基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析

1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要 锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉往往成了不少工厂不可或缺的一部分。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。 锅炉是工业生产过程中重要的动力设备。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中重要的环节，对锅炉生产操作如果不合理往往会引起事故。这些事故中大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性；汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。 汽包水位的控制大多采用PID控制方式，PID控制器参数的整定是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定规则来

2、确定的，能进行在线调整，以适应锅炉汽包水位这样一个复杂多变的控制系统。 本文应用控制技术，设计了一种三冲量PID控制器，对锅炉汽包水位进行控制，实现了锅炉汽包水位的自动调节。并利用 MATLAB对控制系统进行仿真；结果表明，PID控制技术响应速度快、精度高，同时对虚假水位有较好的控制效果。关键词：PID控制；MATLAB；仿真；锅炉汽包水位AbstractThe boiler is absolutely necessary significant power plant of industry productions process such as the chemical industry,

3、heat edible oil,generation of electrical energy,papermaking and refines sugar and so on .As a result,it is indispensable systematically to analyze research to the automatic control in the boiler installation.The boiler is the Power Plant that the whole factory,.Segment that the boiler water level co

4、ntrol system is the most significant in the boiler.To boiler production operation,if unreasonable will often cause the accident. The majority of these accidents are boiler water monitor causing improper, obviously the importance of boiler drum water level control in the Boiler device control system.

5、Drum water level is too high or too low,the consequences are very serious,so the water level must be tightly controlled.The traditional control mode of the drum water level mostly uses PID.PID tuning parameters to obtain the object is based on the mathematical model,based on a tuning rules to determ

6、ine,on-line can be adjusted to suit the boiler drum level control such a complex system.In this paper,control technology,the design of a three impulse PID on boiler drum level control to achieve the automatic adjustment of boiler feed water.And control systems using MATLAB simulating;results show,PI

7、D technology,fast response,high accuracy,while false water level has good control effect.Keyword:PID;MATLA;boiler feed water;simulating目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 锅炉控制系统21.2.1 锅炉概述21.2.2 锅炉控制系统的分类31.2.3 给水调节的任务31.3 控制方法的分类41.4 自动控制方法的发展及现状51.5 控制方法存在的问题和解决方向51.6 本文研究的目的和意义52 PID控制算法的理论基础72.1 PID控制器发展及应用72.

8、2 PID控制器的结构72.3 PID控制器的分类92.4 PID控制的优缺点102.5 智能整定 PID 参数113 MATLAB仿真简介133.1 仿真环境简介133.2 MATLAB的新特点143.3 MATLAB7使用143.3.1 MATLAB7的安装143.3.2 MATLAB的编程环境153.4 MATLAB的仿真实例183.4.1 MATLAB仿真实例一183.4.2 MATLAB仿真实例2193.5 PID 控制器的MATLAB仿真203.5.1 系统仿真模型的建立203.5.2 PID控制系统的模型图204 锅炉汽包水位的动态设计244.1 锅炉设备的控制244.1.1 锅

9、炉设备的主要控制要求244.1.2 锅炉控制的主要控制系统244.2 工业锅炉汽包水位控制系统254.2.1 锅炉汽包水位的结构图254.3 汽包水位在扰动作用下的动态特性274.3.1 汽包水位在给水扰动作用下的动态特性274.3.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性284.4 汽包水位的控制方法304.4.1 单冲量控制304.4.2 双冲量控制314.4.3 三冲量控制314.5 串级控制简介314.5.1 串级控制系统的结构314.5.2 串级控制系统的特点324.5.3 串级控制系统的设计325 控制方案355.1 硬件选型355.1.1 PLC及相关模块选型355.1.2 变频器

10、的选型355.1.3 水位变频器的选型365.1.4 流量传感器的选型375.1.5 变压器的选型375.1.6 汽包水位控制系统的流程图385.2 串级控制系统参数的整定385.3 三冲量控制系统的参数整定395.3.1 汽包水位控制系统的参数整定395.3.2 副回路参数整定405.3.3 主回路参数整定415.4 三冲量控制系统仿真分析436 MATLAB仿真程序设计456.1 三冲量控制系统（采用串级控制）仿真程序456.2 仿真结果476.3 主回路MATLAB仿真程序（PID控制）48结 论50致 谢51参考文献52附录A 英文文献53附录B 中文文献61V1 绪论1.1 课题背景

