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1、摘 要 鍋爐是典型的復雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺，由于設備分散、管理不善或技術原因，使多數鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關注的焦點，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內，對于高蒸汽品質、減少設備損耗和運行損耗、確保整個網絡安全運行具有要意義。 鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產和提供優(yōu)質蒸汽的重要參數，對現代工業(yè)生產來說尤其是這樣。因為現代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是

2、非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規(guī)定范圍之內。 維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時

3、會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節(jié)提出了迫切的要求。 汽包水位的控制是鍋爐控制的一個難點，目前，對汽包水位控制大多采用常規(guī)PID控制方式，傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制方式是根據控制對象的數學模型建立，由于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時滯和負荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數學模型往往無法獲得而且常規(guī)PID控制的參數是固定不變的，難以適應各種擾動及對象變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。 模糊控制是建立在人工經驗基礎之上的，它能將熟練操作員的實經驗加以總結和描述，并用語言表達出來，得到定

4、性的、不精確的控規(guī)則，不需要被控對象的數學模型。模糊控制易于被人們接受，構造容易，魯棒性和適應性好。鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設備，為確保安全，穩(wěn)定生產，對鍋爐的自動控制十分重要，其中汽包水位是一個非常重要的被控變量。由于鍋爐的水位調節(jié)過程難以建立數學模型，具有非線性、不穩(wěn)定性、時滯等特點。 給水控制的任務是維持汽包中水位在工藝允許范圍內。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側的影響，也受到汽輪機側的影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應能限制汽

5、包水位只在給定的范圍內變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。 傳統(tǒng)的鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)大都采用PID控制，其控制效果還可以進一步提高。而模糊控制不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要操作人員的經驗知識及操作數據，魯棒性強，非常適合用于非線性、滯后系統(tǒng)的控制。 模糊控制器一般采用二維結構形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號，根據二者模糊化的結果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經去模糊化處理轉化為精確量去控制執(zhí)行機構。 基于鍋爐水位控制及模糊控制的特點，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現有的模糊控制器的構成方

6、式進行歸納總結。對汽包水位的模糊控制方式進行結構及性能上的分析和比較，并利用Simulink分別在設定值及在干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真。 關鍵詞:汽包水位；模糊控制；三沖量 V Abstract Boiler is typical complex thermal system, China, at present, various types of boiler, scores have pale because of a device or dispersion, poor management and technical reasons that most boiler is

7、 in good condition, increase the boiler efficiency, reduce the fuel consumption. The modeling and control problems of boiler is always the focus of attention and drum water level is secure and stable operation of the boiler work, guarantees the important index of water control in a given range, high

8、 quality steam for loss and operation, reducing equipment, insure the whole network security is to run. Boiler drum water level elevation, is to ensure safety in production, and provide quality of important parameters for steam, especially that for modern manufacturing industry. Because of the c

9、haracteristics of modern boiler drum is improved markedly, evaporation capacity, water relatively less change quickly, a bit not paying attention to drum with water or burn into dry pot. In modern boiler operation, even if is the shortage of accident, is very dangerous, because the water is too low,

10、 it will affect the normal, natural cycle will make serious on individual freedom, produce water pipe forming causes metal pipe flow stagnation, local overheating and tube. Whatever is full of water or water can cause an accident, therefore, must be strictly controlled within the scope stipulated in

11、 water. Maintain drum water level in a given range is to guarantee the safe operation of the boiler and steam turbine protects the necessary conditions for the normal operation of the boiler, and is also one of main index. High level within the drum, will affect the effect, make the separation of s

12、aturated steam drum exports increased with water, steam turbines with water will produce shock, cause damage shaft seals, etc. The fault accident Also makes higher content of saturated steam, lower overheated steam quality, increase in superheater wall and turbine blade on the scale. Low water may d

13、estroy the natural cycles of boiler steaming-water circulation system, some weaknesses, and that local water-cooled wall was burnt out, causing severe explosion accidents. The consequences are very serious. With the increasing capacity, water boiler changes are increasingly fast, the more strenuous

