锅炉汽包水位模糊PID控制的研究毕业论文.doc
锅炉汽包水位模糊PID控制的研究锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制，其控制效果还可以进一步提高。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，非常适合用于非线性、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。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将Fuzzy-PID引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作:1)对现有的模糊PID控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊PDI控制方式进行结构及性能上的分析和比较。2)提出一种采用以误差e及其积分ei作为输入语句变量，以两个一维的模糊控制器对PID参数进行在线调整的控制方式进行了探讨。仿真结果表明，控制效果有一定的提高。 3)微分作用对高频干扰十分敏感，容易导致调节品质下降。锅炉本身具有一定的滞后，若不加微分作用，则控制作用的及时性无法发挥。虽然工业锅炉内扰严重，但适当的加一点微分作用对于锅炉水位的控制有一定好处。本文对采用不完全微分型模糊PID的控制情况进行仿真研究，结果表明，控制效果较为理想。关键词 汽包水位模糊;PID;控制三冲量Boiler Water Level Fuzzy PID Control of ResearchAbstractBoiler is necessary power plant in the process of industry. In order to ensure the production and security, the auto-control of it is very important. The drum water level is an important variable to be controlled, it is hard to get the mathematic model of the water level with adjustive process. It is characteristic of nonlinearity, instability and time lag. The traditional control mode of three variable in the drum water level mostly use PID, the effect of it can be improved. The fuzzy control does not need precise mathematic model of the controlled object ,it only needs the experience of operator and the data of operating, it has good robustness and is fit to control the system with nonlinearity and lag. But its static characteristic is dissatisfactory, which limit the application of it. Based on the characteristic of water level control in boiler and fuzzy control, this paper does some exploratory works as follows on applying fuzzy-control to three-variable control mode in the drum water level:1）This paper summarizes the present forms of fuzzy-PID controller. It analyzes and compares the structure as well as performance of water level in boiler combing the characteristic of water level control in boiler.2) A control mode is brought forward,which is based on adjusting PID parameters on line via two single-dim entional fuzzy controllers which use error and its integral as input sentence variables. The result of simulation shows the better effect.3) The part of differential is sensitive to high frequency noise, and easily make the quality of adjust declining. Boiler has the characteristic of lag, the controller is not rapid enough if there is not differential item. Although industrial boilers have many inner-noises, it is good to water level control that properly adds a little of differential item in boiler. This paper studies the simulation of fuzzy PID control with incomplete differential type, the result of simulation show that the effect is good.Key word Drum water level; Fuzzy-PID;Three-variable- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论51.1 锅炉汽包水位51.2 锅炉汽包水位的系统结构61.3 汽包水位调节对象的特性71.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性71.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性10第2章 锅炉水位PID控制系统设计132.1 PID控制原理132.2 PID对控制的影响142.2.1 比例P调节142.2.2 积分I调节142.2.3 微分D调节142.2.4 PID控制器的参数整定152.3 汽包水位调节系统的设计162.3.1 单冲量水位调节系统162.3.2 双冲量水位调节系统172.3.3 三冲量水位调节系统192.3.4 汽包水位的三冲量PID串级控制系统212.4 本章小结22第3章 模糊控制233.1 模糊控制的产生与发展233.2 模糊控制的基本原理233.2.1 模糊控制系统组成233.2.2 模糊控制器的基本结构243.3 模糊PID控制器283.4 本章小结29第4章 自适应模糊PID控制系统设计304.1 自适应模糊PID控制器的设计304.2 三冲量自适应模糊PID控制系统344.3 三冲量自适应模糊PID控制与传统PID控制仿真结果比较374.4 本章小结39结论40致谢41参考文献42附录A英文原文文献43附录B对应的中文翻译50千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 锅炉汽包水位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年加利福尼亚大学的查德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年代才引入中国，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。汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热器爆管；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。本文设计了汽包水位三冲量PID串级控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统。提出了三冲量辅助信号对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状及本人的仿真结果，提出三维PID自整定规则。仿真结果表明三冲量自适应模糊PID控制系统提高系统抗干扰能力及鲁棒性，改善控制效果。锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用1。根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供热取暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1-1所示。 图1-1锅炉主要工艺流程图第2章 锅炉汽包水位的系统结构锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常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。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。锅炉汽水系统结构如图2-2所示。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变2。 图2-2锅炉汽水系统结构图2.1 汽包水位调节对象的特性引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么根据汽包物质平衡，则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式： (2-1)其中、分别为给水流量与进出汽包的蒸汽，F(t)为汽包水位的变化量。通过检测仪器（蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器）可得到、F(t)的信号，则从2-1式可得到： (2-2)其中c为锅炉截面积，为锅炉水重度，H(t)为水位；为水量流量系数，为流经水流量的节流装置的差压；为蒸汽流量系数，为流经蒸汽流量的节流装置的差压。对式(1-2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程： (2-3)其中，、分别与流量变送器的流量转换系数及展开的系数有关，、为水位变送器及汽包截面积有关的系数。下面我们着重讨论在给水和蒸汽流量两种主要扰动下水位对象的动态特性。1）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。2）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。2.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： (2-4)经拉氏变换后可得， (2-5)从式（1-4），可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： (2-6)对于中压锅炉，上式中的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(1-6)可以进一步改写为： (2-7)其中：反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的不变化速度，单位为毫米秒·（吨小时）。从式(2-7)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成，、的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式（2-7）来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(2-8)式近似计算： (2-8)给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，为30100 秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，为100200 秒；水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。反应速度及反应时间都用相对量来表示：定义为：当扰动量为100% (从满负荷突然变化到零），水位（以允许变化的范围为100%）的变化速度，单位为秒。定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反应时间为30秒。这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，由于出汽和进水流量的不平衡，水位将等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨/小时），则将在30秒钟水位下降20毫米。如果用反应速度表示，则当对于中压多汽包锅炉，为300秒；一般中压锅炉，=30100秒；高压锅炉<30秒。根据式(2-7)在阶跃输入下作给水扰动（假定在一定范围内汽包的横截面积不变，或变化不大）。可以得到如图1-3所示的反应曲线。由曲线可知：当突然加大给水量后（这时假定蒸汽量不变），给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低时更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”汽泡体积减少。进入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少所让出的空间，这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情况严重得多，甚至还可能出现“假水位”现象。t(s)t(s)H(mm)H(mm)hh1图2-3给水量扰动下的水位飞升曲线在这种情况下，水位变化的特性应该采用如下传递函数: (2-9)式中图2-4是给水作用下汽包水位的反应曲线。是只考虑物料不平衡，即给水量大于蒸发量而产生的上升曲线，它由式(2-9)中的1/这一项所确定，其特性表现为积分环节，无自平衡能力；是由于给水量增加，蒸发面以下汽泡容积的变化引起的。是由为迭加而成的。它的特性实际上是两个环节的并联。由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有三种形式：反应曲线变化最快的可用式(2-7)表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联；其次是用式(2-8)表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联；在有“假水位”的情况下，需要用式(2-9)来表示其动态特性。t(s)t(s)H(mm)H(mm)h2hh1图2-4采用沸腾式省煤器给水作用下的水位飞升曲线对于不同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性还要根据具体条件来定。原则是：表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单4。2.