锅炉汽包水位模糊PID控制的研究毕业论文

1、锅炉汽包水位模糊pid控制的研究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。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。但其静态性能不能令人满意，限制了它的应用。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将fuzzy-pid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:1)对现有的模

2、糊pid控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊pdi控制方式进行结构及性能上的分析和比较。2)提出一种采用以误差e及其积分ei作为输入语句变量，以两个一维的模糊控制器对pid参数进行在线调整的控制方式进行了探讨。仿真结果表明，控制效果有一定的提高。 3)微分作用对高频干扰十分敏感，容易导致调节品质下降。锅炉本身具有一定的滞后，若不加微分作用，则控制作用的及时性无法发挥。虽然工业锅炉内扰严重，但适当的加一点微分作用对于锅炉水位的控制有一定好处。本文对采用不完全微分型模糊pid的控制情况进行仿真研究，结果表明，控制效果较为理想。关键词 汽包水位模糊;pid;控制三冲量boiler wate

3、r level fuzzy pid control of researchabstractboiler is necessary power plant in the process of industry. in order to ensure the production and security, the auto-control of it is very important. the drum water level is an important variable to be controlled, it is hard to get the mathematic model of

4、 the water level with adjustive process. it is characteristic of nonlinearity, instability and time lag. the traditional control mode of three variable in the drum water level mostly use pid, the effect of it can be improved. the fuzzy control does not need precise mathematic model of the controlled

5、 object ,it only needs the experience of operator and the data of operating, it has good robustness and is fit to control the system with nonlinearity and lag. but its static characteristic is dissatisfactory, which limit the application of it. based on the characteristic of water level control in b

6、oiler and fuzzy control, this paper does some exploratory works as follows on applying fuzzy-control to three-variable control mode in the drum water level:1）this paper summarizes the present forms of fuzzy-pid controller. it analyzes and compares the structure as well as performance of water level

7、in boiler combing the characteristic of water level control in boiler.2) a control mode is brought forward,which is based on adjusting pid parameters on line via two single-dim entional fuzzy controllers which use error and its integral as input sentence variables. the result of simulation shows the

8、 better effect.3) the part of differential is sensitive to high frequency noise, and easily make the quality of adjust declining. boiler has the characteristic of lag, the controller is not rapid enough if there is not differential item. although industrial boilers have many inner-noises, it is good

9、 to water level control that properly adds a little of differential item in boiler. this paper studies the simulation of fuzzy pid control with incomplete differential type, the result of simulation show that the effect is good.key word drum water level; fuzzy-pid;three-variable目录摘要iabstractii第1章 绪论

10、51.1 锅炉汽包水位51.2 锅炉汽包水位的系统结构61.3 汽包水位调节对象的特性71.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性71.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性10第2章 锅炉水位pid控制系统设计132.1 pid控制原理132.2 pid对控制的影响142.2.1 比例p调节142.2.2 积分i调节142.2.3 微分d调节142.2.4 pid控制器的参数整定152.3 汽包水位调节系统的设计162.3.1 单冲量水位调节系统162.3.2 双冲量水位调节系统172.3.3 三冲量水位调节系统192.3.4 汽包水位的三冲量pid串级控制系统212.4 本章小结2

11、2第3章 模糊控制233.1 模糊控制的产生与发展233.2 模糊控制的基本原理233.2.1 模糊控制系统组成233.2.2 模糊控制器的基本结构243.3 模糊pid控制器283.4 本章小结29第4章 自适应模糊pid控制系统设计304.1 自适应模糊pid控制器的设计304.2 三冲量自适应模糊pid控制系统344.3 三冲量自适应模糊pid控制与传统pid控制仿真结果比较374.4 本章小结39结论40致谢41参考文献42附录a英文原文文献43附录b对应的中文翻译50“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 锅炉汽

12、包水位锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，锅炉的复杂特性使得采用常规方法难以获得良好效果，近年来锅炉的建模和控制融入了智能化的手段。自从1965年加利福尼亚大学的查德教授创建模糊集理论和1974年英国的 e.h.mamdani 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得到广泛发展并在现实中得以成功应用。模糊控制在70年代才引入中国，研究起步较晚，但发展较快，目前在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类、模糊模式识别等领域取得很大成就。我国是最早把模糊理论引入气象预报、地震预测和高炉冶炼控制方面的国家。在自适应模糊pid控制器方面，我国的许多学者研究提出了采用模糊逻辑的非常规的pid控制