14、manual operation, thus to realize automatic adjusting drum water level forward urgently demands. Drum water level control is one of the boiler control, at present, the difficulty of drum water level control most of the conventional PID control mode, the traditional conventional PID control method i

15、s based on the established mathematical model control object, due to the boiler water system, the uncertainty of nonlinear delay and load disturbance and non-minimum-phase characteristics, the accurate mathematical model often unavailable and conventional PID control parameters are fixed, difficult

16、to adapt to all kinds of disturbances and object changes, the control effect is often difficult to meet the requirements, the control effect is not ideal. The fuzzy control is established on the basis of artificial experience, it can be skilled operators and the real experience summarized, and lang

17、uage expression comes out, get a qualitative, not accurate control rules, need not be charged object mathematical model. Fuzzy control is easy to be accepted by people, easily, robustness and adaptability. In the process of industrial boiler is the indispensable equipment, in order to ensure the saf

18、e, stable production, the automatic control of boiler drum water level is very important, which is a very important the controlled variables. Because of the boiler water regulation process to establish mathematical model with nonlinear and instability, delay, etc. The task is to maintain water cont

19、rol in the process of drum water level within the limits. Due to the effect of several factors drum water level of the disturbance effect, fuel, therefore, small drum water level control, main purpose is for the controlled variables drum water level, water flow to adjust to control method. At the sa

20、me time, because not only by boiler drum water level, and the influences of side by side effects, while steam boiler load or steam turbine YongQiLiang changes, water control should be limited to only in a drum water level within the scope of change. Commonly used drum water level control mode is sin

21、gle, double impulse and impulse impulse control three. The traditional boiler water impulse control system are three PID control, the control effect can be improved. And the fuzzy control does not require that controlled object mathematical model of, only need to operating personnel of experience a

22、nd knowledge operational data, robust, very suitable for nonlinear control systems, lag. Usually adopts the fuzzy controller with two-dimensional structure, function and variations of the error.it error of fuzzy controller based on the input signal, the results of both fuzzy query fuzzy control tab

23、le, the fuzzy control is obtained, then the fuzzed into accurate quantity to control actuator. Based on the boiler water control and fuzzy control characteristics, this article will introduce boiler drum water level fuzzy control of impulse control in three, some exploratory work, the existing meth

24、ods of the fuzzy controller are summarized. Drum water level of the fuzzy control structure and performance analysis and comparison, and using Simulink respectively in value and the role of control system. Keywords:Drum water;Fuzzy control;Three-variable

25、 目 錄 引言 1 1 鍋爐工作過程及其設備 2 1.1課題背景 2 1.2鍋爐的工作過程簡介 2 1.3鍋爐設備的調節(jié)任務 4 1.4本文研究內容 5 2鍋爐汽包水位特性及其控制 6 2.1鍋爐汽包水位的特性 6 2.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性 6 2.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下

26、的動態(tài)特性 7 2.1.3燃料量B擾動下汽包水位的動態(tài)特性 9 2.2汽包水位控制方式 10 2.2.1單沖量控制方式 10 2.2.2雙沖量控制方式 11 2.2.3三沖量控制方式 12 3 模糊控制原理 15 3.1概述 15 3.1.1模糊控制的形成 15 3.1.2模糊控制的特點 15 3.2 模糊控制系統(tǒng)組成 16 3.3模糊控制的工作原理 18 3.3.1模糊控制系統(tǒng)的組成 18 3.3.2模糊控制的基本原理 20 4 汽包水位模糊控制器設計及仿真 21 4.1汽包水位的PID控制方式 21 4.1.1PID控制方式概述 21 4.2模糊控制器的設

27、計方法 22 4.2.1模糊控制器的結構設計 22 4.2.2精確輸入量的模糊化 23 4.2.3確定控制規(guī)則 26 4.2.4模糊量的判決方法(解模糊) 29 4.3汽包水位的模糊控制器的設計 31 4.3.1模糊控制器結構 31 4.3.2模糊控制器的設計 31 4.3.3仿真結果 33 5………………………………………………………………………………………...35 謝辭 36 參考文獻 37 37 引言 鍋爐是典型的復雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十蒼白臺，由于設備分散、管理不善或技術原因，使多數鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了

