毕业设计（论文）-锅炉汽包水位控制.doc

摘 要锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点。给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制，其控制效果还可以进一步提高。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，非常适合用于非线性、滞后系统的控制。模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。关键词:汽包水位；模糊控制；三冲量 I目 录引言11 锅炉工作过程及其设备21.1课题背景21.2锅炉的工作过程简介21.3锅炉设备的调节任务41.4本文研究内容52锅炉汽包水位特性及其控制62.1锅炉汽包水位的特性62.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性62.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性72.1.3燃料量B扰动下汽包水位的动态特性92.2汽包水位控制方式102.2.1单冲量控制方式102.2.2双冲量控制方式112.2.3三冲量控制方式123 模糊控制原理153.1概述153.1.1模糊控制的形成153.1.2模糊控制的特点153.2 模糊控制系统组成163.3模糊控制的工作原理183.3.1模糊控制系统的组成183.3.2模糊控制的基本原理204 汽包水位模糊控制器设计及仿真214.1汽包水位的PID控制方式214.1.1PID控制方式概述214.2模糊控制器的设计方法224.2.1模糊控制器的结构设计224.2.2精确输入量的模糊化234.2.3确定控制规则264.2.4模糊量的判决方法(解模糊)294.3汽包水位的模糊控制器的设计314.3.1模糊控制器结构314.3.2模糊控制器的设计314.3.3仿真结果335.35谢辞36参考文献370引言锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十苍白台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。1 锅炉工作过程及其设备1.1课题背景由前述可知，在锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此，研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常有必要的。另一方面，自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授首先提出模糊数学和模糊控制以来，经过几十年的研究，模糊控制得到广泛发展并在实际中得以广泛应用。这主要在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。模糊控制的突出特点在于:(1)控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。(2)控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。(3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。(4)控制推理采用“不精确推理”。由于推理过程模仿人的思维过程，引入了人类的经验，因而能够处理复杂系统。在一般的模糊控制系统中，通常采用偏差E及其变化EC为输入语句变量，因此它具有类似于常规PID控制器的作用，缺点是静态性能不能令人满意。由于模糊控制作用能消除稳态误差，又具有较高的动态响应。因此常常把PI控制策略引入模糊复合控制，是常用的一种方式。模糊控制在工业过程中有大量的成功应用，但在锅炉水位控制上还没有形成系统的理论，还存在一些不足，仍然有必要继续研究。1.2锅炉的工作过程简介锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。 图1.1 锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。1.3锅炉设备的调节任务锅炉作为重要动力设备，为了保证提供合格的蒸汽，必须使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量。为此，生产过程的各个参数，特别是新汽的压力和温度，必须严格控制。一、控制汽包水位锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。二、控制蒸汽温度过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数，蒸汽温度过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行带来不利因素。因为现代的蒸汽锅炉，金属强度的安全系数设计得都比较小，超温严重会使汽机或其它负荷设备膨胀过大，使汽机的轴向推力增大而发生事故。汽温过低直接影响负荷设备的使用，对汽机来说会影响效率，进汽温度每降低5，效率约降低1%。因此从安全生产和技术经济指标上看，必须保持蒸汽温度在额定值范围之内。三、控制蒸汽压力蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是新汽的重要工艺参数。蒸汽给定压力过高或过低，对于金属导管和负荷设备都是不利的:压力太高，会加速金属的蠕变，压力太低就不可能提供各负荷设备符合质量的蒸汽。在运行过程中，蒸汽压力降低，表明蒸汽消耗量大于锅炉发汽量;反之，蒸汽压力升高，说明蒸汽消耗量小于锅炉发汽量。因此严格控制蒸汽压力，是确保安全生产的需要，也是维持正常生产负荷的需要。四、维持经济燃烧使空气和燃料维持适当比例，是燃烧过程的最佳操作条件，是提高锅炉效率和经济性的关键措施。将过剩空气降低到近于理想水平而又不出现CO和冒黑烟，这就需要快速而精确的燃烧过程的自动调节，最佳的空气、燃料配比。如果离开最适宜的空燃比，势必增加热量损失，降低经济技术指标.并造成对周围环境的污染。五、控制炉膛压力锅炉在正常运行中，炉膛压力也必须保持在规定的范围之内。如果是负压操作，则负压偏正，局部地区容易喷火，不利于安全生产，不利于环境卫生，负压过大，漏风严重，总风量增加，烟气热损失增大，不利于经济燃烧。由于燃烧室的空间很大，加之介质密度差产生的自升引力，使沿着炉膛向上负压越来越大，所以保持某个高度上的负压是必要的，可行的。六、控制一次风量粉煤直吹制锅炉，为了安全地、经济地将粉煤输入炉膛，保证良好的燃烧条件，一次风量也需要自动调节。对于高压锅炉，有时还需自动调节锅炉的连续排污量以保证锅炉水中含盐量为额定值。