构与产品结构。此外，应抓住机遇，创造出适销对路而且具有自身特色的高及产品来激励企业的发展。并保持强劲的可持续发展的企业后劲，这样才能在激烈的市场竞争中占有一席之地。工业锅炉商品市场发展，不但受我国的国民经济发展速度与投资规模等因素的影响外，不断受到能源地政策与节能、环保及要求的约束。随着高性能商品的普及与产品质量的增加，国内之前的工业锅炉必须不断的更新。随着能源的供应结构变化与节能环保要求的日益严格，天然气的开发应用与高速发展会给工业锅炉的发展带来机遇。小型的燃煤工业锅炉会退出中心的城区，锅炉行业需要抓住这一机遇。利用清洁的燃料与洁净燃烧技术的高效、低能、少污染工业锅炉会是工业锅炉商品发展的潮流。然后向更加高端的商品市场前进。因此说环保、节能、高效的锅炉商品是我国的工业锅炉将来发展的方向。鼓水位作为影响锅炉安全工作的重要参数，由于水位较低和较高可能导致重大的事故。所以，锅炉的水位控制研究很必要。PID控制一般用作水平的控制方法，它带有直观，简单，强的鲁棒性特点。这种方法的前提是获得数学模型，而锅炉是一个复杂的物体，它是非线性的，多变量调节，大滞后和强干扰，并且存在多个变量的耦合，很难建立准确数学模型。因此很难实现所需的控制效果只需应用PID控制，并且它不适用于滚筒液位控制中的假水位现象。至实现良好的控制效果，需要在PID控制的基础上进行改进。1.2国内外研究现状18世纪以来，工业锅炉发展迅速，从1698年第一台蒸汽提水机和1829年第一辆蒸汽机车的相继问世。因为我国遗留的历史问题，国内的工业发展较国外发达国家的工业发展较为落后。从1982年我国出现第一台锅炉到我国成为当今锅炉生产与使用最多的国家。最初直接依靠进口，发展到自主研发生产，从这方面来说我国的工业锅炉已经取得了很大的进步。然而，与国外锅炉市场相比较，我国的工业锅炉类别单一，仍旧以燃煤锅炉为主。热效率低，能耗大，自动化程度低、环保不达标等状况。而且我国现有的锅炉企业制造商有1000余家，厂点太多，产品雷同度大。大数多没有完成规模发展。在我国加入WTO后，在我国申请制造许可的国外企业更是在以惊人的速度崛起。入关后的低税率关税让国外的锅炉大量进入我国，我国的锅炉行业带有着巨大的竞争压力。再加上经济的发展，制造国路原材料价格上涨，企业竞争激烈，这些锅炉企业的成本压力越来越大，甚至出现了增产不增收的现象。这就更加要求了我国锅炉行业要有自主设计能力，才能在国际市场中占据一席之地。蒸汽发生器作为压水堆核电站的必要设备之一。为确保核电厂在运行期间的安全;蒸汽发生器的水位一定要控制在必要范围内。在核电站运行时，伴随蒸汽流量和水流量的变化。蒸汽发生器里的沸腾气泡量可以由局部压力于温度变化来产生变化，短时间水位出现“假水位”的现象。“假水位”的存在使得难以控制水位。在传统的单回路PID控制中引入前馈控制可以在一定程度上克服“假水位”现象。OmPrakash提出了从模糊PI推导出模糊PID控制策略，WeekaMeshram等人做了进一步的研究。AMProkhorenkov，ASSovlukov等将模糊控制策略应用于锅炉集中控制系统中。同其他的控制策略规则比较，模糊控制算法的优点是简单易行，容易实现，控制性能更好。许多学者为模糊水位控制做出了贡献。例如，为了解决PID控制参数不能适应误差变化的问题，陈琳等根据水位PID参数在过程PID控制器的实际运行中制作误差范围。王明章用模糊控制器调整PID控制参数，并通过PID控制器控制仿真比较结果，列出了完成硬件模糊控制的方法。张永生设计了一种人形结合逻辑电平控制策略，此控制策略利用人工逻辑特征的PID与模糊控制，由PID与模糊控制信道构成的控制方法。1.3本文安排这些课题主要集中在电站的锅炉汽包水位控制，而非海上的增压锅炉汽包水位控制。同电厂蒸汽动力系统相比，船用蒸汽系统根据船舶运行条件的要求频繁改变工况，负载对汽包水平的干扰是不确定的。汽包水平的变化具有较大的非线性，负载扰动，不确定的时滞与其他特征。本文从电站锅炉的研究出发，构建了一种对小型船用的锅炉汽包水平模糊控制器。第一章本章节介绍了本文所研究课题的研究意义，并且调研了锅炉水位控制系统的国内外研究现状。第二章本章节对本文的被控对象进行了描述，并详细介绍了锅炉系统的组成。第三章本章节搭建了模糊控制器。第四章本章节对搭建的系统在MATLAB软件平台上进行了仿真分析。