28、效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關注的焦點，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內，對于高蒸汽品質、減少設備損耗和運行損耗、確保整個網絡安全運行具有要意義。 維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸

29、事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節(jié)提出了迫切的要求。 模糊控制器一般采用二維結構形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號，根據二者模糊化的結果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經去模糊化處理轉化為精確量去控制執(zhí)行機構。 基于鍋爐水位控制及模糊控制的特點，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現有的模糊控制器的構成方式進行歸納總結。對汽包水位的模糊控制方式進行結構及性能上的分析和比較，并利用Simulink分別在設定值及在干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真。 1． 鍋

30、爐工作過程及其設備 1.1課題背景 由前述可知，在鍋爐的幾個調節(jié)系統(tǒng)中，汽包水位的控制是保證鍋爐安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的主要標志之一。鍋爐的水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務之一，在鍋爐的安全生產、降低能耗、蒸汽產量和品質等方面起著重要作用。 目前我國有各類鍋爐幾十萬臺，其中相當大的部分還在使用常規(guī)儀表控制。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位”現象，而常規(guī)儀表所常用的PID算法對“假水位”現象的控制效果并不理想，若要較好的控制“假水位”現象，采用常規(guī)儀表所構成的控制器，其結構復雜性又會增加，造成成本較高。因此，研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進一步提高水位控制的效果，同

31、時又具有結構簡單、容易實現的特點，還是非常有必要的。 另一方面，自從1965年美國加利福尼亞大學的Zadeh教授首先提出模糊數學和模糊控制以來，經過幾十年的研究，模糊控制得到廣泛發(fā)展并在實際中得以廣泛應用。這主要在于模糊邏輯本身提供了由專家構造語言信息并將其轉化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法。模糊控制的突出特點在于:(1)控制系統(tǒng)的設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。(2)控制系統(tǒng)的魯棒性強，適應于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯后系統(tǒng)。(3)以語言變量代替常規(guī)的數學變量，易于構造形成專家的“知識”。(4)控制推理采用“不精確推理”。由于推

32、理過程模仿人的思維過程，引入了人類的經驗，因而能夠處理復雜系統(tǒng)。 在一般的模糊控制系統(tǒng)中，通常采用偏差E及其變化EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PID控制器的作用，缺點是靜態(tài)性能不能令人滿意。由于模糊控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，又具有較高的動態(tài)響應。因此常常把PI控制策略引入模糊復合控制，是常用的一種方式。模糊控制在工業(yè)過程中有大量的成功應用，但在鍋爐水位控制上還沒有形成系統(tǒng)的理論，還存在一些不足，仍然有必要繼續(xù)研究。 1.2鍋爐的工作過程簡介 鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設備，鍋爐的任務是根據外界負荷的變化，輸送一定質量(汽壓、汽溫)和相應數量的蒸汽。它所產生的蒸汽不僅能夠為蒸餾

33、、化學反應、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風機、壓縮機、泵類驅動透平的動力源。 鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進入下

34、降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng) “爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風機送入，通過空氣預熱器，在空氣預熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產生飽和蒸汽。然后經過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經過負荷設備調節(jié)閥供負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預熱鍋爐給水和空氣，最后

35、經煙囪排入大氣。 1.3鍋爐設備的調節(jié)任務 鍋爐作為重要動力設備，為了保證提供合格的蒸汽，必須使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應負荷設備的需要量。為此，生產過程的各個參數，特別是新汽的壓力和溫度，必須嚴格控制。 一、控制汽包水位 鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產和提供優(yōu)質蒸汽的重要參數，對現代工業(yè)生產來說尤其是這樣。因為現代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆

36、管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規(guī)定范圍之內。 二、控制蒸汽溫度 過熱蒸汽的溫度是生產工藝確定的重要參數，蒸汽溫度過高會燒壞過熱器水管，對負荷設備的安全運行帶來不利因素。因為現代的蒸汽鍋爐，金屬強度的安全系數設計得都比較小，超溫嚴重會使汽機或其它負荷設備膨脹過大，使汽機的軸向推力增大而發(fā)生事故。汽溫過低直接影響負荷設備的使用，對汽機來說會影響效率，進汽溫度每降低5℃，效率約降低1%。因此從安全生產和技術經濟指標上看，必須保持蒸汽溫度在額定值范圍之內。 三、控制蒸汽壓力 蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關系是否平衡的重要指標，是新汽的重要工藝參數。蒸汽給定壓力過高或過低，對

37、于金屬導管和負荷設備都是不利的:壓力太高，會加速金屬的蠕變，壓力太低就不可能提供各負荷設備符合質量的蒸汽。在運行過程中，蒸汽壓力降低，表明蒸汽消耗量大于鍋爐發(fā)汽量;反之，蒸汽壓力升高，說明蒸汽消耗量小于鍋爐發(fā)汽量。因此嚴格控制蒸汽壓力，是確保安全生產的需要，也是維持正常生產負荷的需要。 四、維持經濟燃燒 使空氣和燃料維持適當比例，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經濟性的關鍵措施。將過剩空氣降低到近于理想水平而又不出現CO和冒黑煙，這就需要快速而精確的燃燒過程的自動調節(jié)，最佳的空氣、燃料配比。如果離開最適宜的空燃比，勢必增加熱量損失，降低經濟技術指標.并造成對周圍環(huán)境的污染。 五

38、、控制爐膛壓力 鍋爐在正常運行中，爐膛壓力也必須保持在規(guī)定的范圍之內。如果是負壓操作，則負壓偏正，局部地區(qū)容易噴火，不利于安全生產，不利于環(huán)境衛(wèi)生，負壓過大，漏風嚴重，總風量增加，煙氣熱損失增大，不利于經濟燃燒。由于燃燒室的空間很大，加之介質密度差產生的自升引力，使沿著爐膛向上負壓越來越大，所以保持某個高度上的負壓是必要的，可行的。 六、控制一次風量 粉煤直吹制鍋爐，為了安全地、經濟地將粉煤輸入爐膛，保證良好的燃燒條件，一次風量也需要自動調節(jié)。對于高壓鍋爐，有時還需自動調節(jié)鍋爐的連續(xù)排污量以保證鍋爐水中含鹽量為額定值。 為實現上述調節(jié)任務，鍋爐設備控制劃分為如下幾個調節(jié)系統(tǒng): 1.鍋

39、爐給水調節(jié)系統(tǒng):即鍋爐汽包水位的控制。其被調參數為汽包水位，調節(jié)手段為給水流量，它主要考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內。是鍋爐汽包內部重要的調節(jié)系統(tǒng)。 2.蒸汽壓力調節(jié)系統(tǒng):被調參數是蒸汽母管壓力，在孤立運行鍋爐中，為蒸汽壓力，主要考慮鍋爐內部的熱量平衡，其通道很長，包括鍋爐燃燒系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，它是整臺鍋爐設備自動調節(jié)當中的核心。 3.經濟燃燒調節(jié)系統(tǒng):被調參數隨著測量方式的不同而異，主要考慮燃燒系統(tǒng)的經濟燃燒問題，通道也比較長，包括燃燒系統(tǒng)和煙道。 4.爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng):被調參數為爐膛負壓，主要考慮燃燒過程的物料平衡，調節(jié)通道包括爐膛和煙道

40、。 5.蒸汽溫度調節(jié)系統(tǒng):被調參數為過熱器出口過熱蒸汽的溫度，主要考慮過熱器的熱量平衡問題。 1.4本文研究內容 本文將對現有的模糊控制器進行歸納、對比及創(chuàng)新，對鍋爐水位控制系統(tǒng)的模糊控制進行結構及性能上的分析比較，并利用MATLAB中的模糊邏輯工具箱進行設計、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控對象的精確數學模型，具有不精確推理的特性，設計模糊控制器，以解決汽包水位的非線性、時變及滯后的特性，同時具有較好的穩(wěn)定性及魯棒性，做了一些試探性研究并利用Simulink分別在設定值及在干擾作用下對控制系統(tǒng)進行仿真。 2． 鍋爐汽包水位特性及其控制 2.1鍋爐汽包水位的特性 鍋爐汽包

