锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究大学论文.docx
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锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究大学论文
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锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究
摘要
锅炉是化工、发电、炼油、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。
因此，对锅炉设备的自动控制系统进行分析研究就显得尤为重要。
锅炉汽包液位控制是锅炉生产过程中最重要的环节。
锅炉的大部分事故是由汽包液位控制不当而引起的，由于受到蒸汽负荷干扰而产生虚假液位，使控制器反向动作，进而引发汽包液位的大幅振动。
本文针对锅炉汽包液位的动态特性，研究FUZZY-PID控制在锅炉汽包液位控制中的应用。
传统的锅炉汽包液位三冲量控制系统大都采用PID控制。
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，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。
为消除模糊控制的稳态误差，本文将FUZZY-PID引入锅炉汽包液位的三冲量控制中，并利用Simulink分别在设定值及干扰作用下对控制系统进行仿真，结果表明，较之单纯的模糊控制和常规PID控制，这种控制效果较为理想，可满足锅炉的汽包液位控制要求。
关键词：
汽包液位；PID控制；糊控控制；FUZZY-PID控制；仿真
Thedesignandimitateresesrchofintellectualcontrolsystemofboilerdrumwaterlevel
Abstract
Theboilerisabsolutelynecessarysignificantpowerplantofindustryproductionsprocesssuchasthechemicalindustry，heatedibleoil，generationofelectricalenergy，papermakingandrefinessugarandsoon．So，itisespeciallyimportanttoanalyzeandresearchtheautomaticcontrolintheboilerinstallation．
Segmentthattheboilerdrumwaterlevelcontrolisthemostsignificantintheprocessofboilerproduction．Themostaccidentsofboilerwerecausedbytheunfitcontrolofdrumwaterlevel，whichwasduetotheinterferenceofsteamtothedrum，causingthefalsewaterlevel，makingthereactionofcontroller，thenarousingthelargemarginvibrationofthedrumwaterlevel．Accordingtothefeatherofthedrumwaterlevel，weresearchtheusingofthefuzzy-pidcompoundcontrolintheboilerdrumwaterlevelcontrolsystem．
Thetraditionalcontrolmodeofthree-variableinthedrumwaterlevelmostlyusesPID．Thefuzzycontroldoesnotneedprecisemathematicalmodelofthecontrolledobject，itonlyneedstheexperienceofoperatorandthedataofoperating，ithasgoodrobustnessandisfittocontrolthesystemwithnonlinearityandtimelag，butitsstaticcharacteristicisdissatisfied，whichlimitsitsapplication．Itisusualmodeofthree-variabledrumwaterlevelinordertoeliminatethestaticerrorthatusingfuzzy-PIDcontrol，andthesimulationwiththeactionofsettingvalueandnoise．TheresultofsimulationindicatesthattheeffectofcontrolimprovescomparingwithsimplefuzzycontrolandtraditionalPIDcontrol，whichcansatisfythecontrolrequirementofthedrumwaterlevel．
Keywords：
drumwaterlevel；PIDcontrol；fuzzycontrol；fuzzy-PIDcontrol；simulation
引言
课题背景与意义
锅炉是工业生产部门重要的动力设备，它产生的高压蒸汽可作为动力源，也可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。
就热电厂而言，锅炉产生的合格蒸汽用来推动汽轮机转动，再由气轮机带动发电机,将机械能转化为电能，送给用户。
为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。
锅炉安全经济运行是保障国家财产及人民生命安全，促进国民经济发展，合理使用和节约能源的重要保证。
锅炉是受火焰加热且具有爆炸危险的特殊设备和压力容器，其安全性尤为重要。
只有在充分保证锅炉安全生产、保护环境和运行可靠的前提下，通过科学管理、技术改造、提高操作及运行水平，使锅炉实现热效率高的状态。
锅炉控制系统的研究对于提高系统的安全性、经济性、稳定性具有深远的意义，同时对实现工业现代化也有一定的促进作用。
其中，压力、液位、温度是锅炉运行质量的重要指标，液位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会影响汽水循环，使金属局部过热而爆管，导致重大事故。
因此，必须对汽包液位进行自动调节，使液位严格控制在规定范围内。
正常运行时的锅炉燃烧系统必须使出口的过热蒸汽温度维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。
过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低，降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。
所以，在锅炉运行中必须保持过热汽温的稳定性。
另外，压力过大容易带来危险。
所以，要把压力、液位、温度控制在规定范围内。
为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下列自动调节任务：
（1）保持汽包液位
汽包液位是工业锅炉正常运行的主要指标。