11、 锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动提供来源。但是，由于锅炉往往负荷变化大、起停频繁，依靠人工操作很难保证其安全、稳定地在经济工况下长期运行，所以必须装备自动控制设备。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。 锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。汽包水位是锅炉系统正常

12、运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产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；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。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

13、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。锅炉控制系统中大部分系统是用PLC控制的；采用PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被控量是汽包水位，而调

14、节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。如今锅炉汽包水位控制系统主要采用串级三冲量控制系统，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定

15、方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本设计中体现。1.2 锅炉控制系统1.2.1 锅炉概述锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石烯料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近

16、几十年的事情。国外的锅炉控制工业5060年代发展最快，70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂,从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。锅炉的自动化控制，经历了三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代初期的计算机过程控制

17、几个阶段，随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；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损坏，尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内，并兼

18、顾锅炉的稳定运行。对蒸汽锅炉来说，汽包水位是其正常运行的主要指标之一，是一个重要的被调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位，所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的个数和体积减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；（2）锅炉容量增大，显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷对水位的影响加剧了；（3）提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是

19、必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。1.2.2 锅炉控制系统的分类目前，在工程处理上做了一些假设后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统，主要包括：1） 锅炉汽包水位的控制；2） 锅炉燃烧系统的控制；3） 过热控制系统的控制；本文是对锅炉汽包水位控制的研究。1.2.3 给水调节的任务给水自动调节也叫水位自动调节，其主要任务是：(1)维持锅炉水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；对于工业锅炉，蒸汽带水量过多，也要影响用户

20、的某些工艺过程。水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。水位过高或过低，都是不允许的。所以，正常运行时汽包水位应在给定值的15mm上下范围波动。(2)保持给水量稳定。给水量稳定，有助于省煤器和给水管道的安全运行。上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。1.3 控制方法的分类 在锅炉汽包水位自动控制系统中，针对不同的控制信号，可以有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。其中，单冲量控制系统以汽包水位测量为唯一的控制信号；双冲量控制系统在汽包水位信号为主要的控制信号的基

21、础上，加入蒸汽流量为潜亏信号；三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进给水量控制信号作为内环控制，下面分别加以详细说明：（1） 单冲量控制系统 单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。 单冲量汽包控制系统存在两个主要问题： 1）当锅炉蒸汽负荷变化很大时，受“虚假液位”现象的影响，在调节过程一开始水位“虚假”上升而减少给水量，这个错误举动反而扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了天界质量。 2）在给水扰动时，调节器要等到水位改变了以后才动作，又经过一段时

22、间延迟后才能影响到水位，导致汽包水位发生较大变化，调节时间长。（2） 双冲量控制系统 在单冲量控制系统的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号。加入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对控制的不良影响。当液位负荷变化时，使调节阀一开始就向正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制质量。 （3）三冲量控制系统 一般而言，锅炉容量越大，汽包容量相对就越小，允许的需水量就更小，这就要求提高汽包水位的控制。在双冲量控制系统中，对于给水量的自发变化不能及时调节，只能在延迟一段时间后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化反映出来。对于几台锅炉并行运行时，几台锅炉的汽包水位控制会互相影响，使得控制

23、过程非常复杂。针对这个问题，三冲量控制系统在双冲量控制系统的基础上，又引进了给水量信号控制。这个调节器接受三个输入调节信号：汽包水位作为主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为内反馈信号。1.4 自动控制方法的发展及现状 我国工业锅炉的自动化控制，经历了三四十年代的单参数仪表控制，四五十年代的单元组合式综合参数仪表控制，从六十年代开始，人们对锅炉水位系统进行了许多更深入的研究，采用了更先进的计算机控制方法，如数字 PID 控制、最优控制、自适应控制等。在控制结构上采用串级、前馈-反馈控制。针对控制对象的滞后特性，采用 Smith 纯滞后补偿控制等。国外许多学者正在深入地研究汽包水位的智能

24、控制算法 近年来，集散控制系统迅速发展并为锅炉控制提供了强有力的手段，使汽包水位得到更好的控制，总的来说，汽包水位控制正经历一个由单元组合式仪表到计算机控制、由PID 控制到更高级的智能控制、由直接现场控制到集散控制的发展过程。1.5 控制方法存在的问题和解决方向 对锅炉的汽包水位，传统的控制方法如PID控制是目前较为流行也运用较多的控制方法，其优点是系统结构较为简单，易于实现，对于有精确的数学模型的对象，是首选的控制系统。然而对于锅炉汽包水位这一时变、死区、非线性、多变量、扰动大的复杂系统，这绝非一件易事。水位对象的特征随着锅炉运行工况的改变而改变，没有确定的数学模型。最大问题是在汽包运行中