41、水位自動調節(jié)的任務是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內。 維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位

42、實現自動調節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量D和給水流量W。 2.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性 圖2.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應曲線。把汽包水位看作單容量無自衡過程，水位的階躍響應曲線如圖中的Hl線。 圖2.1 給水流量作用下水位階躍響應 但是由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當水位下汽泡容積的變化過程逐漸

43、平衡時，水位的變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。因此，實際水位曲線如圖中的萬線，即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現出一段起始慣性段。用傳遞函數表示時，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。系統(tǒng)特性可表示為: 2-1 式中K1—反應速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)。 從式2-1可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性由一個積分環(huán)

44、節(jié)和一個滯后環(huán)節(jié)所組成，Kl、T1的數值可通過實驗測試求得，數值的大小同鍋爐的結構有關。有些鍋爐當給水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式2-1來表示它的動態(tài)特性，誤差較大，這時可選用下面近似計算： 2-2 式中，τ—給水量擾動后的純滯后時間，對非沸騰式省煤器的鍋爐，τ這時為30至100秒;對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ為100至200秒;K0一水位的反應速度。給水溫度越低，時滯τ亦越大。 由此可見，汽包水位調節(jié)對象的動態(tài)特性可以有二種形式:反應曲線變化最快的可用式(2

45、-1)表示，這時的動態(tài)特性可以等效為一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián);另外也可用式(2-2)表示，相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。對于不同的鍋爐設備，究竟采用何種形式的傳遞函數來表示它的動態(tài)特性，還要根據具體條件來定，原則是:表達特性最符合實際情況、傳遞函數式盡可能地簡單。 總之，汽包水位調節(jié)對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用二種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據鍋爐結構和汽化強度來定。 2.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性 在蒸汽流量刀擾動作用下，水位的階躍響應曲線如圖2.2所示。當蒸汽流量突然增加，從鍋爐的物料平衡關系看，蒸汽流量D大

46、于給水量磯水位應下降，如圖中曲線H1。但實際并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導致汽包壓力的下降。汽包內水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中的H2線。因此，實際的水位曲線為H1+H2，即為圖中的H。從圖中可以看出，當蒸汽負荷增加時，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升)，這種現象稱之為“虛假水位”。當汽水混合物中汽泡容積與負荷相適應達到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應該指出，當負荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2.2中H2的時間常數只有10~20秒。蒸汽流量擾動時，水

47、位變化的動態(tài)特性可表示為: 2-3 式中，Kf一一響應速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)。 K2一一響應曲線玩的放大系數 T2一一響應曲線的時間常數 圖2.2蒸汽流量擾動下水位階躍響應 “虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關，對于一般100一230噸/小時的中高壓鍋爐，如負荷階躍變化10%時，“虛假水位”現象可使水位變化達30一40毫米。由于“虛假水位”現象屬于反向特性，其出現的水位最大偏差很難依靠調節(jié)來克服，如果要求水位波動不能太大，只有限制負荷D的變化速

48、度或限制負荷一次變化量。 由此可見，汽包水位調節(jié)對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛假水位”現象，“虛假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比，在設計調節(jié)系統(tǒng)時必須考慮。 2.1.3燃料量B擾動下汽包水位的動態(tài)特性 汽包水位在燃料量B擾動下的響應曲線如圖2.3所示。當燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強度加大。如果負荷的用汽量不加調節(jié)，則隨著汽包壓力的增加，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時產生了汽包進出口工質流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現虛假水位現象，但由于燃燒率的增加也將同時導致汽包壓力

49、上升，它會使汽泡體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量D緩慢增加，故虛假水位現象要比蒸汽擾動下緩和的多。 圖2. 3燃料量擾動下水位階躍響應 2.2汽包水位控制方式 給水控制的任務是維持汽包中水位在工藝允許范圍內。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調節(jié)給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側的影響，也受到汽輪機側的影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應能限制汽包水位只在給定的范圍內變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。這里的沖量指的是變量。 圖2