第五章本章节对本文所做的工作进行了总结，并针对本文的不足提出了改进的方向。第2章锅炉水位控制系统介绍2.1锅炉系统的组成锅炉水位系统主要是锅炉内胆、液位传感器、变送器、控制器、各种阀门及相关的管道组成。将液位测量信号当成控制信号，通过变送器至水位控制器，再根据测量值和设定值的偏差与偏差变化率对控制给水调节阀的闭合。从而改变给水量，以此来保证水位位置在设计定的误差范围内。锅炉工作系统的示意图如下图1-1所示。图2.1锅炉系统工作示意图2.2传统控制方法传统的PID算法在蒸汽发生器的水位控制过程中含有一些不足。对于带有高度复杂度，大时延与非线性的时变特性蒸汽发生器。PID参数调节是一项繁琐的工作，控制效果较差。而且，为了在条件改变时完成良好的控制效果，一般需要调节PID控制器参数。模糊控制作位一种基于模糊推理的非线性控制方法，它利用模糊语言实现熟练操纵人的操作经验与常识推理规则。模糊控制不需要知道控制对象的精确数学模型，对工艺参数的变化不敏感。带有很强的鲁棒性，能够克服非线性因素。因此，模糊控制具有更快的响应和更小的超音调，可以得到更好的控制效果。从以上认识，本课题构建了一种蒸汽发生器的水位模糊控制器。仿真结果显示该控制器具有良好的控制效果和实用价值。2.3现代控制方法1965年，美国的L.A.Zadeh提出了模糊集合论；1973年加深研究了模糊语言处理，此类理论成果给模糊控制理论带来了数学依据。给模糊推理提供了理论基础。使得有人的经验参与的控制过程成为了实际可能。1974年，英国伦敦大学教授马丹（E．H．MamdanU)制造出当时世界上第一个用于锅炉和蒸汽机控制的模糊控制器，这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生[1]。它是控制理论发展的高级阶段的产物，模糊控制一般是用来处理一些复杂的系统、难以完成实时控制的系统。3.模糊控制器设计在锅炉工作期间，水位为一个十分重要的参数。如果水位非常高，导致它对蒸汽水的分离带来影响，那么使用设备故障将导致蒸汽。若水位太低，将破坏蒸汽水的循环，这将会导致严重的锅炉爆炸。同时，高绩效的锅炉的尺寸相对较小时，锅炉产生很大的蒸汽流量，因此控制锅炉的水位非常重要。锅炉水位自动控制的任务是控制供水流量，与蒸发流量保持平衡，进一步保持滚筒水位变化在允许范围内。通过示例模拟，本文已经确认了性能与传统的PID控制相比，模糊控制具有明显的优势。3.1锅炉水位模糊控制原理锅炉的水位模糊控制器是模糊量化、模糊推理、模糊规则与反模糊化接口4个模块组成。多个水位传感器的距离信息计算后得到实时水位。判断锅炉液位控制效果的优劣，最重要的指标是控制系统不同时刻输出与设定水位之间的偏差及其变化率；因此，针对液位控制对象，选择误差e及其变化率de作为模糊控制器的2个输入信号，给水阀门的开度控制量u作为输出，构成如图2-2所示的水位模糊控制系统。图3-1水位模糊控制原理图在该系统构建中,选用维数较高的模糊控制器,控制效果较好。但维数较高的模糊控制器设计起来相当复杂与困难。3.2建立模糊关系由于FWL现象，操作员是必须考虑蒸汽流量的影响手动调节时系统上的水流量。该操作人员应观察实际哑水位及其设定值的误差，水位的变化，水调节阀的开度，负荷的情况等。然后基于水位调节水阀。操作员的经验，将水位保持在规定的限度内。体现反映的调整过程人们的思考，模糊控制器的研究应该使用三个测量信号：鼓水位，供水流量与蒸汽流量，利用模糊控制算法得到相应的控制阀，实现一个前馈-级联三脉冲的模糊控制系统。如图1所示：图3-2模糊控制器设计级联系统的主循环直接控制鼓水位消除各种影响对水位的干扰。助手循环是一个流量伺服系统，其中水流是辅助的变量。在本文中，模糊控制器使用二维结构，水位误差与水位误差变化来用作输入变量，并输出控制变量（阀门）。作为状态平衡点，阀门位置选择19.02，蒸汽流量为0.187kg/s。根据实验水平自动控制的要求，水位范围为±20mm，水位范围为±0.02mm/ms，控制阀范围在平衡点附近为±20mm，对应到七个模糊项{大阴性;中间负面;小的负面;零;小正;中正;大正}，相应的模糊符号是{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。