25、会出现“虚假液位”现象，若采用简单的PID控制方式控制汽包水位，在出现 “虚假液位”时，控制系统将会减少汽包进水流量，致使汽包中供水量进一步减少。因此，常规的PID控制器难以获得良好的控制效果。所以有必要对常规控制进行更深入地研究，以便提高对汽包水位系统控制的性能。1.6 本文研究的目的和意义本论文就锅炉汽包水位控制特性作为研究切入点，探讨如何解决锅炉汽包水位控制特性所提出的问题。本文建立了锅炉汽包水位控制特性的数学模型，采用PID控制方法来设计锅炉汽包水位控制系统。首先，通过研究发现，锅炉汽包水位控制特性与锅炉的给水流量和蒸汽流量有关。通过对现场锅炉汽包水位的研究，得出传递函数以及特性曲线。

26、当蒸汽流量与给水流量不平衡时，会产生“虚假液位”现象。这是汽包水位控制最主要克服的问题之一。然后,本文分别采用PID 控制算法对锅炉汽包水位进行控制，利用 MATLAB 软件对控制效果进行仿真，对比观察它们的动态响应特性、抗干扰性、和对被控对象变化的抑制效果。从仿真图中观察控制结果。2 PID控制算法的理论基础2.1 PID控制器发展及应用 PID控制器产生并发展于1915-1940年期间，尽管自上世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论研究的深入开展，出现了许多先进的控制算法，然而，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。至今，仍

27、有90%以上的控制回路采用PID结构或其改进型。概括的说，PID控制器应用如此广泛主要有以下几个原因：（1）只要设计和参数整定合适，PID 控制器在许多应用场合都能获得较满意的效果。（2）PID 控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要精确的数学模型；并且，PID 控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高，因而在现有控制系统中使用容易。（3）现在，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统 PID 控制的复杂控制算法能够得到实现，而且控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化。然而在这种情况下，为什么 PID 控制器依然能在过程工业中得到广泛应用?其中一个原因

28、，是许多高级控制策略都采用分层结构，而 PID 控制被用于最底层;上层多变量控制器给底层的 PID 控制器提供设定值；另一个原因，是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。（4）借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID 控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向发展。微处理器的出现对 PID 控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的 PID 控制器都是建立在微处理器基础上。这样也就给PID 控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器参数整定上。 P

29、ID 控制器在功能和作用上，可以提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。它能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下2.2 PID控制器的结构 PID控制是比例、积分、微分控制的简称，是工业生产过程中最常用的算法。把比例、积分、微分三种控制结合起来，其结构如图2.1所示。 比 例 被 控 对 象 积 分积分 + Y + 微 分 _ + 图2.1 PID控制系统原理框图PID控制器的控制规律为： （2.1） 式中：控制器的输出； 控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，即 r (t )为系统参考输入（设定值）， y (t )为系统输出

30、（被控量），称为偏差信号； 控制器的比例系数； 控制器的积分时间； 控制器的微分时间；对公式（2.1）两边去拉氏变换后，可以得到： （2.2）整理后得到 PID 控制器的传递函数： （2.3）由 PID 控制器的数学模型，可知它由比例、积分、微分三部分组成。这三部分的表示方式和作用分别是：（1） 比例部分 在比例部分，比例系数 越大，则过渡过程越短，控制结果的静态偏差也越小；但 越大，也越容易产生振荡。故而，比例系数 选择必须适当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的效果。1 （2）积分部分 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差 e (t ) =

31、 0时，它的积分才会为一个常数，控制作用才是一个不会增大的常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间 对积分部分的作用影响极大。当较大时，则积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡。但是消除偏差所需的时间较长。当较小时，则积分作用较强。这是系统过渡过程中有可能产生振荡，但是消除偏差所需的时间较短。（3） 微分部分 微分部分的作用强弱由微分时间 决定。越大，则它抑制 e (t )变化的作用越强；越小，它抑制 e (t )变化的作用越弱。它对系统的稳定由很大的影响。2.3 PID控制器的分类 随着计算机技术的发展，在实际应用中，大多采用数字 PID 控制器。数字 PID 控制算法