液位过高会影响汽水分离，产生汽带水现象；液位过低会影响汽水循环，使金属管壁局部过热而爆管，导致重大事故。
因此，必须对汽包液位进行自动调节，将其严格控制在工艺允许的范围内。
（2）维持蒸汽压力
蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。
蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。
压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备符合质量的蒸汽。
因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。
（3）维持炉膛负压
炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的相适应程度。
通常要求炉膛负压保持在-20~-40Pa的范围内，这对燃烧状况、锅炉房工作条件、炉膛的维护及安全运行都最为有利[6]。
如果炉膛压力太大，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。
负压太小，炉膛吸入冷风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。
因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。
（4）保持过热蒸汽温度恒定
为了保证汽轮机正常工作，必须保证过热蒸汽温度恒定，汽温过高或过低都会影响汽轮机的安全运行，所以，过热蒸汽温度是影响安全的重要参数，一般要求温度变化保持在士5℃的范围之内。
（5）保证锅炉燃烧的经济性
锅炉的热效率主要取决于空燃比。
如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升；如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。
因此，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，避免环境污染，达到节能降耗的目的。
通过对工业锅炉自动调节任务的分析，我们知道:
工业锅炉的汽包液位是正常运行的主要指标之一，汽包液位是一个十分重要的被调参数。
如果液位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；液位过高会影响汽包的汽水分离。
产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降、如果该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。
由此可见，锅炉给水系统采用自动控制是必不可少的，它对减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行具有重要意义。
本文以锅炉汽包液位控制为例来研究模糊-PID复合控制在锅炉控制中的应用。
锅炉控制的研究现状
锅炉是火力发电厂的重要设备，同时也是工矿企业生产的重要热力设备，随着改革开放后国民经济的高速发展，锅炉工业得到了飞速发展，我国每年有很多套的新造工业锅炉投入运行。
因为锅炉的燃烧是多输入多输出系统，各参数之间相互影响，相互制约，并且有时受负荷干扰严重，因此很难用精确的数学模型来表示，用经典控制理论难以实现有效的控制，目前在工程设计中经常采用的方法是具体分析生产过程的特点和要求，在设计单回路为主的基础上，考虑到多变量系统的特点，加以补充修正。
因各回路之间的相互制约，控制效果也不尽人意，并且设计复杂，造价高，这样中小型用户就难以实施。
因此还有相当多的锅炉，特别是中小型锅炉还在简单的启动停止的状态下运行，控制靠人工实现，这样，锅炉运行好坏完全依靠工人的经验和责任心。
这一方面造成经济效益差和不安全，容易造成工业事故，另一方面，煤燃烧不充分也会造成严重的环境污染。
目前，一些科研人员运用以下控制理论来控制锅炉：
1．基于PID控制的锅炉控制
传统的PID控制用在锅炉控制中，原理简单，易于实现，鲁棒性较强，是应用最广泛的控制方法，但是也存在局限性，超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。
2．基于模糊控制的锅炉控制
模糊控制用在锅炉控制中，有效地克服复杂系统的非线性及不确定特性，与传统控制比较有较强的鲁棒性，但模糊控制的控制作用较粗糙，使得稳态控制精度较低。
3．基于模糊-PID控制的锅炉控制
模糊-PID控制用在锅炉控制中，能对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID控制与模糊控制在规定的阈值范围内的自动切换，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更精确。
4．基于集散控制系统[1][2]的锅炉控制
集散控制系统是一个集中监视、分散控制的仪表化系统，是目前国内先进的控制系统。
该系统由工程师站、操作站、现场控制站、通信网络等组成。
集散控制系统用于锅炉控制中，使得系统运行稳定、无振荡、蒸汽耗热量大大降低，提高动态控制品质，改善劳动环境，收到良好的经济效益。
5．基于神经网络控制[4]的锅炉控制
现在许多人把人工神经网络控制应用于锅炉控制中，达到了很好的控制效果，具有响应速度快，精度高和鲁棒性强的特点。
神经网络自学习的特性解决了模糊逻辑设计中存在的一些问题。
神经网络能够对系统的输入/输出信息进行分析、捕捉、归纳，形成自处理的“自学习”功能，即能产生恰当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。
神经模糊控制系统具有控制简单易于理解、方法简便、调整灵活、计算量小使用性强、控制精确效果好等特点，不仅适用于过程控制，而且也适合实时控制。
6．基于专家控制[8]的锅炉控制
专家控制是基于知识的智能控制，它是人工智能、专家系统、自动控制、模糊技术相结合的产物。
它利用专家系统的推理机制决定控制方法的灵活选用，实现解析规律与启发式逻辑的结合、知识模型与控制模型的结合，它模仿人的智能行为，采取有效的控制策略，从而使控制性能的满意实现成为可能。
专家控制用在锅炉控制中，控制效果好，动态特性较好，简单易懂，参数调整相对于传统PID控制也简单的多。
近年来，人们对模糊智能PID控制器、神经网络智能PID控制器、混沌PID智能控制器及遗传算法一神经网络PID智能控制器等，产生了浓厚的兴趣，研究者甚多。
模糊控制己成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。
其中，模糊-PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。
本文就是对模糊-PID控制在锅炉控制中的应用进行研究。
本文的主要研究内容
本文将探讨锅炉汽包液位的控制方案。
首先要分析几种控制理论的原理和锅炉汽包液位的动态特性，然后分别设计基于传统PID控制的汽包液位控制系统、基于模糊控制的汽包液位控制系统和基于多模态模糊—PID控制的汽包液位控制系统。
在模糊控制系统的设计中，将重点介绍模糊控制器的设计，它是整个模糊控制系统的核心。
将上述三种汽包液位控制系统设计好之后，要用MATLAB软件中的SIMULINK模块逐一进行仿真，分析和比较它们的仿真结果，最后确定要采用的控制方案。
控制理论分析
PID控制理论
PID控制器即比例、积分、微分控制器。
它是应用最广泛的一种控制器。