根据经验建立模糊规则，例如：当水位为时大负值（实际水位低于正常水位），水位的变化小负值（实际水位远离平衡点），当水流量小于蒸汽流量时，阀门位置为低于平衡点。为了恢复到正常水位，给水流量应大于过热蒸汽流量，为尽快恢复平衡点，阀门开度应大于（大正值）。因此，模糊规则的构建如表2.1所示。3.3状态点的设定由于模糊控制可以通过误差和误差率直接计算阀门位置，它比PID控制快，但模糊控制只能在稳定点附近调整，因此ti不适应变化稳定点如果使用整体部件，它将降低执行速度和稳定性。本文根据锅炉的状态，即锅炉温度，压力和流量参数，计算当前的阀门位置。为了使系统稳定，将阀门位置作为模糊控制的稳定点，弥补了传统模糊控制在稳定点外的较大问题，将稳定点作为状态点。假设在固定蒸汽流量中，水位稳定在设定值，当给水流量值等于蒸汽流量时，相应的给水阀位置被认为是蒸汽流量的稳定点阀。稳定点阀由水压，水温，蒸汽流量鼓压力和其他几个参数决定，因此我们可以通过这些状态参数确定状态点4.仿真分析4.1MATLAB软件平台介绍在本文中MATLAB有两大用途：一是用于系统的仿真，二是在试验中作为上位机运行自抗扰控制算法，并向下位机传送电机电压信号。可以将MATLAB看作是一个大的算法库。它拥有丰富的工程中需要的各种函数，用户只需要简单的调用函数就可以解决问题。在控制领域能够用MATLAB对控制方法来仿真，减少了开发周期。图4.1是MATLAB软件平台。图4-1MATLAB仿真平台假设给水流量GW保持不变，并且蒸汽负荷GS步骤增加，一方面水位将向下流动，由于蒸汽流量大于水流量。另一方面，伴着蒸汽负荷的增加，蒸汽压降低;液面上的气泡量增加，导致水位增加。综合两个因素，蒸汽流量逐步增加后，水位下降有一个延时过程，显示出一个向上然后下降。对水流量或蒸汽流量踩踏的水位的影响降低具有与上述相似的原理。由于分析可以如上所述，当水流量或蒸汽负荷变化时，水位不会立即跟随变化，但是起初存在相反的过程。这种现象称为“假水位”现象。传统的PID控制器对蒸汽发生器的控制性能较差，存在“假水位”特性，在跟踪时间内表现出较大的过冲。但精心设计的模糊控制器能够克服“假水位”现象，并具有良好的控制性能。电厂的锅炉控制系统主要任务含有：锅炉水位控制，水位应在要求的范围内;蒸汽的温度控制，适当的蒸汽温度保证发电机组的安全与经济运行。锅炉的主要输入参数：给水量，燃料量，诱导空气量和供气量;锅炉的主要输出参数：蒸汽压力，锅炉水位和炉膛负压等。很难建立准确的锅炉数学模型因为这些变量之间的强耦合。PID控制方法难以处理复杂的控制对象，因此寻求一种新的控制策略来解决锅炉等复杂，时变和大时滞控制对象是当务之急。本文对锅炉的水位与蒸汽压力进行PID控制与模糊控制仿真。然后将步进信号添加到每个控制链路，以验证补偿模糊神经网络控制的合理性和优越性。为了证明模糊控制器的优越性，我们把控制效果同单级PID控制器系统进行了对比。4.2动态数学模型建立造成水位变化的突出扰动是蒸汽流量的变动与给水流量的变动。如果只考虑主要扰动，那么根据汽包物质平衡,则锅炉水位的特性能表示成以下平衡方程式：F(t)=Qw(t)-QD(t)(4-1)其中Qw(t)、QD(t)分别是给水流量和进出汽包的蒸汽，F(t)是汽包水位的变动量。通过检测仪器（蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器）可得到Qw(t)、QD(t)、F(t)的信号,则从(2-1)式可得到:（4-2）其中c是锅炉我的截面积，ρ是锅炉水重度，H(t)是水位;α是水量流系数。Δpw是流经水流量的节流装置的差压;β为蒸汽流量系数，ΔpD为流经蒸汽流量节流装置的差压。对式（2-2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程：(4-3)其中，TD、KD、TW、KW、分别与流量变送器的流量转换系数及展开的系数有关。T1、T2是水位变送器与汽包截面积相关的系数。给水量为锅炉的输入量，若蒸汽负荷恒定。则在给水流量发生变化时，锅炉水位的运动方程式能够表示为：(4-4)通过拉氏变换以后得到，(4-5)从式(2-4)，能够方便地得到锅炉水位在给水流量情况下的传递函数为：(4-6)对于中压锅炉，上式中TW的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(2-6)可以进一步改写为：(4-7)其中反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米／秒·(吨／小时)。