为实现上述调节任务，锅炉设备控制划分为如下几个调节系统:1.锅炉给水调节系统:即锅炉汽包水位的控制。其被调参数为汽包水位，调节手段为给水流量，它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。是锅炉汽包内部重要的调节系统。2.蒸汽压力调节系统:被调参数是蒸汽母管压力，在孤立运行锅炉中，为蒸汽压力，主要考虑锅炉内部的热量平衡，其通道很长，包括锅炉燃烧系统和蒸汽发生系统，它是整台锅炉设备自动调节当中的核心。3.经济燃烧调节系统:被调参数随着测量方式的不同而异，主要考虑燃烧系统的经济燃烧问题，通道也比较长，包括燃烧系统和烟道。4.炉膛负压调节系统:被调参数为炉膛负压，主要考虑燃烧过程的物料平衡，调节通道包括炉膛和烟道。5.蒸汽温度调节系统:被调参数为过热器出口过热蒸汽的温度，主要考虑过热器的热量平衡问题。1.4本文研究内容本文将对现有的模糊控制器进行归纳、对比及创新，对锅炉水位控制系统的模糊控制进行结构及性能上的分析比较，并利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱进行设计、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，具有不精确推理的特性，设计模糊控制器，以解决汽包水位的非线性、时变及滞后的特性，同时具有较好的稳定性及鲁棒性，做了一些试探性研究并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。2 锅炉汽包水位特性及其控制2.1锅炉汽包水位的特性锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量D和给水流量W。2.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性图2.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的Hl线。图2.1 给水流量作用下水位阶跃响应但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中的万线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数表示时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。系统特性可表示为: 2-1 式中K1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/秒或(吨/小时)。从式2-1可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一个滞后环节所组成，Kl、T1的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式2-1来表示它的动态特性，误差较大，这时可选用下面近似计算： 2-2式中，给水量扰动后的纯滞后时间，对非沸腾式省煤器的锅炉，这时为30至100秒;对于沸腾式省煤器的锅炉，为100至200秒;K0一水位的反应速度。给水温度越低，时滞亦越大。由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有二种形式:反应曲线变化最快的可用式(2-1)表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联;另外也可用式(2-2)表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联。对于不同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还要根据具体条件来定，原则是:表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。总之，汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。具体特性可用二种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度来定。2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性在蒸汽流量刀扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.2所示。当蒸汽流量突然增加，从锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量D大于给水量矶水位应下降，如图中曲线H1。但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的H2线。因此，实际的水位曲线为H1+H2，即为图中的H。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2.2中H2的时间常数只有1020秒。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可表示为: 2-3式中，Kf一一响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨/小时)。K2一一响应曲线玩的放大系数T2一一响应曲线的时间常数图2.2蒸汽流量扰动下水位阶跃响应“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于一般100一230吨/小时的中高压锅炉，如负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达30一40毫米。由于“虚假水位”现象属于反向特性，其出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D的变化速度或限制负荷一次变化量。由此可见，汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“虚假水位”现象，“虚假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。2.1.3燃料量B扰动下汽包水位的动态特性汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如图2.3所示。当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度加大。