PID控制器的数学模型可以用下式表示：
（2-1）
式中，u（t）——控制器的输出；
e（t）——控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；
KP——控制器的比例系数；
TI——控制器的积分时间；
TD——控制器的微分时间。
PID控制规律由比例、积分、微分三部分组成。
分别介绍如下：
（1）比例部分
比例部分数学式表示如下：
（2-2）
偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制
作用强弱取决于比例系数Kp，Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但Kp越大，超调量也越大，越容易产生震荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。
因此，比例系数Kp选择必须适当，这样才能取得过渡时间短、稳态误差小而又稳定的效果。
（2）积分部分
积分部分数学式表示如下：
（2-3）
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地积累，输出控制量以消除偏差。
可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差，可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。
积分时间TI，对积分部分的作用影响极大。
当TI较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生震荡，但是消除静差所需的时间较长，当TI较小时，则积分作用较强，这时系统过渡过程中有可能产生震荡，但消除静差所需的时间较短。
（3）微分部分
微分部分数学表达式表示如下：
（2-4）
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。
微分部分的作用强弱由微分时间TD决定。
TD越大，则它抑制e（t）变化的作用越强，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得很大，反而可能使系统调节品质降低。
TD越小，它反抗e（t）变化的作用越弱。
它对系统的稳定性有很大的影响。
在计算机中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。
当采样周期很短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程变为描述离散-时间PID算法的差分方程，数字PID位置型控制算式，如下式所示：
（2-5）
式中：
u（k）——k采样周期时的输出；
e（k）——k采样周期时的偏差；
Ts——采样周期。
令
，
，则有
（2-6）
其中Kp，KI，KD分别为比例、积分、微分系数。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法。
大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。
PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器。
我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。
尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。
模糊控制理论
模糊控制理论的起源与发展
模糊控制理论属于智能控制的范畴，它是在美国加利福尼亚大学的扎德（L.A.Zadeh）教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理、和模糊控制等方面的内容。
模糊控制系统是以模糊集合化、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系统。
1974年，英国玛莉皇家学院的Mamdani（马丹尼）教授将模糊控制首次用于蒸汽发动机的压力和速度控制，性能比PID更好，这也许就是模糊控制技术首次在控制领域得到应用。
1980年，丹麦工科大学的Ostergara等对水泥窖进行模糊控制。
20世纪90年代后，模糊控制技术飞快发展，特别是在日本，模糊控制技术已经广泛应用于人们的生产、生活中。
目前，模糊控制技术已经用在列车自动运行控制系统、净水处理、汽车速度控制、电梯群管理控制等领域，并取得了很好的控制效果[16]。
模糊控制的诞生和社会科学技术的发展和需要是分不开的。
随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。
然而由于一系列原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的数学模型。
虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。
对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。
因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确控制的目的。
在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象模型，但却能十分有效地对系统执行控制。
模糊数学的创始人，扎德教授举过停车的例子，正如一个汽车司机，不懂汽车模型而能很好地驾驶汽车一样。
这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观的经验上的，凭借在实际中取得的经验采取相应的决策就可以完成控制工作。
人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。
因此，模糊集合理论用于描述人的经验就有着独特的优势。
可以把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合理论对语言变量进行量化，再用糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。
这也就是模糊控制器的工作过程。
模糊控制的基本思想
控制理论的发展和数学有着密切的关系，尤其是现代控制理论的发展，这种关系就更为密切。
无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论去设计一个自动控制系统，一般需要了解被控对象数学模型的结构、阶次、参数等等，然后在此基础上合理地选择控制策略。
但是在许多情况下无法建立被控过程的数学模型。
如炼钢炉的冶炼过程、工业锅炉的燃烧过程等等。
此类过程的变量多，各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性、强藕合等特点，因此建立这一类过程的精确数学模型困难很大，难以进行控制，但有经验的操作人员进行手动控制却可以收到令人满意的效果。
模糊控制的基木思想就是利用计算机来实现人的控制经验，而人的控制经验一般是由语言来表达的，这些语言表达的控制规则又带有相当的模糊性。
如人工控制水槽液位的经验可以表达为：
若水槽无水或水较少时，则开大水阀；
若液位和要
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