先进PID在火电厂锅炉汽包水位控制中的应用

1、 毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号： 学 院： 班 级： 专 业：自动化 测控技术与仪器所 在 系：控制科学与工程 仪器科学与技术题 目： 先进PID在火电厂锅炉 汽包水位控制中的应用 指导者： 签字： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月 吉 林摘 要锅炉作为火力发电厂的三大主机中最基本的能量转换设备,它的控制水平直接关系到电厂的安全、经济运行.汽包水位是锅炉正常运行中的重要参数,同时,它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志,维持锅炉汽包水位在规定的范围内,是保证锅炉安全运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一.如果汽包水位过高,会影响汽包

2、的汽水分离装置的正常工作,导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大,使过热器受热面结垢甚至遭到破坏,影响机组的正常运行和经济性指标;如果汽包水位过低,会使锅炉水循环工况破坏,造成水冷壁供水不足而被烧坏.所以研究锅炉汽包水位的控制有着重要的意义.目前锅炉汽包水位的控制大多采用常规 PID 控制方式,由于其控制参数是固定不变的,不能进行在线调整,其控制效果往往难以满足要求.常规模糊控制也有应用,但存在静态误差大等缺陷.模糊自适应PID控制算法能在线整定、优化PID参数,理论上可以完全消除系统静态误差.将模糊自适应PID控制理论应用于带前馈的串级三冲量汽包水位控制系统中,不需要对系统模型进行较大的改动,就能

3、够获得较好的控制效果.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.以MATLAB /SIMULINK为仿真平台,构建汽包水位三冲量控制系统,分别采用常规PID控制器、模糊PID控制器、模糊自适应PID控制器.通过比较仿真结果,发现使用先进PID控制算法能有效地加快响应速度、减小超调量、减少调节时间、提高克服扰动的能力.关键词：汽包水位;模糊控制;自适应;PIDABSTRACTBoiler is the basic energy conversion device which is one of three important devices in coal-f

4、ired power plants that level of control is directly related to the safety, economic operation of power plants. Drum water level is an important parameter in the normal operation of the boiler, at the same time, It is also the sign of measuring whether the boiler system material balance, maintaining

5、of the boiler drum water level within the specified range is a necessary condition to ensure the safe operation of the boiler, but also one of the key indicators for normal operation of the boiler. If the water level affects the soft drum of the normal work of separation devices, which may result in

6、 the exported steam boiler with water and salt too, so due to overheating the surface would even get destroyed and affect the normal operation of facilities. If the drum water level is too low, it would damage the boiler water conditions and result in inadequate water supply and water-wall that is b

7、urned. So research of boiler drum water level control is of an important significance.At present, the boiler drum water level control of mostly conventional PID control method, because its control parameters are fixed and can not be adjusted online, and its control is often difficult to meet the req

8、uirements. Conventional fuzzy control can also be applied in, however there is a remarkable static error and so on. Fuzzy adaptive PID controlling method is with adaptive capability theoretically, completely eliminate the static error. Adaptive fuzzy PID control theory is applied to the design of co

9、ntrol systems, without the need for a larger changing of system model, where we will be able to obtain better control effect.This article first analyzes the impact of the drum water level of the various interfering factors, and drum water level of the dynamic and static analysis features.Introduce c

10、ascade-three impulses drum level control and fuzzy PID drum level control,and finally using fuzzy adaptive PID control algorithm to control the boiler drum water level.Application of MATLAB / SIMULINK simulation, comparing the simulation images under the given value、feed water quantity disturbance、s

11、team disturbance and under the conditions of different control objects. The simulation results show that fuzzy controller is better than the traditional PID controller in MATLAB at adapting ability and anti-jamming.Keywords: drum level; fuzzy control; adaptive; PID（空一行）（小二号黑体居中，段前0行，段后0行，单倍行距）目 录（空一

12、行）摘 要IABSTRACTII主要符号表IV第1章 绪 论11.1 课题背景与意义11.1.1 11.2 1第2章 32.1 32.1.1 32.1.2 32.2 3目录中各章题序及标题用小四号黑体（西文为小四号Times New Roman）,其余用小四号宋体（西文为小四号Times New Roman）.目录内容包含：摘要（中、英文）（主要）符号表正文章节题目（要求编到第3级标题）参考文献附录（可选）致谢建议目录采用自动生成方式：先定义文中各级标题,然后选择菜单：插入 引用 索引与目录 目录（空一行）（小二号黑体居中，段前0行，段后0行，单倍行距）主要符号表（空一行）小四号宋体（西文为小