如果负荷的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增加，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力上升，它会使汽泡体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量D缓慢增加，故虚假水位现象要比蒸汽扰动下缓和的多。图2. 3燃料量扰动下水位阶跃响应2.2汽包水位控制方式给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。图2.4汽包水位单冲量控制原理图及方框图2.2.1单冲量控制方式单冲量水位控制方式原理图及方框图如图2.4所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报替装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于:1)负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差。2)负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。3)给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。总之，单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。2.2.2双冲量控制方式在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。这样不仅可以补偿“虚假水位”的引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，如图2.5所示。图中，cl、q为加法系数，G2为蒸汽流量扰动下，汽包水位的传递函数。图2.5汽包水位双冲量控制原理图及方框图从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这种调节系统的特点是:1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当C1、C2选择匹配时，系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。双冲量调节存在的问题是:调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。2.2.3三冲量控制方式目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-20秒内就会发生危险水位;如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。图2.6汽包水位三冲量前馈一反馈控制原理图及方框图1)前馈一反馈控制方式前馈一反馈控制方式的原理图及方框图如图2.6所示，从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路:(1)是由给水流量W、给水分流器aw、调节器Gc。、调节阀Gv组成的内回路。(2)由水位调节对象G1和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器aD、对象G2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。所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。为了确保当负荷变化时水位无余差，必须保证物料平衡，由此确定分流系数aw，aD的值。2)前馈一串级控制方式前馈一串级控制方式的原理图及方框图如图2.7所示，该方案与前馈一反馈控制方式相似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。此方案不管系数如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。图2.7汽包水位三冲量前馈一串级控制原理图及方框图3 模糊控制原理3.1概述3.1.1模糊控制的形成人们往往都会有这样的体验，我们每天都会遇到大量的模糊概念和模糊现象，比如，“天很热”、“这小孩真漂亮”、“他的个子很高”等等，这里的“很热”、“真漂亮”、“很高”都是模糊概念。它们无法用经典数学方法来度量，但是大家用这些模糊概念来描述时我们却都能明白对方说的是什么意思，一般并不会引起误解和歧义。正是由于模糊现象客观存在于人类思维、社会现象和自然界中，为了描述这些现象形成了模糊数学。模糊数学最早于1965，由美国加利福尼亚大学的L.A.Zdaha教授提出。它的出现打破了经典数学，“非对即错”、“非0即1的局限性。模糊数学是建立在模糊集合基础之上的，模糊集合相对于经典集合的最大不同就是引入隶属函数。经典集合对集合中的对象关系进行严格划分，一个对象要么完全属于这个集合，要么完全不属于这个集合，不存在介于二者之间的情况。而模糊集合则允许其中的元素部分隶属，即对象在模糊集合中的隶属度可以取0到1中的任何值。在控制工程中，传统的控制系统的设计，都需要了解被控制对象的数学模型。但是工业生产过程中，要得到精确的数学模型有时是非常困难的，甚至是不可能的。然而，一个熟练的操作人员却可以不依赖于数学模型，仅依赖于人的经验知识、感觉和逻辑判断，取得较好的人工控制效果。由此，人们加以总结，可以把凭经验所采取的相应措施总结成一条条控制规则，如水位太高则减小给水量，温度太低则增加燃烧量等等。由这些规则所构成的控制器对复杂的生产过程进行控制，由于这些规则基于模糊逻辑，是模糊数学与控制技术相结合的产物，这种控制方式就是模糊控制3.1.2模糊控制的特点由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立数学模型，根据实际系统的输入和输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可以对系统进行实时控制，实际是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。它具有如下一些突出优点:1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异;但一个系统语言规则却具有相对独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的方案，使控制效果优于常规控制器。模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。4)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性，时变及纯滞后系统的控制。