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以直接从式(2-3)导出（假定给水量不变）： (2-10)拉氏变换后可得： (2-11)则： (2-12)上式可以用两个动态环节的并联来等效，即： (2-13)其中，t(s)t(s)H(mm)H(mm)h1hh2图2-5蒸汽流量扰动下时的水位飞升曲线在蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2-5所示。对大部分调节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平衡。锅炉汽包水位对象，除上述对象具有的特性以外还有它特有的性质。当负荷设备的用汽量突然增加（假定供热量及时跟上），单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图2-5中h1所示，相当于式(2-13)中的1/这一项，是直线下降的。但是实际水位不是h1而是h ，在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且是上升的。这是由于锅炉汽包蒸发面以下和水管系统中蒸汽容积随负荷的变化而改变所致。在蒸发面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一部分蒸汽在某一段时间内处于水中在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之间有一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示： (2-14)式中,蒸发面以下的蒸汽容积k比例系数，随负荷不同而异汽化强度s 饱和蒸汽重度汽泡在水中平均停留时间当蒸汽流量D的阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度加，蒸发面以下蒸汽容积增加。汽泡体积膨胀而使水位变化的曲线如图2-5中所示，实际水位变化曲线就是和的迭加。从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升。这种特殊现象称为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图15中h2的时间常数只有1020秒。由于“假水位”而出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D的变化速度或限制负荷一次变化量。“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于一般100230吨小时的中高压锅炉加负荷阶跃变化10时，“虚假水位”现象可使水位变化达3040毫米。从以上动态特性分析中可以得到如下结论：(1)位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。具体特性可用三种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度来定。(2)水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“假水位”现象，“假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比。也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑3。第3章 锅炉水位PID控制系统设计3.1 PID控制原理在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由PID控制器和被控对象组成5。y(t)比例P积分I微分D被控对象r(t)+e(t)-+u(t)图3-1PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t）与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-(t)。将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为： (3-1)或写成传递函数形式： (3-2)式中比例系数；积分时间常数；微分时间常数。计算机控制系统是时间离散控制系统，对式(2-1)进行离散化，即为数字控制器，得到数字控制算法即位置式PID控制算法： (3-3)数字PID控制器的z传递函数为： (3-4)其中，比例系数；为积分系数；为微分系数。位置式PID控制算法是全量输出，计算时要对进行累加，计算机运算工作量大，而且，计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的。目前比较广泛应用的是增量式PID控制算法，其算式如式(3-5)，其输出是控制量的增量。 (3-5)3.2 PID对控制的影响3.2.1 比例P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即。比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大。为比例带，其中称为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。3.2.2 积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号成正比，即=e或。为积分速度，其中为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差，如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。3.2.3 微分D调节D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即，为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PD控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。3.2.4 PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带，积分时间和微分时间的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。1经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。2稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间到最大值，微分时间为0，比例带最大，使系统投试运行。待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图2-2所示。记录此时的临界比例带及两个波峰的时间,利用和值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数、。3衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图2-3所示。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4:1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和的数值。利用4:1衰减整定参数表求得控制器的PID数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。图3-2稳定边界法曲线 图3-3衰减曲线法曲线3.3 汽包水位调节系统的设计3.3.1 单冲量水位调节系统单冲量水位自动调节如图3-4所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内7。PIH+图3-4单冲量水位调节系统从单冲量调节系统静特性看，单冲量调节器宜选用比例积分调节规律，如选用纯比例调节则： (3-6)式中汽包水位；水位的给定值；调节器比例度；调节阀开度。调节结果水位必定有余差。调节系统的静特性如图3-5所示，图中虚线表示在蒸汽流量变化时“虚假水位”所能达到的极限位置。增负荷后，调节系统达到稳定时，新的稳定水位就比原来的稳定水位要低。