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控制的研究毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉汽包水位模糊PID控制的研究毕业论文.doc（53页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、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

2、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 Wate

3、r 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

4、 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

5、 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 b

6、oiler 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

7、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

8、 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

9、 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

10、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

11、 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

12、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

13、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。

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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+