13、器，研究表明自适应、自调整以及模糊pid不仅可以解决简单线性问题，而且对于许多复杂非线性、高阶、时延等系统具有很好的效果。最近几年对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究受到学者的关注。汽包水位过高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，严重的引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。汽包水位的动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。对锅炉汽包水位控制方法大多采用传统的pid 控制方式，由于传统pid控制系统的参

14、数是固定不变，在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统运行动态大幅度变化的情况下，系统不能适应，造成系统的不稳定甚至失控。在实际运行中常常需要手工操作。自适应模糊控制就是运用模糊的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊表来表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入知识库中，然后根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理即可自动调整最佳参数。本文设计了汽包水位三冲量pid串级控制系统和三冲量自适应模糊pid控制系统。提出了三冲量辅助信号对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状及本人的仿真结果，提出三维pid自整定规则。仿真结果表明三冲量自适应模糊pid控制系统提高系统抗干扰能力及鲁棒性，改善

15、控制效果。锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其作用就是有效地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所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用1。根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供热取暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1-1所示。 图1-1锅

16、炉主要工艺流程图第2章 锅炉汽包水位的系统结构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炉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

17、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。锅炉汽水系统结构如图2-2所示。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变2。 图2-2锅炉汽水系统结构图2.1 汽包水位调节对象的特性引起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。如果只考虑主要扰动，那么根据汽包物质平衡，则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式： (2-1)其中、分别为给水流量与进出汽包的蒸汽，f(t)为汽包水位的变化量。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、f(

18、t)的信号，则从2-1式可得到： (2-2)其中c为锅炉截面积，为锅炉水重度，h(t)为水位；为水量流量系数，为流经水流量的节流装置的差压；为蒸汽流量系数，为流经蒸汽流量的节流装置的差压。对式(1-2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程： (2-3)其中，、分别与流量变送器的流量转换系数及展开的系数有关，、为水位变送器及汽包截面积有关的系数。下面我们着重讨论在给水和蒸汽流量两种主要扰动下水位对象的动态特性。1）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。2）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。2.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产

19、生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： (2-4)经拉氏变换后可得， (2-5)从式（1-4），可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： (2-6)对于中压锅炉，上式中的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(1-6)可以进一步改写为： (2-7)其中：反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的不变化速度，单位为毫米秒（吨小时）。从式(2-7)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成，、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（2-7

20、）来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(2-8)式近似计算： (2-8)给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，为30100 秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，为100200 秒；水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。反应速度及反应时间都用相对量来表示：定义为：当扰动量为100% (从满负荷突然变化到零），水位（以允许变化的范围为100%）的变化速度，单位为秒。定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反应时间为30秒。这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，由于出汽和进水流量的不

21、平衡，水位将等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨/小时），则将在30秒钟水位下降20毫米。如果用反应速度表示，则当对于中压多汽包锅炉，为300秒；一般中压锅炉，=30100秒；高压锅炉时，水位h降低，要使水位h不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值，所以引入系统的符号为“+ ”。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。（一）三冲量水位调节系统的分析 图3-8是三冲量水位调节系统的原理图。从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(l)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

22、位调节对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量、分流器、对象：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。所以三冲量调节的实质是前馈加反馈的调节系统。图3-8三冲量汽包水位调节系统-+d+-+h+f2图3-9三冲量水位调节系统原理图在这个系统里，内回路相当于串级调节的副环，当给水流量产生扰动时（给水流量的扰动也称内扰），由于副回路的快速调节作用，将对水位影响较小。在分析内回路时可认为主回路是开路，内回路是一个随动系统。内回路的方块图可表示为图3-10。如果把调节器以外的环节都看作是调节对象，那么调节对象的动态特性近似为比例环节，这样调节器的比例带和积分时间可设置得较小。其