当蒸汽负荷稳定在最大值时，稳定水位达到静态特性的最低值。下一步发生的负荷变化只会使负荷降低，而不可能再提高，由于降负荷引起的“虚假水位”必然是使水位进一步下降。反之，当蒸汽负荷稳定在最小值D时，则稳定水位达到了最高值，而下一次因负荷增大造成的“虚假水位”使水位还得上升，因此从锅炉的运行观点看单冲量纯比例调节系统的这种下降的静特性将造成极大的水位波动，因而是不合适的，采用比例积分调节规律，可以消除水位的静态偏差，因而使水位的波动幅度减少。单冲量汽包水位调节的优点是；系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：(1)这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡。(2)从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位己经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。D1Dt(s)H(mm)图3-5单冲量纯比例调节系统静特性3.3.2 双冲量水位调节系统对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，称作前馈控制，在理论上，它可以消除扰动引起的偏差。在汽包水位双冲量调节系统中引入蒸汽流量为前馈信号，构成如图3-6所示的双冲量水位自动调节系统。这种调节系统的特点是：(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)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静特性，提高调节质量如调节器选用纯比例调节规律。则： (3-7)式中：静态前馈系数；蒸汽流量。在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了了补偿，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。+HD 3-6汽包水位双冲量调节系统原理图根据前馈原理，有如下关系式在稳定条件下代入式3-7可得： (3-8)从（3-8）式可以看出，在双冲量水位调节中，若加大蒸汽冲量的静态前馈系数使6，调节系统就具有向上倾斜的静特性，如图3-7所示。这种向上倾斜的静特性当蒸汽负荷稳定在最大值时，稳定水位达到静特性的最高值，降负荷时“虚假水位”信号与之有相反的方向这样既使汽包水位的波动范围大为减小。从式（3-8）可以看出，当时时，虽然调节器选用纯比例规律，系统的静特性是无差的，呈一条水平线。由此可见，调节系统的无差特性并非一定要用积分调节规律，采用多冲量调节用纯比例调节规律，也可以得到系统无差的静特性。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。在给水压力比较平稳时，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当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，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。HD图3-7双冲量纯比例水位调节系统静特性3.3.3 三冲量水位调节系统近代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1030秒内就会发生危险水位，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。这样对水位控制要求就更高了。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，要经过一定的迟延时间之后，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，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，由水位、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，如图3-8所示。在这个系统里，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量、给水流量W是两个辅助冲量信号。、引入系统的符号，根据各自信号的增减对水位H的影响来定。如蒸汽流量，当>时，水位H降低，要使水位H不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值，所以引入系统的符号为“+ ”。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。（一）三冲量水位调节系统的分析 图3-8是三冲量水位调节系统的原理图。从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(l)是由给水流量W、给水分流器、调节器、调节阀组成的内回路。(2)由水位调节对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量、分流器、对象：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。所以三冲量调节的实质是前馈加反馈的调节系统。图3-8三冲量汽包水位调节系统-+D+-+H+F2图3-9三冲量水位调节系统原理图在这个系统里，内回路相当于串级调节的副环，当给水流量产生扰动时（给水流量的扰动也称内扰），由于副回路的快速调节作用，将对水位影响较小。在分析内回路时可认为主回路是开路，内回路是一个随动系统。内回路的方块图可表示为图3-10。如果把调节器以外的环节都看作是调节对象，那么调节对象的动态特性近似为比例环节，这样调节器的比例带和积分时间可设置得较小。其中,因此可认为： (3-9)图3-10水位调节系统内回路方块图在内回路分析基础上，可以画出主回路的简化方块图3-11，从图3-11可以看出，主回路也是一个单回路系统。调节对象以给水量W作为输入，以水位H作为对象的输出。等效调节器是比例调节器，等效比例带。（二）蒸汽流量分流系数的选择蒸汽流量信号不在调节系统闭合回路之内，因此它的大小不影响调节系的稳定性。蒸汽流量信号的大小原则上可以这样来定，当蒸汽流量发生扰动时利用这个扰动信号作为调节信号，通过调整按水位H变化很小或基本不变8。 (3-10)IWHD+-+图3-11水位调节系统主回路简化方块图这样就要求取值(3-10)式值时，就可实现蒸汽流量扰动下水位不变的设想。但这时的就不是一个简单的系数，而是一个复杂的动态环节。一般情况，要是一个比例环节，在负荷变化时就能把锅炉水位控制在允许的范围内。通常都根据蒸汽流量信号与给水流量信号静态配合的原则来选择、如果要求在整个负荷范围内，水位的稳定值不变，则取： (3-11)即蒸汽流量信号的前馈系数等于给水流量信号的分流系数。3.3.4 汽包水位的三冲量PID串级控制系统由于在采用三冲量，在系统中控制器的输入端有三个输入信号，这就水位极易引起偏差，因此，本文根据汽包水位控制系统的运行情况，提出了消除三冲量调节系统消除水位控制偏差的两个方法:(1)辅助信号自消的方法。所谓自消就是辅助信号经一个不完全微分环节(或带滤波器的微分环节)得到信号再加至控制器，当系统稳定时有： (3-12)(2)辅助信号对消的方法所谓对消就是辅助信号满足对消条件。设有两辅助信号和,满足对消条件： (3-13)本文汽包水位控制系统采用三冲量PID串级控制系统如图3-12所示。与一般串级系统不同的是引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，是一个带有静态前馈的串级控制系统。串级系统比三冲量系统多用了一个调节器，但它对信号的静态配合要求不很严格，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。水位偏差控制采用蒸汽流量与给水流流量对消方式来消除偏差即取。其中,、分别为蒸汽流量、给水流量、水位变送器的传递系数。为静态前馈系数。DW+