32、通常分为位置式和增量式两种：4（1） 位置式 PID 控制算法位置式 PID 控制系统如下图所示：图2.2 位置式 PID 控制系统 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此连续 PID 控制算法不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟 PID 控制算法的算式(2.1)，现以一系列的采样时刻点KT 代替连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换: （2.4） （2.5）其中，T 是采样周期。上述离散化过程中，采样周期T 必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e ( KT )简化表示为 e ( k )，即省去T 。将式(2.3)代入

33、式(2.1)可得离散的 PID 表达式:2.4 PID控制的优缺点 PID控制的特点，使它在过程控制中有很多优点：第一，PID控制的原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整且应用经验丰富，使用起来比较方便；第二，PID控制对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性；第三，在过程控制中的适应性强，在多种生产部门都得到应用，在生产过程控制发展历程中，尽管控制器的实现几经换代，但基本的控制功能仍然是PID控制。但传统的PID控制也存在许多不足，最突出的一点就是有关PID参数的问题。首先，传统PID控制无自整定能力，这主要表现在两个方面:第一，PID控制器的参数整定必须相对于某一模型已知、系统参数

34、已知的系统;第二，PID控制器参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。但事实上大多数的生产过程都具有非线性，且其特性随时间的变化而变化，显然固定的一组参数是不能满足这种变化的。其次传统的PID控制器的参数只能整定为满足生产过程控制目标某一个方面的要求。在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是“设定值踉踪特性和“干扰抑制特性”。而传统的PID控制器，只能通过整定一组PID参数来满足一个方面的要求。因此常常采用折中的办法整14定控制器参数，这样得到的控制效果显然不是最佳的。但是，PID三大参数选择的好坏，直接影响到控制效果的好坏：合理的参数会使控制效果优良，不合理的选择会使系统的动静态性能

35、变差，有时甚至使系统闭环不稳定。所以，探求一种精确的整定方法有着重要的理论意义和工程应用意义。 在实际生产过程中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性较差。针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，以及近年来各种先进算法的不断涌现，为控制复杂系统开辟了新途径。12.5 智能整定 PID 参数随着智能控制理论和技术的发展，人们将智能控制方法和常规 PID 控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能 PID 控制器。如基于神经网络的

36、PID 控制器、模糊 PID控制器、专家 PID 控制器、基于遗传算法的 PID 控制器等，它们吸收了智能控制与常规 PID 控制两者的优点：首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规 PID 控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势，使得智能 PID 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。由于模糊理论的飞速发展，模糊 PID 控制器更是这个研究领域的热点。这类控制器将数字 PID 整定方法与模糊控制系统技术融合起来，从模仿人的参数整定的推理决策入手，将操作

37、者的整定技巧、经验归纳为一系列整定规则，通过对系统过渡过程模式的识别，并将整定规则运用于不同的模式，对 PID 参数进行整定。经过近几年的发展，出现了多种形式模糊 PID 控制器，如增益调整型、直接控制量型等；对于 PID 参数的模糊整定规律也有了一定的经验。这些方法既可用于在线，又可用于离线整定。基于控制器自身控制行为的参数整定法是一种根据自身的控制行为来调整控制参数的方法。系统的控制行为表现为偏差e和偏差变化率ec。 PID 控制是由比例作用、积分作用、微分作用三部分组合而成的，其中积分作用是对象过去受控效果的总和，比例作用是过去控制效果的现时表现，而微分作用是对未来控制作用的需求，因此

38、PID控制律是根据对象对控制作用的历史效果、现时表现及未来需求的综合来确定控制律，并不是靠对象的具体数学模型来决定的。常规 PID 控制器是 P, I, D 三种作用的线性组合（， 为常值)，理论和实践证明，即使是整定得很好的 PID 参数值，系统响应的快速性与超调量之间也存在矛盾，二者不可能同时达到最优，且系统在跟踪设定值与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的；如果我们根据控制行为的反映-偏差e、偏差变化率ec、偏差和 e的大小来动态的改变, , ，也就是将PID 控制规律变为比例、积分、微分作用的非线性组合形式，则实现了 PID 控制器整定的智能性，控制器也根据e、ec、 e自动地校正,

39、从而获得了良好的控制效果。143 MATLAB仿真简介3.1 仿真环境简介3.1.1 仿真的定义及发展 仿真，就是在模拟环境下，实现和预测产品在真实环境下的性能和特征(动态和静态的)，它包含了一系列步骤，从建模、施加负载和约束到预测在真实状况下的响应。仿真技术综合集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识，已经发展成为一门新兴的高科技技术。 仿真技术的发展经历了几个时期，根据仿真模型类型及实现方式的不同，仿真技术经历了物理仿真、模拟仿真、混合仿真和基于图形工作站的三维可视交互仿真等从实物到计算机仿真五个发展阶段。 现阶段计算机仿真技术