50、.4汽包水位單沖量控制原理圖及方框圖 2.2.1單沖量控制方式 單沖量水位控制方式原理圖及方框圖如圖2.4所示。它是汽包水位自動調節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。此方式將水位測量信號經變送器送到水位調節(jié)器，水位調節(jié)器根據水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內。這種控制方式，在停留時間較長，負荷也比較穩(wěn)定的場合，再配上一些聯(lián)鎖報替裝置，也可以保證安全操作.但在停留時間較短，負荷變化較大時，采用此方式就不合適。這是由于: 1)負荷變化時產生的“虛假水位”，將使調節(jié)器反向錯誤動作，負荷增大時反向關小

51、給水調節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動很大，動態(tài)品質很差。 2)負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再由水位變化到閥動作己滯后一段時間。如果水位過程時間常數很小，偏差必然相當顯著。 3)給水系統(tǒng)出現擾動時，閥門動作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而調節(jié)閥動作，同樣不夠及時。 總之，單沖量汽包水位調節(jié)的優(yōu)點是:系統(tǒng)結構簡單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動后的反應速度比較慢、“假水位”現象不很嚴重的場合，采用單沖量水位調節(jié)是能夠滿足生產要求的。 2.2.2雙沖量控制方式 在汽包水位

52、控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構成了雙沖量控制系統(tǒng)。這樣不僅可以補償“虛假水位”的引起的誤動作，而且使給水調節(jié)閥的動作及時，如圖2.5所示。圖中，cl、q為加法系數，G2為蒸汽流量擾動下，汽包水位的傳遞函數。 圖2.5汽包水位雙沖量控制原理圖及方框圖 從本質上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋加單回路反饋控制系統(tǒng)的復合控制系統(tǒng)。這種調節(jié)系統(tǒng)的特點是: 1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調節(jié)的不良影響，當蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作，使調節(jié)閥一開始就向

53、正確的方向移動。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。 2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調節(jié)質量。當C1、C2選擇匹配時，系統(tǒng)的靜態(tài)特性是無差的。雙沖量調節(jié)由于有以上特點，所以能在負荷變化頻繁的工況下比較好的完 成水位調節(jié)任務。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調節(jié)是能夠達到調節(jié)要求的。 雙沖量調節(jié)存在的問題是:調節(jié)作用不能及時反映給水側的擾動，當給水量擾動時，調節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調節(jié)。因此，如果給水母管壓力經常有波動，給水調節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量調節(jié)。同時調節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難。 2.

54、2.3三沖量控制方式 目前鍋爐都向大容量高參數的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10-20秒內就會發(fā)生危險水位;如僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應，在一分鐘到幾分鐘內也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對水位控制要求就更高了。 鍋爐給水量在運行中經常會有自發(fā)性的變化，當幾臺鍋爐并列運行時，還可能發(fā)生幾臺鍋爐的水位調節(jié)互相干擾的現象。當某一臺鍋爐負荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動，而使其它鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調節(jié)中，對于給水量這種自發(fā)變化不能及時反映出來，要經過一定的遲延時間之后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化而被發(fā)

55、覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位調節(jié)又互相影響，使得調節(jié)過程非常復雜。 針對上述情況，為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調節(jié)基礎上引入了給水流量信號，由水位H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調節(jié)系統(tǒng)，汽包水位H是被調量，是主沖量信號，蒸汽流量D、給水流量W是兩個輔助沖量信號。 圖2.6汽包水位三沖量前饋一反饋控制原理圖及方框圖 1)前饋一反饋控制方式 前饋一反饋控制方式的原理圖及方框圖如圖2.6所示，從方塊圖上可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路:(1)是由給水流量W、給水分流器aw、調節(jié)器Gc。、調節(jié)閥Gv組成的內回路。(2)由水位調節(jié)對象G1和內回路構成的主回路。蒸汽