简单的模糊控制器与常规的控制器相比具有一定的优点，然而它也存在一些缺陷:1)精度不太高。这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通过增加量化等级数目虽可以提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大空间，使运算时间增加。实际上，如果模糊控制器不引入积分机制，原则上误差总是存在的。2)自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环境的变迁而变化时，它不能对自己的规则进行有效的调整，从而使其良好的性能不能得到充分的发挥。3)易产生振荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡。针对上述不足，人们提出了许多方案，模糊PID功控制就是其中常用且有效的一种形式。3.2 模糊控制系统组成一组成部分模糊控制系统一般可分为五个组成部分：1）模糊控制器，是各类自动控制系统中的核心部分。2）输入/输出接口。模糊控制器通过输入/输出接口从被控制对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换电路。3）执行机构。各类电动机、调节阀等。4）被控对象。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。5）传感器。传感器是将被控对象或过程的被控量转换为电信号的一类装置。给定被控对象A/D模糊控制器D/A执行机构传感器被控量图3.1 模糊控制系统图二模糊控制器的基本结构知识库模糊化模糊推理清晰化控制对象输出图3.2 模糊控制器的基本结构模糊化的作用是将输入的精确量转换为模糊化量。其输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下：1）首先对这些输入量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量。2）将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围。3）将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。三知识库知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由以下两部分组成。1）数据库。数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括尺度变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。输入量的变换。对于实际的输入量，第一步首先要进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围。变换的方法可以是线性的，也可以是非线性的。论域可以是连续的，也可以是离散的。若要求离散的论域，则要求将连续的论域离散化或量化。量化查是均匀的，也可以是非均匀的。输入和输出空间的模糊分割。模糊控制规则的输入和前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言变量构成模糊输出空间。每个语言变量的取值为一组模糊语言名称，它们构成了语言名称的集合。每个模糊语言名称对应一个模糊集合。对于每个语言变量，其取值的模糊集合具有相同的论域。模糊分割是要确定对于互个语言变量取值的模糊语言名称的个数，模糊分割的个数决定了模糊控制精细化的程度。这些语言名称通常均具有一定的含义。模糊分割的个数也决定了最大可能的模糊规则的个数，模糊分割数年越多，控制规则数年也越多，因此模糊分割不可太细，否则需要确定太多的控制规则，这也是很困难的一件事。当然，模糊分割太小癣导致控制太粗略。确定分割数主要依靠经验和试凑。模糊控制的完备性对于数据库的要求：对于任意输入，若能找到一个模糊集合，使该输入对于该模糊集合的隶属度函数不小于。对于规则库的要求:对于任意的输入应确保至少有一个可适用的规则，而且规则的适用度应大于某个数，根据完备性要求，控制规则不可太少。模糊集合的隶属度函数。根据论域为离散和连续的不同情况，隶属度函数的描述有如下方法：A、数值描述方法。当论域为离散，且元素个数为有限时，模糊集合的隶属度函数可以用向量或表格的形式来表示。B、函数描述方法。对于论域为连续的情况，隶属度常常用函数的形式来描述，隶属度函数的形状对于模糊控制器的性能有很大影响。通常，当误差较小时，隶属度函数可取得较为窄小，误差较大隶属度函数可取宽大些。3.3模糊控制的工作原理3.3.1模糊控制系统的组成图3.3模糊控制系统组成模糊控制系统属于计算机控制的一种形式，其组成类同于一般的数字控制系统，其组成框图如图3.1所示。一般可以分为五个组成部分:1)模糊控制器:模糊控制的核心部分。一般为一台微计算机，根据控制系统的需要，既可选用系统机、又可选用单板机或单片机。随着近几年来日本、美国推出的专用模糊芯片，也可以选用。模糊控制系统中的控制器采用的是基于知识表示和规则推理的语言型控制器，这是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的特点所在。2)输入/输出接口装置:模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。在I/O接口装置中，除A/D、D/A从转换外，还包括必要的电平转换电路。3)执行机构:包括各种交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机，气动调节阀，液压机构等等。4)被控对象:被控对象是一种设备或装置以及它们的群体，或是一个生产、自然、社会的生物等等的状态转移过程。它可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但具有较精确的数学模型的被控对象，也同样可以采用模糊控制方案。5)传感器:传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号(模拟的或数字的)的一类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。3.3.2模糊控制的基本原理为说明模糊控制的基本原理以单冲量锅炉汽包水位的模糊控制系统为例。锅炉汽包水位模糊控制系统由汽包、水位传感器、模糊控制器和给水调节阀组成(系统组成框图如图2.4)。当汽包水位连续变化时，水位变送器信号也不断改变。将此测量值与水位给定值进行比较，得到偏差量E，偏差量E经采样和A/D转换，送入模糊控制器，模糊控制器的输出控制量经D/A转换、信号放大去控制给水调节阀，改变给水量，从而使水位保持在允许的范围内变化。由上述模糊控制的过程来看，它与一般反馈控制的思路一致。