40、是以计算机为依托引入包括网络、多媒体等在内的外部设备，通过友好的人机界面构造完整的计算机仿真系统，并提供了强有力的具有丰富功能的软硬件仿真环境。在此基础上应用发展起来的仿真新技术如分布交互、虚拟技术、人工智能、仿真培训等正在受到普遍的关注。仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。23.1.2 MATLAB仿真环境的推出及发展MATLAB软件是由美国New Mexico大学的Cleve Moler于1980年开始开发的，1984年由Cleve Mo

41、ler等人创立的Mathworks公司推出了第一个商业版本使其成为功能强大的数学软件包。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计和众多学科领域提供了一种简洁、高效的编程工具。在MATLAB软件中，提供了新的控制系统模型输人和仿真工具SIMULINK，它有造模型简单、动态修改参数以实现更为容易的系统控制，使复杂系统的输入变得容易可观。MATLAB是一个开放系统，针对不同的学科，推出了不同的工具箱，如神经网络工具箱、遗传算法工具箱、系统辩识工具箱和模糊逻辑控制工具箱等等。本文正是基于MATLABSIMUL

42、INK进行建模仿真研究的。3.2 MATLAB的新特点（1） 从新设计了桌面环境。（2） 增强了数组编辑器和工作空间浏览器功能，用于数据的显示、编辑和处理。（3） 在当前目录浏览器工具中，增加代码效率分析和覆盖分析等功能。（4） M-Lint编码分析，辅助用户完成程序性能分析，提高程序执行效率。（5） 增强M文件编辑器的功能。3.3 MATLAB7使用3.3.1 MATLAB7的安装安装步骤如下：（1）打开安装包，点击“setup.exe”文件进入MATLAB的安装界面，如图3.1所示图3.1 MATLAB安装界面此界面有两个选项“Install”和”和“Update license with

43、out installing anything,using anew PLP”X选择Install选项可直接安装MATLAB。（2） 单击【Next】按钮进行下一步，进入到图3.2所示界面。 此界面需要用户输入个人信息及注册码。 此后根据安装提示进行安装。图3.2 MATLAB安装过程中的提示界面一3.3.2 MATLAB的编程环境MATLAB7启动后，将打开如图3.3所示的起始操作界面图3.3 MATLAB起始操作界面（1） MATLAB的工作空间用户可用命令对工作空间中的变量进行显示、删除或保存等操作。也可以使用变量浏览器对工作空间的变量进行操作。执行【Desktop】-【Workspac

44、e】的命令，可以打开变量浏览器，如图3.4所示。图3.4 MATLAB变量浏览器（2） MATLAB的命令窗口MATLAB的命令窗口时MATLAB的重要组成部分，是用户和MATLAB的交互工具。在MATLAB启动后，命令窗口就被打开了，如图3.5所示。图3.5 MATLAB的命令窗口（3） MATLAB的程序编辑器MATLAB的程序编辑器是MATLAB提供的一个内置的具有编辑和调试功能的程序编辑器。在木人情况下，编辑器不随MATLAB的启动而开启，只有编写程序文件时才启动。在MATLAB的操作桌面上有两种方式可以进入程序编辑器。1） 执行菜单栏【File】【New】【M-File】命令，或者单

45、击【Open】选项，打开一个已经存在的M文件。2） 在命令编辑区输入“Edit”命令。打开的程序编辑器如图3.6所示。图3.6 程序编辑器（4） MATLAB的帮助文件MATLAB给用户提供了强大的在线帮助功能，用户可以通过两种方式来获取帮助信息。1） 在MAT;AB命令窗口中获取帮助信息在MATLAB命令窗口中直接输入帮助命令（Help）来获取需要的信息。Help的调用格式如下。help：列出MATLAB的所有帮助主题；helpwin：打开MATLAB的帮助主题窗口；helpdesk：打开MATLAB的帮助工作台；help help：打开有关如何使用帮助信息的帮助窗口；help函数名：查询函