56、流量D、分流器aD、對象G2均在閉合回路之外，它的引入可以改善調節(jié)質量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以該系統(tǒng)的實質是前饋加反饋的調節(jié)系統(tǒng)。為了確保當負荷變化時水位無余差，必須保證物料平衡，由此確定分流系數aw，aD的值。 2)前饋一串級控制方式 前饋一串級控制方式的原理圖及方框圖如圖2.7所示，該方案與前饋一反饋控制方式相似，僅是加法器位置從調節(jié)器前移至調節(jié)器后。此方案不管系數如何設置，當負荷變化時，液位可以保持無差。 圖2.7汽包水位三沖量前饋一串級控制原理圖及方框圖 3． 模糊控制原理 3.1概述 3.1.1模糊控制的形成 人們往往都會有這樣的體驗，我們每天都會遇

57、到大量的模糊概念和模糊現象，比如，“天很熱”、“這小孩真漂亮”、“他的個子很高”等等，這里的“很熱”、“真漂亮”、“很高”都是模糊概念。它們無法用經典數學方法來度量，但是大家用這些模糊概念來描述時我們卻都能明白對方說的是什么意思，一般并不會引起誤解和歧義。正是由于模糊現象客觀存在于人類思維、社會現象和自然界中，為了描述這些現象形成了模糊數學。 模糊數學最早于1965，由美國加利福尼亞大學的L.A.Zdaha教授提出。它的出現打破了經典數學，“非對即錯”、“非0即1’’的局限性。模糊數學是建立在模糊集合基礎之上的，模糊集合相對于經典集合的最大不同就是引入隸屬函數。經典集合對集合中的對象關系進行

58、嚴格劃分，一個對象要么完全屬于這個集合，要么完全不屬于這個集合，不存在介于二者之間的情況。而模糊集合則允許其中的元素部分隸屬，即對象在模糊集合中的隸屬度可以取0到1中的任何值。 在控制工程中，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設計，都需要了解被控制對象的數學模型。但是工業(yè)生產過程中，要得到精確的數學模型有時是非常困難的，甚至是不可能的。然而，一個熟練的操作人員卻可以不依賴于數學模型，僅依賴于人的經驗知識、感覺和邏輯判斷，取得較好的人工控制效果。由此，人們加以總結，可以把憑經驗所采取的相應措施總結成一條條控制規(guī)則，如水位太高則減小給水量，溫度太低則增加燃燒量等等。由這些規(guī)則所構成的控制器對復雜的生產過程進行控制

59、，由于這些規(guī)則基于模糊邏輯，是模糊數學與控制技術相結合的產物，這種控制方式就是模糊控制 3.1.2模糊控制的特點 由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立數學模型，根據實際系統(tǒng)的輸入和輸出結果數據，參考現場操作人員的運行經驗，就可以對系統(tǒng)進行實時控制，實際是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。它具有如下一些突出優(yōu)點: 1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。 2)由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控

60、制對那些數學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 3)基于模型的控制算法及系統(tǒng)設計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異;但一個系統(tǒng)語言規(guī)則卻具有相對獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平。 4)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性，時變及純滯后系統(tǒng)的控制。簡單的模糊控制器與常規(guī)的控制器相比具有一定的優(yōu)點，然而它也存在一些缺陷: 1)精度

61、不太高。這主要是由于模糊控制表的量化等級有限而造成的，通過增加量化等級數目雖可以提高精度，但查詢表將過于龐大，須占用較大空間，使運算時間增加。實際上，如果模糊控制器不引入積分機制，原則上誤差總是存在的。 2)自適應能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當對象參數隨環(huán)境的變遷而變化時，它不能對自己的規(guī)則進行有效的調整，從而使其良好的性能不能得到充分的發(fā)揮。 3)易產生振蕩現象。如果查詢表構造不合理，或量化因子和比例因子選擇不當，都會導致振蕩。針對上述不足，人們提出了許多方案，模糊PID功控制就是其中常用且有效的一種形式。 3.2 模糊控制系統(tǒng)組成 一．組成部分 模糊控制系統(tǒng)一般可分