23、中,因此可认为： (3-9)图3-10水位调节系统内回路方块图在内回路分析基础上，可以画出主回路的简化方块图3-11，从图3-11可以看出，主回路也是一个单回路系统。调节对象以给水量w作为输入，以水位h作为对象的输出。等效调节器是比例调节器，等效比例带。（二）蒸汽流量分流系数的选择蒸汽流量信号不在调节系统闭合回路之内，因此它的大小不影响调节系的稳定性。蒸汽流量信号的大小原则上可以这样来定，当蒸汽流量发生扰动时利用这个扰动信号作为调节信号，通过调整按水位h变化很小或基本不变8。 (3-10)iwhd+-+图3-11水位调节系统主回路简化方块图这样就要求取值(3-10)式值时，就可实现蒸汽流量扰动

24、下水位不变的设想。但这时的就不是一个简单的系数，而是一个复杂的动态环节。一般情况，要是一个比例环节，在负荷变化时就能把锅炉水位控制在允许的范围内。通常都根据蒸汽流量信号与给水流量信号静态配合的原则来选择、如果要求在整个负荷范围内，水位的稳定值不变，则取： (3-11)即蒸汽流量信号的前馈系数等于给水流量信号的分流系数。3.3.4 汽包水位的三冲量pid串级控制系统由于在采用三冲量，在系统中控制器的输入端有三个输入信号，这就水位极易引起偏差，因此，本文根据汽包水位控制系统的运行情况，提出了消除三冲量调节系统消除水位控制偏差的两个方法:(1)辅助信号自消的方法。所谓自消就是辅助信号经一个不完全微分

25、环节(或带滤波器的微分环节)得到信号再加至控制器，当系统稳定时有： (3-12)(2)辅助信号对消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,满足对消条件： (3-13)本文汽包水位控制系统采用三冲量pid串级控制系统如图3-12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很严格，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。水位偏差控制采用蒸汽流量与给水流流量对消方式来消除偏差即取。其中,、分别为蒸汽流量、给水流量、水位变送器的传递系数。为静态前馈系数。dw+

26、h图3-12汽包水位串级控制系统3.4 本章小结从控制系统仿真曲线图可以看出:采用pid控制器，系统的静态特性较好。三冲量控制与双冲量控制相比，采用三冲量系统对干扰有很好有控制能力。当对象参数发生改变时，系统发生巨大响应，超调量明显变大，上升时间变长，系统振荡加剧，可以看出当控制对象不明确时，pid控制效果不好。第4章 模糊控制4.1 模糊控制的产生与发展模糊理论的创始人是美国加利福尼亚大学的自动控制专家扎德(l.a.zadeh)，在他的第一篇论文模糊集合中，首先引入了隶属函数的概念。扎德建立了模糊集合论的基础。模糊理论一出现就表现其强大的生命力和渗透力。20世纪70年代以后，在广泛的领域内得

27、到了很快的发展10。在控制系统传统设计中，都需要了解被控对象的数学模型。但是，对于一些生产过程，要获得既有足够的精确性，又便于系统分析的数学模型是相当困难的。这使现代控制理论的应用受到限制。扎德的模糊理论为控制理论开辟了新的发展方向，提供了新的控制系统设计方法。1974年英国伦敦大学教授e.h.mamdani首先成功地把模糊理论用于锅炉和蒸汽机的控制，这一开拓性的工作标志模糊控制工程的诞生。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业窑炉等多个领域中得到广泛应用。我国的模糊控制理论及其应用研究是从工作1979 年开始的。19791980 年我国的李宝绶、刘志俊等人设计了一类缺乏数学模型的控制器，对模

28、糊控制器的特性进行了仿真，与pi控制器进行比较，结果表明，模糊控制器对单位阶跃响应具有速度快、精确度较高以及对参数变化不敏感等优点。近年来在工业基础上应用模糊控制己取得了许多成果。模糊控制实际上是一种非线性控制，是以模糊理论模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法，从属于智能控制的范畴。4.2 模糊控制的基本原理4.2.1 模糊控制系统组成模糊控制系统一般可分为五个组成部分11，如图4-1所示：a/dd/a模糊控制器执行机构传感器+被控量被控对象图4-1模糊控制系统图模糊控制器，是各类自动控制系统中的核心部分；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

29、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；执行机构，各类电动机、调节阀等；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；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。4.2.2 模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构如图4-2所示。它包括以下四个部分。输出模糊化模糊推理清晰化控制对象知识库参考输入图4-2模糊控制器的基本结构1模糊化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：首先对

