锅炉汽包水位的模糊控制系统的设计(编辑修改稿)

锅炉汽包水位的模糊控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

在蒸汽流量干扰作用下，水位变化 的阶跃响应曲线会产生如图。 图 蒸汽流量扰动作用下的水位相应曲线 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 7 当蒸汽流量 D突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量 D大于给水量 W，水位变化应为 图 H1所示呈 直线下降。 但实际情况并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间 必导致汽包压力的下降。 汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线 如图 H2所示，先上升再趋于平缓。 而实际水位则为二者叠加。 从图中可以看出， 当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位 不仅 不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。 这种现象称之为“虚假水位”。 蒸汽流量振动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为： 1sT KsKD ( s )( s )HD ( s )( s )HD ( s )H ( s ) 2 2f21  （ 2 2） 式中， fK 飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量里水位的变化速度，htsmm ； 2K 响应曲线 2H 的放大系数； 2T 响应曲线 2H 的时间常数。 虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。 对于一般 110t/h～300t/h的中高压锅炉，当负荷变化 10%时，虚假水位可达 30～ 40mm。 虚假水位现象属于反向特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设计时，必须引起注意。 第 节 汽包水位的几种常规控制方法 要控制汽包的水位主要通过对给水进行控制，因为在影响汽包水位的因素中 ，给水最为主要，燃料量的扰动影响较小。 在汽包水位控制中，常以汽包水位为被控制变量，以调节给水流量为控制手段。 与此同时，汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位在较为稳定的范围内变化。 常用的方法多为三种：单冲量、双冲量及三冲量控制。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 8 单冲量控制系统即汽包水位的单回路液位控制系统 ： 图 单冲量控制系统 这里冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。 这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化 小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。 但是，在停留时间较短，负荷变化较大时，此方式会存在一些问题： （ 1） 当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作。 例如，蒸汽负荷突然大幅度增加时，虚假水位上升，此时控制器不但不能开大给水阀，增加给水量，反而减小控制阀，减少给水量。 等到 虚 假水位消失时，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度而发生事故，因此这种系统克服不了虚假水位带来的严重后果。 （ 2） 对负荷变化不灵敏。 负荷变化时，需引起汽包水 位变化后才起控制作用，由于控制缓慢，导致控制质量下降。 （ 3） 对给水干扰不能及时克服。 当给水系统出现扰动时，同样需等水位发生变化时才起控制作用，干扰克服不及时。 为了克服上面的三个问题，除了依据汽包水位以外，也可依据蒸汽流量和给水流量的变化来控制给水阀，将能获得良好的控制效果，这就产生了双冲量和三冲量水位控制系统。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 9 针对单冲量控制系统不以克服假水位的，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且也能提前发现负荷的变化，从而大大改善了控制品质。 将蒸汽流量信号引入 ，就构成了双冲量控制系统。 图 统的原理图及方块图。 图 双冲量控制系统 上图所示双冲量控制系统实质上是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的前馈 反馈控制系统。 这里的闪馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还须引入动态补偿环节。 双冲量的特点： （ 1）引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确 的方向移动。 因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。 （ 2）引入了蒸汽量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。 当1C 、 2C 选择匹配时，系统的静态特性是无差的。 双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。 在给水压力比较平衡时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。 双冲量调节存在的问题是 ：调节作用不能及时反映给水侧的扰动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。 同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 10 双冲量控制系统对于单冲量控制系统存在的第三个问题 对给水干扰不能及时克服，同样不能解决。 目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。 如果给水中断，可能在 10~20秒内就会发生危险；如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。 因此，对 水位的控制要求是很高的。 锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。 当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。 在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来。 要经过一定的延迟时间以后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。 针对上述情况，为了把水位控制稳定，大双冲量水位调节基础上引入给水流量信号，由水位 H、蒸汽流 量 D和给水流量 W组成了三冲量汽包水位控制调节系统，汽包水位H是控制变量，是主冲量信号，蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。 （ 1） 前馈 反馈控制方式 原理图及方框图如下，易知此系统包含两个闭合回路：第一个为给水流量 W、给水分流器 w 、调节器 cG 、调节阀 vG 组成的内回路。 