但是，模糊控制器处理的是模糊变量，而非一般反馈控制的精确变量。因此，偏差量E在送入模糊控制器之后应先进行模糊量化，将E变成模糊量，如水位偏高，偏低、偏差为。等等。量化后的模糊量，在模糊控制器中根据规则库进行推理，得到一个模糊输出量。由于执行机构即给水调节阀只能接受精确信号，故在DA/转换前模糊控制器还要将模糊输出量转换成为精确的数字信号，此数字信号经D/A转换后得到精确的控制量，再送给调节阀改变水量。规则库是根据人的操作经验或专家经验知识，按人的直觉推理的一种语言表示形式。通常由一系列关系词连接而成，如上例汽包水位控制系统中，控制规则可以用语言描述如下:若水位偏高则减小给水量，偏高得越多给水量越小;若水位偏低则增加给水量，偏低得越多给水量越大;若水位偏差为0，给水量保持不变;综上所述，模糊控制算法可格括为下述四个步骤:1)根据本次采样得到的系统的输出值，计算系统的输入变量;2)将输入变量的精确值变为模糊量;3)根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量);4)由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量。4 汽包水位模糊控制器设计及仿真4.1汽包水位的PID控制方式大部分的三冲量控制系统中，其控制器使用的是PID控制器，为作对比这里首先对此方式进行仿真实验。本文所有的仿真实验均基于MATLAB6.5软件，利用其所提供的Simulink相应工具箱进行仿真。4.1.1PID控制方式概述一、连续系统PID控制原理PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图.42所示，所以简称为P(比例)、I(积分)、D(微分)调节器。图4.1 PID调节器控制系统框图其常用的表示形式为: 4-1或: 4-2其中为输出;Kp为比例系数;e为偏差:Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;Ki= Kp/TiKd=KpTd在PID控制的三个作用中，比例作用是基本控制作用。增大比例系数价一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。但单纯采用比例控制，当对象具有自衡特性时，系统将有余差。为消除系统余差，通常引入积分作用。引入积分作用后系统响应时间增长，增大积分时间常数Ti有利于减小超调，但系统静差的消除将随之减慢。微分作用的引入是为了改善高阶对象的控制品质，因为微分作用是按照偏差的变化趋势来控制，具有及时性。增大微分时间常数几也有利于加快系统响应,使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。因为微分作用的引入会把高频干扰放大得很大，反而可能使系统调节品质降低。因此对于噪声大的对象，一般不引入微分作用，或者先将测量值滤波。4.2模糊控制器的设计方法4.2.1模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构指的是确定哪些变量是它的输入变量，哪些变量是它的输出变量。由于模糊控制规则是总结操作人员控制经验得到的，所以，选择的变量应当是操作人员能观察到的变量。一般而言，通常选择被控对象的输出变量与设定值的偏差、偏差的变化、偏差变化的变化等，作为模糊控制器的输入变量，而把控制量作为模糊控制器的输出变量。根据模糊控制器输入变量的个数，可分为一维模糊控制器，二维模糊控制器，三维模糊控制器等等。其结构示意如图3.2所示。图4.1 模糊控制器的结构从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制精度越高，控制越精细。但是维数太多，控制规则变得十分庞大，控制算法实现困难。故工业生产过程中一般选用二维模糊控制器，即把被偏差及偏差的变化作为模糊控制器的输入变量。4.2.2精确输入量的模糊化由于偏差及偏差的变化都是精确的输入值，要采用模糊控制技术就必须首先把它们转换成模糊集合的隶属函数。每一个输入值都可对应一个模糊集合，某一范围连续变化的值就可有无限多个模糊集合，这在工程实践中是无意义的。为了便于工程实现。通常把输入变量范围人为地定义成离散的若干级，所定义级数的多少取决于所需输入量的分辨率。1、选择输入、输出量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，具有“ifthan”的形式。在条件语句中描述输入变量的一些词汇如“正大”、“负小”等的集合，称为该变量的词集。选择模糊词集时不一定是选择的数量越多就越好，而需要兼顾简单性和灵活性两方面。一般说，每个变量以选用2一10个模糊语言为宜。由于人们一般习惯把事物分成三个等级，如大、中、小;好、中、差等等，所以一般都采用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入变量的状态。这些词集同样也适用于输出变量。同时人的行为在正负两个方向上的判断基本上是对称的，将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量的0值，根据经验，控制精度要求高的场合可选七个词汇，如负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。控制精度要求一般的场合可选5个模糊状态，如负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。在有些场合也可选3个模糊状态。如负(N)、零(ZO)、正(P)。2、量化因子确定好模糊词集后，应将输入的连续变化的精确量离散化，以进行模糊量化。通常将输入变量变化的实际范围称为基本论域，正如前面所述，在某一基本论域内连续变化的输入量，可有无限多个模糊集合，通常把输入变量范围离散成若干级，即为模糊子集的论域。为了买现模糊控制器的设计，目前常用玛达尼提出的方法，即把输入变量所取的模糊子集的论域范围设定为-6，+6区间的离散变化量，使之构成含13个整数元素的离散集合:一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，1，2，3，4，5，6其中的每个离散元素对应一个模糊变量等级，习惯上有:“正大”(PB):可取在6附近;“正中”(PM):可取在4附近;“正小”(PS):可取在2附近;“零”(20):可取为零;“负小”(NS):可取在一2附近;“负中”(NM):可取在一4附近;“负大”(NB):可取在一6附近。应注意的是，实际输入精确量的基本论域变化范围一般与模糊子集的论域不在同一区间内，此时必须将输入变量乘以量化因子。设输入精确量x的基本论域范围为a，b，则可根据下式进行转换: 12x-(a+b)/2/(b-a)若根据上式计算出的数