30、这些输入量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量。将上述己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。将己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。在模糊控制中，主要采用以下三种模糊器。(1)单值模糊器。单值模糊器将一个实值点*u映射成u上的一个模糊单值,在*点上的隶属度值为1，在u中其他所有点上的隶属度值为o，即： (4-1)其隶属度函数如图4-3所示。这种模糊化方法只是形式上将清晰量转变成了模糊量，而实质上它表示的仍是准确量。在模糊控制中，当测量数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分自然和合理的。(2)高斯模糊器。高斯模糊器将

31、*u映射成u上的模糊集,它具有如下高斯隶属度函数： (4-2)如图44所示。三角形模糊器。三角形模糊器是将*u映射成u上的模糊集x，它具有三角形隶属度函数： (4-3)其隶属函数如图4-5所示。111kkk 图4-3单点隶属函数图 图4-4高斯隶属函数图 图4-5三角形隶属函数高斯模糊器或三角形模糊器能克服输入变量中包含的噪声，而单值模糊器却不能。2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。(2)模糊控制器的规则库。基于专家知识或手动操作人员长期积

32、累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成，如ifthen , else , also , end , or等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为ifthen,e1se,a1so，对于多变量模糊控制系统，还有and等。通常把if部分称为“前提部”,而the称为“结论部”，其基本结构可归纳为ifa andb thenc，其中a为论域u上的一个模糊子集，b是论域v上的一个模糊子集。根据人工控制经验，可离线组织其控制决策表r,r是笛卡儿乘积集uv上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量由下列式给出： (4-4)式中，为模糊直积运算，为模

33、糊合成运算。模糊规则的条数与模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的“准确性”还与专家知识的准确度有关。3模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模糊人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑的蕴含关系及推理规则来进行的。在模糊控制中，通过用一组语言描述的规则来表示，通常具有如下形式即if（满足一组条件）then（可以推出一组结论）。对于多输入多输出模糊系统，则有多个输入法和前提条件以及多个结论。对于多输入多输出模糊控制器，其规则库具有如下形式： (4-5) 可见，规则库r可看成由q个子规则库所组成，每个子规则库由n个多输入单输出的

34、规则所组成。所有n条规则的总模糊蕴含关系为（取连接词“also”为求并运算）。设已知模糊控制器的输入模糊量为：x是a and y 是b，则根据模糊控制规则进行模糊推理，可以得出输出模糊量z(用模糊集合表示）为： (4-6)其中以上运算包括了三种主要的模糊逻辑运算：and 运算、合成运算“。”和蕴含运算。在模糊控制中，and运算通常采用求交（取小）或求积（代数积）的方法；合成运算采用最大最小或最大积（代数积）的方法；蕴含运算采用求交或求积的方法。常用模糊推理方式主要有：mamdani 模糊推理方式、sugeno模糊推理方式。假设有如下两条推理规则：r1:if x is a1 and y is b

35、1,then z is c1r2:if x is a2 and y is b2,then z is c2mamdani 模糊推理的计算方法如下：若己知，则新的隶属度为： (4-7) 式中。sugeno模糊推理的计算方法如下： (4-8)mamdani模糊推理的优点：(1)理论相当直观。(2)己经被广泛地接受和应用。(3)非常适合人类认知信息的输入。sugeno模糊推理的优点：(1)计算效率高。(2)可以与已有的线性系统理论很好地结合。(3)可以与优化和自适应技术结合运用。(4)保证了曲面的连续性。(5)非常适用于数学分析。4清晰化清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量。它包括以下两部分内容：(1)将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量。(2)将表示在论域范围的清晰量经尺度变成实际的控制量。清晰化计算通常有以下几种方法。(1)平均最大录属度法(mom)若输出量模糊集合的隶属度函数只有一个峰值，则取隶属度函数的最大值为清晰值，即,式中，表示清晰值。若输出量的隶属度函数有多个极值，则取这些极值的平均值为清晰值。(2)最大隶属取最小值方法(som)该方法取模糊集合中具有最大隶属度的所有点的最小的一个作为模糊化的结果。(3)最大隶属度取最大值方法(lom)该方法取模糊集合中具有最大隶属度的所有点中的最大的一个作为去模糊化的结果。(4)