假定水冷壁吸热量为Q，给水流量为W，蒸汽流量为D，水中气泡上升速度为E，水位为H，蒸发系统的水容积为wV，蒸发系统的汽容积为sV。4.3汽包水位数学模型假定水冷壁吸热量为Q，给水流量为W，蒸汽流量为D，水中气泡上升速度为E，水位为H，蒸发系统的水容积为wV，蒸发系统的汽容积为sV。蒸汽在水中的停留时间为T=E/H，考虑到蒸汽流量为D，则水中蒸汽容积为，所以，汽包的实际水容积是。设汽包截面积为F，可得到容积平衡方程（4-8）对式（4-8）微分，可得（4-9）整理得（4-10）又由（4-8）可得（4-11）由式以上可以推出（4-12）代入式（4-10）可得（4-13）取水位的相对变化，汽泡在水中的停留时间为：，则式（4-13）变为（4-14）假定为燃料量（0~100%），为汽机调门开度（0~100%），为给水阀开度或给水泵转速（0~100%），调节级压力为。忽略蒸汽的过热器中的动态过程，蒸汽流量能按下式计算。（4-15）由此可得（4-16）给水阀变化时，积水流量将快速变化，忽略其动态过程，同时近似认为积水流量与开度为线性关系，则（4-17）燃料量变化时，吸热量的变化有较大的滞后，这与锅炉制粉系统的形式有关。可以如下的传递函数表示吸热量的变化情况（4-18）4.4水扰动实验图3.1为具有状态控制器的模糊控制器同没有状态控制器的模糊控制器之间的大水位波动的响应对比度。从图中可以看出，当水位波动较大时，两者的调节速度相同，但当水位恢复到设定点附近时，模糊控制器存在明显的稳态误差。没有状态控制器，它表明状态控制器的引入可以改善控制模糊控制器的精度。图4-2单级串级PID与三脉冲液位的控制系统在应用的工程上已经成熟。图4-2显示了单级PID控制器，三级的串联PID控制器与模糊状态控制器之间的控制效果对比。从图中能够看出，在水位波动较大时，这些控制器都能够快速达到设定，但是从稳定时间与超调的角度来讲，模糊控制器可以优于其他两个控制器。需要更短的调节时间，并且至少比级联PID控制器100s更快，较单级PID控制器快300s左右。这是由于鼓控制为非线性系统，即使PID控制在线性系统里的响应快，但是模糊控制在非线性系统里的响应更快。我们必须根据模糊控制算法建立M文档，因为没有就绪模块。首先，确定参数：α，σ，b，δ，补偿度γ和系统输入e，ce。然后根据公式（1）和公式（2）建立模糊控制原理的程序，并依照公式（3）计算输出。最后，依据模糊控制算法书写参数的在线训练程序。调整它的参数，让控制器的实际输出到达期望输出。参数：α，σ，b，δ和γ按公式（5）训练，然后称为模糊控制函数和主程序中的训练函数，从而得到模糊控制器构造。从而获得模拟结果。上述两种控制方法的锅炉水位阶跃响应曲线，如图4-3和图4-4所示。图4-3图4-4可以看出，模糊控制不但产生较小的超调和较短的瞬态时间，并且整个的过程比较稳定。本文用锅炉水位的控制当研究对象，使用传统的PID控制与模糊控制进行仿真。仿真结果显示，模糊控制具有调节时间短，超调小的特点。并且鲁棒性更强，适合于锅炉系统。5.总结历经了四个月的努力学习，基于MATLAB的锅炉水位模糊控制的仿真研究系统终于完成。在开发该系统的经历中，首先依照锅炉水位系统需求构建出其大致的控制过程。其次，设计各个功能模块。构建好功能模块后开始MATLAB功能模块的构建。在掌握了相关的MATLAB编程知识后，开始书写系统的控制程序。在程序的测试过程中经常存在编译不通过，函数变量不正确等问题。在请教老师与同学后，成功解决了函数的调用问题。仿真结果表明，所设计的锅炉水位控制系统具有读数方便，显示直观，程序模块简单等优点。符合应用的需求与设备的发展需求，市场的前景明朗。在整个课题完成过程中，充分发挥了人的主观能动性。历经自我的导向学习，我掌握了许多的未知知识。在编写程序的过程中，由于思路不清，我一开始遇到很多问题。在我安定下来想了解信息后，我和同学们讨论了这个问题，问老师，终于清理了我的脑海，完成了程序的准备。通过课题来增加对单片机的学习，更加具体的掌握了单片机的构架和功能原理。在通过实际的代码编写和调试后，慢慢学会了模块化的设计与调试。对程序设计和调试能力为一个较大的促进;在本次课题