第二个为水位调节对象 1G 和内回路构成的主回路。 蒸汽流量 D、分流器 D 、对象 2G 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。 所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。 为了确保当负荷变化时水位无余差，必须保证物料平衡，由此确定分流系数w 、 D 的值。 图 前馈 — 反馈控制系统 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 11 （ 2） 前馈 串级控制方式 前馈 串级控制方式的原理图及方框图如下所示，与前馈 反馈相类似，仅仅是将加法器位置由调节器前移至调节器后。 对于此方案不管系数如何设置，当负荷变化时，液位仍可保持无差。 图 前馈 串级控制系统 本文 拟在前馈 — 串级三冲量控制的基础上加入模糊控制，通过模糊控制选择合适的 PID中的比例系数、积分系数、微分系数来实现 PID控制器的整定，实现优化控制，避免了 传统 PID控制中的 难以 控制滞后、非线性及无法消除耦合 关联 的缺点。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 12 第 3 章 模糊控制原理 在现代控制过程中，当被控对象或过程存在非线性、时变性、多参数间的强烈耦合和较大的随机干扰，以及过程机理错综复杂、现场测量条件不足时，则不可能建立被控对象或过程的精确数学模型。 因此，基于模型的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员用手动进行控制的效果好。 这就使得模糊控制逐渐形成。 第 节 模糊控制的形成与 提出 假设我们需要控制炉温恒定，检测仪表给出的是炉温的精确量，操作人员将此精确量转化为头脑中的模糊的概念量，如“温度较高”，他用此概念与控制中的经验相匹配，得到“温度较高应减少燃料”的结论，进行工作。 在这里， 较高 便是一个模糊的概念，它没有确切的值。 在生活中，这种情况也很常见，如“天很热”、“真漂亮”、“个子很高”、“水流很急”等等。 它们无法用经典的数学方法来度量，但大家在使用过程中，也并不会产生误解与歧义。 为了对这些现象进行描述便渐渐形成了模糊数学。 模糊逻辑的概念最早源于 美国加利福尼亚大学的 1965年提出的模糊集合。 模糊控制是模糊集合论应用的一个重要方向。 模糊控制经历了 40多年的研究和发展已经逐步完善，尤其在其应用领域更是成果辉煌。 自从 1974年 首先利用模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制得到成功应用后，模糊控制的研究和应用就十分活跃。 1977年英国的 Pipps等人采用模糊控制对十字路口的交通管理进行实验，车辆的平均等待时间减少 7%。 1980年， Tong等将模糊控制用于潜水处理过程，取得较好的效果。 1983年，日本学者 Shuta Murakami研制成功了一种 基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，并成功地用于汽车速度的自动控制。 90年代以来，模糊控制的领域更加广泛，除了以往的工业过程应用以外，各种商业民用场合也大量采用模糊控制技术，如模糊控制洗衣机、模糊微波炉、模糊空调、地铁运行的模糊控制、机器人控制等。 模糊控制系统的应用对于那些测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判断它们的兼容性、一些复杂可变的被控对象等场合是有益的，利用模糊逼近来表示北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 13 它们是非常合适的。 在控制工程中，人们加以总结，可以把凭经验所采取的相应措施总结成一条条控制规则，如水位太高则减小给水量，温 度太低则增加燃烧量等等。 由这些规则所构成的控制器对复杂的生产过程进行控制，由于这些规则基于模糊逻辑，是模糊数学与控制技术相结合的产物，这种控制就是模糊控制。 第 节 模糊控制的优缺点 由于模糊控制不必建立数学模型，根据实际系统的输入和输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可以对系统进行实时控制，实际是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。 它具有以下几方面的优势： （ 1） 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象 的精确数学模型，因而使得控制机理和策略容易与理解，设计简单，便于应用。 （ 2） 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易用掌握或变化非常显著的对象非常适用。 （ 3） 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言规则却具有相对独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的方案，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制 的过程和方法，增强控制系统的适应 能力，使之具有一定的智能水平。 （ 4） 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 相对于它的优点，它依旧有一些缺陷： （ 1） 精度并不是太高。 这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通过增加量化等级数目虽可以提高精度，但增加量化等级的同时会使数据量大大增加，运算时间也大大延长。 其实，模糊控制器在不引入积分机制的条件下，误差是必然存在的。 （ 2） 自适应能力有限。 由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环境的北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 14 变迁而变化时，它不 能对自己的规则进行有效的调整，从而使其良好的性能不能得到充分的发挥。 （ 3）易产生振荡现象。 若构造的查询表存在不合理性时，或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡。 鉴于以上优缺点，人们提出了许多解决方案，其中 FuzzyPID控制就是常用且较为有效的一种形式。 第 节 模糊控制的基本原理 图 模糊控制系统的基本结构 以上为模糊控制系统的基本结构图，易得模糊系统由 5个主要部分组成： （ 1） 输入 /输出接口装置：模糊控制器通过输入 /输出接口从被控对象获取数字 信号量，并将模糊控制器决策的数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 在 I/O接口装置中，除 A/D、 D/A转换外，还包括了必要的电平转换电路。 （ 2） 模糊控制器：模糊控制的核心部分。 一般为一台微型计算机，根据控制系统的需要，既可选用系统机、又可选用单板或单片机。 随着近几年日本、美国推出的专用模糊芯片，也可以选用。 模糊控制系统中的控制器采用的是基于知识表示和规则推理的语言型控制器，这是模糊控制系统区别与其他自动控制系统的特点所在。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 15 （ 3） 执行机构：包括了各种交、直流电动机，伺服电 动机，步进电动机，气动调节阀，液压机构等。 （ 4） 被控对象：被控对象是一种设备或装置以及它们的群体，或是一个生产、自然、社会的生物等等的状态转移过程。 它可以是线性或非线性的、定常。