13、四号Times New Roman），行距固定值20磅重力加速度,9.81m/s2重力加速度,9.81m/s2重力加速度,9.81m/s2(物理量名称及符号表采用国家标准规定符号者可略去此表)第1章 绪 论1.1 课题背景与意义近年来,随着国民经济和科学技术的迅速发展,一方面,火力发电技术日趋成熟,机组不断向高参数、大容量方向发展,大型火电机组大量投产,这对机组运行的安全性、经济性等方面提出了更为严格的要求.因此机组运行越来越依赖于先进的自动化系统;另一方面,随着我国电力系统改革的进一步深化,厂网分开模式的建立,电厂经济将实行独立核算,如何不断降低发电成本,提高效益已成为发电企业面临的一个重大

14、研究课题.锅炉是火电机组的重要组成部分,其动态特性将直接影响着整个机组的动态性能.在这种情况下,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 年加得福尼亚大学的查德 ZADEH 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

15、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 控制系统的参数是固定不变,在稳定的工况下

16、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.锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象,主要的控制系统包括锅炉汽包水位的控制、锅炉燃烧系统的控制、过热蒸汽系统的控制.其中维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一,是锅炉正常运行的重要指标.水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢,影响蒸汽质量

17、及传热效率,严重的将引起过热器爆管;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,汽包水位过高过低的后果非常严重,所以必须严格加以控制.大容量机组的不断增加和电网调度自动化程度的日益提高,对火电机组的控制品质也提出了更高的要求.因此,研究火电厂汽包水位的先进控制策略对于电站运行的安全性和经济性具有十分重要的理论意义和现实意义.1.2 国内外研究现状火电厂锅炉汽包水位控制方式经历了三个阶段：以锅炉汽包水位作为唯一反馈量的单冲量控制方式，是最简单的控制方式，也是最基本的控制方式。该控制方式不能消除“虚假水位”带来的影响，不能及时克服给水流量和蒸汽扰动对汽包水位的影响，存在汽包水位调

18、节时间长，波动幅度大等缺点；后来出现了双冲量控制方式，该控制方式以锅炉汽包水位作为主调节信号，以蒸汽流量作为前馈调节信号，虽然能克服“虚假水位”造成的不利影响，但是还是不能克服给水流量的扰动对汽包水位的影响，存在水位波动大，调节滞后、调节时间长等缺点；后来又出现了三冲量控制方式，该控制方式以锅炉汽包水位作为主调节信号，以蒸汽流量作为前馈调节信号，以给水流量作为反馈调节信号，该控制方式有效的克服了内外扰动的影响，提高了水位控制的质量。目前，运用在锅炉汽包水位控制上的策略有：1）普通 PID 控制（PID Control）传统 PID 控制原理简单，鲁棒性较强，易于实现，已广泛应用于锅炉汽包水位的

19、控制中，具有一定的局限性，存在超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。2）模糊控制（Fuzzy Control）模糊控制能有效适应锅炉汽包水位控制系统的非线性及不确定等特性，较传统 PID 控制有较强的鲁棒性。但模糊控制存在稳态控制精度较低，控制作用较粗糙等缺点。3）模糊 PID 控制（Fuzzy PID Control）将模糊控制与 PID 控制相结合构成模糊 PID 控制，应用在锅炉汽包水位控制系统中。该控制方法能对不确定的因素（如参数、条件、干扰和延迟等）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，具有鲁棒性较强、使用方便，灵活性、适应性强，控制精度强，较常规控制系

20、统原理简单等优点。4）神经网络控制(Neural Network Control)神经网络具有“自学”能力，对系统的输入输出信息进行分析、捕捉、归纳，形成合适的模糊规则和隶属函数，以自动方式适应系统实时控制的需要，具有精度高、响应速度快和鲁棒性好的优点，现已有把人工神经网络应用于锅炉汽包水位控制系统中的例子，并取得了较好的控制效果。该控制方法具有简单易于理解、计算量小、调整灵活、控制精确效果好、使用性强等特点。5）预测控制（Predictive Control）预测控制是一种基于模型的先进控制方法，也称为模型预测控制(ModelPredictive Control)12。预测控制算法对控制对象