62、為五個組成部分：1）模糊控制器，是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分。2）輸入/輸出接口。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控制對象獲取數字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數字信號經過數模轉換，將其轉變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉換外，還包括必要的電平轉換電路。3）執(zhí)行機構。各類電動機、調節(jié)閥等。4）被控對象。對于那些難以建立精確數學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。5）傳感器。傳感器是將被控對象或過程的被控量轉換為電信號的一類裝置。 給定 被控對象 A/D 模糊控制器 D/A 執(zhí)行機構 傳感器 被控量 圖3.1 模糊控制系統(tǒng)圖 二．模

63、糊控制器的基本結構 知識庫 模糊化 模糊推理 清晰化 控制對象 輸出 圖3.2 模糊控制器的基本結構 模糊化的作用是將輸入的精確量轉換為模糊化量。其輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過程如下： 1）首先對這些輸入量進行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量。 2）將上述已經處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。 3）將已經變換到論域范圍的輸入量進行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應的模糊集合來表示。 三．知識庫 知識庫包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標。它通常由以下兩部分組成。 1）數據庫。數據庫所存放

64、的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值，若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數。在規(guī)則推理的模糊關系方程求解過程中，向推理機提供數據。數據庫中包含了與模糊控制規(guī)則及模糊數據處理有關的各種參數，其中包括尺度變換參數、模糊空間分割和隸屬度函數的選擇等。 ①輸入量的變換。對于實際的輸入量，第一步首先要進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。論域可以是連續(xù)的，也可以是離散的。若要求離散的論域，則要求將連續(xù)的論域離散化或量化。量化查是均勻的，也可以是非均勻的。 ②輸入和輸出空間的模糊分割。模糊控制規(guī)則的輸入和前提的語言變量構成模糊輸入空間，結論的語言變量

65、構成模糊輸出空間。每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構成了語言名稱的集合。每個模糊語言名稱對應一個模糊集合。對于每個語言變量，其取值的模糊集合具有相同的論域。模糊分割是要確定對于互個語言變量取值的模糊語言名稱的個數，模糊分割的個數決定了模糊控制精細化的程度。 這些語言名稱通常均具有一定的含義。模糊分割的個數也決定了最大可能的模糊規(guī)則的個數，模糊分割數年越多，控制規(guī)則數年也越多，因此模糊分割不可太細，否則需要確定太多的控制規(guī)則，這也是很困難的一件事。當然，模糊分割太小癬導致控制太粗略。確定分割數主要依靠經驗和試湊。 ③模糊控制的完備性對于數據庫的要求：對于任意輸入，若能找到一個模糊集

66、合，使該輸入對于該模糊集合的隸屬度函數不小于ε。對于規(guī)則庫的要求:對于任意的輸入應確保至少有一個可適用的規(guī)則，而且規(guī)則的適用度應大于某個數，根據完備性要求，控制規(guī)則不可太少。 ④模糊集合的隸屬度函數。根據論域為離散和連續(xù)的不同情況，隸屬度函數的描述有如下方法：A、數值描述方法。當論域為離散，且元素個數為有限時，模糊集合的隸屬度函數可以用向量或表格的形式來表示。B、函數描述方法。對于論域為連續(xù)的情況，隸屬度常常用函數的形式來描述，隸屬度函數的形狀對于模糊控制器的性能有很大影響。通常，當誤差較小時，隸屬度函數可取得較為窄小，誤差較大隸屬度函數可取寬大些。 3.3模糊控制的工作原理 3.3.1模糊控制系統(tǒng)的組成 圖3.3模糊控制系統(tǒng)組成 模糊控制系統(tǒng)屬于計算機控制的一種形式，其組成類同于一般的數字控制系統(tǒng)，其組成框圖如圖3.1所示。一般可以分為五個組成部分: 1)模糊控制器:模糊控制的核心部分。一般為一臺微計算機，根據控制系統(tǒng)的需要，既可選用系統(tǒng)機、又可選用單板機或單片機。隨著近幾年來日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。模糊控制系統(tǒng)中的控制器采用的是基于知識