46、数的相关信息。2） 有帮助菜单获取帮助信息 用户可以通过单击MATLAB命令窗口上的按钮“？”，或从开始菜单中选择【help】选项来开始帮助窗口。83.4 MATLAB的仿真实例 3.4.1 MATLAB仿真实例一 绘制一幅“花瓣图案”。 （1） 输入MATLAB命令窗口的程序，如图3.7所示：图3-7 MATLAB的输入程序图 （2） 仿真的输出结果如图3.8所示 图3.8 MATLAB仿真输出结果图3.4.2 MATLAB仿真实例2在用一个MATLAB分析相对稳定性的例子，熟悉MATLAB的仿真方法。如：系统开环传递函数为： （3.1）（1）此传递函数的MATLAB输入和仿真的输出结果如图

47、3.9所示：图3.9 MATLAB仿真的输入和输出结果图（2）伯德图和幅值裕度和相位裕度的程序输入如图3.10所示图3.10 输入程序图（3）输出结果如图3.11所示图3.11 伯德图及其幅值裕度和相位裕度3.5 PID 控制器的MATLAB仿真3.5.1 系统仿真模型的建立SIMULINK工具箱是MATLAB 软件的扩展,主要用于动态系统的仿真。它在WINDOWS中提供了建立系统模型所需的大部分类型方块。用户只需用鼠标器选择所需模块在模型窗口上“画出”模型(双击任何模块,即可打开该功能块来完成参数的设定) ,然后用鼠标器将它们连接起来,就可以构成一个系统的框图描述,亦即得出系统的SIMULI

48、NK描述。3.5.2 PID控制系统的模型图 用SIMULINK工具箱绘制PID控制系统的结构图，如图3.12所示： 图3.12 PID控制系统的模型图 PID控制锅炉汽包水位的仿真结果图如图3.13所示： 图3.13（a） PID仿真结果图一 图3.13（b） PID仿真结果图调节参数Kp(Kp有10变为100）观察控制效果，仿真结果如图3.14所示： 图3.14 PID仿真结果图（改变Kp)调节控制参数Ki（Ki扩大十倍），仿真结果如图3.15所示： 图3.15 PID仿真结果图（改变Ki）调节控制参数Kd（Kd扩大十倍），仿真结果如图3.16所示：10图3.16 PID仿真结果图（改变K

49、d）4 锅炉汽包水位的动态设计在讨论给水自动控制系统之前，必须先分析被控对象的动态特性，然后才能设计出一个合理的给水控制系统。给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。所以，水位不仅受汽包储水量变化的影响，而且还受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。从水位反映储水量来看，调节对象是一个无自平衡能力的对象，这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的，而水位变化后既不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。影响汽包水位变化的因素主要有：蒸汽流量D,给水量W，炉膛热负荷（燃

50、料量）M,汽包压力P等。4.1 锅炉设备的控制4.1.1 锅炉设备的主要控制要求 锅炉本身是锅炉的主要组成部分，包括炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、省煤器、蒸发器、汽包、过热器及再热器等。由锅炉的组成可知道锅炉的主要控制要求有一下几点: 1、供给蒸汽流量应适应负荷变化需要或保持给定负荷。 2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。 3、过热蒸汽温度保持在一定范围内. 4、汽包水位保持在一定范围内。 5、保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。6、炉膛负压保持在一定范围内。 4.1.2 锅炉控制的主要控制系统1、锅炉汽包水位控制系统：锅炉汽包水位高度是确保安全生产和蒸汽质量的重要参数。该控制系

51、统的控制变量是汽包水位，操纵变量是给水量，重要考虑汽包内的物料平衡，使给水量适应蒸汽量的变化，并维持起搏啊水位在工艺允许的范围之内。2、锅炉燃烧控制系统：锅炉燃烧控制系统重要包括三个控制系统，即蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、燃烧比控制系统。3、过热蒸汽温度控制系统：被控变量是过热蒸汽温度，操纵变量是减温水量，控制目标是是过热器出口温度保持在一定范围内。把锅炉主要的控制系统整理为如下表格：可以更清楚的反映出锅炉的主要的控制系统、其被控制的对象以及控制要求等等。表4.1 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内生产的蒸汽和给水的物料平衡蒸汽过热控制系统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽是温度和安全性锅炉燃烧控制系统蒸汽出口压力烟气成分（燃气流量）炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃料的完全和经济性锅炉运行的安全性 汽包水位时锅炉运行的重要指标，维持汽包水位在一定范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。因此，锅炉汽包水位控制是锅炉控制系统最重要的控制系统；本节重要介绍锅炉汽包水位控制系统的动态设计。14.2 工业锅炉汽包水位控制系统4.2.1 锅炉汽包水位的结构图