21、模型的精度要求不高，适合存在较大纯时延和惯性的系统，且控制品质较好，相比 PID 控制及传统的最优控制、自适应控制，更适合应用于具有较多不确定因素、存在大时滞的复杂工业过程控制中。预测控制可显著的提高整台机组的运行效率和稳定性，且预测控制的应用可以获得甚至超过设备改造所带来的效率提升，从而更加有效的达到节能降耗、优化生产的目的。传统控制方法未能从根本上完全解决控制问题，在实际应用中遇到许多难以逾越的障碍，因而以模拟人的控制行为为出发点的智能控制方法成为当代控制理论与应用的主要发展方向。传统控制方法有 PID 控制、变结构控制、自适应控制等。模糊控制、神经网络控制、专家控制、拟人智能控制等智能控

22、制方法的发展为解决这类控制问题提供了有效的工具。1.3 课题主要研究内容本课题以火电厂锅炉为研究对象，针对锅炉汽包水位控制现状，在前人研究的基础上，对锅炉汽包水位控制系统分别进行了 PID 控制器、普通模糊PID控制器、模糊自适应 PID 控制器，并进行了仿真分析。 本课题研究的具体内容：（1）首先对锅炉汽水系统的三种控制方法进行了简要分析，并指出了每种方法的优缺点。同时说明了本课题选用前馈-串级三冲量控制方式的理由。（2）然后根据锅炉汽水系统结构，在充分考虑影响锅炉汽包水位变化因素的基础上，得出了汽包水位的动态特性微分方程式；再根据此方程式，针对给水流量发生变化（蒸汽流量不变）和蒸汽流量发生

23、变化（给水流量不变）这两种情况，分别得到给水流量与汽包水位的传递函数和蒸汽流量与汽包水位的传递函数。（3）对系统中各仪器进行了选择，同时确定了各变送器的参数。（4）针对本课题设计的锅炉汽包水位控制系统，首先利用频域分析法中的 Bode图和 Nyquist 图法对系统进行了稳定性分析，然后对系统进行了仿真分析并绘制出了系统的单位阶跃响应曲线，同时对超调量、上升时间、调节时间和稳定时间进行了分析。（5）为了便于控制策略的对比分析，本文首先设计了常规 PID 控制器，同时进行了仿真分析；然后针对常规 PID 控制方式的不足，又设计了模糊控制器和模糊自适应 PID 控制器，同时进行了仿真分析。第2章

24、先进PID算法介绍2.1 专家控制专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器，利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制4。文献5分析了循环流化床锅炉（CFB）的结构和工艺特点，提出了一个专家系统与实时控制协调的实时专家控制系统，该方案采用不同于常规三冲量汽包水位的控制方案，主要不同是：(1)PID控制器的参数并非固定一组，而是根据水位系统所处动态环境的不同，仿专家经验选取较合适的控制参数。这种控制参数随动态不同而改变的策略会改善控制品质。(2)控制参数事先根据专家经验离线整定完毕，实时控制中专家控制器只是根据对象的模糊化信息通过规则进行选取

25、，这种方法虽然在精度上比实时整定保守，但它更可靠，且实时性强，没有参数整定时间。(3)极端情况下直接对调节阀进行规则控制，可迅速遏制系统向更坏的方向发展，快速把系统控制回到正常值；而PID常规控制基于增量的输出作用，在极端情况下往往太弱，使操作人员不得不切为手动操作。此方法控制循环流化床锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自动控制，且现场运行获得了很好的控制效果。文献6总结了预测控制和专家控制的优点和缺点，利用预测的方法提前估计出汽包水位的偏差，然后利用专家规则计算出控制量，这样既能及时控制系统又避免了大量的运算。专家控制系统在锅炉给水控制方面还有许多问题有待进一步探

26、讨，如知识的表达方法、从传感器中识别和获取定量的控制信号、将定性知识转化为定量的控制信号和控制知识和控制规则的获取等7。2.2 遗传算法遗传算法是基于自然选择和自然遗传机制的搜索算法，是一种有效解决最优化问题的方法，类似于自然界演化的基本法则，适者生存是遗传算法的核心机制。同样，复制、交叉和变异等自然界的生物演化规则在遗传算法中都得到类似的体现8。对于汽包水位的控制，采用在串级三冲量控制基础上加入遗传算法，对系统进行参数整定以获得最优PID控制参数。首先应对可行域中的个体进行编码, 然后在可行域中随机挑选指定群体大小的一些个体组成作为进化起点的第一代群体, 并计算每个个体的目标函数值，即该个体

27、的适应度。接着就像自然界中一样, 利用选择机制从群体中随机挑选个体作为繁殖过程前的个体样本。选择机制保证适应度较高的个体能够保留较多的样本；而适应度较低的个体则保留较少的样本, 甚至被淘汰。在接下去的繁殖过程中, 遗传算法提供了交叉和变异两种算法对挑选后的样本进行交换和基因突变。交叉算法交换随机挑选的两个个体的某些位, 变异算子则直接对一个个体中的随机挑选的某一位进行突变。这样通过选择和繁殖就产生了下一代群体。重复上述选择和繁殖过程, 直到结束条件得到满足为止。进化过程最后一代中的最优解就是用遗传算法解最优化问题所得到的最终结果。较之传统整定方法, 基于遗传算法优化整定的汽包给水控制系统能更好

28、更快地克服各种外扰和内扰的影响, 并具有更好的动态性能，是汽包水位控制系统中常用的先进控制算法910。2.3 模糊控制模糊控制作为以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，是一种基于规则的智能控制。它已经成为目前实现智能控制的一种重要而有效的方法，已被广泛运用于人们的生产和生活的各个领域9。通过对锅炉汽包水位动态特性的分析，设计了模糊PID汽包水位控制方案，将入口烟气流量和温度参数引入到锅炉汽包水位的控制算法中进行前馈补偿，设计了两个模糊控制器，其中内回路采用常规PID控制器，外回路采用带前馈补偿的模糊PID控制器。控制器的流量修正值与传统蒸汽流量前馈修正值一起，对水

29、位调节回路上的串级三冲量PID控制器的给水流量值进行修正。模糊控制具有控制速度快，不需对象的数学模型等优点，而PID控制器能较好地解决极限环振荡的问题。该方案在电厂余热锅炉入口烟气温度和流量的大幅变化条件下仍能保持汽包水位的稳定，稳定性明显高于传统PID控制。基于模糊PID控制的锅炉汽包水位控制系统，过渡过程时间较短，超调量小，系统抗干扰能力强，具有很好的应用前景1114。进一步的，将模糊自适应PID控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制系统中,不仅具有模糊PID控制的优点，而且能够对PID控制器参数进行在线调整1520。文献21设计自适应模糊滑模控制器(AFSMC)，该控制器基于带积分补偿的变结构

30、控制器，并利用自适应模糊控制方法，把滑模控制器中的不确定项进行模糊逼近。利用李亚普诺夫函数证明了控制器的稳定性。将AFSMC-PID串级控制策略应用到锅炉汽包水位控制系统，内回路采用PID控制快速消除给水流量的扰动，外回路采用AFSMC控制克服蒸汽流量的扰动。其自适应能力强, 控制效果更好。2.4神经网络控制神经网络具有学习、泛化以及非线性映射多种能力，可以很好地弥补常规PID控制方法的局限性，使非线性、时变性和不确定性系统的控制成为可能9。文献2中提出了电厂锅炉汽包水位系统的单神经元自适应PID控制方案，将蒸汽流量信号引入到单神经元网络中，考虑负荷变化对锅炉汽包水位的影响，使其具有前馈补偿能

31、力以消除“虚假水位”现象。同常规PID控制相比，几乎没有超调量，且控制量变化范围很小。为了克服单纯模糊控制的缺点，将神经网络技术引入模糊控制中，提出一种模糊神经网络控制方法，该控制器结合了模糊控制与神经网络学习能力强的特点，将两种智能控制相结合，在线调整控制器参数，整定出一组优化的控制器参数。此控制器显著地改善了汽包水位的动态性能和稳定性能。在此基础上，将自适应控制加入到模糊神经网络控制中，则能使PID控制器参数根据实际情况在线实时调整，使控制系统具有较好的自适应性和抗干扰能力，提高了控制品质2224。第3章 汽包水位特性分析工业锅炉给水自动调节的任务是，给水量跟随蒸发量的变化而变化并维持汽包

32、水位在工艺范围内。工业锅炉汽包水位控制系统以汽包水位 h 作为被控量，以给水调节阀作为调节机构来改变给水量，以达到保持汽包水位在允许范围内的目的。其结构框图如图2.7 所示。根据锅炉汽包水位的动态特性来设计汽包水位的自动调节。给水量和蒸汽量的阶跃变化是引起水位变化的主要因素。调节器根据水位测量值与设定值的偏差去控制给水阀的开度，就能对水位起到调节的作用。锅炉汽包水位不仅受给水量和蒸汽流量之间平衡关系的影响，还受汽水循环管路内汽水混合物中汽水体积变化的影响。汽包水位 h 不仅反映了水面下气泡的体积，还反映了汽包(包括水循环的管路)中的蓄水体积。水面下气泡的体积还与锅炉负荷及蒸汽压力有关。综合看来

33、，影响锅炉汽包水位变化的因素主要有以下四个方面：（1）锅炉蒸汽负荷的变化；（2）锅炉蒸汽压力的变化；（3）包括给水调节阀开度的变化和给水母管压力的变化在内的给水扰动；（4）包括影响燃料发热量变化的其他因素在内的燃料量的变化；蒸汽发生过程中汽包内部的体积可看成水的体积 VW、蒸发面以下的蒸汽体积VS和蒸发面以上的蒸汽体积 VD三部分组成，其中蒸发面下的汽水体积由 VS和 VW构成。燃料量对水位的影响有较大的容量滞后性和传输滞后性，变化相当的缓慢，可忽略不计；蒸汽负荷变化往往引起汽包压力的变化，所以压力变化可归类到蒸汽负荷中去，因此压力变化对汽包水位的影响可忽略不计5， 6。经理论推导和化简，汽包

34、水位动态特性方程式可表示如下：通过锅炉汽包水位的动态微分方程，我们可以得出：影响汽包水位的主要因素是，蒸汽流量和给水流量的变化。由此，可将汽包水位变化的动态特性分开讨论，即分为给水流量（内干扰）扰动和蒸汽流量（外干扰）扰动两种情况。2.3.1 锅炉汽包水位在给水流量扰动下的动态特性当给水量发生变化，蒸汽量不变时，汽包水位调节对象的运动方程可表示为：在实际工程中，对于蒸汽压力小于 2.0MPa 的中压以下的锅炉，给水量项的时第4章 汽包水位常规控制第5章 汽包水位模糊控制第6章 汽包水位自适应模糊PID控制1.1.1 （四号黑体,段前8磅,段后6磅,单倍行距）参考文献附录致谢（空一行）（小二号黑

35、体居中，段前0行，段后0行，单倍行距）第2章 （空一行）2.1 （小三号黑体,段前12磅,段后8磅,单倍行距）（中文小四号宋体,西文小四号Times New Roman,行距固定值20磅,首行缩进2字符）2.1.1 （四号黑体,段前8磅,段后6磅,单倍行距）（中文小四号宋体,西文小四号Times New Roman,行距固定值20磅,首行缩进2字符）2.1.2 （四号黑体,段前8磅,段后6磅,单倍行距）（中文小四号宋体,西文小四号Times New Roman,行距固定值20磅,首行缩进2字符）2.2 （小三号黑体,段前12磅,段后8磅,单倍行距）（中文小四号宋体,西文小四号Times New

36、 Roman,行距固定值20磅,首行缩进2字符）（中文小四号宋体,西文小四号Times New Roman,行距固定值20磅,首行缩进2字符）（空一行）（小二号黑体居中，段前0行，段后0行，单倍行距）*结论不写章节，如第5章 结 论结 论（空一行）（中文小四号宋体,西文小四号Times New Roman,行距固定值20磅,首行缩进2字符）（空一行）（小二号黑体居中，段前0行，段后0行，单倍行距）参考文献（空一行）1 陈建军,车建文,陈勇. 具有频率和振型概率约束的工程结构动力优化设计. 计算力学学报,2001,18(1)：74802 M. A. Nadkarni,C. K. Nair,V. N. Pandey,et alCharacterization of alpha-galactosidase from